基于地震救援的多應(yīng)急主體協(xié)同仿真研究＊

張琦，王瀟

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

目前，中國(guó)重大突發(fā)事件頻發(fā)，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。雖然中國(guó)一些大城市已經(jīng)初步建立了應(yīng)急合作管理體系，但仍處于起步階段，需要進(jìn)一步完善[1]。突發(fā)事件的發(fā)生是偶然和隨機(jī)的，其發(fā)展和演變具有動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的特點(diǎn)。提高多個(gè)救援主體之間的協(xié)調(diào)水平和救援活動(dòng)的效率是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

一些學(xué)者理論上闡述了主體之間的合作，并將其應(yīng)用于應(yīng)急救援中。周超[2]、WANG 等[3]基于多主體模擬模型研究了多主體協(xié)同創(chuàng)新，并對(duì)緊急情況下造成的道路障礙構(gòu)建了基于多主體的路徑算法；EDRISSI等[4]為調(diào)和各組織部門，加強(qiáng)應(yīng)急決策，設(shè)計(jì)了地震應(yīng)急處置多主體優(yōu)化算法；陳瑋瑋等[5]通過(guò)建立政府和NGO 協(xié)作模型，梳理合作關(guān)系的類型，并提出合作建議；杜健[6]研究了應(yīng)急管理中的多學(xué)科合作，解決了如何產(chǎn)生決策任務(wù)、分解和分配決策任務(wù)、完成決策任務(wù)和正確分析結(jié)果的決策問(wèn)題；BALL 等[7]利用建立的多主體協(xié)同決策體系，調(diào)整項(xiàng)目與運(yùn)營(yíng)控制之間的不確定性，提高決策能力。

由此可見(jiàn)，多主體思想已被廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援中。目前，中國(guó)應(yīng)急多學(xué)科協(xié)調(diào)研究仍處于起步階段，以定性研究為主，定量研究較少，協(xié)調(diào)水平有限；地震救援主體協(xié)調(diào)關(guān)系研究理論較少，實(shí)踐需要理論支持。本文旨在提高應(yīng)急救援主體的應(yīng)急救援能力，建立基于動(dòng)態(tài)合作工作系統(tǒng)的應(yīng)急合作模式，找到提高應(yīng)急合作能力的方法，提出對(duì)策和建議，為應(yīng)急處置提供一定的理論基礎(chǔ)和方法支持。

1 多主體協(xié)作系統(tǒng)概述

主體是指在復(fù)雜系統(tǒng)中具有一定主動(dòng)性的個(gè)體或單位，英文名為“Agent”[8]。早在19 世紀(jì)70 年代HEWITT 就提出了這個(gè)概念。一般來(lái)說(shuō)，人們一致認(rèn)為，人工智能領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新概念應(yīng)該能夠從自己的狀態(tài)和外部環(huán)境的變化中獲取相關(guān)信息，并能夠獨(dú)立產(chǎn)生相應(yīng)的行為。

德國(guó)物理學(xué)家哈肯結(jié)合概率論、信息學(xué)理論，創(chuàng)造了經(jīng)典的協(xié)作理論：協(xié)作是指在外部參數(shù)驅(qū)動(dòng)和子系統(tǒng)之間的相互作用下，在宏觀尺度上形成空間、時(shí)間或功能有序結(jié)構(gòu)的條件、特征律。多學(xué)科合作理論與一般合作理論不完全相同。多學(xué)科合作不是簡(jiǎn)單地選擇最佳策略，資源配置最小，達(dá)到利益優(yōu)化的目的，而是通過(guò)整體合作最大化團(tuán)隊(duì)的利益[9]。

目前，主體的概念得到了前所未有的廣泛應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出了更高的要求及更深入的研究。

2 地震救援事件下多主體分析

本文將地震救援不同參與主體的關(guān)系界定為主導(dǎo)型救援主體、輔助型救援主體、先鋒救援主體和新聞媒體，救援主體的細(xì)分來(lái)自于對(duì)“汶川地震”等救援案例的整理分析[10-11]。

主導(dǎo)型救援主體 政府。政府主體處于應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程的核心地位。強(qiáng)大的管理約束力是政府的主要特征之一。與其他主體相比，政府擁有大量的資源，具有積極制定和實(shí)施法律法規(guī)的合法權(quán)力，具有較強(qiáng)的組織能力。

