水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能Petri網(wǎng)仿真模型

鄭霞忠，余　迪，陳　述,吳菊華

(1. 三峽大學(xué)湖北省水電工程施工與管理重點實驗室，湖北宜昌　443002； 2. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌　443002)

?

水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能Petri網(wǎng)仿真模型

鄭霞忠1,2，余迪2，陳述1,2,吳菊華2

(1. 三峽大學(xué)湖北省水電工程施工與管理重點實驗室，湖北宜昌443002； 2. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

摘要：綜合運用Petri網(wǎng)理論，提出系統(tǒng)效能分析的模型及方法優(yōu)化水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程及其響應(yīng)能力。首先，抽象應(yīng)急響應(yīng)過程鏈，對事件應(yīng)急響應(yīng)流程進行過程建模，然后，利用Petri網(wǎng)與馬爾可夫鏈同構(gòu)特性，確定應(yīng)急響應(yīng)流程系統(tǒng)可能出現(xiàn)的狀態(tài)集，構(gòu)建同構(gòu)的馬爾可夫鏈。最后，通過仿真計算得到突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程中各環(huán)節(jié)庫所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率及平均執(zhí)行時間等效能指標(biāo)并進行分析。以雅礱江流域某水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程為例，仿真計算并分析響應(yīng)系統(tǒng)主要效能指標(biāo)，結(jié)果表明：應(yīng)將協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)過程、應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評審和應(yīng)急后期環(huán)節(jié)作為處理相對耗時的關(guān)鍵，并采取措施著重改善，能為應(yīng)急管理層提高整個系統(tǒng)的運行效率提供參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急響應(yīng)； 效能仿真； Petri網(wǎng)； 水電工程； 突發(fā)事件

水電工程突發(fā)事件時有發(fā)生，提高其應(yīng)急響應(yīng)能力是工程應(yīng)急管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，對突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程建模，定量分析應(yīng)急響應(yīng)效能，對于優(yōu)化應(yīng)急處置流程、評估應(yīng)急響應(yīng)效能具有重要意義[1]。

建立應(yīng)急響應(yīng)流程模型是應(yīng)急響應(yīng)效能分析與評價的重要基礎(chǔ)，而工作流建模工具的合理選擇是前提。目前，隨著對工作流模型研究的不斷深入，已相繼提出和借鑒多種適用的建模工具去解決相關(guān)問題，劉志強等[2]采用統(tǒng)一建模語言(UML)對電廠設(shè)備檢修管理系統(tǒng)進行可視化建模，分析了火力發(fā)電廠設(shè)備檢修管理系統(tǒng)的功能需求；劉艷梅等[3]采用擴展事件驅(qū)動過程鏈(eEPC)的方法對企業(yè)業(yè)務(wù)過程建模，呈現(xiàn)了一個事務(wù)過程流程結(jié)構(gòu)的控制，通過整合業(yè)務(wù)過程中的靜態(tài)資源進一步優(yōu)化了企業(yè)業(yè)務(wù)過程；王莉等[4]使用事務(wù)過程執(zhí)行語言(BPEL)構(gòu)建企業(yè)業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)的框架，分析了BPEL業(yè)務(wù)流程執(zhí)行引擎結(jié)構(gòu)應(yīng)用執(zhí)行過程。高娟等[5]利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)流程語言(WSFL)來敘述網(wǎng)絡(luò)服務(wù)流程及描述商業(yè)流，提出了使用WSFL在多個服務(wù)提供者之間進行商業(yè)過程的模型。

這些工作流工具比較直觀、易理解，但較難準(zhǔn)確描述應(yīng)急管理措施之間的復(fù)雜關(guān)系，也缺乏針對應(yīng)急管理流程具體的形式化描述和評價。Petri網(wǎng)具有可視化圖形功能，直觀描述流程行動的關(guān)系，可對應(yīng)急流程結(jié)構(gòu)及性能進行數(shù)學(xué)定量分析，并能彌補以上建模工具的功能缺失。本文綜合考慮應(yīng)急響應(yīng)措施之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約及并行和同步關(guān)系，綜合運用Petri網(wǎng)的突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)建模方法構(gòu)建應(yīng)急響應(yīng)模型，計算水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)Petri網(wǎng)效能指標(biāo)，進一步剖析應(yīng)急流程信息擁擠的瓶頸環(huán)節(jié)及事件應(yīng)急處置的關(guān)鍵節(jié)點，為應(yīng)急響應(yīng)流程是否合理、高效、可靠提供評判依據(jù)[6]。

