应急决策的理论与方法探讨

第19卷第3期中国

2009年3月China

安全

Safety科学Science学报

JournalVol.19No.3Mar.2009

应急决策的理论与方法探讨

曾 伟

副教授

*

周剑岚 讲师 王红卫

教授

(华中科技大学系统工程研究所,武汉430074)

学科分类与代码:620.5099 中图分类号:X913.4 文献标识码:A资助项目:/十一五0国家科技支撑计划课题(2008BAB29B07-2);

图像信息与智能控制教育部重点实验室开放基金资助(200709)。

=摘 要> 围绕基于模板的规划、组织决策协调与基于Agent系统的协调机制以及马尔可夫决策规划等应急决策的关键理论与方法,对国内外相关研究进行分析与总结;提出以决策理论规划为应急决策研究的主要建模和分析框架;采用逻辑程序与规划相结合的思想,研究基于应急预案模板的应急决策规划方法;基于应急处置任务的时间、资源约束关系,研究应急处置任务的多Agent马尔可夫决策建模及求解方法。基于决策理论规划的应急决策理论可以很好地用于应急决策的多阶段动态过程建模,而且能够利用预案模板降低模型求解的难度。上述研究完善和丰富了应急决策的理论和方法,为科学的应急决策实践以及应急决策支持系统提供了一种理论和方法。=关键词> 应急决策; 基于模板规划; 协调; 马氏决策规划; 多Agent系统

ResearchontheTheoryandMethodsofEmergencyDecision2making

,Assoc.Prof. ZHOUJian2lan,Lecturer WANGHong2,Prof.ZENGWeiwei

(InstituteofSystemEngineering,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)

Abstract: Thepapergivesanoverviewofrecentresearcheffortsofplanningwithtemplates,organiza2tionaldecisioncoordination,multi2agentsystem(MAS)coordination,andMASMarkovdecisionprocess(MDP),whichareimportanttheoriesandmethodsofemergencydecision.Decisiontheoretic2planningispurposedasamodelingandanalysisframeworkfortheresearchofemergencydecision2making.Integrationoflogicprogrammingandplanningisusedtostudyemergencyplanningwithtemplates.Basedontemporalandresourceconstraintrelationshipsamongemergencytasks,MAS2MDPisusedtostudyemergencytaskplanning.Thetheoryofemergencydecision2makingbasedondecisiontheoreticplanningisusefultoestab2lishmodelofmulti2stagedynamicemergencydecisionprocess,andreducethecomputedifficultbyemer2gencytemplates.Theresearchenrichesthetheoriesandmethodsofemergencydecision2makingandguidesemergencydecisioninpractice.Theresearchwillalsoprovidetheoryandtoolsforemergencydecisionsup2portsystemofgovernments,organizationsandenterprises.

Keywords: emergencydecision2making; planningwithtemplates; coordination;

Markovdecisionprocess; multi2agentsystem

*文章编号:1003-3033(2009)03-0172-05; 收稿日期:2008-11-18; 修稿日期:2009-02-28

第3期 曾伟等:应急决策的理论与方法探讨

#173#

[8]

0 引 言

2003年/SARS0,2004年禽流感,2006年的松花江水污染,2008年的南方雪灾,汶川地震使人们深刻认识到公共安全与应急管理的重要性。公共安全涉及自然灾害、事故灾难、公共卫生、社会安全4个领域,是国家安全的重要基石。我国目前正处于经济社会转型期,突发公共事件处于上升时期,每年因危害公共安全的突发公共事件造成非正常死亡预案决策支持系统的实现。

[1]

上述对应急决策理论和方法的探讨还很初步,应急决策的普遍原理和一般性理论尚未成形

。

1 应急决策的特点

突发性公共应急事件具有发生、发展、演变的不

确定性、灾害程度难以预计等特征,需要针对应急事件发展演变的不同阶段,在应急预案的基础上制定应急处置方案。应急决策是利用应急预案知识进行超过20万人,伤残超过200万人,经济损失约占GDP总量的6%。未来20年是我国经济社会发展的重要战略机遇期,公共安全问题发生频度将大大

