基于模糊Petri網(wǎng)的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估*

陸秋琴，王 勃，黃光球

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

燃氣已經(jīng)處于城市能源組成部分的核心地位，在IEA成員國中，有16個國家的城市燃氣(即天然氣、液化氣)消耗量超過一次能源消耗總量的20%，其中7個國家超過30%[1]。我國現(xiàn)在正處于城市化、工業(yè)化的高速發(fā)展階段，城市的燃氣普及率已經(jīng)高達98.42%，每年的燃氣供應(yīng)總量約2 803億m3。隨著近年來城市燃氣供需缺口日益擴大、極端氣候、突發(fā)事故等方面的影響，導(dǎo)致城市的“氣荒”情況越來越嚴重，可能造成工業(yè)生產(chǎn)和電力供應(yīng)停滯，社會經(jīng)濟活動和日常生活難以正常運行；同時也可能引起社會的恐慌，短時間內(nèi)激發(fā)消費需求，引起消費劇增、價格暴漲，對社會穩(wěn)定造成嚴重的影響[2]。因此，針對城市愈演愈烈的“氣荒”狀況，通過對城市燃氣短缺應(yīng)急體系的評估，找出影響城市燃氣短缺應(yīng)急能力的主要因素，提出科學(xué)、有效的應(yīng)對策略，對提高城市突發(fā)性燃氣短缺的應(yīng)急能力具有一定的現(xiàn)實意義，同時也有助于減少由城市突發(fā)性燃氣短缺事故引起的各類經(jīng)濟損失。

針對以上不足，本文提出一種基于模糊Petri網(wǎng)的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估模型，該模型基于應(yīng)急能力影響因素間的關(guān)聯(lián)過程，評價城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力。該評估模型具有以下特點：

1)該模型能夠結(jié)合評估體系中一些模糊或不確定的影響因素，根據(jù)層次化的模擬仿真對影響因素眾多且因素間信息反饋不明確的復(fù)雜城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力進行評估。

2)該評估模型系統(tǒng)全面地從應(yīng)急的多個方面來構(gòu)建應(yīng)急能力影響因素體系，同時可以從不同層次間動態(tài)的應(yīng)急反饋過程，形象、直觀地顯示城市突發(fā)性應(yīng)急過程中的邏輯因果關(guān)系與機理，圖形化、科學(xué)化地對應(yīng)急過程進行仿真分析。

3)該模型的仿真過程通過采用極大代數(shù)運算來提高整體模型運算效率，同時采用AHP來減少應(yīng)急影響因素的評估主觀性，可以更加合理、有效地對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力進行評估。

1 應(yīng)急能力評估指標體系

1.1 指標體系構(gòu)建準則及步驟

城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力是指從城市整體應(yīng)急系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過政府部門的指揮決策、法規(guī)制度、應(yīng)急預(yù)案以及企業(yè)、人員、設(shè)備積極響應(yīng)等各方面因素參與下，對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急全過程的緊急應(yīng)對與事后恢復(fù)能力。在城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估過程中，評估指標體系的構(gòu)建是最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，它將直接影響應(yīng)急能力評估結(jié)果的科學(xué)性、全面性、可比性及有效性，但是影響城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力的各類因素中存在大量的主觀性與不確定性、耦合性的問題，因此必須用合適的評估準則進行深入地剖析來確定應(yīng)急能力評估體系。本文從應(yīng)急能力評估的目標出發(fā)，綜合考慮了法律制度、人員、設(shè)備、管理、指揮決策等因素，在篩選具體指標時以系統(tǒng)性、科學(xué)性、可行性為指導(dǎo)原則，遵循了(P)計劃-(D)實施-(C)檢驗-(A)改進的構(gòu)建程序[14]，建立能夠綜合反映城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力狀況的應(yīng)急指標體系。構(gòu)建步驟如圖1所示。

圖1 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急評估指標體系構(gòu)建步驟Fig.1 Construction steps of index system for emergency assessment of urban sudden gas shortage