1應(yīng)急響應(yīng)流程

水電突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程是以應(yīng)急啟動、決策、行動以及恢復(fù)4個環(huán)節(jié)為邏輯主線[7]，依據(jù)水電工程突發(fā)事件的類別、可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢，被劃分為事件判定、應(yīng)急處置、應(yīng)急結(jié)束、后期處置等過程[8]。其主要流程內(nèi)容見圖1。

圖1　應(yīng)急響應(yīng)流程Fig.1　Graph of emergency response process

2應(yīng)急響應(yīng)流程效能分析

Petri網(wǎng)將變遷與隨機的指數(shù)分布引發(fā)延時相聯(lián)系，考慮活動時間因素，給Petri網(wǎng)的每個變遷相關(guān)聯(lián)一個引發(fā)速率，可解決工作流中活動發(fā)生時間問題[10]。目前，這一理論已廣泛應(yīng)用于動態(tài)離散系統(tǒng)的效能分析與控制研究[11]。

2.1Petri網(wǎng)模型的建立

為深入剖析水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程，綜合上述應(yīng)急響應(yīng)程序提煉所研究系統(tǒng)的應(yīng)急指揮過程，明確Petri網(wǎng)中庫所和變遷的具體含義(見表1)，將指數(shù)分布時延與相應(yīng)的變遷關(guān)聯(lián)，建立水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程所對應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2　水電工程應(yīng)急響應(yīng)流程的Petri網(wǎng)模型Fig.2　Petri net model for emergency processes of 　hydropower projects

庫所狀態(tài)情況含義變遷變化事件含義P1事故單位報送信息T1事故爆發(fā)后被發(fā)現(xiàn)P2事故被發(fā)現(xiàn)T2事故單位報傳信息P3應(yīng)急救援中心接收信息T3確定事態(tài)響應(yīng)等級P4相應(yīng)等級應(yīng)急響應(yīng)T4申請啟動公共應(yīng)急響應(yīng)平臺P5公共應(yīng)急響應(yīng)申請獲準(zhǔn)T5啟動應(yīng)急響應(yīng)平臺P6各部門協(xié)同應(yīng)急T6組建應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心P7應(yīng)急方案制定T7商討應(yīng)急方案P8應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心籌備T8各部門進行現(xiàn)場處置P9應(yīng)急處置完畢T9事態(tài)分析判斷P10完成求援方案擬定工作T10應(yīng)急響應(yīng)升級P11應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心成立T11應(yīng)急恢復(fù)P12明確事態(tài)信息T12調(diào)查評估P13應(yīng)急結(jié)束T13協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)P14總結(jié)評審結(jié)束T14瞬時變遷

2.2馬爾可夫鏈的構(gòu)建

確定Petri網(wǎng)中存在的可能狀態(tài)，以流程存在的各庫所Pi標(biāo)示狀態(tài)Mi(如狀態(tài)M6由庫所P6,P7,P8標(biāo)示，其表示應(yīng)急響應(yīng)進入緊急籌備應(yīng)急現(xiàn)場指揮中心，制定應(yīng)急方案，指揮各部門協(xié)同應(yīng)急行動狀態(tài)環(huán)節(jié)中)，得到可達(dá)標(biāo)示集(見圖3)，構(gòu)建其對應(yīng)可達(dá)圖。將圖中每條線上所標(biāo)注的引發(fā)變遷換成其平均引發(fā)速率，得出同構(gòu)的馬爾可夫鏈[12]，如圖4所示，圖中λi表示變遷Ti的平均速率。

圖3　可達(dá)標(biāo)示集Fig.3　Set of reachable indication

圖4　同構(gòu)的馬爾可夫鏈Fig.4　Isomorphic Markov chains

2.3穩(wěn)態(tài)概率的求解

(1)

(2)

2.4系統(tǒng)效能分析

在求得穩(wěn)態(tài)概率的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際變遷速率計算性能指標(biāo)[13]，并進一步分析找出影響系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)效能的主要因素。

