吴凤平+程铁军
收稿日期:2013-04-22
基金项目:国家自然科学基金项目(41271537);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX13_255)
作者简介:吴凤平(1964-),男,江苏姜堰人,教授、博士生导师,研究方向为管理科学理论与应用;程铁军(1985-),女,安徽宿州人,博士研究生,研究方向为管理科学理论与应用。
摘要:针对突发事件态势不断演变、多阶段、不确定性的特征,提出了一种多阶段多目标的动态应急决策方法。在定量描述了应急方案在各阶段对应急目标满足的不确定程度的基础上,运用等差数列对多阶段的时间序列权重进行了分析与求解;通过建立正、负理想点计算贴近系数,确定应急方案排序。最后,通过对突发泥石流事件进行案例分析,验证了该方法的可行性与有效性。
关键词:突发事件;多阶段;不确定性;动态应急决策
中图分类号:C934 文献标识码:A 文章编号:1001-8409(2014)03-0026-04
Dynamic Decision Support for Emergency
Response under Uncertain Environment
WU Feng-ping, CHENG Tie-jun
(School of Business, Hehai University, Nanjing 211100)
Abstract: This paper constructed a dynamic emergency model according to emergency characteristics, such as, evolution trends, multiple stage and uncertainty. Based on the description of the uncertainty of the emergency plans meet the emergency goals is calculated, the weights of the emergency time series is analyzed and solved through arithmetic progression. Furthermore, the positive idea point and the negative idea point are constructed, and the approach degree is calculated to determine a ranking of alternatives. Finally, a case study is given to illustrate the feasibility and validity of the proposed method.
Key words: emergency; multistage; uncertainty; dynamic emergency decision
1 引言
在世界各地不断频发灾难性事件的情况下,突发事件的应急管理引起了各国政府及社会各界的关注。突发事件往往破坏性大,带来极大的人员伤亡及经济损失,且经常伴随次生衍生事件。我国处于社会与经济结构的转型时期,自然、社会矛盾凸显,正处于突发事件的高发阶段[1]。据统计,我国近几年每年突发事件高达120万起,造成至少20万人死亡,170万人次伤残,200万户家庭因此陷入贫困,2亿人次受到不同程度的影响,直接损失达3000亿元人民币以上。突发事件应急管理这一新的研究领域引起了国内外学者的关注,而突发事件的应急决策则是突发事件应急管理的本质及核心研究内容。突发事件的应急决策是在灾难事故突然发生或出现征兆时,通过搜集、处理相关信息,明确应急救援目标,应用决策理论和计算机辅助工具从多种可行方案中选择满意方案的动态决策过程[2]。自2003年“非典”以来,我国各级政府、组织、企业逐步制定了各种应急预案,为突发事件的应对处置提供指导。然而,如何在极短的时间内,在应急预案指导下,根据危机态势和发展阶段进行动态的应急决策是一个值得研究的问题[3,4]。