輔助型救援主體 非政府組織。非政府組織也被稱為非營(yíng)利組織，它是一種協(xié)會(huì)、慈善信托、非營(yíng)利性公司或政府以外的其他法人。它不是政府組織，不是由權(quán)力驅(qū)動(dòng)的；也不是經(jīng)濟(jì)組織，不追求經(jīng)濟(jì)利益。

先鋒救援主體 軍隊(duì)、醫(yī)療隊(duì)和消防隊(duì)。在地震救援過(guò)程中，政府領(lǐng)導(dǎo)下的醫(yī)療隊(duì)和救援部隊(duì)沖到了前線，這是一支在救災(zāi)中努力挽救受傷生命的隊(duì)伍。

新聞媒體。它可以利用輿論等手段引導(dǎo)公眾，第一時(shí)間為社會(huì)和公眾發(fā)布救援信息，向公眾傳達(dá)政府制定的相關(guān)應(yīng)急救援政策。

3 模型仿真

多智能體建模工具眾多，NetLogo 仿真平臺(tái)為建模者提供了可編程的建模環(huán)境，模擬了自然和社會(huì)的一些現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援中。NetLogo 仿真平臺(tái)適合于隨時(shí)間演化的復(fù)雜系統(tǒng)建模，建模者可以向模型中自主運(yùn)行的代理發(fā)出命令。因此，本文使用NetLogo 進(jìn)行模擬。仿真框架設(shè)計(jì)如下。

3.1 模型假設(shè)

任務(wù)對(duì)象在平面位置上隨機(jī)分布，并且同一時(shí)間展開救援；軍隊(duì)和醫(yī)護(hù)人員的搜救方向是隨機(jī)的。

3.2 模型互交規(guī)則

3.2.1 應(yīng)急主體之間的交互規(guī)則

先鋒型應(yīng)急主體的成員有很多，本文選取最具有代表性的軍隊(duì)soldiers 和醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)doctors，其中軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)的每個(gè)個(gè)體都有一個(gè)ability 值，當(dāng)ability 值小于等于0 時(shí)停止救援。輔助型應(yīng)急主體的志愿者volunteers 與主導(dǎo)性救援主體的政府government 分別有一個(gè)ability 值和power 值，其值大小代表救援能力的強(qiáng)弱，值越大，救援能力就越強(qiáng)。具體互交規(guī)則如下：①初始化；②對(duì)軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)的ability 值進(jìn)行更新，ability 值=ability 值+government-power 值+volunteers-ability 值；③對(duì)軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)的ability 值進(jìn)行判斷，如果ability 值大于0，則進(jìn)行移動(dòng)，否則停止移動(dòng)；④數(shù)據(jù)更新，進(jìn)入下一階段。

3.2.2 受災(zāi)者與應(yīng)急主體間的互交規(guī)則

本文以地震救援為例，受災(zāi)者分為兩類，分別為被埋且受傷者buried 和受傷者unburied；每類都有一個(gè)difficulty 值，分別為difficulty1 和difficulty2，其值會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，difficulty 值越大，救援難度就越大；當(dāng)difficulty 值達(dá)到100 時(shí)，受災(zāi)者死亡，且只軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)的ability 值大于difficulty 值時(shí)才可以進(jìn)行救援，每次救援成功，其ability 值會(huì)大幅度減少。具體互交規(guī)則如下：①初始化；②判斷受災(zāi)者difficulty值，如果difficulty 值大于100，受災(zāi)者死亡，如果difficulty 值小于100，進(jìn)行下一階段；③判斷軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)能否對(duì)受災(zāi)者進(jìn)行救援，如果difficulty 值小于ability 值，則對(duì)受災(zāi)者進(jìn)行救援，救援后軍隊(duì)、醫(yī)護(hù)團(tuán)的ability 值減少30，同時(shí)受災(zāi)者的difficulty 值變得足夠小，成為幸存者，受災(zāi)者的difficulty 值減小，受災(zāi)者轉(zhuǎn)化為獲救者；④數(shù)據(jù)更新，進(jìn)入下一階段。

3.2.3 新聞媒體

media-energy 是新聞媒體的信息傳播能力，影響救援仿真過(guò)程中系統(tǒng)循環(huán)一次的步數(shù)，是一個(gè)相對(duì)值，即值越大，一次循環(huán)步數(shù)越多，其值定為1。