3應(yīng)急響應(yīng)流程效能仿真

基于建立的Petri網(wǎng)水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)工作流模型，構(gòu)建馬爾可夫鏈，通過在應(yīng)急流程中引入事件參數(shù)，對過程進行仿真，輸出有關(guān)系統(tǒng)的效能指標(biāo)參數(shù)，并以此為依據(jù)對工作流模型效能進行分析[12, 14]。具體的仿真流程如下：

(1)初始化參數(shù)數(shù)據(jù)，輸入應(yīng)急流程各工作基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；

(2)設(shè)定最小時間事件，仿真過程中隨仿真時鐘的推進，滿足條件的變遷受激發(fā)，通過記錄每次激發(fā)的托肯(庫所中的對象)收取及釋放時間節(jié)點和對應(yīng)的變遷標(biāo)號[15]；

(3)確定變遷的發(fā)生和托肯轉(zhuǎn)移，經(jīng)過多次循環(huán)，實現(xiàn)仿真程序的運行。

4實例分析

4.1應(yīng)急效能參數(shù)

對雅礱江流域某水電工程突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)流程進行模型仿真，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案演練的樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計變遷時延參數(shù)T1～T13及對應(yīng)的變遷發(fā)生率參數(shù)λ1～λ13，如表2所示。

表2　變遷時延參數(shù)

4.2Petri網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)概率

根據(jù)式(1)中Q的定義，可得其轉(zhuǎn)移速率矩陣Q。

Q=

根據(jù)式(1)和(2)，計算得到每個狀態(tài)標(biāo)志穩(wěn)態(tài)概率值，如表3所示。

表3　狀態(tài)標(biāo)志穩(wěn)態(tài)概率值

4.3應(yīng)急響應(yīng)效能指標(biāo)

基于馬爾可夫鏈及穩(wěn)態(tài)概率計算Petri網(wǎng)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的效能指標(biāo)，主要包括庫所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率與系統(tǒng)平均執(zhí)行時間。

(1)庫所平均標(biāo)記數(shù)。計算得到各庫所平均標(biāo)記數(shù)的概率見表4。

表4　各庫所平均標(biāo)記數(shù)值

各庫所平均標(biāo)記數(shù)排序：c14>c5>c2>c6>c10>c11>c1>c3>c4>c7>c8>c9>c13>c12,可見，應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評審結(jié)束時的狀態(tài)表現(xiàn)最為繁忙，故精簡評審流程，強化各部門之間溝通、提升處置信息的反饋效率，能有效解決環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的信息堆積問題。

(2)變遷利用率。計算可得各變遷利用率數(shù)值，如表5。計算結(jié)果可知，協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)過程需要重點管理和監(jiān)督。

表5　庫所和變遷的定義

(3)平均執(zhí)行時間。為系統(tǒng)分析整個應(yīng)急流程的平均執(zhí)行時間，先將其分為應(yīng)急前期Q1(P1～P3)，應(yīng)急中期Q2(P4～P12)和應(yīng)急后期Q3(P13～P14)共3個環(huán)節(jié)[16]。計算得各環(huán)節(jié)平均執(zhí)行時間，NQ1=0.192 1，NQ2=0.534 5，NQ3=0.411 9，λQ1=0.005 5，λQ2=0.032 9,λQ3=0.005 5,TQ1=34.930 0,TQ2=16.250 0,TQ3=74.890 0。通過應(yīng)急響應(yīng)Petri網(wǎng)模型的仿真分析，結(jié)合工程實例資料，計算得到的應(yīng)急期間三環(huán)節(jié)運行執(zhí)行時間，結(jié)果表明應(yīng)急后期運行效率相對較低，需采用各種有效措施提高這一環(huán)節(jié)的運行效率，如采用檔案管理信息化方式提高效率。

5結(jié)語

(1)抽象協(xié)同應(yīng)急處置過程鏈，依據(jù)Petri網(wǎng)理論，建立了基于Petri網(wǎng)的水電突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)模型，借鑒庫所平均標(biāo)記數(shù)、變遷利用率及平均執(zhí)行時間等3個指標(biāo)，有效發(fā)掘應(yīng)急處置流程中瓶頸環(huán)節(jié)和處理耗時的關(guān)鍵活動，結(jié)合實例，對所建立模型進行定量化的效能分析。

