营区突发事件应急保障方案仿真推演评估方法

张 寒, 黄炎焱, 耿 泽, 张 振

(南京理工大学自动化学院, 江苏 南京 210094)

0 引 言

作战部队作为保护国家和人民利益的武装力量,肩负着保卫国家安全的重要职责,部队建设水平直接关乎国家安全。营区作为部队日常训练、工作和生活的主要场所,是部队重要物质基础,对于部队建设发展具有重要的职责和使命:战时部队需要依托营区进行各项相关的军事保障和调度,非战时营区为部队各项相关的日常工作训练提供保障支持,因此营区的安全运转直接影响着部队的战斗力水平。“智慧营区”建设的开展使得部队营区在生活及安防水平上有所改善,但是在应对复杂突发事件情景下应急指挥管理能力依然较为薄弱,特别是缺乏针对营区突发事件快速响应的行动保障方案支持。复杂突发事件应急管理问题是备受关注的研究热点,国内外许多专家学者围绕突发事件的应急响应过程及应急方案予以研究。文献[3-4]针对地震、暴恐等非常规突发事件应急保障方案开展论证研究,主要采用基于作战环思想建立应急指挥模型,同时进行应急效能的仿真评估,取得了良好效果。

营区应急管理问题,属于应急作战的研究范畴,对于应急保障方案评估及仿真推演的研究,国内外专家学者更多的是立足于民生相关的自然灾害预防和应急管理理论方法等层面的研究。新时期营区生活水平以及安防建设取得了一定进展,但对于营区突发事件应急指挥管理和应急保障行动方案建设仍属于较为薄弱的环节。随着对外维和部队的增加以及海外军事基地建设,迫切需要提升营区应急指挥管理水平。“凡事预则立,不预则废”。部队营区无论是在战争和非战争时都面临着突发事件的挑战与威胁。着眼于新形势新使命,围绕能打仗打胜仗为核心开展营区建设的研究,特别是构建营区综合应急指挥系统,加强营区突发事件状态下的应急管理水平,切实保障官兵人身安全以及军事设施的安全,具有极大的现实意义与紧迫性。

为此,本文以营区突发事件应急指挥与管理为背景,利用突发事件情景、案例推理、兵棋推演方法开展对应急保障行动方案的生成与推演评估研究,旨在提升营区突发事件应急管理水平。

1 营区突发事件应急方案分析评估总体框架

本节将根据应急响应特点,结合OODA(observation, orientation, decision, and action)作战环思想,建立突发事件应急分析评估框架。

1.1 OODA作战环理论与应急响应分析

决策环理论是美国空军上校约翰·博伊德于20世纪70年代提出的,OODA分别表示为observer(观察)、orient(判断)、decide(决策)、act(行动),博伊德最初是以空战战术应用为目的创立了该理论,该理论的提出为决策的科学化提供了新的途径和手段。立足于应急响应过程分析:应急保障方案行动响应的快速响应过程(见图1)可以看作是准确快速完成作战环过程,能否获得方案快速响应的优势地位通常由两方面决定:第一是加快“齿轮”的转速,也就是完成一次循环的速度;第二是加大“齿轮”的转动力量,也就是每次循环能达到的实际效果。

图1 应急保障方案响应过程Fig.1 Emergency security program response process

对于营区突发事件应急指挥过程中,借助多途径信息融合及基于历史案例匹配的应急方案决策能够在作战环中提高系统感知和决策的质量和速度,使得应急保障方案响应的判断、决策、行动、观察环节速度加快,从而可以使“齿轮”转速提升,进而在方案响应过程产生迅速性先机优势;同时对应急方案集的推演评估,合理选择对当前突发事件应急推演效果较好的方案,能够提高应急部分环节处置的效能,使得应急保障方案响应循环效果更加有效。

