海事應(yīng)急決策中基于置信規(guī)則的失誤擴(kuò)散模型*

支云翔 張金奮 范騰澤 吳 兵 汪 洋*

(武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

在應(yīng)急救援活動(dòng)中處于控制和管理的樞紐地位，稱(chēng)為應(yīng)急指揮中心，負(fù)責(zé)部署、組織和調(diào)度等一系列應(yīng)急處置活動(dòng)，各應(yīng)急處置單元據(jù)此做出的決策進(jìn)行應(yīng)急救援行動(dòng)[1-2].

由于應(yīng)急狀態(tài)中存在大量不確定性因素，應(yīng)急指揮人員在決策時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生并非最佳、甚至是錯(cuò)誤的應(yīng)急方案，即產(chǎn)生應(yīng)急決策失誤，并對(duì)后續(xù)的應(yīng)急行為產(chǎn)生不良的影響[3].提高對(duì)失誤致因的認(rèn)知來(lái)從源頭減少失誤發(fā)生，以及在決策工作流中增強(qiáng)對(duì)失誤的控制，是降低決策失誤對(duì)應(yīng)急處置產(chǎn)生不良影響的主要方式.

由于事故決策環(huán)境的復(fù)雜性，決策者的邏輯思考過(guò)程往往難以完整地重現(xiàn)，而規(guī)則推理具有同時(shí)兼容定量觀測(cè)數(shù)據(jù)和定性知識(shí)信息的特點(diǎn)，在決策過(guò)程的模擬上有較高的優(yōu)越性.梅江鐘等[4]將規(guī)則推理用作于案例相似度提升的修正，進(jìn)而增強(qiáng)案例選取的有效性.曲毅等[5]運(yùn)用置信規(guī)則庫(kù)推理將突發(fā)事件演化中存在的不確定性信息轉(zhuǎn)化為一致的信度結(jié)構(gòu).方志堅(jiān)等[6]使用基于信度的規(guī)則推理與雙邊匹配決策方法按方法結(jié)合，提高決策的準(zhǔn)確性.

應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)中各個(gè)決策單元的職責(zé)劃分直接影響應(yīng)急指揮的有效性，禹明剛等[7]在系統(tǒng)組織互操作性研究中強(qiáng)調(diào)“清晰的角色映射”.劉丹等[8]從開(kāi)放理性系統(tǒng)的視角將應(yīng)急指揮組織結(jié)構(gòu)分為應(yīng)急指揮協(xié)調(diào)中心、應(yīng)急輔助決策單位和應(yīng)急方案執(zhí)行單位.李安楠等[9]依據(jù)組織間的權(quán)責(zé)關(guān)系將劃分為決策層、協(xié)調(diào)層和能力層.余昊等[10]梳理了三峽庫(kù)區(qū)救援要素間的新國(guó)關(guān)系.

在借鑒現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，文中給出了單個(gè)應(yīng)急決策單元的推理模型，將信度引入決策單元的規(guī)則推理中，用以表示決策結(jié)果的不確定性.根據(jù)應(yīng)急指揮角色的功能劃分構(gòu)建應(yīng)急決策的網(wǎng)絡(luò)流模型，并說(shuō)明決策單元間信息的交互傳遞.在網(wǎng)絡(luò)流模型上提出決策失誤定義，基于失誤的反復(fù)性、潛在性、可預(yù)測(cè)性構(gòu)建失誤控制模型，最后將失誤控制模型應(yīng)用于應(yīng)急救援案例的決策推理中.