由于突发事件的态势逐渐演变,Tavana[5]认为传统的应急决策方法,如决策树法、数据流程图法等不能满足核电站应急管理的动态要求,基于此建立了核电站动态应急管理模型;Chitumalla等[6]提出在毒气泄漏事故中救援人员必须在最短时间内选择最安全的路径进行救援和撤离,建立了毒气泄漏应急响应的动态应急规划模型。针对应急决策中多部门协同的问题,Guastello[7]建立了基于团队协同的非线性动态决策模型;陈兴等[8]建立了多阶段的应急协同决策模型。在动态应急决策模式方面,张云龙等[9]为解决应急预案不够完备、灵活性差等问题,提出了多阶段情景应急决策的分析方法;王慧敏等[10]以复杂性科学为指导,提出了基于情景依赖的非常规突发水灾害事件动态应急决策模式;邵荃等[11]综合分析突发事件应急决策特点,提出一种适合突发事件模型库的动态网络组合方法。
已有的研究表明,应急决策是在基于应急预案指导下进行的多阶段多目标的动态决策过程[12],动态的应急决策模型将最大限度地贴近于应急实践状况。本文将突发事件应急决策的动态性归结为以下几个方面:
(1)多阶段性。随着突发事态及信息的演变和发展,应急决策者需要根据事态的变化将应急处置分为几个阶段[13,14],不断评估调整应急方案来面对动态的环境,在各个阶段做出阶段性决策[15],将损失降至最低。因此,应急决策需要决策者在面临突发事件时作出一系列相关联的连续性决策。
(2)不确定性。应急决策者往往面对不确定的动态环境,主要包括突发事件演变的不确定性、应急方案实施效果、资源分配的不确定性等方面[12,16]。
(3)动态环境。突发事件初期,由于事态不明、现场难以接近等原因,可供决策的信息较少[17],人员伤亡、经济损失、气象等方面的信息处于动态变化之中,随着信息搜集工作的开展以及事态的发展,突发事件的信息及态势不断明确和清晰。
(4)多目标决策。突发事件的动态决策也是一个多目标决策问题。为了有效预防应对灾害的发生,决策者需要依据应急救援的目标,对各应急预案进行评估和选择,这些应急目标包括尽量降低人员伤亡、减少经济损失,选择可行性比较大的方案等。
因此,突发事件的应急决策需要决策者根据应急态势发展的不同阶段,进行多阶段不确定性的动态决策 [18]。本文基于直觉模糊理论,针对突发事件多阶段、不确定动态环境的特点,提出了应急预案在不同阶段对各应急目标的满足程度、不满足程度和不确定程度的概念,通过分析突发事件演变的特征,建立求解时间序列权重的方法,在此基础上建立了突发事件多目标多阶段动态应急决策模型。
2 模型建立
2.1 问题描述
随着对突发事件应急管理工作的重视和开展,我国各级政府、组织、企业逐步制定了应急预案,为各类突发事件的应对处置提供指导。假设应急部门为应对某一突发事件,充分评估突发演变态势及可能情景,结合以往案例,综合各方考虑建立了应急预案库Y,其中Y=(Y1,Y2,…,Yn)。
突发事件的动态决策问题如图1所示。由于突发事态及信息一直处于演变和发展之中,决策者根据搜集到的应急信息,作出阶段性决策,评判应急预案对决策目标的满足情况。随着应急信息由少增多,决策者对突发事件的把握和评判将更加有效,最终决策者综合各阶段的决策结果,作出综合评判,选择最佳方案进行应急处理。
决策者在突发事件爆发初期阶段t1,根据接到的警报及其他不完全信息,对应急方案满足应急目标G=(G1,G2,…,Gm)的情况进行评估。随着突发事件态势的演变及发展,基于大量突发事件的相关信息,如气象、人员伤亡等,决策者陆续在tk(1≤k≤p)阶段,评价各应急预案Yi(i=1,2,…,n)对应急目标Gj (j=1,2,…,m)的满足情况。
由于突发事件的复杂性、应急信息的缺乏及自身经验知识的限制,决策者在各个阶段对方案进行评估时,难以对方案作出精确的判断,而只能大致给出各应急方案对应急目标的满足程度、不满足程度以及决策者的不确定程度。因此,本文将μrij(tk)定义为决策者在tk(1≤k≤p)阶段判断评估的满足程度,υrij(tk)为方案Yi(i=1,2,…,n)对应急目标Gj(j=1,2,…,m)的不满足程度,πrij(tk)为决策者难以判断的程度,即不确定程度。对tk阶段应急方案的评估,可构成tk阶段的应急决策矩阵R(tk)=(rij(tk))n×m, 其中rij(tk)=(μrij(tk),νrij(tk),πrij(tk)),基于直觉模糊理论可知:
μrij(tk)∈[0,1],νrij(tk)∈[0,1],μrij(tk)+νrij(tk)≤1,πrij(tk)=1-μrij(tk)-νrij(tk)
随着突发事件的进展,决策者确定于最终阶段tp阶段作出应急选择,并结合各方案在各阶段的应急满足情况,选择最佳应急方案。
2.2 突发事件时间序列权重的确定
通过对图1的分析可知,突发事件的信息和态势是在不断演变和发展的,应急决策在各个阶段逐步推进,随着信息的不断清晰和准确,tk+1阶段的决策将更接近于突发事件的状态,决策更加有效,被赋予的权重应大于tk阶段,呈现单调递增的特点。等差数列揭示了数字上的递进关系,因此决策者可以采用单调递增的等差数列确定时间序列{tk}(k=1,2,…,p)的权重ω(t)=(ω(t1), ω(t2),…, ω(tp))T,其中ω(tk)≥0( k=1,2,…,p)。
假设对任意k、权重ω(tk+1)和其相邻权重ω(tk)的差值为一个常数α,那么:
ω(tk+1)-ω(tk)=α(k=1,2,…,p-1) (1)
即:
ω(tk+1)=ω(t1)+(k-1)α(k=1,2,…,p-1) (2)
根据突发事件的演变特点,令α>0, 则ω(tk+1)< ω(tk),此时为严格单调递增序列。
根据等差数列的求和公式,以及时间序列{tk}的权重特点,可得:
pk=1ω(tk)=1, (k=1,2…,p) (3)
pk=1ω(tk)=ω(t1)+p(p-1)2α(4)
求解式(3)、式(4),可以得出:
ω(t1)=2-p(p-1)α2p (5)
根据式(5)可知,决策者可以根据突发事件的演变趋势,确定时间权重的公差α,即可得到初始权重ω(t1),根据式(2)则可获得时间序列{tk}(k=1,2,…,p)的权重向量ω(t)=(ω(t1), ω(t2),…, ω(tp))T。
2.3 模型求解
基于直觉模糊理论以及上文确定的时间序列权重,利用动态直觉模糊加权平均算子集结各阶段的应急方案满足程度,通过建立正、负直觉模糊理想点,求解贴近度系数,进而判断选择最优应急方案。模型的具体求解步骤如下:
(1)确定应急决策目标的权重。由于突发事件的应急部门一般由各个相关部门组成,可以结合各领域专家的经验知识,采用群决策的方式,获得各决策目标的权重。利用专家分析法,获得应急专家商讨确定后对各应急目标的权重为:w=(w1,w2, …,wm)T,并满足:wj≥0(j=1,2…,m)、 mj=1wj=1。
(2)集成各阶段应急方案的满足情况。利用动态直觉模糊加权平均算子(DIFWA算子)[19]:
rij=DIFWAω(t)(rij(t1),rij(t1),…,rij(tp))
=ω(t1)rij(t1)ω(t2)rij(t1)…ω(tp)rij(tp)
=(1-pk=1(1-μrij(tk))ω(tk),pk=1(νrij(tk))ω(tk),pk=1(1-μrij(tk))ω(tk)-pk=1(νrij(tk))ω(tk)) (6)
将所有的应急矩阵R(tk)=(rij(tk))n×m(k=1,2,…,p)集成为综合的应急决策矩阵R=(rij)n×m, rij=(μij, νij ,πij),其中:
μij=1-pk=1(1-μrij(tk))ω(tk),νij=(pk=1νrij(tk))ω(tk),πij=pk=1(1-μrij(tk))ω(tk)-pk=1(νrij(tk))ω(tk)
(3)确定正负理想点,计算正负理想距离。为选择最佳应急预案,结合直觉模糊数的特点,建立理想点进行判断。分别定义Y+={β+1, β+2,…,β+m}、Y-={β-1, β-2,…,β-m}为正理想点和负理想点,结合直觉模糊理论,可知:
Y+={β+1, β+2,…,β+m},其中β+j=(1,0,0) (j=1,2,…,m)为正理想点,即应急方案满足应急需求的程度为1,不满足程度及不确定程度为0,此时为应急决策者最希望达到的目标。