兵棋是战争中的实践产物,也是研究与模拟战争的有效工具。兵棋主要由算子、地图、规则、随机数生成器、想定等因素构成。结合兵棋对于战场态势进行推演分析,能够对未来战争进程和结局进行模拟与预测,对军事领域进行辅助决策,有效提升战场指挥能力。

1.2 应急响应分析评估框架

营区突发事件应急决策不同于常规决策问题,方案条件通常具有事件情景信息不对称或者失真、时间有限等特征;此外由于突发事件具有的突发性以及造成或者可能造成严重社会安全等特点,应急保障行动方案分析评估对于危机控制及突发事件破坏性影响有较大关系。

应急方案评估方法是对应急方案集合进行评估并获得综合结论的有效工具。目前常用的综合评价方法主要可以分为定性评价方法、定量评价方法和基于统计分析的评价方法等。其中,定性评价方法立足于评价对象分析观察基础,通过逻辑分析等步骤,运用文字或者语言来对评价对象进行描述。常见定性评价方法有专家评分法等。定量评价方法是根据评价对象特征,利用数据或者语言等信息对评价对象进行综合分析和处理,并获取评价结果,常见的定量评价方法有层次分析法和模糊综合评判法等。基于统计分析的评价方法采用数理统计形式,对相关变量之间的相关性或相似性进行分析排序,其评估结果的可行性与有效性分析需要借助大量数据样本。

由于营区突发事件的发展具有较大随机性和模糊性,使用单纯定性、定量分析评估方法无法考虑到应急方案在应急过程中受到突发事件现场随机性影响,由于定量评价方法如模糊综合评判方法人工介入环节较多,评判结果易受到主观因素影响。上述评价方法能够对历史案例中应急方案集合进行有效评价,但无法对应急方案应用在当前突发事件的效果进行科学有效评估。营区突发事件应急方案评估过程中对外部因素进行感知与判断,对于相关突发事件情景与因素特点进行分类,进一步形成营区突发事件的历史案例库。采用案例推理方法获得与当前营区突发事件情景相匹配的多个相似历史案例,构建可行方案集合,进而对多个应急方案进行评估分析。按照评估分析结果,对应急方案进行排序,呈现给决策指挥人员优选方案以供选择分析,流程框架如图2所示。

图2 应急响应评估理论方法框架Fig.2 Theoretical framework of emergency response evaluation method

本文采用基于兵棋的营区突发事件应急保障行动方案评估方法,首先对营区内部地理环境、应急资源和突发事件态势进行建模,同时增加环境随机影响模型进行营区突发事件现场环境随机性模拟,进一步构建出计算机兵棋推演系统,针对待评估的应急方案集合在该兵棋推演平台上进行实际推演分析,结合实际推演结果给出较为客观的综合效能评估度量结果,同时兵棋推演系统可视化界面提供实时态势显示和实时态势评估过程。

基于兵棋的营区突发事件应急保障方案评估方法在营区突发事件应急方案评估中的应用相较于传统评估方法优点主要有:

(1) 兵棋推演系统进行应急方案推演的可视化功能可以查看应急方案的实际处置流程,决策指挥人员可以在方案实施之前进行针对性修改,同时在推演过程中能够随时调整和修改算子,进一步强化推演的应对性。

(2) 使用随机数模拟突发事件发展的不确定性,取代单纯的数学方法进行定量分析,能够更加准确地反映应急方案的处置效果。

(3) 非突发事件状态下结合应急兵棋推演系统进行应急推演,并对推演数据进行整理、总结、归纳,对于更新历史案例数据库,增加营区综合应急指挥系统的应急指挥能力具有重要作用。

2 基于兵棋的营区突发事件应急保障方案建模与评估技术

2.1 基于兵棋的营区战场描述

营区战场的兵棋表示主要体现在算子与地图环境,为便于推演应急大本营及周边地图环境需要兵棋网格化,故采用六角格地图代表营区环境,同时采用不同棋子代表对战双方力量,依据预先设定规则及想定场景,并利用骰子模拟真实战场上多变性及偶然性,以回合制或实时制方式进行模拟推演。

