摘 要： 為了提高應急信息系統(tǒng)模型的語義基礎，提出了一種基于Petri網(wǎng)的應急預案流程的建模方法。以ABC模型為上位本體建立了應急預案流程本體，提出了應急預案流程的Petri網(wǎng)建模過程，并定義了應急預案流程中本體和層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則。使用該方法對某公路橋梁搶修應急預案流程進行Petri網(wǎng)建模，并通過仿真分析驗證了建模方法的有效性。
關鍵詞： 應急預案；應急預案流程；本體；Petri網(wǎng)
0 引言
應急預案是對可能發(fā)生的重大事故或災害等突發(fā)事件所提供的包括從災害事件準備、響應、恢復各階段行動的指導和方案。目前，包括國家、省、市、區(qū)、企業(yè)等各級應急預案已相繼建立，但質量卻相對較低，且現(xiàn)有的數(shù)字應急預案的建模方法也沒有考慮預案模型的語義統(tǒng)一，多系統(tǒng)的信息共享和互操作無法實現(xiàn)，直接影響應急平臺的跨組織應急預案協(xié)同，導致各應急預案無法良好協(xié)調，應急聯(lián)動效果不佳。為解決這一問題，本文提出了基于應急預案流程本體的Petri網(wǎng)建模方法，采用本體技術建立具有共享語義的應急預案流程知識體系，利用Petri網(wǎng)良好的系統(tǒng)動態(tài)性能描述和仿真能力對應急預案流程進行建模與評估，實現(xiàn)提升應急預案質量的目的。
本體是描述知識模型的重要手段，是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[1]。Harmony數(shù)字圖書館項目的ABC本體模型[2]描述了狀態(tài)、動作、事件、agent等相關的概念及其關系；PLANET[3]用一個可重用、共享的本體用來描述方案，解決各系統(tǒng)之間的知識共享問題并進行信息交互；I-N-C-A本體[4]則認為方案可以用包括隱含約束、節(jié)點約束、細節(jié)約束的一系列約束來描述。但由于本體在過程建模能力的不足，各種基于本體的建模方法也相繼出現(xiàn)，如參考文獻[5]利用本體對供應鏈模型進行了語義標注，參考文獻[6]對基于本體進行EPC建模方法進行了研究，參考文獻[7]則提出了基于本體的軟件過程開發(fā)模型。
Petri網(wǎng)作為描述和分析離散事件動態(tài)系統(tǒng)的有效工具，是一種研究信息系統(tǒng)及其相互關系的數(shù)學模型。TAVANA M[8]認為工作流、數(shù)據(jù)流圖、決策樹、實體關系圖、進程圖、角色活動圖等建模方法在描繪和驗證系統(tǒng)的動態(tài)要求方面有所欠缺，而選用Petri網(wǎng)為核電站應急管理系統(tǒng)的動態(tài)過程進行建模；參考文獻[9]建立了中國城市應急響應系統(tǒng)的Petri網(wǎng)，并對系統(tǒng)技術性能進行了分析。雖然以上研究解決了一些實際問題，但這些模型和系統(tǒng)卻缺乏語義基礎，無法進行有效的信息共享、互操作和應急業(yè)務協(xié)同。
為了增強系統(tǒng)的語義理解與交互，本文結合本體與Petri網(wǎng)的優(yōu)勢，提出了基于應急預案流程本體的Petri網(wǎng)的間接建模方法。首先，通過建立應急預案流程本體，構建了應急系統(tǒng)的共同語義基礎，然后定義了本體、元模型、層次Petri網(wǎng)的映射關系，給出了基于本體的應急預案流程的Petri網(wǎng)建模過程，并對某公路橋梁搶修應急預案實例進行建模仿真。
1 應急預案流程本體模型
以ABC模型為上位本體，構建應急預案流程本體，出于直觀表示的目的，本文使用UML表達應急預案流程本體，如圖1所示，受篇幅所限，本文只介紹部分內(nèi)容。
應急預案流程本體中的主要概念和關系包括：
（1）應急預案流程概念定義為EPP_Concepts：={C}，其中C表示應急預案流程的概念集，表示為EPP_Concepts：=<EPP_Process，EPP_EventState，EPP_Step，EPP_Action，EPP_ActionSubject，EPP_ActionObject，EPP_Resource>，主要包括：
①應急預案流程（EPP_Process）：ABC模型中Event的子類，表示在某一時空范圍內(nèi)，為達到應急預案中特定目標所采取一系列行動的業(yè)務領域活動。
②應急預案事件狀態(tài)（EPP_EventState）：ABC模型中Situation的子類，表示應急預案流程中事件在某一時刻的狀態(tài)和上下文約束，包括天氣、地理位置、人員等。
③應急預案步驟（EPP_Step）：ABC模型中Event的子類，表示在某一應急預案流程中，為實現(xiàn)流程中某一特定階段目標所采取的一系列行動集合，若干個應急預案步驟組成一個應急預案流程。
④應急預案動作（EPP_Action）：ABC模型中Action的子類，表示應急事件處置流程中的動作。
（2）應急預案流程關系定義為EPP_Relations：={R（c1，c2）|c1，c2∈EPP_Concepts}，在應急預案流程模型中概念間的主要關系包括：
①使用（Use）：表示應急預案動作（EPP_Action）與應急資源（EPP_Resource）之間的使用和被使用關系。
②主體（Hassubject）：表示行動主體（EPP_Actionsubject）是應急事件動作（EPP_Action）的執(zhí)行者。
③客體（Hasobject）：表示行動客體（EPP_Actionobject）是應急預案動作（EPP_Action）的執(zhí)行客體。
④約束（Containt）：表示應急預案動作（EPP_Action）及應急預案步驟（EPP_Step）與應急預案事件狀態(tài)（EPP_EventState）之間存在一系列的約束（Containt）關系，即應急預案動作和步驟影響應急預案事件狀態(tài)，而應急預案事件狀態(tài)又導致了應急預案動作和步驟的發(fā)生。
