基于知识元和有色Petri网的应急实施流程优化方法

代文锋　齐春泽

〔摘要〕合理的应急实施流程对于有效应对突发事件至关重要。在知识元理论与Petri网方法的基础上提出了一种突发事件应急实施流程的优化方法。首先，借鉴共性知识模型，形式化表示活动基元及其内部联系，建立活动基元模型。随后，找到活动基元模型与有色Petri网的映射关系，并使用有色Petri网方法实现活动基元模型以及活动基元间的基本路由关系。在此基础上，结合知识元原理和Petri网方法，提出突发事件应急实施流程的五步优化方法。最后，以化学危险品事故为例说明该优化方法的使用过程。

〔关键词〕应急管理；实施流程；知识元；有色Petri网；活动基元；优化方法

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2016.11.011

〔中图分类号〕G203〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2016）11-0059-07

〔Abstract〕Reasonable emergency response process is essential for dealing with emergencies effectively.This paper presented an optimization method of emergency rescue process based on the knowledge management and Petri net theory.At first，this paper formally indicated the activity unit and its internal relation，and established the activity unit model according to the common knowledge model.Then，the mapping from activity unit model to Petri net was discovered.Petri net was illustrated to realize common knowledge model and execution sequence relation among activity units.Based on this，a five-step optimizing method on implementation process of emergent event was provided by knowledge element theory and Petri net methodology.Finally，a dangerous chemicals accident was presented to demonstrate the implementation process of the proposed method.

〔Key words〕emergency management；implementation process；knowledge element；Petri net；activity unit；optimization method

近年来，各种重大突发事件频发，对世界各国的稳定发展以及人类的生死存亡都产生了巨大的威胁。突发事件发生后，合理的应急实施流程不仅能节省救援时间，还能降低突发事件导致的混乱与损失。因此，如何优化突发事件应急实施流程，进而减少灾害损失是一个值得深入研究的科学问题。

在现有相关研究中，一些国内外学者采用Petri网方法对应急管理流程进行建模；Fateh等[1]采用Petri网评价铁路站台的应急流程；Sharmin和Zhi[2]利用Petri网方法对洪水的应急管理流程进行建模，并采用仿真的方式验证模型的可行性；张岳峰等[3]采用广义随机Petri网的建模分析方法，分析应急管理工作流程的性能；马锋和邱菀华[4]构建了中国高空模拟试验的应急管理工作流策略，运用Petri网对其建模及优化。

虽然Petri网在应急管理领域是不错的建模方法，但其在提取客观事物基本属性、数据和结构关系时（即生成实施流程）缺乏相应的理论指导，使得生成的应急实施流程存在一定缺陷。换言之，Petri网需要与一种指导实施流程构建的科学方法相结合，才能更科学有效地解决流程优化问题。针对上述原因，本文在知识元和Petri网方法的基础上，提出了一种新的突发事件应急实施流程优化方法，为突发事件的认知、实施流程构建以及优化提供方法论。

1活动基元模型及其有色Petri网实现

活动基元[7]是突发事件应对实施流程中不可再分、不变的最小活动单元。从知识元理论的角度，活动基元是一般知识元的实例，因而符合共性知识模型。一方面，共性知识模型可以有效地指导活动基元基本属性及其关系的提取、活动基元重组构成应急流程等工作；另一方面，Petri网方法被广泛应用于工作流程优化研究，研究发现存在从活动基元模型到Petri网的单映射，从而推断Petri网可以完全实现基于活动基元模型输出的实施流程。

11活动基元模型

111活动基元的共性知识模型

王延章[5]将客观事物对象知识元Km表示为式（1）所示的三元组。其中，Nm为对应事物的概念和属性的名称，Am为它对应的属性状态集，Rm为Am×Am上的映射关系集，m∈M，M是知识、数据、信息、规则、数学混合模型集合。

Km=（Nm，Am，Rm），？m∈M（1）

活动基元属于应急管理活动系统中的知识元，因此可以将其也表示为三元组形式，为了与一般知识元区分，可表示为：

Kn=（Nn，An，Rn），？n∈N（2）

其中，Kn表示活动基元，如救治遇险人员、人员疏散等，Nn表示基元的概念和属性集，An为基元对应的属性状态集（定性或定量描述），Rn为An×An上的映射关系集，NM为混合模型集合M的活动相关子集合。

活动基元的概念和属性集Nn可表示为[8]：

Nn=（Op，Ro，Ob，Tr，Mi，Go，Re，Ti，L，Ct，Cs，Cr，St，Ch，Mo）（3）

其中，Op为操作，Rb为角色，Ob为受体，Tr为触发集，Mi为信息接收，Go为目标，Re为资源集，Ti为时间，L为地点，Ct为时间约束集，Cs为空间约束集，Cr为资源约束集，St为状态集，Ch为变化集，Mo为信息发送。