增加[1]

。

由于突发公共事件的突发性以及演变的高度不确定性,如何根据应急态势的演化动态生成、调整处置方案是应急决策研究的难点问题。目前,我国各级政府、组织、企业制定了各种应急预案,已初步建立了预案体系,为各种突发公共事件的应对处置提供指导。但是突发公共事件演变的高度不确定性,应急处置应在预案指导下实现动态调整。

突发公共事件的发生、发展往往经历不同阶段,一般包括危机发生、危机恶化、危机受到抑制并相对稳定、危机解除等多个阶段,每个阶段的应急工作有自身的特点。例如:汶川地震经历了从初期紧急的人员营救、物资救援,以防止危机态势的恶化,随着应急态势相对稳定,应急的重点转移到灾区的恢复、重建。因此,应急决策是基于应急预案指导下的决策过程,是涉及多部门协调合作的多阶段动态决策过程,如何根据危机态势和发展阶段进行动态的应急决策是一个值得研究的问题。

目前,国内外关于应急决策的研究主要集中在应急预案制定与管理、应急资源分配与调度、应急响应决策支持与指挥调度系统等方面。例如:

吴宗之提出了我国重大事故应急预案编制时应关注的主要因素和制定程序[2]

,将基于案例推理方法应用于应急预案管理和应急决策,得到了很多学者的关注[3]

。

L.Jenkins建立了如何选取特定应急场景使预案最具代表性的整数规划模型[4]

。

针对有关应急服务设施选址问题、多出救点组合优化问题以及应急资源运输调度问题,利用模糊

优化、遗传算法、目标规划等方法进行求解[5-7]

。

刘筱璇等从预案管理、预案自动生成、预案模拟演示、预案执行跟踪以及预案评估几个方面探讨了

决策规划的动态过程。

应急决策具有以下特点:

1)应急决策通常是在应急预案的基础上,根据应急目标和态势,动态制定应急处置方案。

2)应急决策是一个组织决策过程,是由多个部门、单位与个体参与的组织决策、协调的过程。3)应急决策是一个多阶段不确定性决策的动态过程。应急决策面对不确定的动态环境,包括:应急事件发生、发展、演变的不确定性,应急处置措施实施效果的不确定性,应急处置措施在时间、资源消耗上的不确定性等。应急决策过程是根据应急态势发展的不同阶段,进行多阶段不确定性决策的动态过程。

针对应急决策的上述特点,下面分别就基于模板的规划、组织决策协调与基于MAS(Multi2AgentSystem)的协调以及MAS马氏决策规划等应急决策的关键理论与方法进行研究现状分析。

2 应急决策的理论和方法

2.1 基于模板的规划

应急预案既是应急管理中的主要应急准备工作,又是应急处置的主要依据,在整个应急管理中起着关键作用。应急预案是基于对未来应急情况预测的基础上拟定的预案,因此,在应急情况下,需要根据实际态势,在应急预案指导下,动态生成应急处置方案。与基于预案的应急决策相类似的是被称为/基于模板的规划0方法(PlanningwithTemplates)。所谓模板,是指用于解决某类典型问题的标准化操作步骤,并作为解决新问题的出发点[9]

。应急预案正是一种处理应急事件的模板。采用模板有如下优点:

1)利用模板处理新问题时,可以专注于问题的特殊部分进行规划、求解,而对于问题的相同或相似部分,可利用模板提供的标准步骤来解决,从而降低

#174#规划的复杂性。

中国China安全Safety科学Science学报第19卷

Journal2009年

的规划还是一个新的研究领域。2.2 组织决策协调与基于MAS的协调

应急事件处置是一项多部门联合响应的工作,

要求参与处置的部门、单位和个人相互配合来完成任务,这就必须要有协调作保证。应急处置协调机制就是对应急突发事件监测、预防和快速反应的组织架构和运行机制。

与应急处置协调机制相关的、值得关注的一个2)模板一般列举了针对可能出现的情况应采取的行动。对于分布式的、需要相互协调的团队行动而言,可以根据模板,估计对方可能执行的行动,从而降低不确定性。