在图3所示的某营区兵棋推演模拟地图中,红色粗线为营区边界,黑色线为营区内道路,相关设施采用不同的样式图标表示在六角格中。

图3 H营区兵棋推演地图设计Fig.3 Simulation map of wargaming in H camp

在该兵棋推演的系统规则中,所有应急资源单位在机动的时候必须沿着道路行驶,并且算子初始位置不在道路上的可以直接到达相邻的路上;为了便于对营区内外部环境进行描述,营区内部每个六角格距离设定为50 m,营区外部每个六角格距离设定为500 m;营区内应急资源由事先编制应急小队组成,在基于兵棋推演应急方案评估环境中表示为相应的应急棋子,在任务管理器中对应急棋子下达任务之后,应急棋子移动路径由推演系统生成。

2.2 营区应急兵棋算子建模

在营区综合应急指挥系统中,应急资源棋子是营区应急救援力量的统称,主要用来表示应急救援力量组成情况。例如,表示不同应急分队相关能力数值:人员数量值、救援力量值、救援装备值和机动值等。针对特定的营区环境,应急棋子由事先编制的应急救援力量抽象生成,形成应急棋子库,在进行应急评估时,针对不同的应急方案,抽调相应的应急棋子进行推演。

应急资源棋子数学模型为

={,}

(1)

式中:表示棋子的属性集,比如位置坐标等信息;表示棋子的可用动作集。

突发事件棋子用于描述当前营区突发事件,通过对突发事件特性分析,在推演过程中扮演突发情况,对突发事件在现实环境中的活动规则进行描述,扮演兵棋推演中蓝方与红方应急资源棋子进行交互。在营区突发事件应急兵棋推演中,兵棋规则主要对应急资源棋子的机动、应急处置等进行规则上的限制,通过规则的限制可以使应急资源棋子行为趋近于现实情况。在营区突发事件应急方案兵棋推演系统中的应急棋子命令执行之前,通常需要对该棋子即将进行的命令进行行动合理性检查,其校验规则为

=()|∈

(2)

式中:表示对棋子下达行动命令,该命令应当是棋子当前可用行动集的子集;表示检验函数,其返回值为布尔类型,判断当前行动命令是否符合规则,即兵棋推演系统的规则系统。

2.3 案例结合匹配模式

对于营区突发事件来说,情景匹配可以有针对性地对突发事件情景状态提供最有效的应急方案。营区突发事件参考知识元模型采用情景要素名称和基本属性描述集合、情景要素状态描述集合进行描述。

={,,},∈

(3)

式中:表示描述对象的集合;表示情景要素名称及属性描述集合;表示情景状态要素描述集合;表示情景要素间关系描述集合。

由于营区突发事件复杂性及不确定性,某些突发事件情景可能会存在要素属性值缺失的情况,会导致使用传统近相邻算法时产生较大误差。本文在情景相似度的计算过程中加入了计算结构相似度步骤,采用结构相似度和要素相似度相结合的全局相似度作为案例匹配标准。定义案例情景库中所有情景特征要素集合为,对比情景的所有特征要素集合为,对比情景所有特征要素集合为。则情景和情景之间的结构相似度为

(4)

式中:JGSim(,)表示对比情景和对比情景间结构相似度;∩表示和交集要素权重之和;∪表示和并集要素权重之和。

若情景要素属性较多,情景要素属性间相似度可用单个要素属性相似度加权代表。单一属性间的相似度很容易判断,内容相同则相似度为1,否则就是完全不相似,相似度为0。对于多要素属性情景需要使用单一要素属性相似度组合进行计算,之后进行加权即可:

(5)

根据营区突发事件应急案例中情景要素取值和特征,将常见属性类型划分为3类:确定数值型要素、布尔型要素和模糊型要素。对营区突发事件情景进行形式化表示时,将所有营区突发事件情景要素分为上述3类,便于对每种要素进行相似度计算,分类如表1所示。