活动基元的属性状态集An，对于a∈An，a可表示为[8]：

a=（属性名称，取值类型，取值范围，实体化方式）（4）

112活动基元的路由关系

活动基元的路由采用BPMN[10]的规范，可归纳为7种基本关系：顺序关系（如图1（a）所示）、并行汇聚关系（如图1（b）所示）、并行分支关系（如图1（c）所示）、OR汇聚关系（如图1（d）所示）、OR分支关系（如图1（e）所示）、异或汇聚关系（如图1（f）所示）以及异或分支关系（如图1（g）所示）。图1活动基元的执行顺序关系

以上7种关系组合构成活动基元间的任意执行顺序关系。对于r∈Rn，r表示为：

r=∪f（5）

其中f∈{顺序关系，并行汇聚关系，并行分支关系，OR汇聚关系，OR分支关系，异或汇聚关系，异或分支关系}。

12活动基元模型的Petri网实现

有色Petri网（CPN）可定义为七元组[9]：

Σ=（P，T，F，C，I-，I+，M0）（6）

P和T分别为库所（Place）和变迁（Transition）；F为流关系，F=P×T∪T×P；对于p∈P，C（p）是库所p上所有可能的托肯（Token）的集合，对于t∈T，C（t）是变迁t上所有可能的托肯（Token）的集合；I-和I+分别是P×T上的负函数和正函数；M0是Σ的初始标识，对于p∈P，M0（p）∈C（p）。

着色Petri能够实现任意活动基元模型的充分条件为：

命题1：对于任意kn∈Kn，存在σ∈Σ以及映射矩阵Q，使得kn=Qσ。

直接证明命题1比较困难。从（3）式可看出，Nn是一组15维向量，将（3）式代入（2）式，Kn可由一个17维向量空间表示：

Kn=（Op，Ro，Ob，Tr，Mi，Go，Re，Ti，L，Ct，Cs，Cr，St，Ch，Mo，An，Rn）（7）

因此，命题1可以转化为等价命题。

命题2：对于任意kn∈Kn，kn=（a1，a2，…，a17），如果对于kn的任意一个分量ai（i=1，2，…，17）都存在映射向量Vi和σi∈Σ，使得αi=Viσi，那么着色Petri能够实现任意活动基元模型。

命题2的证明：

式（7）中的分量，例如Op在应急管理中表示撤退、消毒等操作，映射为CPN中的变迁；又如Mi表示信息接收，在应急现场应急人员需要接收到指挥部的撤退指令后才可以执行撤退行动，Mi映射为CPN中的库所、变迁和托肯。在CPN中，变迁能够存储和表达Op的全部信息；库所、变迁和托肯组成Mi的等价CPN网络。图2列举了活动基元空间的17个分量到有色Petri网七元组的映射关系。

至此，命题2已经得到证明。经过以上分析，本节得到一个结论：

结论：根据活动基元模型开发出的任意突发事件应对实施流程，都能够被表示为有色Petri网中的模型，并且在映射过程中信息被无损传递。

2流程优化方法

在上一节结论的基础上，本节给出结合活动基元模型和有色Petri网的突发事件应对实施流程的优化步骤。如图4所示，首先，根据应急材料，提取相关知识元，构建流程片段库；然后，针对应急处置和现场救援阶段，重用流程片段生成实施流程，构建Petri网模型；最后，设置并评价优化指标，并循环优化流程，直至指标全部进入接受区间。图4实施流程优化步骤

步骤1：活动基元及关系的抽取和存储[6]。活动知识抽取的主要来源，是相应类别突发事件的应急支撑材料，主要包括应急预案、应急法规和应急救援手册。在抽取过程中，活动是核心，着重关注材料中的动词和动宾词语，同时建立活动树，用以直观表示活动之间的关系。抽取活动基元时，分析操作、受体、触发集、信息接收、目标、资源集、时间、地点、时间约束集、空间约束集、资源约束集、活动状态集、变化集和信息发送等属性。

使用“操作+受体”惟一标识活动基元，并将抽取知识结构化存储在基元数据库的表中，数据表以活动基元属性为字段。

步骤2：实施流程片段的构建与存储。采用David等人提出的“自下而上”方式构建流程片段[11]，一个流程片段具有3个特点：（1）至少包括一个活动基元；（2）内部的活动基元目标相同；（3）可以有多个入口和出口。

开发并借助应用程序，查询出相同目标的活动基元，然后将具有触发关系的活动基元连接，利用活动基元的时间触发建立时间与活动基元之间的关系。为提高片段查找匹配效率，在片段存储过程中，为每个片段添加领域、目标功能、角色等附加信息。最后，采用BPEL描述片段，并将得到的XML结构存储至流程片段库中。

步骤3：基于情景生成流程。突发事件具有情景依赖性，面对具体事件，首先要获取情景信息，包括事件自身信息和环境信息等。然后依据情景信息，在流程片段库中查询相匹配的流程片段集，以匹配片段集的出口和入口为条件查询关联片段，将关联片段合并入匹配流程片段集，依此循环，直至匹配片段集的出口都是结束为止。至此，得到了完整的应对实施流程。

步骤4：构建Petri网模型。将步骤3中输出的实施流程，按照图2所示映射，转化为随机有色Petri网图表，即把整体流程中包含的活动基元和关系表达为库所、变迁、箭头组成的有机整体，Petri网中的令牌装载属性的状态信息在网络中传递。