⑤發(fā)生時間（Occurtime）：表示應急預案動作（EPP_Action）的發(fā)生時間。
⑥發(fā)生地點（Occurplace）：表示應急預案動作（EPP_Action）的發(fā)生地點。
2 基于本體的層次Petri網(wǎng)建模
2.1 基于應急預案流程本體的Petri網(wǎng)建模過程
應急預案流程的層次Petri網(wǎng)建模過程可分為應急預案流程本體建模、應急預案流程元模型建模、應急預案流程層次Petri網(wǎng)建模三個階段，如圖2所示。
（1）應急預案流程本體建模：通過對應急預案流程的知識體系進行歸納、分析、設計、編碼、檢驗等一系列步驟，強調共享和重用，抽象應急預案流程的概念、屬性、關系、公理、實例，建立應急預案流程本體。
（2）應急預案流程元模型建模：應急預案流程元模型是應急預案流程中數(shù)據(jù)的描述，可以提供應急預案流程的語義基礎，解決信息系統(tǒng)的語義異構問題。在應急預案流程本體基礎上，通過本體的實例化，映射到元模型層，構建應急預案流程元模型，是應急預案流程的信息資源和數(shù)據(jù)的結構化的數(shù)據(jù)描述。
（3）應急預案流程的層次Petri網(wǎng)建模：根據(jù)應急預案流程元模型與層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則，可映射為層次Petri網(wǎng)中的庫所、變遷（可細化變遷）、有向弧，形成層次結構的Petri網(wǎng)模型，模型能夠為應急預案流程提供簡單直觀的圖形化描述方法，同時引入的數(shù)學描述手段，具有多種分析方法和嚴密的數(shù)學理論基礎。
2.2 層次映射規(guī)則
基于應急預案流程本體的層次Petri網(wǎng)建模中，本體、元模型、層次Petri網(wǎng)三層之間存在著映射關系，如表1所示。
映射關系保證了應急預案流程的層次Petri網(wǎng)模型能夠建立在領域本體的基礎上，并增強了Petri網(wǎng)模型的語義基礎。應急預案流程中的本體和層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則可定義為：
規(guī)則1：p=Instance（EPP_Process）r∈R表示存在任意應急預案流程本體層的EPP_Process的實例化Ep，可以用一個層次Petri網(wǎng)表示，R為層次Petri網(wǎng)模型。
規(guī)則2：Es=Instance（EPP_Step）Ts∈Np（t）表示存在任意應急預案流程本體層的EPP_Step的實例化Es，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的一個變遷細化子網(wǎng)Np（t）表示。
規(guī)則3：Ead=Instance（EPP_EventAction）t∈T表示存在任意應急預案流程本體層的EPP_Action的實例化Eea，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的不可細化變遷T表示。
規(guī)則4：Ees=Instance（EPP_EventState）p∈P表示存在任意應急預案流程本體層的EPP_EventState的實例化Ees，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的庫所P表示。
規(guī)則5：Ec=Instance（Constrain）f∈F表示存在任意應急預案流程本體層中的關系Constrain的實例化Ec，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的有向弧F表示。
3 應用
3.1 場景描述
某公路橋梁搶修應急預案的部分流程簡述如下：當發(fā)生公路橋梁損毀時，養(yǎng)護站立即上報領導小組，并在危險地段設立標志及派人監(jiān)守，對損毀公路、橋梁進行初步維修和疏通；公路管理站負責組織進行現(xiàn)場查勘和處理，并提供技術支持；交通疏導隊負責對車輛進行疏通和引導；領導小組制訂搶修方案，組織實施公路、橋梁搶修和應急疏通任務，直至恢復交通。
3.2 建模實例
在上述場景中，節(jié)選預案流程中交通疏導隊應急處置部分為例，基于應急預案流程本體，建立了交通疏導隊的應急預案流程層次Petri網(wǎng)模型，建模過程如圖3所示。
3.3 模型仿真
利用PIPE2工具，對基于應急預案本體建立的某公路橋梁搶修應急預案的Petri網(wǎng)模型進行仿真，如圖4所示。
對此應急預案進行仿真分析，結果如圖5所示，可知在某公路橋梁搶修應急預案流程中，領導小組制訂搶修方案并組織實施方案的時間決定了公路橋梁何時能夠恢復交通通行，所以該任務的執(zhí)行所需的組織力量和資源力量應該首先被滿足，且提升這個任務的執(zhí)行效率將有利于整體應急處置時間的縮短。養(yǎng)護站的損毀確認報警時間決定了其他應急組織開始執(zhí)行各自任務的起始時間，需要加強養(yǎng)護站的預警響應任務的日常訓練。另外，交通疏導隊的交通疏導任務和養(yǎng)護站的維修疏通任務是消耗時間最長的任務，需要注重日常任務訓練。
4 結論
本文構建了應急預案流程本體，提出了一種基于本體的層次Petri網(wǎng)建模方法，定義了本體、元模型、層次Petri網(wǎng)的層次間映射規(guī)則，并使用該方法對某公路橋梁搶修應急預案流程進行Petri網(wǎng)建模，通過仿真驗證了方法的有效性。這種方法可以增強應急信息系統(tǒng)建模的語義基礎，進一步提升模型的共享性和重用性，同時建立各級、各部門應急預案流程模型，其仿真結果也能夠對應急預案流程進行評價和分析，有利于應急預案質量的提升。下一步工作是繼續(xù)研究使用該方法建立的Petri網(wǎng)模型在應急預案演練、應急協(xié)同平臺等方面的應用。
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