油田三維應(yīng)急演練系統(tǒng)的場景推理方法研究

劉賢梅， 邵志偉， 趙婭

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院, 大慶 163318)

0 引言

隨著我國石油工業(yè)的迅猛發(fā)展及其規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各種事故呈不斷上升的趨勢,重大事故時(shí)有發(fā)生,對(duì)人民生命安全、國家財(cái)產(chǎn)和環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。現(xiàn)在應(yīng)急演練越發(fā)重要，目前傳統(tǒng)仿真應(yīng)急演練系統(tǒng)雖可以做到使員工的訓(xùn)練工作不受實(shí)際條件的限制，但這種傳統(tǒng)三維應(yīng)急演練系統(tǒng)只能按照已經(jīng)固定好的流程進(jìn)行演練，也無法為控制中心提供多條決策[1]。對(duì)于這種傳統(tǒng)的油田三維應(yīng)急演練需要加入新的預(yù)案推理方法，當(dāng)前主流的推理方法有框架推理，模糊推理，粗糙集推理，場景推理等。災(zāi)害事件演化變遷，正是一幕幕場景的演化變遷，故應(yīng)急演練的場景推理的方式更加值得研究。

1 場景推理模型構(gòu)建

1.1 三維應(yīng)急演練場景的結(jié)構(gòu)化描述

災(zāi)害事故等突發(fā)事件的發(fā)生和發(fā)展與許多因素有關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)場景驅(qū)動(dòng)的應(yīng)急演練，首先要實(shí)現(xiàn)的就是應(yīng)急三維場景的結(jié)構(gòu)化描述。三維場景的重構(gòu)需要根據(jù)實(shí)際災(zāi)害事故的演化特點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，將配置好的三維應(yīng)急場景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表達(dá)和特征提取，這是應(yīng)急場景模型框架構(gòu)造的基礎(chǔ)。通過對(duì)不同類型應(yīng)急情況的分析和場景提取，我們可以構(gòu)建場景模型。三維應(yīng)急場景效果如圖1所示。

圖1 三維應(yīng)急場景結(jié)構(gòu)圖

三維應(yīng)急場景的構(gòu)成元素包括災(zāi)害信息，位置信息，設(shè)備信息，環(huán)境信息，崗位信息。

場景元素表達(dá)式如下。

Scence information={Accident,Time,Location,

Equipment,Environment,Post}

以下是對(duì)于場景元素的示例。

1、事故信息

(1)事故種類：原油泄漏，人員中毒，人員觸電，設(shè)備著火，設(shè)備爆炸等。

(2)事故程度：例如原油泄漏分為少量、大量。

2、位置信息

(1)總體位置：指的是災(zāi)害發(fā)生的場所例如廠房，外輸泵房間，集油值班室，變頻間等。

(2)精確位置：例如原油泄漏的精確位置分為進(jìn)口閥前門、進(jìn)出口閥門之間、進(jìn)出口閥后端等。

3、崗位信息

(1)場景支持的模擬方式：主崗，付崗，雙人。

(2)具體崗位：油庫調(diào)度人員，電力調(diào)度人員，值班員，值班長，班長，主值班，副值班，輸油崗等。

4、設(shè)備信息

(1)操作設(shè)備：變頻泵，儀表盤，可燃?xì)怏w報(bào)警器，可燃?xì)怏w報(bào)警器二次表，變頻器急停按鈕，風(fēng)動(dòng)閥，閥門法蘭，螺栓，潤滑油油杯。

(2)操作工具：試電筆，正壓呼吸器，靜電釋放儀。

5、環(huán)境信息

(1)社會(huì)環(huán)境：主要考慮人員狀況，是否有人員出現(xiàn)慌亂，是否有人員失蹤。

(2)自然環(huán)境：主是考慮周圍的環(huán)境是否會(huì)引發(fā)次級(jí)災(zāi)害，例如廠房原油泄漏時(shí)，廠房內(nèi)是否有明火，閥門是否清潔，周圍有無雜物等因素導(dǎo)致的災(zāi)害發(fā)展方向不同。