步骤5：判断实施流程是否需要进一步优化。利用经验数据对Petri网模型的变迁赋予速率值，计算步骤4输出的随机Petri网模型的同构马尔可夫链。设置优化指标（本文示例采用的指标为平均执行时间、变迁利用率和不同实施主体的相关子流程耗时），计算流程的优化指标，若指标值均位于接受区间内，优化过程结束，步骤3中的实施流程为可接受的优化流程；否则，返回步骤3重构实施流程，并重复步骤3～5，直至所有优化指标值可接受。

3示例

以化学危险品事故为例，具体解释第2节提出的实施流程优化方法的使用过程。步骤1～3的任务是用系统科学的思想（知识元理论）认知和识别应对实施活动及其关系，进而构建可重用的实施流程片段组件，最终基于组件构造整体的实施流程，参考文献[6]对这3个步骤进行了详细地介绍，在此不作赘述。图5为步骤3输出的部分应对实施流程。图5化学危险品事故的部分应对实施流程（资料来源：参考文献[6]）

本节主要示范步骤4和步骤5。首先，根据步骤3的输出构建有色Petri网模型，并计算同构的马尔可夫随机链、可达标识以及激发矩阵。然后，基于平均执行时间、变迁利用率和不同实施主体的相关子流程耗时三重指标对流程进行优化。

31广义随机有色Petri网模型的构建

32流程优化

321时间性能分析

根据Little公式和平衡原理，计算非零常返的马尔可夫链，子系统的流入流出速率应该平衡。Little公式为N=λT，可以计算出上述实施流程模型的平均执行时间，其中N为稳态时Petri网系统中某个子系统的平均标记数，λ为单位时间进入某子系统的标记数，T是该子系统的平均执行时间。

取Petri网模型的一个子系统，由于T1和T9的效率不影响流程优化，不妨将P1、T1和T9从子系统中去除。则可以计算出稳态时子系统的平均标记数：

N=∑11i=2P（m（Pi）=1）=0095+0048+0048+0143+0190+0048+0190+0048+0048=0858

单位时间进入子系统中的标记数为：

=R（T2，P3）+R（T2，P6）+R（T2，P9）=0048+0048+0048=0144

其中R（T2，P3），R（T2，P6），R（T2，P9）分别指由变迁T2分别流入库所P3、P6和P9的标记数，它们的实际意义是指医院、消防、环保部门子流程完成时间的倒数。因此子系统的平均延时时间为T=N/λ=596（单位时间）。时间T反映了整个应对实施流程系统的组织结构效率，我们可以通过比较T的大小，从多个备选实施流程方案中选择较优流程。

322变迁利用率分析

u（Ti）表示变迁Ti的利用率，变迁利用率等于使指定变迁可执行的所有标记的稳态概率之和，所以T1～T8的变迁利用率分别为：

Petri网模型中的变迁实际上是实施流程中的一个流程片段或者一组流程片段的组合。利用率的高低对实施流程的设计有一定的指导意义，对于利用率高的变迁，决策者和执行者应予以重点考虑和监督，它们对整个流程的效率有着更大影响权重，比如本例中的变迁T2和T4分别对应着医疗组的医疗救治和消防部门的现场处置流程，都是对整体实施流程影响较大的活动，应重点优化和实施；而对于利用率较低的变迁，依据具体情况判断其是否有独立存在的必要，可以考虑将其与其它活动合并。

323不同实施主体的相关子流程耗时分析

应对实施流程涉及医疗、消防、环保等多个部门间的协作，实施耗时可以通过稳定状态下处于忙状态的概率反映，Pi中有标记表示Pi环节处于忙状态。令A1表示医疗组的相关流程，则A1={P3，P4，P5}；消防组的相关流程A2={P6，P7，P8}；环境监测组的相关流程A3={P9，P10}。

P（A1）=P（m（P3））+P（m（P4））+P（m（P5））=0048+0190+0048=0286

P（A2）=P（m（P6））+P（m（P7））+P（m（P8））=0048+0190+0048=0286

P（A3）=P（m（P9））+P（m（P10））=0143+0048=0191

上述结果反映出有关部门相关子流程耗时占整体流程总耗时的比重。（A1）=P（A2）>P（A3），说明医疗组和消防组的任务耗时大于环境监测组，所以为了缩短整体流程的平均执行时间，应优先优化多个并行子流程中耗时较高的子流程，从而更显著地接近优化目标。

4结束语

科学合理的应急实施流程是有效应对突发事件的重要保证之一。目前，许多学者采用Petri网方法对应急管理流程进行建模。然而，Petri网方法在提取客观事物基本属性、数据以及结构关系时（即生成实施流程）缺乏相应的理论指导，使其生成的应急实施流程存在一定缺陷。为了弥补这种缺陷，本文将知识元理论和Petri网方法结合起来，提出了一种突发事件应急实施流程的优化方法。该方法对于决策者认识突发事件、建立及优化应急实施流程具有一定的指导意义。

参考文献

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（本文责任编辑：郭沫含）