事故應急處置網絡的聯動能力研究與分析

趙冬平 郭雅娟 戚湧

摘要：事故事件作為社會公共安全的重要威脅源，極易造成巨大經濟損失，甚至導致人員傷亡。事故事件是隨機事件，如何強化事故應急處置網絡的聯動能力，分析其內部規律是該領域亟待突破的重要問題。本文引入Uncertainty factor參數因子，建立了應急資源聯動的模型，引入Lyapunov Function推導和分析了應急資源聯動的有效性，提出聯動取證依據，分析了資源連通率、事故應急處置網絡覆蓋、備用資源數和事故應急不確定性等對聯動能力及有效性的影響。理論分析和仿真實驗表明，資源連通率、事故應急處置網絡覆蓋、備用資源數概率與事故應急處置網絡的全局和局部聯動有效性是負相關的。

關鍵詞：事故應急處置網絡；聯動能力；事故事件

中圖分類號：TN391 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2017.08.007

引言

交通事故、城市火災等突發事件作為社會公共安全的重要威脅源，極易造成巨大經濟損失，甚至導致人員傷亡。隨著智慧城市建設在全國范圍如火如荼的展開，城市突發事故的應急聯動處理網絡先后在北京、上海、廣州、深圳、南京、重慶等城市建立，各大城市都在探索建立行之有效的突發事故的應急組織指揮協調系統，確保在突發重特大道路交通事故時，能及時、有效地開展事故應急救援工作，最大限度地減少人員傷亡和財產損失。

事故應急處置網絡的核心問題是應急資源聯動有效性問題，即諸因素圍繞同一任務目標開展集體協作行動的一致性問題，包括：（1）快速反應原則：應急處置要做到反應快、報告快、處置快；（2）先期處置原則：一旦發生事故，立即啟動現場處置方案，迅速采取有效措施，控制事態發展；（3）統一指揮原則：由應急指揮中心全面負責統一指揮、統一調度，保證救援工作的統一高效；（4）協調作戰原則：現場應急小組在應急指揮中心的統一領導指揮下，按照各自職責，密切協作，相互配合，共同做好事故的應急處置和搶險救援工作。

應急資源聯動有效性研究方面，相關研究主要集中在網絡聯動策略設計方面。如針對網絡結構狀態的聯動與反聯動的自適應控制，網絡動態拆分的多重邊融合自適應聯動建模，復雜動態網絡的雙重變時滯聯動問題的聯動算法，分布式網絡結構的變量耦合聯動問題的有效性分析。

本文首先針對事故的發生隨機性和事件狀態的不確定性增強，在傳統聯動理論的基礎上增加Uncertainty factor參數因子，建立新的事故應急處置網絡聯動能力模型和取證依據；其次，為提高應急資源聯動模型的實際效率，設計了全局聯動和局部聯動兩種方式；最后，分別討論資源連通率、事故應急處置網絡覆蓋、備用資源數和不確定性等因素對應急資源聯動能力的影響，有助于通過調整關聯因素來優化應急資源聯動的有效性。

1 事故應急處置網絡的聯動建模

令影響應急資源聯動的因素為與時間相關的，主要包括，①資源連通率，即資源各因素間的連通關系，它決定了事故應急處置網絡的信息共享能力；②事故應急處置網絡覆蓋，它不僅決定了網絡信息的獲取和交互效率，還直接影響著網絡的聯動能力；③備用資源數在一定程度上影響事故應急處置網絡的效能；④不確定性將直接影響事故應急處置網絡的信息處理能力。事故應急處置網絡的各個因素滿足網絡動力學方程，網絡構成因素總和為，共同構成連續時間耗散耦合動態網絡。本文在傳統網絡聯動模型基礎上考慮了Uncertaintyfactor參數因子，可得事故應急處置網絡的應急資源聯動模型，

若事故應急處置網絡達到聯動有效狀態，則滿足。其中，為事故應急處置網絡的各個因素達到聯動時所處狀態變量，即表示該網絡聯動狀態下，事故應急處置網絡的各個因素的結構、參數因子性能和運行軌跡逐漸趨于一致；為網絡因素