(2)水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)流程效能仿真可為剖析應(yīng)急流程信息擁擠的瓶頸環(huán)節(jié)及事件應(yīng)急處置的關(guān)鍵節(jié)點，進一步優(yōu)化應(yīng)急處置方案提供依據(jù)。實例分析結(jié)果表明“協(xié)助公共應(yīng)急響應(yīng)”過程占用時間長、相對耗時；應(yīng)急系統(tǒng)總結(jié)評審結(jié)束狀態(tài)表現(xiàn)最為繁忙；應(yīng)急后期環(huán)節(jié)運行效率低。

(3)水電工程突發(fā)事件復(fù)雜多變，受時間與信息等約束，響應(yīng)決策難以協(xié)調(diào)與平衡各方利益，水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能分析方法仍需在實踐中不斷修正與完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭霞忠， 諶巧玲， 陳述, 等. 基于粗糙集的水電工程施工安全評價方法[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2011, 21(1): 82- 86. (ZHENG Xia-zhong, CHEN Qiao-ling, CHEN Shu, et al. Safety assessment method for hydropower construction based on rough set[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(1): 82- 86. (in Chinese))

[2]劉志強， 黃樹紅， 高偉. 火力發(fā)電廠設(shè)備檢修管理系統(tǒng)的UML建模[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2001, 29(4): 90- 92. (LIU Zhi-qiang, HUANG Shu-hong, GAO Wei. Modeling equipment maintenance management system of power station with UML[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology, 2001, 29(4): 90- 92. (in Chinese))

[3]劉艷梅， 鄭國君， 祁國寧. 基于擴展事件驅(qū)動過程鏈(eEPC)的企業(yè)業(yè)務(wù)過程模型的仿真[J]. 制造業(yè)自動化, 2004, 26(2): 18- 22. (LIU Yan-mei, ZHENG Guo-jun, QI Guo-ning. Simulation of enterprise business process model based on extended event process chain[J]. Manufacturing Automation, 2004, 26(2): 18- 22. (in Chinese))

[4]王莉， 劉厚泉， 吳雪峰. 基于BPEL的業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)架構(gòu)的研究與應(yīng)用[J]. 計算機工程與設(shè)計, 2006, 27(18): 3507- 3510. (WANG Li, LIU Hou-quan, WU Xue-feng. Research and application on business process management system architecture based on BPEL[J]. Computer Engineering and Design, 2006, 27(18): 3507- 3510. (in Chinese))

[5]高娟， 姜利群. 基于WSFL的Web服務(wù)組合[J]. 計算機工程與設(shè)計, 2006, 27(9): 1652- 1655. (GAO Juan, JIANG Li-qun. Web service composition based on WSFL[J]. Computer Engineering and Design, 2006, 27(9): 1652- 1655. (in Chinese))

[6]FRACA E, JULVEZ J, SILVA M. On the fluidization of Petri nets and marking homothecy[J]. Nonlinear Analysis: Hybrid Systems, 2013.

[7]鹿新高， 鹿新陽， 鄧愛麗, 等. 基于3S的三維可視化防汛減災(zāi)指揮系統(tǒng)[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2010(4): 68- 72. (LU Xin-gao, LU Xin-yang, DENG Ai-li, et al. 3D visualization command systems for flood defense and damage reduction based on“3S”[J]. Hydro-Science and Engineering, 2010(4): 68- 72. (in Chinese))

[8]文杰. 水電工程項目突發(fā)事件應(yīng)急管理[J]. 人民長江, 2008, 39(9): 115- 116.(WEN Jie. Emergency management on hydropower project[J]. Yangtze River, 39(9): 115- 116. (in Chinese))

[9]李遷， 劉亞敏. 基于廣義隨機Petri網(wǎng)的工程突發(fā)事故應(yīng)急處置流程建模及效能分析[J]. 系統(tǒng)管理學(xué)報, 2013, 22(2): 162- 167, 176. (LI Qian, LIU Ya-min. Modeling and simulation of emergency management of construction incident based on generalized stochastic Petri nets[J]. Journal of Systems & Management, 2013, 22(2): 162- 167, 176. (in Chinese))

[10]WANG Chao, FENG Xiao-jing, LI Xi， et al. Colored Petri net model with automatic parallelization on real-time multicore architectures[J]. Journal of Systems Architecture, 2014, 60(3): 293.

