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基于petri网的应急响应资源合作的建模与排队分析

关键词：应急资源 Petri网建模 冲突检测 避免冲突 排队系统

摘要：在事故发生后的应急反应中，应急行动往往需要一定的应急资源。应急资源的充分使用或缺乏，将影响应急反应活动或过程的效率甚至其成功。不同的应急行动在应急资源的使用上形成了一定的关系。本文分析了应急行动在资源利用中的合作模式，并给出了这些合作模式的petri网模型。并在此基础上，提出了一种基于资源使用的应急行动冲突检测方法。针对有限资源共享引起的冲突，采用petri网建模的排队系统，结合应急行动模型，避免冲突。本文通过使用一个与火灾事故有关的应急反应活动的例子来演示建模方法。分析了冲突，并采用排队系统避免同时使用同一资源。

引言

流程工业中的主要工业事故可造成巨大损失，而有效的应急反应可以大大减少损失。应急反应过程包括一系列应急行动，通常需要一定的应急资源来实现他们的目标。对于一些涉及危险品的重大事故，应急资源的使用可能是成功应对事故的关键因素。应急行动与应急资源利用之间存在一定的关系，因此，在规划应急行动时，必须分析这种关系，避免冲突。

应急资源是应急管理的重要组成部分。关于对在应对各种突发事件或灾害时，如何有效地利用应急资源，包括应急资源的配置、调度、需求预测等的研究有很多。应急资源配置集中在决策支持系统中确定最优选址。文献中的大多数这些方法被用于检测到灾害的最小响应时间，使他们能够以最低的成本被清除。例如，Tzeng等人（2007）提出模糊多目标数学规划模型，制定应急资源配置问题。他们的目标函数包括最低费用、总到达时间和灾害基本支持的最大满意度。Sheu（2007）提出了一种模糊聚类优化方法，用于应急物流共同配送响应的关键救援期安全要求操作。Zhang等（2012）制定了多资源、可能次生灾害约束下的应急资源配置问题，运用整数规划方法，建立了考虑多次生灾害的多资源多应急库问题模型。wang等人（2014）提出了一种基于雪球过程的应急响应任务网络生成方法和基于社会网络分析的任务网络分析方法，有助于资源的合理配置和目标协作。Hawe等人（2015）使用基于代理的模拟来确定两站点事件的资源分配，减少伤员伤亡的最新医院到达时间。

应急资源调度主要是解决资源调度问题。Zhang等（2011）建立了一个应急资源调度模型，包括多个供应商、多个资源、单个事故地点和一些限制。他们采用自适应变异遗传算法来找出一个优越的解决方案。Li与Li（2012）开发对资源的需求是随机的，运输渠道是不可靠的应急资源调度模型。考虑到地震、洪水等大规模灾害，往往导致交通网络的不确定性，包括连通性不确定性和出行时间不确定性，Ren等人（2012）提出了一种基于CTM网络的多品种应急物资动态运输模型，并设计了相应的混合遗传算法求解该问题。

对应急资源的需求是指对任何应急情况作出有效反应所需的最低要求。如果应急资源不足，则无法成功执行应急响应活动。Wang等人（2009）引入工作流模型，提出一种有效的资源需求分析算法来确定最小资源集，如果满足，工作流可以在不发生资源短缺的情况下执行。Liu等人（2012）提出了一种基于案例推理（CBR）的应急资源需求预测方法，通过分析案例的风险分析属性，建立案例库和基于案例推理技术，得到应急资源需求预测结果。

尽管这些研究对于提高应急反应的效率都有重要意义，但并没有涉及应急资源与应急行动之间的明显关系。应急资源被一系列应急行动消耗或使用，并可能限制这些行动的执行。例如，不同的应急操作可能需要顺序使用相同的资源，但是，如果前一个操作不释放资源，则后者操作不能使用它。资源以不同的方式在应急行动中形成不同的关系，如序列、选择和并发。要分析应急行动中的应急行动，需要对应急行动与使用资源之间的关系进行建模。

petri网方法是一个强大的建模和分析工具。它可以正式地描述复杂系统中的活动流。它特别适合于表示系统中不同部分或活动之间的逻辑交互。可以通过Petri网模型的典型情况是同步的，顺序性、并发性和冲突。例如，Petri网被用来模拟和分析应急响应。

一些研究还利用petri网分析应急资源的应急行动。Liu等人（2015）提出了一种考虑不确定活动执行时间、资源量和资源准备时间的形式化方法来对应急过程进行建模和分析，基于E网，是一个基于Petri网的形式化模型的一个应急响应过程的资源和持续时间不确定的约束。Li等人（2016）提出了一种基于Petri网的建模方法和分析时间和地铁火灾应急响应过程的资源问题，涉及到资源冲突检测方法以及相应的算法和关键任务优先策略和等待时间最短优先策略制定优先准则，优化整个过程的执行时间。这两项研究都是根据行动执行时间（每次执行持续时间被划分为最小持续时间和最大持续时间）的时间分析来分析应急行动冲突，冲突只能由可重复使用的资源引起。

本研究的重点是在应急资源的使用方面建立应急行动的合作模型，以及冲突检测和规避方法。首先，根据第2节的特点，对应急资源和应急行动进行了形式化定义。然后，在第3节中，提出了一种基于有色混合petri网的应急响应建模方法。第4节提出了一种关于应急行动的冲突检测和避免方法。第5节讨论了一个简单的示例。第6节得出结论。

