應急行動方案決策研究綜述

王 喆，王世昌，涂圣友，蔣 壯

(1.武漢理工大學 中國應急管理研究中心,湖北 武漢 430070；2.安全預警與應急聯(lián)動技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430070；3.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院,湖北 武漢 430070)

隨著我國城市化和工業(yè)化進程的加快，各類突發(fā)事件頻繁發(fā)生，對社會和諧發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，并給政府執(zhí)政能力和應變能力提出了更高的要求。特別是非常規(guī)突發(fā)事件通常前兆不充分，事態(tài)演化缺乏規(guī)律知識和處置經驗，而且伴隨次生衍生災害。傳統(tǒng)應急行動方案(incident action plans，IAP)制定決策，通常是在應急預案的指導下，結合相關行業(yè)的標準作業(yè)程序(standard operating procedure，SOP)制定。但實際應急處置需要在信息缺失、資源稀缺、目標模糊和時間緊迫等情況下開展。隨著突發(fā)事件的復合性、不確定性、非常規(guī)特征日益明顯，學術界逐漸認識到傳統(tǒng)的決策方法用于應急行動方案決策的局限性。因此，發(fā)展和夯實應急決策理論，滿足快速科學制定應急行動方案的實際需求，成為保障應急處置有序開展的關鍵性工作。

一方面，應急決策者在大量的應急管理實踐中總結規(guī)律和經驗來指導應急行動方案決策，即描述性應急決策方法。大多數(shù)地區(qū)在應急管理實踐中積累了包括應急預案、應急案例、專家知識等3類資料，因此，依托這3類資料就形成了描述性應急行動方案決策方法的發(fā)展脈絡?；陬A案的應急決策方法根據預先設定的應急情景，設計可能的對策，并核定可動用的應急保障力量。但突發(fā)事件復雜多變，預案難以窮盡所有可能，往往只能給出應急行動的大致框架。為了彌補預案體系的局限，需建立應急案例庫，以借助歷史案例處置經驗指導當前應急行動方案決策。而對于應急行動方案制定中的非結構化環(huán)節(jié)，需要應急專家根據實際情況做出判斷和決策。為規(guī)范專家決策行為和提高決策效率，出現(xiàn)了臨機決策等應急決策方法，進而出現(xiàn)了建立專家知識庫，為應急決策者提供合理情報的研究。

另一方面，建立綜合應急管理平臺，運用仿真模擬和先驗論證來指導應急行動方案制定，是應急決策的重要方法，即規(guī)定性應急決策方法。由于應急決策有時間緊迫、資源稀缺、環(huán)境模糊等特殊性，現(xiàn)實中少有繪制決策樹進行方案優(yōu)選的情景，而是根據問題結構化程度，建立智能規(guī)劃或者調度模型。智能規(guī)劃是人工智能中通過知識推理制定行動方案的方法，能將有領域知識的非結構化決策問題推理為半結構化或結構化問題。而調度模型則將結構化決策問題建模為優(yōu)化問題，適用于資源和時間上的優(yōu)化。

綜上可知，不同的應急決策方法適用于不同的應急場景，且隨著研究的深入，各決策方法相互融合，共同發(fā)展，出現(xiàn)了更多的新方法。為幫助應急決策者科學合理地選用應急決策方法，筆者分析了現(xiàn)有描述性和規(guī)定性應急決策方法在應急行動方案制定中的應用，探討了各應急行動方案決策方法的特征及其適用場景，構建了規(guī)劃與調度相集成的應急行動方案決策框架，并分析了現(xiàn)有研究的不足，對未來發(fā)展提出了建議。

1 應急決策過程

突發(fā)事件應急管理中，應急決策是在復雜應急形勢下，確定應急目標，依據預案、案例、法律法規(guī)、專家經驗等知識，合理調配應急資源，制定應急行動方案，以管控突發(fā)事件，減輕后果的過程。根據“應急三角形”模型[1]，應急管理是預防和減輕突發(fā)事件對承災載體破壞的人為干預手段。應急決策[2]作為應急管理的核心，其主要環(huán)節(jié)如圖1所示。每個環(huán)節(jié)均包括戰(zhàn)略級、戰(zhàn)術級、操作級決策問題，以支持各項應急管理工作。應急決策方法中既包括對突發(fā)事件演化過程與處置經驗的描述性決策方法研究，又包括針對特定應急情景仿真推演和先驗論證的規(guī)定性決策方法研究。