1.2 評估指標體系的構(gòu)建

城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急是一個多階段且復(fù)雜的反饋綜合應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)體系，由監(jiān)測預(yù)警體系、資源保障體系、應(yīng)急響應(yīng)體系、應(yīng)急組織體系、后期恢復(fù)評估體系5個子體系共同構(gòu)成，各個子體系在城市突發(fā)性燃氣短缺事件發(fā)生過程中，共同對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對應(yīng)急系統(tǒng)影響因素內(nèi)容以及文獻[12]分析，建立包括5個二級指標和26個三級指標的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系，如表1所示。

表1 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估指標體系Table 1 Index system for emergency capability assessment of urban sudden gas shortage

1.3 應(yīng)急能力等級評判標準

表2 應(yīng)急能力等級評價標準Table 2 Assessment criteria of emergency capability grade

2 FPN評估模型及推理算法

2.1 模糊Petri網(wǎng)模型的定義

模糊Petri網(wǎng)是根據(jù)傳統(tǒng)Petri網(wǎng)不能處理評價指標的不確定性和模糊性的特征擴展而來，通過模糊集理論形成模糊Petri網(wǎng)評價體系來描述具有模糊行為的并發(fā)系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于各個復(fù)雜系統(tǒng)的模擬仿真等實際問題。城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急是一個復(fù)雜動態(tài)過程，模糊Petri網(wǎng)可以很好地展現(xiàn)出應(yīng)急行為變遷與反饋過程，還可以通過推理分析出影響因素之間的因果關(guān)系。

為了更明確地表達城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評價的模糊Petri網(wǎng)(USGSFPN)，將其定義為1個8元組，如式(1)所示。

USGSFPN=(P,T,D,IN,OUT,V,λ,M)

(1)

2.2 產(chǎn)生式規(guī)則的模糊FPN表示

根據(jù)USGSFPN的定義，每1個變遷都可以被看成是1個運行規(guī)則，那么變遷的輸入庫所(d1,d2,d3,,dn)和輸出庫所(dg)分別表示運行規(guī)則的前提條件和結(jié)論命題，可以通過邏輯聯(lián)接符號“and”或“or”進行因果表示。通過對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系分析，認為應(yīng)急系統(tǒng)中的某1個影響因素可能就會導(dǎo)致整體應(yīng)急能力下降。即IFd1(w1) ord2(w2)or,,ordn(wn)，THENdg(wg1)，變遷發(fā)生規(guī)則以及觸發(fā)規(guī)則如圖2所示。變遷的可信度數(shù)學(xué)表達式如式(2)所示[14]：

wg1=max(w1μ1，w2μ2,,wnμn)

(2)

圖2 USGSPFN模型推理規(guī)則Fig.2 Inference rules of USGSPFN model

2.3 模糊矩陣推理算法及步驟

1)模糊推理算法

在USGSFPN模糊推理之前，為了清晰、準確、簡潔地表達推理矩陣運算，推理過程中引入以下算子：設(shè)A,B,C均為n×m維矩陣，D為n維向量[16]，則有：

①加法算子⊕:A⊕B=C,則有cij=max(aij,bij),(i=1,2,,n;j=1,2,,m)

②乘法算子?:D?B=C,則有cij=di×bij,(i=1,2，,n;j=1,2,,m)

2)USGSFPN模糊推理步驟

根據(jù)相關(guān)算子規(guī)則進行模糊推理運算。首先將城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系轉(zhuǎn)化為USGSFPN網(wǎng)模型，根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的USGSFPN定義分別確定應(yīng)急能力影響因素集IN與應(yīng)急行為集OUT，其中|P|=n，|T|=m，相應(yīng)矩陣形式分別為IN={αij}，OUT={γji}；然后根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與應(yīng)急專家知識庫數(shù)據(jù)評估標準得到初狀態(tài)M(0)；根據(jù)層次分析法可得到應(yīng)急系統(tǒng)中各個應(yīng)急影響因素的權(quán)重值ωi，同時得到模糊變遷的置信度向量U={Ui}={ωi}。具體模糊推理計算步驟如下所示，其中，輸入包括：初始化輸入矩陣IN；輸出矩陣OUT；置信度向量U；應(yīng)急能力評判矩陣Q和初始狀態(tài)矩陣M(0)。輸出包括：各個庫所應(yīng)急能力評估值。