1 應(yīng)急單元的推理模型

1.1 應(yīng)急單元決策

應(yīng)急單元是應(yīng)急指揮中最小的單元，也是進(jìn)行應(yīng)急決策的最小單元.應(yīng)急單元決策就是決策主體通過(guò)對(duì)接收到的上級(jí)指令或事故信息的分析，根據(jù)自身的應(yīng)急執(zhí)行能力，面向應(yīng)急目標(biāo)，做出相應(yīng)的應(yīng)急決策，決策結(jié)果可作為指令信息指導(dǎo)下一步的應(yīng)急行為，也可以是應(yīng)急活動(dòng)對(duì)應(yīng)急對(duì)象進(jìn)行應(yīng)急處置.由于RIMER方法[11]是在傳統(tǒng)IF-THEN推理的基礎(chǔ)上引入分布式置信框架，能夠很好地處理定量數(shù)據(jù)和定性信息，因此擬在RIMER方法上構(gòu)建應(yīng)急單元決策模型.

1.2 RIMER方法

1.2.1置信規(guī)則庫(kù)的建立

(1)

1.2.2輸入值的轉(zhuǎn)化

i=1,2,…,T

(2)

1.2.3激活權(quán)重

計(jì)算規(guī)則Rk的激活權(quán)重wk，

(3)

1.2.4信度修正

由于突發(fā)事故情景具有復(fù)雜性，決策者可能無(wú)法完整地獲取需要的決策信息，因此針對(duì)規(guī)則Rk的輸入值可能是有缺失的.為解決這一問(wèn)題需要對(duì)規(guī)則Rk的輸出值的置信度進(jìn)行修正，為

(4)

1.2.5證據(jù)融合

n=1,2,…,N

(5)

2 應(yīng)急決策的網(wǎng)絡(luò)流模型

2.1 應(yīng)急決策工作流模型

按照在應(yīng)急救援活動(dòng)中的作用，可以將應(yīng)急指揮分為決策層、調(diào)度層和執(zhí)行層，其主體分別為應(yīng)急決策單元(emergency decision-making unit,EDU)、應(yīng)急協(xié)同單元(emergency coordination unit,ECU)以及應(yīng)急執(zhí)行單元(emergency execution unit,EEU).EDU負(fù)責(zé)救援方案的制定，ECU負(fù)責(zé)組織和調(diào)度EEU，EEU進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)事故處置.

具有自主決策的應(yīng)急主體組成協(xié)同組織網(wǎng)絡(luò).每個(gè)應(yīng)急主體可以進(jìn)行自主決策，它與其它主體進(jìn)行協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)急目標(biāo).每一個(gè)決策單元都會(huì)接收到來(lái)自外界或者其他的決策單元的信息或指令(輸入信息)，同時(shí)每個(gè)決策單元經(jīng)過(guò)自主決策之后也會(huì)對(duì)外界或者其他的決策單元發(fā)出指令或執(zhí)行動(dòng)作(輸出信息).

2.2 應(yīng)急決策網(wǎng)絡(luò)流模型

由于事故情景的復(fù)雜性，應(yīng)急指揮是多工作流組成的交互網(wǎng)絡(luò)，見(jiàn)圖1a).應(yīng)急指揮是一個(gè)群體決策的過(guò)程，決策網(wǎng)絡(luò)中的個(gè)體都會(huì)根據(jù)已有的決策規(guī)則、知識(shí)庫(kù)及事故信息，分析當(dāng)前情景態(tài)勢(shì)并判斷演化趨勢(shì)，提出適應(yīng)當(dāng)前事態(tài)的決策方案，形成決策循環(huán)直至事件結(jié)束.

圖1 應(yīng)急決策網(wǎng)絡(luò)流模型與證據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型

應(yīng)急決策流可分為由上而下執(zhí)行的指令流與自下而上傳遞的反饋流.每個(gè)應(yīng)急單元都會(huì)獨(dú)立地進(jìn)行決策，向下一級(jí)應(yīng)急單元發(fā)送指令信息，或向上一級(jí)應(yīng)急單元反饋.其中EEU會(huì)根據(jù)應(yīng)急任務(wù)的完成情況產(chǎn)生反饋.因此，在網(wǎng)絡(luò)流中產(chǎn)生的決策失誤也會(huì)隨著決策指令的傳遞而傳遞.