[11]KOVALYOV A, MCLEOD R. New rank theorems for Petri nets and their application to workflow management[C]∥ Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics. San Diego, 1998: 1, 226- 231.

[12]宋佳興， 林闖. Petri網(wǎng)模型參數(shù)化可達(dá)圖研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2007, 19(增1): 38- 43. (SONG Jia-xing, LIN Chuang. Research on parameterized reachability graph of Petri net models[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(Suppl1): 38- 43. (in Chinese))

[13]林闖， 李雅娟， 單志廣. 基于隨機Petri網(wǎng)的系統(tǒng)性能評價[J]. 清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2003, 43(4): 475- 479. (LIN Chuang, LI Ya-juan, SHAN Zhi-guang. Performance evaluation of systems using stochastic Petri nets[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2003, 43(4): 475- 479. (in Chinese))

[14]舒華英， 胡志根， 劉全. 施工截流運輸系統(tǒng)的賦時Petri網(wǎng)模型及其仿真實現(xiàn)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2003, 15(11): 1501- 1505. (SHU Hua-ying, HU Zhi-gen, LIU quan. A modeling and simulation of construction closure for transportation system based on Timed-Petri nets[J]. Journal of System Simulation, 2003, 15(11): 1501- 1505. (in Chinese))

[15]鐘登華， 常昊天， 劉寧, 等. 高堆石壩施工過程的仿真與優(yōu)化[J]. 水利學(xué)報, 2013(7): 863- 872. (ZHONG Deng-hua, CHANG Hao-tian, LIU Ning, et al. Simulation and optimization of high rock-filled dam construction operations[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013(7): 863- 872. (in Chinese))

[16]張岳峰， 何建敏， 胡劍華. 基于GSPN的應(yīng)急管理工作流程建模與分析[J]. 統(tǒng)計與決策, 2012(4): 44- 46.(ZHANG Yue-feng, HE Jian-ming, HU Jian-hua, Capability simulation of hydropower projects emergency response on Petri nets theory[J]. Statistics and Decision, 2012(4): 44- 46. (in Chinese))

Capability simulation model for emergency response of hydropower projects based on Petri nets theory

ZHENG Xia-zhong1,2， YU Di2， CHEN Shu1,2, WU Ju-hua2

(1.HubeiKeyLaboratoryofConstructionandManagementinHydropowerEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China; 2.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Abstract：In order to optimize hydropower projects’ emergency processes and evaluate emergency response capability, the models and methods of system performance analysis have been proposed according to the theory of Petri nets. First, the model of events in emergency processes was established by abstracting the emergency response process chains. Then, based on the isomorphic characteristics between Petri nets and Markov chains, the state set that may arise in the emergency response system was set up, and thus isomorphic Markov chains could be developed. Finally, the performance analysis of the emergency response system could be made by calculating the average number of markers in various places in different linkage systems, the utilization of transitions and average execution time and so on. A hydropower project in the Yalong River was taken as an example, the analysis results of performance index show that some measures should be taken to improve the relatively time-consuming process of the public assistance emergency response procedures, and summarize the evaluation of emergency systems and post-emergency links, which can provide a reference for the emergency management to improve the operation efficiency of the entire system.

Key words：emergency response; capability simulation; Petri nets; hydropower project; emergent events

中圖分類號：X92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0063-08

通信作者：陳述(E-mail： chenshu@whu.edu.cn)

作者簡介：鄭霞忠(1963—)， 男， 湖北鄂州人， 教授， 博士， 主要從事安全科學(xué)與工程研究。

基金項目：湖北省教育廳自然科學(xué)研究項目(Q20151210)

收稿日期：2015-03-16

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.010

鄭霞忠， 余迪， 陳述， 等. 水電工程突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)效能Petri網(wǎng)仿真模型[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2016(1): 63-70. (ZHENG Xia-zhong, YU Di, CHEN Shu, et al. Capability simulation model for emergency response of hydropower projects based on Petri nets theory[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 63-70.)