基于Petri網的城市交通應急管理系統分析

張曉青，王啟明

(蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070)

基于Petri網的城市交通應急管理系統分析

張曉青，王啟明

(蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070)

交通應急管理系統是交通安全、可靠性運營的保障，是交通發展戰略規劃中的重要研究內容。為了能對交通應急管理系統進行定量分析，文章從定性的角度分析了影響交通應急管理的因素，建立了城市交通應急管理系統的Petri模型，并利用隨機petri網和模糊集理論對建立的模型進行性能分析，同時根據庫所繁忙概率和變遷利用率確定影響應急系統性能的薄弱環節，提出提高該交通應急管理系統性能的改善措施。

交通應急管理系統；Petri網；馬爾科夫鏈；性能分析

0 引言

交通應急管理系統是交通安全和可靠性運營的保障，是交通發展戰略規劃中的重要研究內容。當有突發事件發生，如遇自然災害，以及各種交通事故等，這就需要交通管理部門有高效的應急預案，使廣大乘客及其工作人員能夠得到及時疏解，以最大可能地保證公眾生命的安全和減少財產的損失。所以，全面認識和恰當分析城市交通應急管理系統的性能具有十分重要的意義。

交通應急管理系統是有效應對城市突發事件，維護社會穩定，完善社會管理職能的重要系統。交通應急管理系統是一個涵蓋了交通應急事件整個生命周期，包括信息檢測、信息預報及公布、應急處置等過程技術手段的動態系統。文獻[1]在總結國內外應急管理系統現有研究的基礎上，闡述了交通應急管理系統的組成子系統和工作流程；文獻[2]根據應急事件的形成機理和影響范圍的不同將道路交通應急管理系統分為四個方向： 道路自然災害應急管理、 道路交通重大事件應急管理、 道路交通突發事

件應急管理、道路交通事故應急管理，在此基礎上設計了道路交通應急管理系統框架；文獻[3]分析公路交通應急資源管理系統的定位以及系統的需求，設計了公路交通應急資源管理的工作流程和系統；文獻[4]介紹了城市軌道交通應急管理與處置系統的設想、系統構架的設計和構建方法；文獻[5]根據軌道交通突發事件應急決策的特點，將CBR技術應用到城市軌道交通應急處置輔助決策系統。

本文參考文獻[1-2]將交通應急管理系統分為以下部分組成：事件檢測子系統、事件分析子系統、事件預案管理子系統、事件決策子系統、事件救援子系統以及完成信息傳遞的通信子系統，各個子系統共同構建交通應急管理系統，系統框架組成如圖1所示。參考文獻[3-5]以及影響應急事件流程的重要度，可將其簡化為三個部分：應急事件信息檢測系統、應急事件決策系統、應急事件救援系統。

圖1 交通應急管理系統構架圖

通過分析已有交通應急管理系統的研究和圖1可以看出，雖然目前對于應急事件管理工作的研究取得了很多進展，但是，交通應急管理系統由于系統內部各因素的影響還存在以下缺點：

(1) 通應急事件信息獲取手段落后；

(2) 應急管理信息化程度低；

(3) 應急預案不完善；

(4) 信息共享程度較低；

(5) 常態化應急機構沒有真正建立；

(6) 各部門之間缺乏協同預警指揮。

1 基礎理論

1.1 模糊集理論

模糊集是指用于表示界限或邊界不分明的具有特定性質事物的集合，模糊數的定義[7]：如果是實數域R上的正常模糊集，且對于任意0≤λ≤1，其截集A是一個閉區間，則稱A是一個模糊數。三角模糊函數f(x,a,b,c)描述為：

針對三角模糊數f(x,a,b,c)的λ1和λ2截集有：

這樣就求得x1=a+(b-a)λ1，x2=c-(c-b)λ2則三角型模糊函數f(x,a,b,c)的λ1和λ2截集為[a+(b+a)λ1,c-(c-b)λ2]。當λ1=λ2=λ時，三角模糊數的λ截集為[a+(b-a)λ,c-(c-b)λ]，即三角模糊數的信任區間，如圖2所示。

圖2 三角模糊數λ截集示意圖

1.2 隨機Petri網理論

Petri網的概念由德國的CarlAdamPetri在1962年首次提出，由于Petri網融合了形式化定義和圖形表示功能，能夠簡潔、深刻地刻畫系統的動態性質，因而越來越受到人們的關注。在經典Petri網的基礎上，給每一個變遷關聯一個實施速率，引入時間參數，就得到隨機Petri網。現給出隨機Petri網的定義：

六元組SPN=(P，T，F，W，M，α)

其中：P={p1,p2,p3,…pm}，是庫所的有限非空集；T={t1,t2,t3,…tm}，是變遷的有限非空集；F=P·T∪T·P,有向弧的集合，P和T滿足P∩T=φ且P∪T=φ；W∶F→N+是弧權函數，N+={1，2，…}；M∶S→N是初始標識，N={1,2,…}；α={α1,α2，…αm}，是變遷平均實施速率集合，α1是變遷的平均實施速率，一般假定服從指數分布。