以船舶火災(zāi)事故為例，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，應(yīng)急決策中心(A)發(fā)現(xiàn)事故可以通過(guò)：①收到遇險(xiǎn)報(bào)警(I)，應(yīng)急決策中心命令數(shù)據(jù)處理中心(B)收集事故信息，如0→1→1,2；②船舶交通服務(wù)端(D)和視頻監(jiān)控端(E)發(fā)現(xiàn)船舶遇險(xiǎn)，將船舶信息和事故信息報(bào)告給數(shù)據(jù)處理中心，再傳遞給應(yīng)急決策中心，如4,5→6.應(yīng)急決策中心命令現(xiàn)場(chǎng)指揮中心(C)征調(diào)附近的巡航艇(H)和消防艇(G)赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火和落水人員救援調(diào)，并組織派遣救護(hù)車(chē)(F)趕赴事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人員救治.救護(hù)車(chē)、巡航艇、消防艇將事故救援信息反饋給現(xiàn)場(chǎng)指揮中心，并進(jìn)一步反饋給應(yīng)急決策中心，見(jiàn)圖2.

圖2 船舶火災(zāi)事故應(yīng)急工作流

3 失誤傳遞

3.1 工作流中的失誤傳遞

已有的研究根據(jù)決策失誤的表現(xiàn)形式，將群體決策失誤分為決策錯(cuò)誤、決策失效、機(jī)會(huì)失誤[12].由于應(yīng)急決策的主體是人，決策失誤具有反復(fù)性、潛在性、不可逆轉(zhuǎn)性以及一定的可預(yù)測(cè)性[13].決策失誤的反復(fù)性和可預(yù)測(cè)性決定了可以通過(guò)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)以及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且通過(guò)有效手段盡可能地減少；潛在性表示其在事態(tài)演變過(guò)程中會(huì)不斷傳遞和積累，并存在一個(gè)可能的觸發(fā)點(diǎn).因此，決策失誤會(huì)隨著決策工作流的進(jìn)行不斷傳遞和積累，直到與某種激發(fā)條件相結(jié)合帶來(lái)難以避免的后果.

研究工作流中的失誤傳遞，需要保證決策單元的連貫性，即在一條有向決策工作流中，前一個(gè)單元的決策輸出值可以轉(zhuǎn)化為后一個(gè)單元推理的輸入值.假設(shè)單元B與C為有向決策工作流中的相鄰決策單元，并有規(guī)則RB與RC為

式中：RB中的輸出值集合DB={DBi;i=1,2,…,N}，與RC中的輸入?yún)⒖贾导螦C={ACj;j=1,2,…,I}滿(mǎn)足：DB?AC.

3.2 失誤擴(kuò)散模型

應(yīng)急決策工作流中的失誤傳遞就是在既有工作流上分析因果關(guān)系，識(shí)別決策個(gè)體，計(jì)算失誤程度的變化.提出了一種應(yīng)急工作流中基于置信規(guī)則的失誤擴(kuò)散模型，首先通過(guò)證據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述工作流模型進(jìn)行優(yōu)化，繼而通過(guò)RIMER方法獲得決策結(jié)果，最后計(jì)算獲得決策失誤的偏差程度，應(yīng)急決策工作流中的失誤傳遞模型主要包括：①證據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型化處理；②單元決策模型構(gòu)建；③推理結(jié)果一致性轉(zhuǎn)化；④失誤分析.

3.2.1證據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型化處理

證據(jù)網(wǎng)絡(luò)是一種有向無(wú)環(huán)圖模型，是D-S證據(jù)理論運(yùn)行的基礎(chǔ).根據(jù)上節(jié)所述工作流模型，首先應(yīng)該注意到：①上級(jí)指揮單元向下級(jí)單元發(fā)送決策指令，下級(jí)單元向上級(jí)單元反饋指令執(zhí)行結(jié)果；②下級(jí)單元優(yōu)先執(zhí)行上級(jí)單元的決策指令，上級(jí)單元根據(jù)下級(jí)單元的反饋重新進(jìn)行決策.