①步驟一：令初始狀態(tài)k=0，變遷發(fā)生時，初始應(yīng)急能力影響因素輸入庫所的可信度INTM(K)；變遷觸發(fā)后，應(yīng)急行為輸出庫所的可信度U?OUT。

②步驟二：計算變遷觸發(fā)生后的下一個狀態(tài)，應(yīng)急能力影響因素行為變更的可信度為M(k+1)=M(k)⊕(U?OUT)[INTM(k)]。

③步驟三：若M(k+1)≠M(k)，則令k=k+1，轉(zhuǎn)到步驟二；若M(k+1)=M(k)，則模糊推理結(jié)束。

④步驟四：計算各個庫所應(yīng)急能力等級F=M(k)QT，F(xiàn)為n×1階矩陣，表示n個庫所的應(yīng)急能力評估等級值,該矩陣的最后1個元素對應(yīng)的等級標準即為城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力指標綜合等級。

3 實例仿真

3.1 構(gòu)建FPN模型

為了驗證上述應(yīng)急能力模型和模糊推理算法的可行性和科學(xué)性，本文以西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急為例進行模擬仿真分析。通過基本的模糊規(guī)則邏輯關(guān)系將城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估指標體系(表1)轉(zhuǎn)化為FPN模型，如圖3所示。

圖3 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系FPN模型Fig.3 FPN model of emergency capability assessment system for urban sudden gas shortage

3.2 FPN應(yīng)急能力評估參數(shù)求解

根據(jù)USGSFPN的定義，可得到城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急FPN模型的輸入矩陣IN和輸出矩陣OUT，通過查閱《西安市統(tǒng)計年鑒2018》、相關(guān)歷史數(shù)據(jù)以及城市應(yīng)急專家知識庫等,以及分析歷史數(shù)據(jù)和專家評判法給出的庫所評估向量取值量化規(guī)則可得到初始評估向量矩陣M(0)，如式(3)所示。

(3)

IN={αij},α1,1=1,α2,2=1,α3,3=1,α4,4=1,α5,5=1,α6,6=1,α7,7=1,α8,8=1,α9,9=1,α10,10=1,α11,11=1,α12,12=1,α13,13=1,α14,14=1,α15,15=1,α16,16=1,α17,17=1,α18,18=1,α19,19=1,α20,20=1,α21,21=1,α22,22=1,α23,23=1,α24,24=1,α25,25=1,α26,26=1,α27,27=1,α28,28=1,α29,29=1,α30,30=1,α31,31=1,其余的輸入值αij=0,(i=1,2,,n;j=1,2,,m)。

OUT={γij},γ1,27=1,γ2,27=1,γ3,27=1,γ4,27=1,γ5,27=1,γ6,28=1,γ7,28=1,γ8,28=1,γ9,28=1,γ10,28=1,γ11,29=1,γ12,29=1,γ13,29=1,γ14,29=1,γ15,29=1,γ16,29=1,γ17,29=1,γ18,30=1,γ19,30=1,γ20,30=1,γ21,30=1,γ22,30=1,γ23,31=1,γ24,31=1,γ25,31=1,γ26,31=1,γ27,32=1,γ28,32=1,γ29,32=1,γ30,32=1,γ31,32=1,其余的輸出值γij=0,(i=1,2,,n;j=1,2,,m)。

3.3 影響因素的權(quán)重值計算

計算各影響因素的權(quán)重值(即變遷的置信度向量U)，根據(jù)城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急評估體系，以二級指標為例，通過層次分析法從應(yīng)急預(yù)警(B1)、資源保障(B2)、應(yīng)急響應(yīng)(B3)、應(yīng)急組織(B4)、后期恢復(fù)評估(B5)等5個方面確定指標權(quán)重，根據(jù)指標重要程度采用1～9標度法得到判斷矩陣A-Bi。經(jīng)歸一化處理后的權(quán)重值如表3所示。判斷矩陣A-Bi的λmax=5.353 239，CI=0.088 31,RI=1.12，進而求得CR=0.078 8<0.1,滿足一致性檢驗。