DanaNau等利用层次任务网(HierarchicalTaskNetwork,HTN)分解任务,并将特定问题领域的标准化操作步骤(模板)用于规划器,HTN及其规划器已

[10]

用于疏散规划、恐怖威胁评估等领域。A.Mul2vehill则利用模板来对工作流进行定义和描述,开发了相关系统用于危机行动任务规划领域[11]

。但是,上述方法没有涉及多阶段的不确定性决策规划问题以及组织决策协调问题。

要实现基于模板的自动规划,模板必须采用形式化模型。目前,我国各级政府、组织、企业制定了各种应急预案,已初步建立了预案体系,但这些应急预案大多是非结构化或半结构化的文字描述,因此,难以根据预案和应急态势自动生成应急处置方案。

应急预案的形式化描述主要采取基于知识表示方法中的框架、本体、逻辑语言等手段,例如:

M.Grathwohl等人将描述逻辑应用于应急预案的形式化描述,通过逻辑推理来实现对应急预案的一致性进行检验和态势评估。但该方法还有很多值得进一步完善的方面,例如:缺乏对资源、时序的表达和推理能力[12]

。

张建华等提出了采用面向对象基于框架的预案案例描述方法,并采用案例推理和规则推理相结合的方法实现预案案例的检索、重用和修正。但对于预案的动态属性,如应急活动、动态约束等方面的描

述较弱[13]

。

王文俊等以ABC本体作为上层本体,引入了多个表示应急预案的词汇,形成了应急预案的本体,将应急预案表示为(事件、工作流)对[14]

。

M.Hoogendoorn等从应急阶段辨识、应急组织结构分析和建模、任务与职责分析以及应急组织动态变化建模等方面,利用形式化描述语言)))时序轨迹语言(TemporalTraceLanguage,TTL)来描述应急预案,利用逻辑工具来对应急预案分析和比较,但没有涉及时间、资源等约束

[15]

。

李红臣等则利用实体-关系方法给出了包含应

急组织结构、应急资源、应急过程的预案模型[16]

。

无论是应急预案内容描述的完整性,还是形式化描述方法,目前的研究工作仅仅是起步或初级阶段,特别是如何构建应急预案模板以实现基于模板

研究领域是组织决策协调理论。

组织决策是组织中通过具有不同专业分工的成员,利用各自的知识和问题处理能力共同协调解决问题的过程。组织决策理论的核心是协调机制的研究,涉及目标(或利益)冲突的协调机制,任务冲突的协调、协商规则,包括共享资源的协调、协商规则(如协调、协商的内容、权限等),资源共享的体系结构(如集中、分布、层次模型)等。

从层次上划分,协调可以分为两类:

一类是系统层次上的结构协调,即组织结构的选择、各种组织规程的制定、组织成员之间的交互及对交互的管理;

另一类是成员个体层次上的协调,即成员个体根据与外界交互所获取的信息来理性作出决策的过程,表现为能够发现并依据组织任务(行为)之间依赖关系,使个体行为与整体行为的协调[17]

。

对于协调问题中任务之间的依赖关系,马巧云等详细分析了任务之间基于资源的依赖关系和任务之间基于时间的依赖关系,并给出了形式化描述

[18]

。

分布式人工智能,特别是有关MAS的系统构

建、交互、合作、协调、决策方面的研究,与组织决策协调理论相互交融,即基于MAS的组织决策协调,已成为组织决策与MAS研究的趋势[19]

。

应急决策的关键之一是应急组织成员间的动态协调方法和组织协调支持技术,研究应急管理的组织决策协调机制,并基于MAS组织与协调机制实现应急决策将是应急决策研究的关键理论和方法之一。