圖1 應急行動方案制定決策流程

2 描述性應急決策方法

描述性應急決策方法適用于有大量處置經驗的應急決策問題，主要包括基于預案、基于案例和基于專家經驗的3類應急決策方法。

2.1 基于預案的應急決策方法

我國非常注重應急管理中預案的應用。針對“一案三制”[3]建設，我國學者在基于預案的應急決策方法研究中取得了豐碩的研究成果。如覃燕紅[4]總結了應急預案完整性、快速性、可操作性、費用合理等特點，認為基于預案的應急決策可減輕決策者壓力、縮短決策時間、增強決策的科學性。唐瑋等[5]認為應急預案有效性的提高，可以從預案生命周期中的編制、演練、評估、修訂上著手。劉曉慧[6]建立了應急決策本體模型，為應急預案的數(shù)字化和智能化提供了思路。

總之，基于預案的應急決策方法將應急預案中的資源和操作信息文本化、組件化，并通過預案調整等方式來進行應急行動方案制定。但對何時啟動何種預案，缺乏清晰的標準，難以指導復合型突發(fā)事件應急決策。同時由于突發(fā)事件復雜，預案難以窮盡所有可能，造成大多應急行動方案不能直接套用現(xiàn)成應急預案[7]。所以基于預案的應急決策不能靈活處理復雜應急情景，不能適應非常規(guī)突發(fā)事件應急決策的時效性。

2.2 基于案例的應急決策方法

基于案例的應急決策方法從歷史案例中，尋找與當前突發(fā)事件相同或者類似的源案例，結合現(xiàn)有突發(fā)事件修改源案例的應急行動方案，主要包括案例推理技術(case-based reasoning，CBR)[8]和基于案例的決策理論(case-based decision theory, CBDT)[9]。

CBR將決策過程規(guī)范為案例檢索、方案重用、方案修訂和案例保存的R4模型。而CBDT提取每個備選行動方案的相似案例，在考慮實施效果的基礎上，得出應急決策結果。FINNIE等[10]在R4模型中加入案例表達，建立了R5模型。汪季玉等[11]基于CBR，構建了應急決策支持系統(tǒng)的框架和運行機制，證明了案例推理的應用價值。

在應急案例的表示和儲存方面，蔡玫等[12]提出了二維信息案例表示方法，并給出了對應的案例檢索方法；黃超等[13]將文本案例推理技術和CBR結合，優(yōu)化了案例庫的組織結構。在應急案例搜索的成功率和效率方面，宋英華等[14]在城市洪澇災害應急行動方案制定中，引入置信規(guī)則庫專家系統(tǒng)推理方法(RIMER)，提出基于歸納索引法和RIMER的應急案例索引技術；封超等[15]將遺傳算法和粒子群算法等智能算法引入案例推理中的屬性權重計算環(huán)節(jié)?；趹卑咐臎Q策支持系統(tǒng)設計方面，袁曉芳等[16]在案例推理中提出了基于結構和屬性的雙重檢索策略，建立了煤礦瓦斯事故的應急決策系統(tǒng)。

總之，基于案例的應急決策方法能利用歷史案例的經驗求解新問題，在一定程度上彌補了單純依靠預案的局限，特別是在應急物資需求預測上體現(xiàn)出良好的實用價值。但是，CBR的核心是對噪聲數(shù)據較敏感的案例相似度進行計算，而在應急響應初期，需人為設置參數(shù)，可能會導致結果出現(xiàn)較大誤差。同時，CBR系統(tǒng)屬于增量式學習系統(tǒng)，隨著案例庫的增大，會出現(xiàn)冗余現(xiàn)象，導致系統(tǒng)性能變弱。