2. 正式规范

2.1应急资源和行动的正式规范

在应急反应活动或过程中，可以使用各种应急资源。根据应急资源的特点，可划分为若干类：

（1）消费资源和可重复利用的资源：

一些应急资源可以重复使用（例如，某些个人防护装备），一些应急资源不能重复使用（如灭火泡沫或水）；

（2）离散资源与连续资源：

这个划分是相对的。这取决于资源使用的条件。例如，当水通过消防栓连接到消防栓时，水就可以看成是连续的资源，当它被用来通过消防车或水桶它也可以被认为是一个离散的资源。

因此，应急资源可以正式描述如下：

定义1：应急资源（ER）是三元组。

ER = (Resource Name. Resource property. Resource Type)

其中，

Resource Name：一个应急资源名称；

Resource property = {0,1}，资源的产权，0-可重复使用，1-消耗性；

resourceiype = {0,1}，一个资源类型，0-离散的，1-连续的。

在应急响应活动或过程中，所有应急资源构成资源集ResourceSet= {ERj|i e N},其中n表示自然数。

在应急响应活动或过程中，各种应急行动使用资源。

应急响应的执行受到两个主要因素的制约，一个是系统状态（或消息/命令），二是应急资源。一个系统状态可以启动或停止一个应急行动，而是否可以执行应急行动以及应急行动将持续多长时间受行动所需资源的限制。执行一个动作后，将形成一个新的系统状态，并且可以生成/释放某些资源。

因此，应急反应行动的定义如下：

表1应对火灾的应急行动和所需资源。
资源	资源名	属性	类型
ER1	消防车	0	0
ER2	消防泡沫	1	1
ER3	消防用水	1	1
ER4	热辐射 检测设备	0 0	0 0
ER5	发泡设备	0	0
ER6	消防栓	0	0

定义2：紧急响应行动（ERA）是一个五元组。

ERA = (ActionName, PreState, PostState, PreActionResource,PostActionResource)

其中，

ActionName：紧急反应行动的名称；

PreState = {PrState ᵢ|i ϵ N},在执行紧急行动之前必须满足的状态集；

PostState = {Po State ᵢ| i ϵ N},执行此紧急操作后生成的状态集；

PreActionResource = {PrAR ᵢ |i ϵ N },执行此动作所需的资源，PrAR ᵢ ϵ ResourceSet;

PostActionResource = {PoAR ᵢ |i ϵ N},执行此操作时生成/释放的资源，PoAR ᵢ ϵ ResourceSet;

在紧急反应过程中，所有紧急反应行动构成行动集。ERAs = {ERA ᵢ |i ϵ N }.

所有紧急反应行动构成应急响应过程（ERP），其定义如下：

定义3: 紧急响应过程（ERP）是一个三元组。

ERP = (ERAS, ResourceSet, Relations)

其中，

1. ERAs = {ERA ᵢ |i = 1 ,2 ,..., n}是一个紧急响应动作（ERA）集,n表示紧急响应操作的数量。
2. ResourceSet={ER ᵢ |i =1, 2, ..., m}是一个资源集，m表示紧急资源的数量。
3. RelationsERAsERAs是一个关系集，表示关系的紧急响应操作。

应急行动之间存在着一定的关系，尤其是在应急资源的使用上。这些关系将在下面的章节中讨论。

2.2 例示

在Zhou和Reniers（2016），一个例子是流程工业中多个同步火灾响应。在这项研究中，根本不考虑应急资源，或者认为它们是足够的。在这项研究中，考虑到消防需要的应急资源。表1列出了这些资源。

应急响应过程中可能需要任何其他资源，这里不考虑这些资源。例如，救火过程中需要消防队员，但他们不被视为一个分离的资源。

图1在ro-tchpn模型的元素图标。

因为所有操作都需要由它们执行，消防人员的信息被合并到系统状态或控制消息中。

表2列出了这一过程中的应急行动。

3．基于petri网的应急响应建模

3.1面向资源的有色混合petri网

在有可能起草网络之前，必须先给出和解释以下定义。

定义4：（周和reniers，2016）：一时间有色Petri网（tchpn）是一个十一元组

TCHPN = (P, T, A, , V, N, C, G, E, IN. )

1. P是一组有限的位置。P可分为两个子亚群：PD和PC集，分别为离散和连续位置。
2. T是一组有限的转换。T也可以分为两个亚群的TQ和TC，分别离散和连续的转换。
3. A P T T P , 表示弧集合，将位置与转换和转换连接在一起。
4. 表示一组有限的非EM私有类型，称为颜色集。
5. V 是一个有限集合变量类型，所以对于所有的v ϵ V变量有type[v] ϵ
6. N:A P T T P是节点函数。
7. C: P表示将颜色分配给每个位置的颜色集函数。
8. G: 表示保护功能的守护功能，它是对每个转换T进行过滤和限制可能发生的事件。
9. E: 表示拱表达式的作用，每个拱都有弧表达式。
10. IN：是一个初始化函数。
11. ：是一种将离散转换确定时间延迟功能的函数。

定义5：一个tchpn满足下列条件称为资源型tchpn（ro-tchpn）：

（1）离散的PD可以分成两个子类PDS和PDR，离散状态和离散资源位置。

（2）连续位置PC可以分为两个子系统：PCS和PCR，连续状态和连续资源位。

在ro-tchpn的元素表示为图标，如图1所示。

表2-与火灾作斗争的应急行动
Action	Name	PreActionResource	PostActionResource
ERA1	激活应急反应
ERA2	去现场	{ER1}	{ER1}
ERA3	全文共14766字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[10420]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word