表1 营区突发事件情景要素分类Table 1 Classification of elements of emergency situation in the camp

(1) 确定数值型要素。例如风速、无人机高度等。使用欧氏距离对确定数值型要素的相似度进行计算:

(6)

式中:表示当前应急案例中第个要素的值;表示历史案例中第个要素的值;max表示第个要素取值范围中最大的值;min表示第个要素取值范围中最小的值。

(2) 布尔型要素。例如使用明确文本或字符等术语表示,一般可以比较两者的属性值来比较该要素相似度。即当属性值相同时,二者相似度为1,不同时相似度为0:

(7)

(8)

(9)

在最近相邻算法基础上,采用情景结构相似度与情景要素属性相似度相结合的计算方法,避免了突发事件情景中某些要素属性值缺失造成匹配结果差异较大问题,计算公式为

sim(,)=JGSim(,)·YSSim(,)=

(10)

2.4 应急方案推演评估流程

基于应急兵棋推演系统的营区应急方案评估是指挥决策人员在应急兵棋推演系统模拟的突发事件情景环境和处置过程中,按照应急方案集中应急任务实施流程,提取和细化应急方案评估指标,采用兵棋复盘关联进行应急算子实际推演,整理离散营区突发事件应急态势数据,结合兵棋推演系统推演结果进行应急方案整体风险效益评估,从而对比筛选最优的应急方案。应急方案评估流程如图4所示。

图4 基于兵棋推演的应急方案评估流程框图Fig.4 Emergency plan evaluation process based on war gaming

兵棋推演环境构建部分按照以下3个步骤进行:

根据实际地图环境构建兵棋推演地理环境;

根据突发事件信息,如事件类型、事件位置和事件发展程度等设置地图特定位置属性值以及突发事件仿真实体;

导入营区所有应急棋子以及推演规则等,兵棋推演环境的构建是进行基于兵棋推演的应急方案评估的前提。

其中,兵棋推演地图是根据特定的营区地理环境抽象而成,应急棋子根据特定营区实际应急力量编制抽象而成,推演规则由通用规则和某些特定营区规则组成,推演地图和应急棋子通常为预先编制,需要用到什么样式的地图或者哪种应急资源仿真实体,直接从数据库中调用相应内容即可。为了对上文生成的营区突发事件应急方案集进行评估,需要先向基于兵棋推演的应急方案评估系统导入应急方案集,后续按照顺序载入应急方案进行仿真推演。

2.5 应急效能评估指标

应急效能评估指标集是对营区突发事件应急方案进行能力评估的基础,是应急决策能力各方面特性的体现。结合营区突发事件兵棋推演系统的特点,本文构建了如表2所示的应急方案评估指标体系和指标权重。

表2 应急方案评估指标集Table 2 Emergency plan evaluation index set

在建立应急方案评估指标集后,对兵棋推演战报的相关数据与该指标集进行对应分析。其中,应急响应能力采用各个应急资源单位到达指定任务地点的回合数描述,紧急救援能力使用急救单位、救援单位等对被困和伤亡人员的营救回合数描述,应急处置能力使用应急资源棋子与突发事件棋子之间发生的行动回合数描述。

2.6 推演数据评估

在营区突发事件应急处置中,对单个应急方案的推演结果均以战报的形式给出,应急处置效果可以通过查询战报获得本次推演的结果,以及应急分队在应急处置过程中的损失情况。战报主要分为应急处置战报和裁决战报。

应急处置战报主要是应急算子执行应急任务之后取得的应急效果,包括本次推演应急算子执行的所有任务、任务的目标位置、应急算子的损失以及该任务对当前突发事件的影响等。

通过推演过程中产生的战报,分析应急方案与突发事件之间的态势变化,评估各个方案取得的应急效果的大小综合权衡,并对多套应急方案进行比对,选出应对当前突发事件的辅助应急方案。

推演过程棋子任务行动过程可表示如下:

={,,…,},≥1

(11)