Y-={β-1, β-2,…,β-m},其中β-i=(0,1,0) (j=1,2,…,m)为负理想点,即应急方案满足应急目标的程度为0,不满足程度为1,不确定程度为0,此时应急方案完全不满足应急决策目标的要求,难以进行有效的应急决策,为决策者最不希望存在的情况。
基于直觉模糊理论,分别计算应急方案Yi和正理想点的距离d(Yi, Y+)以及Yi和负理想点的距离d(Yi, Y-):
d(Yi,Y+)=mj=1wjd(dij,β+j)=12mj=1wj(|μij-1|+
|νij-0|+|πij-0|)=mj=1wj(1-μij) (7)
d(Yi,Y-)=mj=1wjd(dij,β-j)=12mj=1wj(|μij-0|+
|νij-1|+|πij-0|)=12mj=1wj(1-νij) (8)
(4)计算各应急预案的贴近系数,确定最优方案。计算各应急方案的贴近系数c(Yi) (i=1,2,…,n):
c(Yi)=d(Yi,Y-)d(Yi,Y+)+d(Yi,Y-)(9)
将式(7)、式(8)代入式(9),由于μij+νij,+πij=1,因此可得:
c(Yi)=mj=1wj(1-νij)mj=1wj(1+πij)(i=1,2,…,n)(10)
根据方案的贴近系数对所有方案进行排序并择优。因此,贴近系数c(Yi)越大,说明方案Yi与负理想点之间的距离越大,那么应急方案Yi更优。
3 案例分析
泥石流是山区最严重、最具破坏性的地质灾害。我国近些年来泥石流突发事件频发,据统计平均每年泥石流灾害发生的频率为18次/县,近40年来每年因泥石流直接造成的死亡人数达3700余人。泥石流经常发生在峡谷地区和地震火山多发区,在暴雨期具有群发性。四川省因其特殊的地理位置及地质条件,加上2008年汶川特大地震的影响,近年来多个地区泥石流类突发事件频发。2010年8月,四川省多个地区,包括绵竹清平、汶川、都江堰等地区因强降雨引发泥石流灾害,其中“8.13”汶川重大地质灾害直接受灾3万人、失踪41人、安全紧急转移万余人。
泥石流类突发事件具有形成原因复杂、爆发突然、危害性极大等特点,做好预防和处置工作是应急管理的重要工作之一。在泥石流类突发事件中,中小学校、医院等作为弱势群体聚集的地方,更应重视泥石流的应急管理。本案例以某山区学校A应对泥石流突发事件为例。
学校A处于山谷地带,山体植被较少,山水从山谷流下,易发生泥石流。为确保师生生命财产安全,打造平安校园,坚持依法防洪、科学防洪的原则,学校A成立了应急小组,根据学校实际情况,制定了以下应急预案:
Y1:有针对性地对师生进行防洪安全教育,指导师生在危险期的撤离疏散准备工作。
Y2:撤离疏散全校师生,维持学校秩序,保障生活供给。
Y3:撤离师生,并进行教学资料及设备的转移工作。
Y4:重建修复校园。
假设学校A在某日早上9时遇到暴风雨突发性灾害天气,因学校处于山区,暴雨易引发泥石流等灾害,为保障师生安全,学校应急小组根据气象、人员损失、财产损失等信息做出阶段性应急处置,校园应急小组决定分别在9时(t1)、11时(t2)、12时(t3)、13时(t4)四个阶段对应急预案进行评估,希望选出满足成本小(G1)、可行性大(G2)、效果好(G3)的最佳应急方案。校园应急小组对应急预案各阶段满足应急目标的评估判断结果如下。
表1 应急决策矩阵R(t1)
应急小组经商讨,确定各阶段应急的时间权重公差为0.125,那么根据式(5)可以得出ω(t1)=0.0625,进而根据式(2)可得:ω(t)=(ω(t1),ω(t2),ω(t3),ω(t4))T=(0.0625,0.1875,0.3125,0.4375)。
表2 应急决策矩阵R(t2)
表3 应急决策矩阵R(t3)
表4 应急决策矩阵R(t4) 假设校园应急小组给出的各应急目标的权重为:w=(w1,w2,w3)T =(0.3,0.3,0.4)T。
根据DIFWA算子将各个阶段的判断矩阵集成为综合的判断矩阵,如表5所示。
表5 综合的应急决策矩阵R
利用式(7)、式(8)分别计算各方案和直觉模糊正理想点距离、以及各方案和直觉模糊负理想点之间的距离,如表6所示。