將決策信息作為決策失誤的主要影響因素，針對(duì)既定決策群體在應(yīng)急指揮過(guò)程中決策失誤的傳遞進(jìn)行研究.決策信息主要包括資源信息，情景信息等.由于決策環(huán)境復(fù)雜性，決策信息稀缺或泛濫都會(huì)增加了決策失誤的機(jī)率，導(dǎo)致救援人力物資等資源不足，使得事故進(jìn)一步惡化.

下級(jí)單元無(wú)條件執(zhí)行上級(jí)單元的命令，等同于只有最高決策單元做出決策；上級(jí)單元會(huì)根據(jù)下級(jí)單元反饋的信息進(jìn)行二次決策，再對(duì)下級(jí)單位下達(dá)命令，每個(gè)單元都進(jìn)行推理決策.因此基于上述工作流模型的證據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1b).

3.2.2單元決策模型構(gòu)建

應(yīng)急單元的決策模型見(jiàn)圖3，應(yīng)急決策單元在接收上機(jī)指令或事故信息時(shí)，運(yùn)用模糊理論將其轉(zhuǎn)化為可用的信度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，以作為規(guī)則推理的輸入值；將輸入值與規(guī)定規(guī)則進(jìn)行匹配，計(jì)算出匹配程度并激活規(guī)則權(quán)重，對(duì)輸出結(jié)果的置信度進(jìn)行修正；運(yùn)用D-S證據(jù)理論將規(guī)則推理的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得最終輸出值的可信度作為決策結(jié)果.

圖3 應(yīng)急單元決策模型

3.2.3推理結(jié)果一致性轉(zhuǎn)化

推理結(jié)果的一致性轉(zhuǎn)化是指將各個(gè)單元推理所得的結(jié)果轉(zhuǎn)化為固定輸出量的信度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù).這個(gè)過(guò)程為決策單元的二次推理過(guò)程，即決策單元根據(jù)下級(jí)單元所提供的信息進(jìn)行推理獲得推理結(jié)果，并根據(jù)這個(gè)推理結(jié)果二次推理獲得固定輸出量的信度結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù).推理過(guò)程見(jiàn)圖4.

圖4 一致性轉(zhuǎn)化模型

通過(guò)推理結(jié)果的一致性轉(zhuǎn)化，決策工作流中所有單元的最終結(jié)果有同樣的信度結(jié)構(gòu)，可以更好地分析各單元之間的決策差異性，從而體現(xiàn)決策失誤在工作流中的擴(kuò)散.

3.2.4失誤分析

在實(shí)際工作中，應(yīng)急指揮人員的決策主要是依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷給出的.因此，由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏或者信息獲取的不完整，指揮人員會(huì)在決策過(guò)程中產(chǎn)生失誤，即決策偏差F.決策偏差F可由決策結(jié)果Y與理想結(jié)果Q的距離表示.

為方便計(jì)算，用置信度向量來(lái)描述每一次推理得到的信度結(jié)構(gòu)，

B=v(S)=(β1,β2,…,βN)

決策偏差可表示為推理結(jié)果Y1的置信度向量B1與理想結(jié)果Q的置信度向量B0的距離偏移，即決策偏差,引用文獻(xiàn)[14]中信度結(jié)構(gòu)向量的距離公式：

F(Y1,Q)=d(Y1,Q)=

(6)

4 案例分析

以陽(yáng)邏長(zhǎng)江江面20萬(wàn)t貨船起火事故為例，來(lái)說(shuō)明應(yīng)急決策失誤在工作流上的擴(kuò)散作用.2018年2月10日晚10：30，海事局水上指揮中心接到報(bào)警,青山王家屋錨地附近水域有一艘萬(wàn)噸貨輪失火.指揮中心隨即調(diào)遣兩艘海巡艇、兩艘大馬力拖船趕赴事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援，并通知長(zhǎng)航公安消防支隊(duì)派遣消防人員乘坐海巡艇同去滅火，消防人員于10 min后到達(dá)江邊.11：30將火撲滅，兩艘拖船將事故船舶拖往武鋼碼頭.據(jù)悉,船上裝有4 000 t鐵礦粉和10 t柴油，有4名船員.