所處狀態變量；為網絡因素：所滿足的網絡動力學函數，對應網絡因素/參與集體安全防御的運行軌跡；常數c>0為耦合強度，表示事故應急處置網絡的各個因素間的信息連通度；訊為內耦合函數，表示事故應急處置網絡的各個因素間的信息輸出關系；為網絡因素所對應的不確定性函數，對應網絡發生隨機故障和遭受網絡破壞等不確

定性；為耦合矩陣，是事故應急處置網絡的各個因素間的信息連接狀態矩陣，若因素與因素之間具有信息連接關系，則，反之，為柄足鍋合約束條件，定義對角元為：

運用主有效性函數方法，對式（1）關于聯動狀態的線性化，令6為第個節點狀態的變分，可得式（1）的變分方程：

其中，和分別為作和關于5的雅克比矩陣。令，矩陣Z的若當分解為，其中。根據中引理1-1，矩陣z存在一個為0的一重特征值，其他7V-1個特征值均為負值。則式（3）可表示為：

等式兩邊同時乘，令S=rp，式（4）可表示為

應用Lyapunov指數法分析事故應急處置網絡的應急資源聯動有效性，其聯動化區域/與最大Lyapunov指數的有關。如果信息連通度e與連接矩陣Z特征值的乘積在聯動化區域/內（即0），則該區域為資源的聯動區域[13，2G]。對于事故應急處置網絡的資源，隨著以與七大小取值的不同，其聯動可能達到整個系統區域，也可能限于某一局部區域。由以上推理，按照全局聯動和局部聯動兩類情況，進一步分析事故應急處置網絡的應急資源聯動：

局聯動。事故應急處置網絡的各個因素信息連通覆蓋整個網絡，事故應急處置網絡能夠實現整個網絡的聯動，即全局聯動。令其所對應的聯動區域，其中，如果細足方程，即，則網絡全局聯動有效。顯然，毛值越小，網絡全局聯動能力越強，有效性越強。

②局部聯動。事故應急處置網絡的各個因素信息連通覆蓋網絡部分區域，事故應急處置網絡在相應區勝臟動，即局部聯動。令對應的聯動區域，其中，如果滿足方程，即，則網絡局部聯動有效。顯然，值越小，網絡局部聯動能力越強，有效性越強。

2 聯動取證依據

取證依據1對動力網絡式，

為矩陣的特征值。設為階對角陣，盡為階單位陣，常數，若對，存在滿足方程：則網絡聯動有效。

證明：構造Lyapunov FunctionG=SrPS，并對其求導可得：

3 聯動影響因素

分析可知，應急資源聯動主要取決于網絡因素間的連接矩陣，可通過分析矩陣的特征值人值判定網絡聯動。結合（1）式中值與因素與因素的通信連接關系（即），影響應急資源聯動的因素可進一步表述為：

①資源連通率。資源連通率是指網絡中邊的數量與網絡構成因素總和的比值，即：

其中，網絡邊是指事故應急處置網絡的各個因素間建立的通信連接關系，影響式（10）中的取值，從而影響矩陣特征值；的值，即影響木和的值，相應的影響事故應急處置網絡的聯動能力。

②事故應急處置網絡覆蓋。事故應急處置網絡覆蓋是指網絡構成因素的總和。事故應急處置網絡覆蓋擴大，網絡因素通信連接相應增多，即矩陣中的值增多。令為擴大后網絡新

增邊連接，由式（10）可得：

其中，為擴大后的事故應急處置網絡覆蓋，，為事故應急處置網絡覆蓋擴大后的資源連通率，通信連接。由式（11）可知，#通過改變從而改變和的值，相應的影響事故應急處置網絡的聯動能力。

③備用資源數。備用資源數是指替換遭受破壞受損因素的網絡備用因素的數量。網絡備用因素在維持事故應急處置網絡覆蓋動態有效的同時與網絡其他因素建立新的通信連接關系，即矩陣中的值發生變化。令為網絡備用因素加入后網絡新增邊連接，則由式（10）和式（11）可得：