表6 各方案的d(Yi, Y+)及d(Yi, Y-)
利用式(10),计算各方案的贴近系数为:c(Y1)=0.561,c(Y2)=0.639,c(Y3)=0.591,c(Y4)=0.484。
因此确定方案的排序为: Y2>Y3>Y1>Y4。说明在暴雨袭击的当日13时,学校应急小组应选择执行应急预案2,即撤离疏散全校师生,维持学校秩序,保障生活供给。随着进一步的气象信息及其他相关应急信息的发布,应急小组可以延长应急阶段,通过重新确定时间序列权重,对各方案的满足情况进行评估,达到及时有效的动态应急决策。该方法思路清晰,易于通过excel或matlab实现计算,方便应急实践操作。
4 结论
本文首先归纳了突发事件多阶段、不确定性、动态环境、多目标决策的特点,针对这些特征提出了应急方案对应急目标在各个阶段的满足程度、不满足程度及不确定程度的概念;然后,通过将等差数列与应急各阶段的时间序列权重特点相结合,给出了时间序列权重向量的求解方法;进而,基于直觉模糊理论,建立正、负理想点,并通过计算应急方案与正、负理想点的距离及各应急方案的贴近度系数,确定最佳应急方案的选择;最后将方法应用于某学校应对泥石流突发事件的动态决策,验证了其实用价值。
参考文献:
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(责任编辑:张 勇)
表6 各方案的d(Yi, Y+)及d(Yi, Y-)
利用式(10),计算各方案的贴近系数为:c(Y1)=0.561,c(Y2)=0.639,c(Y3)=0.591,c(Y4)=0.484。
因此确定方案的排序为: Y2>Y3>Y1>Y4。说明在暴雨袭击的当日13时,学校应急小组应选择执行应急预案2,即撤离疏散全校师生,维持学校秩序,保障生活供给。随着进一步的气象信息及其他相关应急信息的发布,应急小组可以延长应急阶段,通过重新确定时间序列权重,对各方案的满足情况进行评估,达到及时有效的动态应急决策。该方法思路清晰,易于通过excel或matlab实现计算,方便应急实践操作。
4 结论
本文首先归纳了突发事件多阶段、不确定性、动态环境、多目标决策的特点,针对这些特征提出了应急方案对应急目标在各个阶段的满足程度、不满足程度及不确定程度的概念;然后,通过将等差数列与应急各阶段的时间序列权重特点相结合,给出了时间序列权重向量的求解方法;进而,基于直觉模糊理论,建立正、负理想点,并通过计算应急方案与正、负理想点的距离及各应急方案的贴近度系数,确定最佳应急方案的选择;最后将方法应用于某学校应对泥石流突发事件的动态决策,验证了其实用价值。
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(责任编辑:张 勇)
表6 各方案的d(Yi, Y+)及d(Yi, Y-)
利用式(10),计算各方案的贴近系数为:c(Y1)=0.561,c(Y2)=0.639,c(Y3)=0.591,c(Y4)=0.484。
因此确定方案的排序为: Y2>Y3>Y1>Y4。说明在暴雨袭击的当日13时,学校应急小组应选择执行应急预案2,即撤离疏散全校师生,维持学校秩序,保障生活供给。随着进一步的气象信息及其他相关应急信息的发布,应急小组可以延长应急阶段,通过重新确定时间序列权重,对各方案的满足情况进行评估,达到及时有效的动态应急决策。该方法思路清晰,易于通过excel或matlab实现计算,方便应急实践操作。
4 结论
本文首先归纳了突发事件多阶段、不确定性、动态环境、多目标决策的特点,针对这些特征提出了应急方案对应急目标在各个阶段的满足程度、不满足程度及不确定程度的概念;然后,通过将等差数列与应急各阶段的时间序列权重特点相结合,给出了时间序列权重向量的求解方法;进而,基于直觉模糊理论,建立正、负理想点,并通过计算应急方案与正、负理想点的距离及各应急方案的贴近度系数,确定最佳应急方案的选择;最后将方法应用于某学校应对泥石流突发事件的动态决策,验证了其实用价值。
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(责任编辑:张 勇)