基于地震救援的多应急主体协同仿真研究＊

张琦，王潇

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳 110136）

目前，中国重大突发事件频发，对人民生命财产安全构成严重威胁。虽然中国一些大城市已经初步建立了应急合作管理体系，但仍处于起步阶段，需要进一步完善[1]。突发事件的发生是偶然和随机的，其发展和演变具有动态和复杂的特点。提高多个救援主体之间的协调水平和救援活动的效率是当前亟待解决的问题。

一些学者理论上阐述了主体之间的合作，并将其应用于应急救援中。周超[2]、WANG 等[3]基于多主体模拟模型研究了多主体协同创新，并对紧急情况下造成的道路障碍构建了基于多主体的路径算法；EDRISSI等[4]为调和各组织部门，加强应急决策，设计了地震应急处置多主体优化算法；陈玮玮等[5]通过建立政府和NGO 协作模型，梳理合作关系的类型，并提出合作建议；杜健[6]研究了应急管理中的多学科合作，解决了如何产生决策任务、分解和分配决策任务、完成决策任务和正确分析结果的决策问题；BALL 等[7]利用建立的多主体协同决策体系，调整项目与运营控制之间的不确定性，提高决策能力。

由此可见，多主体思想已被广泛应用于应急救援中。目前，中国应急多学科协调研究仍处于起步阶段，以定性研究为主，定量研究较少，协调水平有限；地震救援主体协调关系研究理论较少，实践需要理论支持。本文旨在提高应急救援主体的应急救援能力，建立基于动态合作工作系统的应急合作模式，找到提高应急合作能力的方法，提出对策和建议，为应急处置提供一定的理论基础和方法支持。

1 多主体协作系统概述

主体是指在复杂系统中具有一定主动性的个体或单位，英文名为“Agent”[8]。早在19 世纪70 年代HEWITT 就提出了这个概念。一般来说，人们一致认为，人工智能领域发展起来的一个新概念应该能够从自己的状态和外部环境的变化中获取相关信息，并能够独立产生相应的行为。

德国物理学家哈肯结合概率论、信息学理论，创造了经典的协作理论：协作是指在外部参数驱动和子系统之间的相互作用下，在宏观尺度上形成空间、时间或功能有序结构的条件、特征律。多学科合作理论与一般合作理论不完全相同。多学科合作不是简单地选择最佳策略，资源配置最小，达到利益优化的目的，而是通过整体合作最大化团队的利益[9]。

目前，主体的概念得到了前所未有的广泛应用，并在此基础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体分析

本文将地震救援不同参与主体的关系界定为主导型救援主体、辅助型救援主体、先锋救援主体和新闻媒体，救援主体的细分来自于对“汶川地震”等救援案例的整理分析[10-11]。

主导型救援主体 政府。政府主体处于应急响应过程的核心地位。强大的管理约束力是政府的主要特征之一。与其他主体相比，政府拥有大量的资源，具有积极制定和实施法律法规的合法权力，具有较强的组织能力。

辅助型救援主体 非政府组织。非政府组织也被称为非营利组织，它是一种协会、慈善信托、非营利性公司或政府以外的其他法人。它不是政府组织，不是由权力驱动的；也不是经济组织，不追求经济利益。

先锋救援主体 军队、医疗队和消防队。在地震救援过程中，政府领导下的医疗队和救援部队冲到了前线，这是一支在救灾中努力挽救受伤生命的队伍。

新闻媒体。它可以利用舆论等手段引导公众，第一时间为社会和公众发布救援信息，向公众传达政府制定的相关应急救援政策。

3 模型仿真

多智能体建模工具众多，NetLogo 仿真平台为建模者提供了可编程的建模环境，模拟了自然和社会的一些现象，广泛应用于应急救援中。NetLogo 仿真平台适合于随时间演化的复杂系统建模，建模者可以向模型中自主运行的代理发出命令。因此，本文使用NetLogo 进行模拟。仿真框架设计如下。

3.1 模型假设

任务对象在平面位置上随机分布，并且同一时间展开救援；军队和医护人员的搜救方向是随机的。

3.2 模型互交规则

3.2.1 应急主体之间的交互规则

先锋型应急主体的成员有很多，本文选取最具有代表性的军队soldiers 和医护团队doctors，其中军队、医护团队的每个个体都有一个ability 值，当ability 值小于等于0 时停止救援。辅助型应急主体的志愿者volunteers 与主导性救援主体的政府government 分别有一个ability 值和power 值，其值大小代表救援能力的强弱，值越大，救援能力就越强。具体互交规则如下：①初始化；②对军队、医护团队的ability 值进行更新，ability 值=ability 值+government-power 值+volunteers-ability 值；③对军队、医护团队的ability 值进行判断，如果ability 值大于0，则进行移动，否则停止移动；④数据更新，进入下一阶段。