式中:表示当前应急方案对应急棋子发出的第个任务指令,单一应急方案通常由一个或者多个任务指令组成。

对于当前应急方案评价结果描述为

(12)

式中:表示当前任务指标权重;为对应急方案执行过程中的应急子任务效果评价函数,()=1-,其中表示任务执行最长回合数,表示当前任务执行回合数。在基于兵棋推演的应急方案评估过程中,该评价效果在对当前方案进行推演后,由兵棋推演系统战报数据给出。

针对多个应急方案进行推演评估时,采用应急方案任务集在推演过程中完成回合数,作为任务完成时间评估标准,分别从应急响应能力、危机处置能力及应急救援能力等3个方面对应急方案、应急效能进行评估。

3 案例分析

3.1 基于兵棋的营区应急联动体系想定

本文将围绕H营区体系面对外敌突发袭扰背景下遂行应急指挥与管理决策研究。基于该复杂应急场景,采用基于兵棋推演方法辅助营区应急保障联动决策。

具体想定:H营区概况如图5所示,该营区基本面积约为1 km,营区内建有指挥所、医院、生活区、训练区、码头、仓库、储油罐、军械库、雷达及消防设施等用于日常生活训练及在突发事件下进行应急处置。营区西部和南部临近海洋,东部和北部为山。

图5 H营区平面示意模拟地图Fig.5 Simulation map of H camp

20**年12月8日13时30分,天气晴朗,风力2级,无降雨/雪,能见度高。H营区雷达在日常战备运行过程中监测到有若干不明飞行物从西南方向海面接近营区,且距离营区约10 km,飞行高度约3 km,营区应急系统迅速反应,指挥两组防空应急分队迅速进行防空作战,虽然营区防空应急分队反应及时,但是仍有1架某型无人机4 min后进入我营区上空,距离约3 km,高度约1 km,目前位于坐标(17,22),并投下某型制导炸弹,导致营区内码头的一处油料库(14,27)发生爆炸并进入燃烧状态,燃烧面积大概100 m。同时,位于(15,27)的一处油料库因被爆炸破片击中出现泄露情况,油料库存储的油料类型均为军舰用燃料油,受到油料库爆炸的影响油料库周边存在受伤人员4名,伤员位置位于(16,27)。根据分析,该情景下,敌方无人机已对我军营区造成实质性伤害,并发生了火灾以及泄露情况,可以将该突发事件定性为敌特侵袭、火灾和泄露混合的突发事件,需要同时进行防空、消防、搜救和急救等多种应急措施。

3.2 应急决策方案生成

根据上面相似度较高的两组历史案例,HS对应的历史案例应急方案任务集的主要任务为进行防空作战、阻止油料库泄露、灭火消防、人员搜集与救治等,在历史案例库中,该案例的应急方案任务集如表3所示。

表3 HS3历史案例应急方案任务集Table 3 HS3 historical case of the emergency plan task set

其中,HS应急方案任务集中任务间的逻辑关系如图6所示。

图6 HS3应急方案任务集关系图Fig.6 Task set relationship diagram of HS3 emergency plan

HS对应的历史案例应急方案的主要目的为防空作战,阻止油料库泄露以及燃烧,人员搜救与救治等,在历史案例库中,该案例的应急方案任务集如表4所示,其中,HS应急方案任务集中任务间的逻辑关系如图7所示。

图7 HS5应急方案任务集关系图Fig.7 Task set relationship diagram of HS5 emergency plan

表4 HS5历史案例应急方案任务集Table 4 HS5 historical case of the emergency plan task set

由于当前突发事件情景与匹配到的历史突发事件情景中的某些要素属性并不完全相同,所以需要利用应急方案修正知识库和突发事件情景中某些要素属性的不同程度,对应急方案任务集进行修正。

对于HS突发事件案例的应急方案任务集,通过自动对比发现,在当前营区突发事件中,不存在人员被困的情况,因此删除任务集中的人员搜救相关任务;由于当前突发事件中的泄露量较大,因此将阻止泄露中的消防需求增加至30。