4 案例分析

本文以地震為研究背景進(jìn)行算例仿真分析。假設(shè)中國(guó)某地發(fā)生地震，受困人數(shù)為200 人、受傷人數(shù)為100 人，國(guó)家共組織醫(yī)護(hù)人員90 名、軍人90 名，受災(zāi)程度設(shè)為40。初始值設(shè)置如表1 所示。此次救援中重點(diǎn)研究政府管理能力、受災(zāi)程度、救援主體3 個(gè)因素對(duì)主體間協(xié)同救援的影響，協(xié)同績(jī)效通過(guò)受災(zāi)者的生存率來(lái)體現(xiàn)。

表1 仿真初始值

按鈕“設(shè)置”和“開始”可以分別更新參數(shù)和運(yùn)行救援活動(dòng)，所有參數(shù)都以滑塊的形式表示。主窗口中不同主體形狀分別設(shè)置為：被埋者為點(diǎn)狀圖案，未埋者為三角形圖案，醫(yī)護(hù)人員為汽車圖案，士兵為五角星圖案。存活率窗口顯示如圖1 所示，表格可以同時(shí)顯示實(shí)時(shí)人數(shù)。圖1 模擬操作，未被掩埋的人被醫(yī)護(hù)人員救出后形狀變成正方形，顯示在主窗口，如圖2所示。

圖1 仿真初始界面

圖2 仿真運(yùn)行結(jié)果界面

隨著時(shí)間的推移，大量受害者在短時(shí)間內(nèi)死亡。這是因?yàn)闇囟扔绊懯芎φ叩拇婊盥省?zāi)民緊急救援中72 h 內(nèi)為黃金救援期。在黃金救援期內(nèi)，如果溫度超過(guò)37 ℃，脫水的概率直線上升；如果溫度低于0 ℃，廢墟下的健康人可能在24 h 內(nèi)死亡。未埋者為0 時(shí)，救援停止，在窗口內(nèi)不動(dòng)。

5 仿真結(jié)果分析

設(shè)平均幸存率為因變量，分析醫(yī)護(hù)救援能力、軍人救援能力、災(zāi)害程度、志愿者能力、政府管理能力5 個(gè)自變量的仿真結(jié)果，得到被困災(zāi)民的幸存率關(guān)系，如圖3 和圖4 所示。

圖3 存活率與主體救援能力關(guān)系圖

圖4 存活率與政府管理能力和災(zāi)害程度關(guān)系圖

圖3 設(shè)軍人救援能力、醫(yī)護(hù)人員救援能力、志愿者能力為自變量，存活率為因變量，其他條件保持不變，三者救援能力增強(qiáng)，被困者的幸存率也得到提升，其中志愿者的救援活動(dòng)貫穿于整個(gè)救援中，故志愿者的救援能力提升，可以顯著提高受災(zāi)者的存活率。

圖4 設(shè)政府管理能力和災(zāi)害程度為自變量，存活率為因變量，隨著受災(zāi)程度的增大，災(zāi)害救援主體間協(xié)同困難度增加，救援效率降低，喪失生命的民眾占比增大。作為處于突發(fā)事件應(yīng)急處置過(guò)程核心地位的政府，隨著政府管理能力的增強(qiáng)，被困者存活率大幅度提高，可見(jiàn)政府主體的管理能力對(duì)應(yīng)急救援十分重要。隨著時(shí)間的推移，受災(zāi)者在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大量死亡，這是由于溫度影響受災(zāi)者的存活率。

6 結(jié)論

本研究以地震救援主體為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)地震災(zāi)害救援仿真模型進(jìn)行地震救援仿真實(shí)驗(yàn)，分別仿真運(yùn)行受災(zāi)程度、政府管理能力、軍隊(duì)救援能力、醫(yī)務(wù)人員救援能力、志愿者能力5 個(gè)自變量在不同情景下受災(zāi)者的存活率，證實(shí)了需要從提高政府管理能力、提高救助主體救助能力和降低受害程度3 個(gè)方面優(yōu)化主體協(xié)同關(guān)系，提高救助績(jī)效，同時(shí)證實(shí)了地震救援把握好黃金72 h，可以大幅度提高受災(zāi)者的存活率。