3.2.2 受灾者与应急主体间的互交规则

本文以地震救援为例，受灾者分为两类，分别为被埋且受伤者buried 和受伤者unburied；每类都有一个difficulty 值，分别为difficulty1 和difficulty2，其值会随时间的增长而变大，difficulty 值越大，救援难度就越大；当difficulty 值达到100 时，受灾者死亡，且只军队、医护团队的ability 值大于difficulty 值时才可以进行救援，每次救援成功，其ability 值会大幅度减少。具体互交规则如下：①初始化；②判断受灾者difficulty值，如果difficulty 值大于100，受灾者死亡，如果difficulty 值小于100，进行下一阶段；③判断军队、医护团队能否对受灾者进行救援，如果difficulty 值小于ability 值，则对受灾者进行救援，救援后军队、医护团的ability 值减少30，同时受灾者的difficulty 值变得足够小，成为幸存者，受灾者的difficulty 值减小，受灾者转化为获救者；④数据更新，进入下一阶段。

3.2.3 新闻媒体

media-energy 是新闻媒体的信息传播能力，影响救援仿真过程中系统循环一次的步数，是一个相对值，即值越大，一次循环步数越多，其值定为1。

4 案例分析

本文以地震为研究背景进行算例仿真分析。假设中国某地发生地震，受困人数为200 人、受伤人数为100 人，国家共组织医护人员90 名、军人90 名，受灾程度设为40。初始值设置如表1 所示。此次救援中重点研究政府管理能力、受灾程度、救援主体3 个因素对主体间协同救援的影响，协同绩效通过受灾者的生存率来体现。

表1 仿真初始值

按钮“设置”和“开始”可以分别更新参数和运行救援活动，所有参数都以滑块的形式表示。主窗口中不同主体形状分别设置为：被埋者为点状图案，未埋者为三角形图案，医护人员为汽车图案，士兵为五角星图案。存活率窗口显示如图1 所示，表格可以同时显示实时人数。图1 模拟操作，未被掩埋的人被医护人员救出后形状变成正方形，显示在主窗口，如图2所示。

图1 仿真初始界面

图2 仿真运行结果界面

随着时间的推移，大量受害者在短时间内死亡。这是因为温度影响受害者的存活率。灾民紧急救援中72 h 内为黄金救援期。在黄金救援期内，如果温度超过37 ℃，脱水的概率直线上升；如果温度低于0 ℃，废墟下的健康人可能在24 h 内死亡。未埋者为0 时，救援停止，在窗口内不动。

5 仿真结果分析

设平均幸存率为因变量，分析医护救援能力、军人救援能力、灾害程度、志愿者能力、政府管理能力5 个自变量的仿真结果，得到被困灾民的幸存率关系，如图3 和图4 所示。

图3 存活率与主体救援能力关系图

图4 存活率与政府管理能力和灾害程度关系图

图3 设军人救援能力、医护人员救援能力、志愿者能力为自变量，存活率为因变量，其他条件保持不变，三者救援能力增强，被困者的幸存率也得到提升，其中志愿者的救援活动贯穿于整个救援中，故志愿者的救援能力提升，可以显著提高受灾者的存活率。

图4 设政府管理能力和灾害程度为自变量，存活率为因变量，随着受灾程度的增大，灾害救援主体间协同困难度增加，救援效率降低，丧失生命的民众占比增大。作为处于突发事件应急处置过程核心地位的政府，随着政府管理能力的增强，被困者存活率大幅度提高，可见政府主体的管理能力对应急救援十分重要。随着时间的推移，受灾者在短时间内出现大量死亡，这是由于温度影响受灾者的存活率。

6 结论

本研究以地震救援主体为研究对象，设计地震灾害救援仿真模型进行地震救援仿真实验，分别仿真运行受灾程度、政府管理能力、军队救援能力、医务人员救援能力、志愿者能力5 个自变量在不同情景下受灾者的存活率，证实了需要从提高政府管理能力、提高救助主体救助能力和降低受害程度3 个方面优化主体协同关系，提高救助绩效，同时证实了地震救援把握好黄金72 h，可以大幅度提高受灾者的存活率。