2.3 MAS马尔科夫决策规划

应急决策过程是根据应急态势发展、演化的不同阶段,进行多阶段不确定性决策,生成应急处置方案的动态过程,是一类随机序贯决策问题[20-21]

。由于应急处置涉及多部门、单位和人员的合作,马氏决

第3期 曾伟等:应急决策的理论与方法探讨

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策理论(MarkovDecisionProcess,MDP),特别是MAS马氏决策理论是应急决策研究值得关注的理论方法。

F.Kozin等将MDP应用于地震灾后城市生命线等基础设施恢复重建的处置措施规划,其主要思想是将地震灾后城市生命线等基础设施的破坏程度离散化为系统状态,状态转移概率定义为系统状态、救援资源、生命线的地理和结构特点的函数,回报值则是利用空间经济学、基于系统状态定义的经济回马氏决策面临的最大问题之一就是实际问题的状态空间往往十分巨大,将逻辑编程和马氏决策相结合可以带来的显著优点是:利用马氏决策对预案中非确定的应急处理流程进行规划时,其规划空间

受到逻辑程序的约束。因而马氏决策规划在一个受约束的可达状态空间搜索求解策略,可以降低规划的复杂性。

3.2 基于协调机制的应急决策研究

报,利用MDP来求解救援资源配置的最优策略

[20]

。

A.M.Gadomski等采用MAS框架,将MDP和基

于案例推理用于应急行动的规划,构建了用于工业、恐怖应急管理的智能决策支持系统

[21]

。

有关MAS马氏决策规划的研究还很初步,特别是如何考虑应急处置任务应满足的时间、资源约束,任务之间的时序约束关系,以及时间、资源消耗的不确定性,目前MAS马氏决策规划研究的还较少。综上,对于应急决策所涉及的不确定性决策、组织决策、动态规划等方面的问题,从决策科学的角度来看,国内外已取得了较为丰富的研究成果,但是应急状态下的决策理论与方法研究则较少。基于模板的规划、组织决策协调与基于MAS的协调、MAS马氏决策规划等研究可以为应急决策提供理论与方法基础。

3 研究思路

基于应急决策的特点,以决策理论规划(deci2sion2theoreticplanning)为主要建模和分析框架,针对突发公共事件的不确定性、应急处置行动中的多部门协调性,基于预案的决策规划、基于协调机制的决策规划等内容进行研究,探索和完善应急决策的一般理论和方法体系。

3.1 应急预案的形式化建模与基于预案模板的决

策规划研究 采用逻辑程序与规划相结合的思想,研究基于预案模板的决策规划方法。即对于应急预案中确定的处置流程用逻辑程序进行描述,对于预案中需要根据应急态势确定和调整的处置流程引入马氏决策来动态规划生成。

多部门应急处置任务的协同主要表现为应急处置任务之间应满足时间、资源上的依赖、约束关系,不存在任务之间时序关系、资源共享关系上的冲突。

基于应急处置任务的时间、资源约束关系,研究应急处置任务网络的建模方法,将应急处置任务表示为网络结构模型;基于应急处置任务网络模型,研究应急处置任务的MAS-MDP建模及求解方法。将复杂的应急处置任务网络表示为MAS-MDP模型,其目的是利用MAS马氏决策求解最优的应急处置任务执行序列及其执行时间。由于MAS-MDP模型是基于应急处置任务时间、资源约束关系建立的,因此,求解结果也满足这些约束关系。

4 结 论

1)笔者针对应急决策的动态、不确定、多阶段、多部门协调等特点,分别就基于模板的规划、组织决策协调与基于MAS协调以及MAS马氏决策规划等应急决策的关键理论与方法进行了分析与总结,并提出了以决策理论规划为主要建模和分析框架,采用逻辑程序与规划相结合的思想,研究基于预案模板的决策规划方法。