2 基于Petri網的交通應急管理系統分析

2.1 交通應急管理系統Petri網建模

根據上頁圖1所示交通應急管理系統的架構圖，以及Petri網的基本理論，構建交通應急管理系統的Petri網模型如圖3所示：

圖3 交通應急管理系統Petri網模型圖

其中變量說明如表2所示：

表1 交通應急管理系統Petri網模型庫所說明表

表2 交通應急管理系統Petri網模型變遷說明表

2.2 馬爾科夫鏈及穩態概率方程

根據圖3給出的交通應急系統的Petri網模型，可以得到與SPN同構的馬爾科夫鏈，見圖4。

圖4 交通應急管理系統馬爾科夫鏈示意圖

根據已有的MC得到馬爾科夫過程的轉移速率矩陣：

設穩定狀態概率為x=(x1,x2,x3…x13)從而得到穩態概率方程

2.3 性能分析

對方程中的oi做不同程度的模糊處理，則方程成為模糊穩定概率狀態方程，此方程的解就是穩定狀態概率。參考文獻[12]，選取三角模糊函數，將模糊處理后的速度oi用一個三元組(a,b,c)表示。根據實際情況，由現場調研得到變遷速率o1=o3=4，o2=o6=6，o4=o7=o8=3，o5=2，o9=o10=1。對o1=o3=4、o2=o6=6采用5%的模糊化程度作為其上下界，對o4=o7=o8=3采用10%的模糊化程度作為其上下界。根據實際完成工作情況對o5=2采用15%的模糊化程度作為其上下界，對o9=o10=1采用20%的模糊化程度作為其上下界。則有：

o1=o3=(3.8,4,4.2)；o2=o6=(5.7,6,6.3)；o4=o7=o8=(2.7,3.3.3);o5=(1.7，2，2.3)；

o9=o10=(0.8，1，1.2)。

根據2.1的理論，確定三角模糊數oi的信任區間，篇幅有限，只列出λ=0.5時計算出的穩態概率的信任區間，計算結果如表3所示。

表3 穩態概率的信任區間數值表

[12],利用區域中心法在信任區間求解標識穩定概率值，得x1=0.1190106，x2=0.0793403，x3=0.1190109，x4=0.05294825，x5=0.0264741，x6=0.0150966，x7=0.0211691，x8=0.0338434，x9=0.0861395，x10=0.0500738，x11=x12=0.1190106，x13=0.1588713。

庫所繁忙的概率就是交通應急系統中各實體庫所處于忙碌狀態的概率，庫所pi繁忙的概率在這里記為P[m(pi)=1]。首先求得在各標識狀態m1,m2,m3…m13下，各庫所中的托肯分布情況，具體如表4所示：

表4 各標識狀態下庫所托肯分布情況表

各庫所繁忙的概率為：

P[m(p1)=1]=x1=0.1190106；P[m(p2)=1]=x2=0.0793403；P[m(p3)=1]=x3=0.1190；

P[m(p4)=1]=x4=0.05294；P[m(p5)=1]=x5=0.0264；P[m(p6)=1]=x6=0.0150；

P[m(p7)=1]=x7=0.0211；P[m(p8)=1]=x6+x9+x10+x12=0.2703；P[m(p9)=1]=x7+x9+x11+x12=0.3453；P[m(p10)=1]=x8+x10+x11+x12=0.3219；

P[m(p11)=1]=x13=0.1588。

變遷的利用率即為使得變遷可實施的所有標識的穩定概率之和，變遷ti的利用率記為U(ti)。

U(t1)=x1=0.1190106；U(t2)=x2=0.0793403；

U(t3)=x3=0.1190；

U(t4)=x4+x6+x7+x10=0.1392；U(t5)=x4+x5+x7+x9=0.1867；

U(t6)=x4+x5+x6+x8=0.1283；U(t7)=x11=0.1190；

U(t8)=x12=0.1190；U(t9)=x13=0.1588。

3 結語

交通應急管理系統是保障交通安全的重要組成部分，健全的交通應急管理系統能夠在減少和降低交通安全事故和人員傷亡方面起到重要作用。本文主要考慮系統的時間特性，分析容易產生信息堆積的業務單元，為進一步系統優化提供支持。

從庫所繁忙的數據可以看出，庫所p8、p9、p10的繁忙概率最大，即系統中專家輔助決策、預案調整、處置信息的傳達這些環節最容易產生信息堆積，因此在實際系統的應用過程中，應該加強這幾方面的優化。從變遷利用率的數據可以看出，變遷利用率基本持平，其中T5的利用率較高于其他變遷，也就是說人員確認在整個系統中較為繁忙。因此，為了使系統能夠做到快速響應、迅速判斷、立刻執行，應使各子系統合理分工，密切配合，提高系統的工作效率，當發生交通事故時，才能快速應急。

參考文獻

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Urban Traffic Emergency Management System Analysis Based on Petri Net

ZHANG Xiao-qing，WANG Qi-ming

(School of Traffic and Transportation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu，730070)

Traffic emergency management system is the guarantee of traffic safety and operational reliability，and it is also the important research content of traffic development strategic planning.In order to conduct the quantitative analysis on traffic emergency management system，this article analyzed the factors affecting the traffic emergency management from the qualitative point of view，established the Petri model of urban traffic emergency management system，and by using the random petri net and fuzzy set theory it conducted the performance analysis on established model，meanwhile it determined the weaknesses affecting the emergency system performance based on library busy probability and change utilization rate，and it proposed the improvement measures to improve the performance of traffic emergency management system.

Traffic emergency management system；Petri net；Markov chain；Performance analysis

張曉青，碩士，主要研究方向：交通運輸規劃與管理；

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.017

1673-4874(2015)06-0070-04

2015-05-07

王啟明，碩士，主要研究方向：交通運輸組織管理優化。

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2013X006-A)