2.3 基于專家經驗的應急決策方法

基于專家經驗的應急決策方法需要決策者根據現(xiàn)場情況，結合自身經驗制定應急行動方案。應急決策需要在決策條件不充分的情況下進行，兩伊戰(zhàn)爭期間的Vincennes號事件[17-18]，美軍指揮官由于時間緊迫和目標模糊，錯誤地下令擊毀了沒有回應美軍呼叫的民航客機，導致乘客全部死亡。由于“不明身份飛機是民航客機”的概率很小，所以該指揮官的命令是符合經典決策論的。經過對此類事件的反思，研究者們指出不應直接將經典決策方法用于環(huán)境模糊、時間緊迫、資源稀缺、責任重大的應急決策。為此，學者們嘗試設計應急決策模型，以提高應急專家的效率，同時增加應急方案制定的科學性。

自然決策理論將應急決策者的現(xiàn)場決策行為作為出發(fā)點，對應急決策方法進行研究。其中，KLEIN[18]在再認/啟動決策模型中指出，決策者在動態(tài)環(huán)境中需要根據相似經驗對當前環(huán)境進行評估，并依據相似性等條件進行決策。COSGRAVE[19]以領導決策過程模型為基礎，在應急領域提出依據應急問題特性，以不同授權程度構建突發(fā)事件決策模型。MENDONCA等[20]將操作風險管理和黑板模型結合起來，為支持應急現(xiàn)場決策活動提出了應急管理臨機決策理論。

基于情景分析的應急決策方法是對歷史突發(fā)事件及其發(fā)展規(guī)律的認識和總結，將情景方法固化為情景模型，使應急決策能夠比較全面地考慮各種趨勢，并借助數(shù)學模型和專家經驗來處理半結構化問題。程先富等[21]基于情景分析法，分析了洪澇災害對各種應急情景的影響，為巢湖流域的洪澇防治提供了依據。張玲等[22]基于情景分析方法，考慮需求、成本等前提條件，分析了應急資源合理布局。

實際決策中還有多專家協(xié)作的情況,如葉光輝等[23]以特征融合、排名融合、意見融合為基礎，開發(fā)了多專家應急會診平臺，該平臺能多次匿名收集和分析各專家意見，最終得到收斂的應急決策結果。李綱等[24]使用D-S理論進行專家排名工作，再根據專家排名對多名專家的經驗建議進行融合。

總之，基于專家經驗的應急決策具有一定的靈活性，能借助專家的實際經驗，有針對性地處理突發(fā)事件的特殊情況。但是這類方法難以處理突發(fā)事件中計算量特別大的戰(zhàn)術推理和資源調度過程。

3 規(guī)定性應急決策方法

規(guī)定性應急決策方法通常適用于技術性要求較高的應急決策問題，側重于通過計算機仿真等手段改進決策效率。目前，規(guī)定性應急決策方法的應用大多以應急決策支持系統(tǒng)等綜合應急管理平臺的方式實現(xiàn)。由于應急決策時間緊迫、資源稀缺、環(huán)境模糊、責任重大等特征，現(xiàn)實中少有使用規(guī)定性決策中的決策樹進行方案優(yōu)選的情景，而是根據問題結構化程度，建立智能規(guī)劃或調度模型。特別是將人工智能等信息技術與規(guī)定性應急決策方法相結合的思路，已經展現(xiàn)出巨大的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。

3.1 應急任務調度

調度(scheduling)是運籌學的重要分支，其利用數(shù)學模型，在規(guī)定時間內將有限資源配置給一組特定任務[25]。在應急行動方案決策中主要用于物流組織、物資配送、緊急疏散等結構化程度較高的問題。