针对HS突发事件案例的应急方案任务集,通过自动对比发现,在当前营区突发事件中,不存在人员被困等情况,因此删除任务集中的人员搜救相关任务和。

经过对历史案例应急方案任务集的基本修正,基于营区应急资源对生成的针对当前突发事件的两个应急方案任务集进行任务分配,结合营区应急资源集进行任务分配求解,可以得到两个应急方案任务集的任务分配与调度甘特图分别如图8和图9所示。

图8 HS3应急方案任务集任务分配甘特图Fig.8 Task allocation for task set of HS3 emergency plan via Gantt chart

图9 HS5应急方案任务集任务分配甘特图Fig.9 Task allocation for task set of HS5 emergency plan via Gantt chart

3.3 应急方案推演评估

根据上文使用任务分配方法对应急方案任务集结合当前营区应急资源进行任务分配,将生成的3个任务方案任务集依次导入到兵棋推演方案评估环境中,其在兵棋环境中的行动概图分别如图10和图11所示。

图10 HS3应急方案任务执行概图Fig.10 HS3 emergency plan task execution overview

图11 HS5应急方案任务执行概图Fig.11 HS5 emergency plan task execution overview

图10为基于HS历史案例并经过修改后的应急方案任务集在兵棋推演系统中的应急资源单位任务执行概图,其中U11和U12消防分队执行阻止泄露任务;U13等分队执行灭火消防任务;U21和U22等分队执行防空作战任务;U61和U62急救分队执行现场救治和伤员转移任务。

图11为基于HS历史案例并经过修改后的应急方案任务集在兵棋推演系统中的应急资源单位任务执行概图,其中U11和U12消防分队执行阻止泄露任务;U13等分队执行灭火消防任务;U21、U22、U23和U24等防空分队执行防空作战任务;U61和U62急救分队执行现场救治和伤员转移任务。

可以看出,基于HS历史案例并经过修改后的应急方案任务集相较于HS历史案例的应急方案任务集,增加了现场保障、防空侦察和防空作战等子任务。

针对每种应急方案推演结束后,统计推演结果数据,可以将每种应急方案的应急效果按照回合数表示,如表5所示。从表5可以看出,HS应急方案相较于HS应急方案,在扑灭火源、阻止泄露和防空作战3项应急任务的任务完成回合数较少,根据上文应急方案评估指标,计算出HS应急方案任务集对当前营区突发事件的应急效能为0.829 7,HS应急方案任务集对当前营区突发事件的应急效能为0.839 3。通过横向对比,HS应急方案的应急效能相对于HS应急方案的应急效能更好。

表5 应急方案处置效能Table 5 Emergency plan handling efficiency

综上所述,在对营区突发事件进行应急推演模拟中,结合历史案例并加以修正之后的应急方案,能在突发事件的应急推演评估中取得较好的应急效能,同时在复杂的推演执行回合中,采取HS应急方案执行推演的回合数也相对于HS应急方案更少,意味着效率更佳。这说明,使用本文所设计推演评估方法对应急方案的决策评估具有较好的借鉴意义。

4 结 论

采用上述营区突发事件应急方案评估分析方法,以某营区发生敌特侵袭、火灾和泄露的混合突发事件为背景,完成的研究工作及结论如下:① 能够根据突发事件情景并基于案例推理的方法生成应急方案的准确性;② 利用营区突发事件应急方案任务分配方法,针对匹配的应急方案任务集,结合营区内应急方案任务集进行任务分配进而形成针对当前营区可执行的任务-资源分配方案;③ 采用基于兵棋推演的应急方案评估分析,验证了兵棋推演分析方法对多种应急方案进行推演评估的有效性。研究结果表明在完成应急任务的前提下,方案执行推演的回合数少、应急处置效率高,在应急保障方案制定过程中需要合理优化应急行动步骤。