2)基于应急处置任务的时间、资源约束关系,研究应急处置任务的MAS-MDP建模及求解方法。3)笔者研讨的结果不仅可以完善和丰富应急决策的理论和方法,而且在实际应急决策中如何进行科学决策也需要理论指导,可以为应急决策提供理论和方法基础。

4)我国各级政府、组织、企业正在开发各种应急管理决策支持系统,笔者的应急决策思路和方法可以为应急管理决策支持系统提供一种新的理论和手段。

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中国China安全Safety科学Science学报第19卷

Journal2009年

参考文献

[1] [2] [3] [4]

范维澄.国家突发公共事件应急管理中科学问题的思考和建议[J].中国科学基金,2007(2):71-76吴宗之.重大事故应急计划要素及其制定程序[J].中国安全科学学报,2002,12(1):17-21

张建华,刘仲英.案例推理和规则推理结合的紧急预案信息系统[J].同济大学学报,2002,20(7):890-894L.Jenkins.Selectingscenariosforenvironmentaldisasterplanning[J].EuropeanJournalOperationalResearch,2000,121(2):275-286

[5] [6] [7] [8] [9]

方磊,何建敏.应急系统优化选址的模型及其算法[J].系统工程学报,2003,18(1):49-54

刘春林,沈厚才.一类离散应急供应系统的两目标优化模型[J].中国管理科学,2003,11(4):28-32高淑萍,刘三阳.应急系统调度问题的最优决策[J].系统工程与电子技术,2003,25(10):1222-1224刘筱璇,薛安.突发公共事件应急预案支持系统的研究进展[J].中国安全科学学报,2007,17(9):87-91D.Dyer,S.Cross,C.A.Knoblock,eta.lPlanningwithtemplates[J].IEEEIntelligentSystems,2005,20(2):13-15

IEEEIntelligentSystems,2005,20(2):

[10] D.Nau,T.Au,O.Ilgham,ieta.lApplicationsofSHOPandSHOP2[J].

34-41

[11] A.M.Mulvehil.lAuthoringtemplateswithtracker[J].IEEEIntelligentSystems,2005,20(2):42-45

[12] M.Grathwoh,lF.deBertranddeBeuvron,F.Rousselo.tAnewapplicationfordescriptionlogics:disastermanagement[A].

ProceedingsoftheInternationalWorkshoponDescriptionLogics9'9[C].Linkoping,Sweden,,1999:56-60

[13] 张建华,刘仲英.案例推理和规则推理结合的紧急预案信息系统[J].同济大学学报,2002,30(7):890-894[14] 王文俊,孟凡阔,王月龙等.基于本体的应急预案研究[J].计算机工程,2006,32(19):170-172

[15] M.Hoogendoorn,C.M.Jonker,V.Popova,eta.lFormalmodellingandcomparingofdisasterplans[A].Proceedings

ofthe2ndInternationalISCRAMConference[C].Brussels,Belgium,2005:97-107

[16] 李红臣,邓云峰,刘艳军.应急预案的形式化描述[J].中国安全生产科学技术,2006,2(4):29-34

[17] A.Omicin,iA.Ricc,iM.Virol,ieta.lIntegratingobjectiveandsubjectivecoordinationinmulti-agentsystems[A].

Proceedingsofthe2004ACMSymposiumonAppliedComputing[C],2004:449-455

[18] 马巧云,陈学广,洪流.一种基于协调知识水平的协调问题描述方法[J].系统工程理论与实践,2005,25(7):

87-92

[19] 曾伟,费奇.基于Agent方法体系的ODSS研究[J].控制与决策,2000,15(6):753-755

[20] F.Kozin,H.Zhou.Systemstudyofurbanresponseandreconstructionduetocatastrophicearthquakes[J].Journalof

EngineeringMechanics,1999,116(9):1959-1972

[21] A.M.Gadomsk,iS.Bologna,G.D.Costanzo.Towardsintelligentdecisionsupportsystemsforemergencymanagers:

theIDAapproach[J].InternationalJournalRiskAssessmentandManagement,2001,2(3):224-242