對于應急資源調度問題，LIST等[26]在處理放射性危險品轉運時，將調度模型引入應急決策。WEX等[27]為減少海嘯等災害帶來的損失，使用調度方法建立了決策支持模型。ZHENG等[28]提出了鐵路貨車的應急調度模型，該模型描述了多需求點、多供應點和貨物分配中心站。ZDAMAR等[29]將多品種網絡流量問題和車輛路徑問題相結合，建立了應急物流數(shù)學模型，并基于拉格朗日松弛設計了求解算法。SHEU[30]分析了應急物流和普通商業(yè)物流的不同特性，并提出了混合聚類模糊優(yōu)化方法來應對緊急物流需求。耿彪[31]基于GIS系統(tǒng)，建立了鐵路應急資源調度模型，該模型能預測資源需求，并考慮調配時間最短和出救點最少這兩個目標。

對于應急疏散類調度問題，ZILIASKOPOULOS等[32]以元胞自動機為基礎，提出了線性規(guī)劃模型，用以解決救援和疏散車流同步進行時總的加權行程時間最短的問題。CHIU等[33]提出了多優(yōu)先組的緊急疏散-救援組合模型。SAEED-OSMAN等[34]將離散時間內的人員約束疏散問題建模為整數(shù)優(yōu)化模型，與容量約束路線規(guī)劃算法相比，該模型在疏散時間和路線方面有明顯優(yōu)勢。

綜上，調度算法有較強的優(yōu)化性能，能處理應急行動方案決策中資源調度和人員疏散等結構化程度較高的問題。但應急任務調度算法建立了固定數(shù)學模型，針對特定優(yōu)化目標，并不能處理應急行動方案決策中戰(zhàn)略選擇和戰(zhàn)術推理等難以用結構化公式描述的問題。

3.2 應急智能規(guī)劃

智能規(guī)劃[35]是人工智能中專門研究動作推理的慎思型決策方法，其通過邏輯語言系統(tǒng)識別領域知識，并設計推理算法求取行動方案。國際智能規(guī)劃大賽[36]制定了智能規(guī)劃領域描述語言。其中，HTN規(guī)劃是集成任務分解的智能規(guī)劃方法，其推理過程與應急決策者制定應急行動方案的過程類似，因此在應急決策中應用廣泛。NAU等[37-38]研發(fā)的HTN規(guī)劃系統(tǒng)SHOP2實現(xiàn)了基于狀態(tài)的偏序前向任務分解過程，增加了公理推理、外部函數(shù)調用、變量綁定排序、分支定界優(yōu)化接口等功能，被廣泛應用于應急疏散等應急行動方案決策問題。TANG等[39]對HTN模型進行了時態(tài)擴展，用于求解荊江防洪中的疏散轉移問題。王喆等[40-41]對HTN 規(guī)劃中層次資源推理機制進行研究，提出資源增強型HTN 規(guī)劃模型REHTN，并應用于荊江防洪。SIEBRA[42]以HTN規(guī)劃系統(tǒng)O-Plan2為核心開發(fā)了I-X框架系統(tǒng)，提供了時間約束和條件執(zhí)行效果管理。DE-LA-ASUNCION等[43]通過引入因果鏈建立了時態(tài)增強型HTN規(guī)劃系統(tǒng)SIADEX，并在森林火災應急行動方案制定中得到了應用。SCHATTENBERG[44]設計了混合HTN規(guī)劃系統(tǒng)，通過與偏序因果鏈規(guī)劃的結合，較好地處理了規(guī)劃問題中的時態(tài)約束。

綜上，HTN規(guī)劃采用任務分解的方式實現(xiàn)動作推理，能有效支持應急行動方案決策。一方面，HTN規(guī)劃使用邏輯語言對層次化的應急行動方案制定過程進行管理，對缺乏詳細預案和相似案例，且無法建立數(shù)學模型的非常規(guī)突發(fā)事件，依然能利用動作推理進行應急行動方案決策。另一方面，HTN規(guī)劃利用計算機強大的計算能力，自動進行復雜的動作推理和資源配置，大大縮短了響應時間，提高了應急決策效率。