案例中有一個(gè)EDU(海事局水上指揮中心，節(jié)點(diǎn)A)作為總指揮，下屬有兩個(gè)ECU：①應(yīng)急數(shù)據(jù)處理中心(節(jié)點(diǎn)B)負(fù)責(zé)從船舶交通服務(wù)端(節(jié)點(diǎn)D)獲取船舶信息，以評(píng)價(jià)船舶類(lèi)型及所載貨物的安全威脅等級(jí)，從視頻監(jiān)控端(節(jié)點(diǎn)E)獲取事故信息以評(píng)價(jià)事故嚴(yán)重程度；②現(xiàn)場(chǎng)指揮中心(節(jié)點(diǎn)C)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)救援指揮，協(xié)調(diào)巡航艇(節(jié)點(diǎn)F)、拖船(節(jié)點(diǎn)G)和消防人員(節(jié)點(diǎn)H)進(jìn)行應(yīng)急救援，見(jiàn)圖5，其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)含義與狀態(tài)描述見(jiàn)表1.其中，將海事局水上指揮中心制定的應(yīng)急方案按照應(yīng)急目標(biāo)分為三類(lèi)，計(jì)劃Z以人員救助為主，計(jì)劃Y以消防滅火為主，計(jì)劃Z以維護(hù)交通為主.根據(jù)上述事故信息結(jié)合三位專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)判斷，建立相應(yīng)推理規(guī)則，見(jiàn)表2(共整理規(guī)則49個(gè)，由于篇幅所限僅列出前15項(xiàng))，并由式(2)以及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)計(jì)算實(shí)際輸入值與參考值的匹配程度，見(jiàn)表1.

圖5 海事應(yīng)急工作流與證據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

表1 應(yīng)急工作流節(jié)點(diǎn)及其狀態(tài)描述

表2 決策工作流信度規(guī)則表示

根據(jù)所建立的失誤擴(kuò)散模型對(duì)此案例進(jìn)行計(jì)算，以階段“4、5”為例，“船舶交通服務(wù)端D”和“視頻監(jiān)控端E”的觀測(cè)值分別為{(G,0),(M,0.8),(B,0.2)},{(G,0),(M,0.3),(S,0.7)}，根據(jù)式(3)可求得R6～R14的權(quán)重w1=w2=w3=w4=w7=0，w5=0.270 3，w6=0.504 5，w8=0.067 6，w9=0.157 7，w1+w2+w3+…+w7+w8+w9=1，表示該規(guī)則是完整的.再根據(jù)式(4)～(5)求得B的結(jié)果為{(L,0),(M,0.414 5),(H,0.585 5)}.根據(jù)規(guī)則R32～R34重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行結(jié)果一致性轉(zhuǎn)化，求得B的結(jié)果為{(Z,0.150 8),(Y,0.374 8),(X,0.474 4)}，通過(guò)式(6)與理想方案進(jìn)行比較，求得節(jié)點(diǎn)B的決策偏差為0.044 9.上述案例所得推理結(jié)果見(jiàn)表3.

由表4可知，在上述案例中，進(jìn)行了10次應(yīng)急決策，這10次決策的決策偏差分別是：FA1=0.115 3，F(xiàn)D=0.074 5，F(xiàn)E=0.281 2，F(xiàn)B=0.044 9，F(xiàn)A2=0.040 3，F(xiàn)F=0.202 2，F(xiàn)G=0.220 4，F(xiàn)H=0.004 4，F(xiàn)C=0.049 4，F(xiàn)A3=0.015 8.其中，海事局水上指揮中心作為最高級(jí)的應(yīng)急決策單元共進(jìn)行了3次應(yīng)急決策：FA1=0.115 3，F(xiàn)A2=0.040 3，F(xiàn)A3=0.015 8.結(jié)果表明：①隨著工作流的進(jìn)行，上級(jí)決策單元的決策偏差明顯小于相鄰的下級(jí)單元的決策偏差；②上級(jí)決策單元的決策偏差普遍小于下級(jí)單元的決策偏差；③同級(jí)決策單元的決策偏差不具備可比性；④海事局水上指揮中心所做出的3次決策，其決策偏差依次減小.因此，所建立模型能夠較好地表示決策工作流中的決策失誤，表示具有直接因果關(guān)系的決策單元之間的失誤傳遞，在一定程度上體現(xiàn)決策工作流對(duì)決策失誤的控制與糾正作用.