表3 A-Bi層判斷矩陣及指標權(quán)重Table 3 A-Bi layer judgment matrix and index weights

同理可得其他各變遷的置信度向量為：U={0.30,0.43,0.14,0.08,0.05,0.46,0.18,0.23,0.09,0.04,0.49,0.14,0.05,0.16,0.16,0.28,0.36,0.05,0.10,0.11,0.07,0.03,0.08,0.48,0.20,0.19,0.04,0.53,0.27,0.15,0.05}。

3.4 模糊推理運算

根據(jù)USGSFPN模糊推理步驟，利用MATLAB軟件進行模糊運算，由推理算法程序進行迭代得到最終的M(k)為：

M(2)=M(3)=[

根據(jù)最后一個元素為5.424,表明了西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力等級為中等；二級指標中，監(jiān)測預(yù)警能力為6.078，表明監(jiān)測預(yù)警方面能力等級較高;資源保障能力為6.204，表明資源保障方面應(yīng)急能力等級較高;應(yīng)急響應(yīng)能力為4.974，表明應(yīng)急響應(yīng)能力等級中等;應(yīng)急組織能力為5.464，表明應(yīng)急組織能力等級中等;后期處理能力5.572，表明后期恢復(fù)評估能力等級中等。三級指標應(yīng)急能力等級限于篇幅不詳細列出。

3.5 分析及建議

在USGSFPN評估模型中，由于上層指標支配著下層指標，同時下層指標共同制約著上層指標，因此使用下層指標評估等級均值來作為下層指標對上層指標的制約相關(guān)性閥值，若下層指標評估等級值低于閥值，則對上層指標的制約相關(guān)性越強。根據(jù)上述方法和仿真計算結(jié)果顯示，西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力水平為中等，制約綜合應(yīng)急能力的二級指標主要有應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急組織能力、后期恢復(fù)評估能力(閥值=5.658 4)。同理，通過數(shù)值分析可得對上述3個二級指標制約相關(guān)性較強的三級指標，并根據(jù)其相應(yīng)的不足對提升西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力提出建議。

1)在應(yīng)急響應(yīng)能力方面，應(yīng)建立應(yīng)急專項領(lǐng)導(dǎo)小組加強城市突發(fā)性事件應(yīng)急指揮決策反應(yīng)能力，總結(jié)、積累應(yīng)急事件經(jīng)驗，不斷完善突發(fā)性事件應(yīng)急預(yù)案的完整性，建立應(yīng)急響應(yīng)的預(yù)演機制、加強宣傳力度，使得政府和民眾應(yīng)急響應(yīng)能力進一步提升。

2)在應(yīng)急組織能力方面，精簡應(yīng)急單位、部門的數(shù)量并且做到明確應(yīng)急組織的責(zé)任劃分，建立城市區(qū)域間的聯(lián)動協(xié)調(diào)機制，不斷提升應(yīng)急組織效率的同時，也提高應(yīng)急組織能力的快速化和實效性。

3)在后期恢復(fù)評估能力方面，需要加強對應(yīng)急專業(yè)隊伍的建設(shè)和后期恢復(fù)資金的投入，來提高事后評估的準確性、減少恢復(fù)的時間，加強突發(fā)性事件后期恢復(fù)評估能力的建設(shè)也是為應(yīng)急能力的不斷提升打下堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)本文提出的模糊Petri網(wǎng)方法綜合考慮了系統(tǒng)中的各種影響因素，通過模糊推理和算法得到應(yīng)急能力等級評價指標，在某種程度上避免了影響因素分析的不確定性和主觀性問題，使應(yīng)急能力評估結(jié)果更加準確、有效。

2)通過對模糊Petri網(wǎng)模型及其推理算法在城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評價中的應(yīng)用，表明該方法不僅能夠評估城市應(yīng)急系統(tǒng)綜合的應(yīng)急能力等級，而且還能評估各個子系統(tǒng)的影響因素以及中間層的應(yīng)急能力等級，具有可行性、科學(xué)性和準確性的特點。

3)以西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急為例進行模擬仿真分析，最終根據(jù)模擬仿真結(jié)果，在應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急組織能力、后期恢復(fù)評估能力等3個方面提出措施建議。