圖2 規(guī)劃與調度相集成的應急行動方案決策框架

3.3 規(guī)劃與調度相集成的應急決策方法

基于調度的應急決策方法準確快速，但是難以處理結構化程度低的決策問題?；谥悄芤?guī)劃的應急決策方法推理能力強大，但是優(yōu)化性能不佳。為此，學者們力圖將兩者集成起來，規(guī)劃與調度相集成的應急行動方案決策框架如圖2所示。MACEDO等[45]將CBR與HTN規(guī)劃相結合設計了ProCHiP規(guī)劃器，以處理不確定動態(tài)決策問題。PAIK等[46]將HTN和約束可滿足技術相結合，實現(xiàn)了規(guī)劃中邏輯推理和物理組合的結合，拓展了HTN的規(guī)劃能力。因此，隨著人工智能技術在應急管理領域應用的深入，規(guī)劃與調度相集成的混合型決策方法體現(xiàn)出廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結論

應急行動方案決策是應急決策者為應對突發(fā)事件，快速高效地制定切實可行的應急行動方案的過程，逐漸成為應急管理領域的研究熱點。應急處置實踐證明，成功的應急行動方案是開展應急救援行動的基礎保障。2003年“非典事件”促使國內學術界開始關注應急行動方案制定的社會意義，學者們以提高應急預案的實際效能為基礎，對構建權責分明的應急行動方案決策框架展開了研究。2008年汶川地震后，各地都加大了應急管理信息化建設力度，應急預案體系逐步健全，應急案例庫、應急專家知識庫和應急調度系統(tǒng)建設力度加大。借此契機，為解決應急行動方案制定問題，學術界出現(xiàn)了大量擴展傳統(tǒng)決策方法的研究。2015年天津濱海新區(qū)爆炸事故后，人們體會到應急行動方案決策失誤帶來的巨大危害，提高了對應急行動方案決策特殊性和重要性的認識。學者們在加強應急決策者臨機決策規(guī)律研究的同時，力圖通過提高應急行動方案制定的智能化水平，增強應急決策的容錯能力。2018年中國應急管理部成立，進一步推動應急指揮決策等應急管理研究，也促使災害學、人工智能、運籌學、控制科學、系統(tǒng)科學、管理科學等不同背景的學者進入應急管理領域，極大地豐富應急決策的研究內容、理論和方法。應急行動方案決策也由單純的決策科學問題，發(fā)展為綜合交叉的前沿問題。學者們不僅關注應急行動方案制定的科學合理快速，還關注其決策過程的智能化、人性化、多樣化和低風險等。

但由于社會發(fā)展、氣候環(huán)境、國際形勢等因素的變化，突發(fā)事件應急處置工作日益復雜，目前尚未很好地解決應急行動方案決策問題，可總結為以下5個方面：①人機協(xié)同的應急行動方案決策。現(xiàn)代應急行動方案決策責任重大，應急專家和智能系統(tǒng)都有其局限，應研究如何將兩者的優(yōu)勢結合，并研究人在回路的決策機制和方法。②大數(shù)據驅動的應急行動方案決策。大數(shù)據有助于分析和挖掘應急情報，并指導應急決策。但應急行動方案決策時間緊迫，同時環(huán)境模糊，情報分析工作復雜，如何利用大數(shù)據提高應急決策的效率和水平還有待進一步研究。③多源異構數(shù)據影響下的應急行動方案決策。應急處置工作通常需要分布在不同地區(qū)的、從事不同性質工作、平時缺乏合作的多個參與單位通過“平戰(zhàn)轉換”緊急集結，共同完成。條塊之間易產生多源異構數(shù)據，而如何自動抽取、驗證和轉換多源異構應急數(shù)據還需研究。④應急行動方案決策中的異常識別與處理?？焖侔l(fā)現(xiàn)并及時處理應急行動方案中可能存在的問題，是提高應急行動方案決策容錯能力的關鍵。未來可對應急行動方案決策的異常處理機制進行研究，還可引入魯棒決策解決應急行動方案制定問題。⑤應急行動方案決策中的不確定信息處理。應急行動方案制定的科學性不可避免地會受到不確定信息的影響，如何降低不確定信息的不利影響，制定合理的應急行動方案是富有挑戰(zhàn)性的工作。