表3 推理結(jié)果

結(jié)合實(shí)際案例的應(yīng)用分析，所構(gòu)建的海事應(yīng)急決策工作流中基于置信推理的失誤傳遞模型對(duì)于人因失誤的反復(fù)性、潛在性、情景驅(qū)使以及可修復(fù)性這四類(lèi)特征有較好的體現(xiàn).

1) 反復(fù)性 人的失誤往往會(huì)在某些特定的情景下多次出現(xiàn)，推理規(guī)則的引入拓展了決策模型的適用性，將失誤效果的表征與失誤致因直接建立邏輯關(guān)系，在同樣失誤致因作為輸入的條件下會(huì)得到同樣的失誤率，符合失誤反復(fù)性的特點(diǎn).

2) 潛在性 人因失誤會(huì)一直伴隨著人的行為而存在，并在某些特定情景下觸發(fā)并造成損失.模型對(duì)工作流中決策個(gè)體的決策失誤進(jìn)行量化表示，能夠反映出每個(gè)決策單元在工作流進(jìn)行中的決策偏差，可以直觀地表現(xiàn)決策偏差由小到大至失誤觸發(fā)以及由大到小得到糾正的過(guò)程.

3) 情景驅(qū)使 環(huán)境因素是失誤觸發(fā)的重要條件，通過(guò)將應(yīng)急情景因素作為規(guī)則前件納入置信規(guī)則推理中，可以即時(shí)反映情景信息變化對(duì)決策的影響，符合失誤情景驅(qū)使的特征.

4) 可修復(fù)性 人可以通過(guò)某些手段發(fā)現(xiàn)自己或他人存在的人因失誤并進(jìn)行糾錯(cuò)，失誤在決策工作中不是持續(xù)累加的，而是可以被發(fā)現(xiàn)并糾正的.建立的決策工作流能夠規(guī)定了信息流傳遞先后順序，通過(guò)決策信息的匯集克服了情景信息稀缺的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)對(duì)決策失誤的糾正，如第～階段.

綜上所述，本章所建立的海事應(yīng)急決策工作流中基于置信推理的失誤傳遞模型是一種對(duì)決策失誤的量化表示以及研究失誤傳遞的有效手段.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

提出了一種應(yīng)急決策工作流中基于置信規(guī)則推理的人因失誤擴(kuò)散模型，建立條件信度模型下的工作流網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RIMER方法獲得決策結(jié)果，并將所有決策單元的決策進(jìn)行一致性轉(zhuǎn)化，統(tǒng)一決策結(jié)果的信度結(jié)構(gòu)，求出相應(yīng)的決策偏差，研究該決策偏差在工作流中的擴(kuò)散作用.案例分析表明，上級(jí)決策單元的決策偏差明顯小于直接相鄰的下級(jí)單元的決策偏差，且普遍小于所有下級(jí)單元的決策偏差；隨著決策信息的增加，決策次數(shù)的增多，決策單元的決策偏差會(huì)越來(lái)越??；決策網(wǎng)絡(luò)對(duì)于決策失誤具有一定的控制和糾正作用.將置信規(guī)則推理應(yīng)用于事故應(yīng)急處置與應(yīng)急決策，能夠較好地描述決策單元的決策偏差程度，有助于提高決策者在群體決策中對(duì)失誤的識(shí)別，在一定程度上反映群體決策的效能，控制決策失誤對(duì)應(yīng)急處置效果的影響.