其中，為網絡備用因素加入后的資源連通率，通信連接、由式（12）可知，網絡備用因素通過改變/從而改變和的值，相應的影響事故應急處置網絡的聯動能力。

④不確定性。不確定性是指因網絡故障或網絡破壞導致網絡受損因素的數量與網絡構成因素總和的比值，即：

代入（10）式，可得：

其中，為不確定性，為因網絡故障或網絡破壞導致網絡受損因素的數量，為事故應急不確定性發生后的資源連通率，為移除受損因素后網絡構成因素。由式（14）可知，移除網絡受損因素使得矩陣中相應移走維的網絡因素，相應的和的值發生變化，進而影響事故應急處置網絡的聯動能力。

4 仿真分析

本文收集了2011年至2016年江蘇發生重大火災的當地事故發生的天氣信息、應急處置網絡資源狀況和火災致災原因相關數據。其中，天氣數據特征分為：陣雨，小雨，中雨，大雨，多云，晴，陰；溫度數據特征為連續數據，為指定日期指定地點的日平均溫度；風級數據特征分為1-5級風，其中5級風包括（>5級）；風向數據特征表示當前日期當地風向；濕度數據特征表示當前日期當地空氣濕度；建筑物數據特征如表1所示，根據建筑物不同使用性質，具有不同特征，這些特征用數值描述[5，6]。標簽數據特征為火災致災類型，包括：正常無隱患1.自然原因導致火災2.電路原因導致火災3.可燃物原因導致火災。

仿真分析部分重點考慮資源的復雜性和不確定性對應急資源聯動的影響，對事故應急處置網絡資源的全局聯動、局部聯動及其有效性進行驗證。按照應急資源聯動取證依據，分別從資源連通率、事故應急處置網絡覆蓋、備用資源數和不確定性等四個方面進行。

令資源連通率在區間（0，1）內取值，步長為0.05。圖1和圖2分別給出了在事故應急處置網絡覆蓋和條件下，資源連通率對網絡全局聯動能力、局部聯動能力及其有效性的影響。由圖2可知，當p=0時，毛趨近于0，網絡全局聯動能力最低，網絡不有效；隨著P逐漸增大，豐值逐漸降低，最終趨近于，網絡全局聯動能力逐漸增強，并逐漸趨于有效。由圖3可知，當P=0時，4/4值達到最大，網絡局部聯動能力最低，系統不有效，隨著P逐漸增大，4/牟值逐漸降低，最終有效于某一特定值，網絡局部聯動能力逐漸增強，逐漸趨于有效。

仿真結果表明，當事故應急處置網絡的各個因素間沒有建立通信連接關系時（即P=0），無法實現事故應急處置網絡的應急資源聯動；當事故應急處置網絡的各個因素間通信連接逐漸增強時，即P逐漸增大，事故應急處置網絡的各個因素間的信息交互、資源共享程度逐漸增強，事故應急處置網絡能力得到增強，相應的事故應急處置網絡的應急資源聯動能力得到增強，并最終趨于有效。

令事故應急處置網絡覆蓋在區間（10，1000）內取值，步長為2。圖3和圖4分別給出了資源連通率p=0.05和p=0.1條件下，事故應急處置網絡覆蓋對網絡全局聯動能力、局部聯動能力及其有效性的影響。由圖4可知，當時，毛趨近于0，無法實現事故應急處置網絡的應急資源聯動；隨著不斷擴大，逐漸變小，網絡全局聯動能力逐漸增強，并逐漸趨于有效；由圖5可知，當時，次最大，網絡局部聯動能力最低，網絡不有效，隨著不斷擴大，名值逐漸變小，并最終趨于某一特定值，網絡局部聯動能力逐漸增強，并逐漸趨于有效。

仿真結果表明，當網絡構成因素極少時（即），很難構成結構完整、功能健全的網絡，無法實現事故應急處置網絡的應急資源聯動；當網絡構成因素逐漸增多時，即不斷擴大，網絡的結構、功能等特性得到完善，事故應急處置網絡能力得到增強，相應的事故應急處置網絡的應急資源聯動能力也得到增強，并最終趨于有效。

令事故應急處置網絡覆蓋#在區間（10，500）內取值，步長為10，備用資源數分別取。考慮網絡備用因素與事故應急處置網絡覆蓋的關系，這里綜合事故應急處置網絡覆蓋和備用資源數兩類因素對網絡全局聯動能力、局部聯動能力及其有效性的影響，如圖6和圖7所示。由圖6可知，當一定時，隨的增加不斷下降，網絡全局聯動能力逐漸增強，當事故應急處置網絡覆蓋達到一定時（如圖5中），只與m有關，網絡全局聯動有效；

當一定時，4隨W的增大而降低，網絡全局聯動能力逐漸增強，并逐漸趨于有效；由圖7可知，當一定時，隨at的增加而降低，網絡局部聯動能力逐漸增強，當事故應急處置網絡覆蓋達到一定時（如圖6中），只與有關，網絡局部聯動有效；當一定時，隨的增大而減小，網絡局部聯動能力逐漸增強，并逐漸趨于有效。

仿真結果表明，當網絡中不存在備用因素時（即，網絡無法得到修復，無法實現事故應急處置網絡的應急資源聯動；當網絡中備用因素逐漸增多時，即逐漸增大，網絡支撐能力得到提高，事故應急處置網絡能力得到增強，相應的事故應急處置網絡的應急資源聯動能力得到增強，并最終趨于有效。

令不確定性/在區間（0，0.1）內取值，步長為0.05。圖7和圖8分別給出了在事故應急處置網絡覆蓋，備用資源數條件下，事故應急不確定性/對網絡全局聯動能力、局部聯動能力及其有效性的影響。由圖8可知，當0時，最小，網絡全局聯動能力最強，網絡有效；隨著/逐漸增大，處于網絡隨機故障下值逐漸增大，漲幅較小，網絡全局聯動能力有所減弱但影響不大，網絡相對有效；處于網絡蓄意破壞下的值逐漸增大，當時，處于網絡蓄意破壞下的值為，并保持不變，無法實現網絡全局聯動，網絡不有效。由圖9可知，當時，；值（約為0.0324）最小，網絡局部聯動能力最強，系統有效；隨著/逐漸增大，處于網絡隨機故障下的值呈現增大后減小趨勢，但減幅較小，有效范圍內，處于網絡蓄意破壞下的值同樣先增大后減小，但減幅較大，當時，值驟減為，并保持不變，此時無法實現網絡局部聯動，網絡無效。

仿真結果表明，當網絡不受不確定性因素影響時（即），網絡不發生隨機故障或遭受蓄意破壞，網絡支撐能力達到最強，相應的事故應急處置網絡的應急資源聯動能力最強，系統有效；當事故應急不確定性增大時，即/逐漸增大，網絡發生隨機故障導致網絡中連接度較小的因素被移除，對網絡的連通性影響較小，事故應急處置網絡能力基本保持不變，相應的事故應急處置網絡的應急資源聯動能力基本保持不變，網絡相對有效；網絡遭受蓄意破壞導致網絡中連接度較大的因素被移除，網絡的連通性降低，隨著網絡蓄意破壞的增多，當增大圖8中和圖9中時，最終會導致網絡連通性徹底喪失，無法實現事故應急處置網絡的應急資源聯動。

5 結束語

本文首先針對事故的發生隨機性和事件狀態的不確定性增強，在傳統聯動理論的基礎上增加Uncertainty factor參數因子，建立新的事故應急處置網絡聯動能力模型和取證依據；其次，為提高應急資源聯動模型的實際效率，設計了全局聯動和局部聯動兩種方式；最后，分別討論資源連通率、事故應急處置網絡覆蓋、備用資源數和不確定性等因素對應急資源聯動能力的影響，有助于通過調整關聯因素來優化應急資源聯動的有效性。