1.2 三維應(yīng)急演練場景的演化

基于場景推理的應(yīng)急演練是由一系列場景組成的，一幕幕的場景構(gòu)建成場景庫。

場景的表達(dá)式為：

Scences= {IS，S1，S2，S3…Sn}

Scences代表場景推理的應(yīng)急演練，IS(Initial Scence)代表初始場景，配置場景的各種參數(shù)，并在某種條件下激活演練事件，S1-Sn代表了各個(gè)場景，各個(gè)場景的串聯(lián)通過場景間的應(yīng)對(duì)操作來進(jìn)行，我們通過突發(fā)事件的特點(diǎn)和應(yīng)急措施，建立相應(yīng)的場景推理規(guī)則，通過連接多場景和演化條件構(gòu)成了一條場景鏈，如圖2所示。

圖2 場景鏈

演化關(guān)系有多種形式，包括，一對(duì)多場景，多對(duì)一場景，多分支場景等。一對(duì)多場景意味著一個(gè)場景可能會(huì)發(fā)展成其他兩個(gè)場景更多的場景。多對(duì)一場景意味著許多場景發(fā)展成一個(gè)場景[2]。多分支場景不但意味著多種應(yīng)急演練方式，而且可以支持多種決策選擇，如圖3所示。

突發(fā)事件的發(fā)展過程及其衍生事件發(fā)展總是在變化。一般來說，場景的發(fā)展情況如圖1-圖3所示。

箭頭代表演化條件Scence指各個(gè)場景。

1、在某些條件下，一個(gè)場景演化為下一個(gè)場景，如條件Scence2、Secence3和Scence4。

圖3 場景演化關(guān)系圖

2、在某些條件下，一個(gè)場景產(chǎn)生多根分支場景，如Scence5演化出Scence6和Scence9的分支場景。

3、在某些條件下，兩個(gè)或多個(gè)場景可能會(huì)發(fā)展成一個(gè)場景，如Scence13和Scence14演化成Scence15。

2 場景推理的規(guī)則構(gòu)建

2.1 場景推理規(guī)則抽取

應(yīng)急預(yù)案是一個(gè)粗糙的指導(dǎo)文件，對(duì)知識(shí)的描述比較籠統(tǒng),在演練過程中還需要對(duì)其細(xì)化，而演練腳本對(duì)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)每一個(gè)角色的動(dòng)作都做了詳細(xì)的規(guī)定。[3]故需把預(yù)案編制成腳本,才可以對(duì)演練起指導(dǎo)作用。每一次演練,是 腳本中一幕幕場景按照各自的條件不斷觸發(fā)的過程。而場景的變遷的觸發(fā),是由場景中的事件對(duì)應(yīng)操作所引起,一個(gè)預(yù)案包含多幕場景,每個(gè)場景中有多個(gè)事件，每個(gè)(多個(gè))事件對(duì)應(yīng)著一個(gè)或多個(gè)操作。

將場景作為前件，操作作為后件，通過場景—操作的對(duì)應(yīng)模式抽取場景推理的規(guī)則，通過匹配規(guī)則，最接近的當(dāng)前應(yīng)急預(yù)案的模擬場景將會(huì)在場景庫中被找到，如圖4所示。

圖4 場景—操作圖

為了能較好地表現(xiàn)各事件相互觸發(fā)的層次關(guān)系以及突顯演練的突發(fā)性與隨機(jī)性,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)場景前件進(jìn)行描述是必要的。通過該方式構(gòu)造的系統(tǒng),可對(duì)演練過程進(jìn)行多分支多結(jié)果的推理,達(dá)到較好的演練和培訓(xùn)的效果。[4]演練中遇到的不確定性事件用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行表達(dá)。演練模糊事件的研究包括構(gòu)造演練事件模糊集、演練關(guān)系的模糊集和演練事件隸屬度函數(shù)。

2.2 場景推理中模糊知識(shí)隸屬度函數(shù)構(gòu)造

三維應(yīng)急場景中各個(gè)元素之間的關(guān)系,要用模糊集來表達(dá)。這類關(guān)系可歸結(jié)為許多事件元素的模糊集與規(guī)則中待激活的前件模糊集之間的關(guān)系。

例如:有一條規(guī)則如下, IF“主值班旋轉(zhuǎn)控制盤按鈕至停止處” ∧ “輸油崗發(fā)現(xiàn)原油泄漏”THEN“副值班匯報(bào)控制中心”。其中“發(fā)現(xiàn)原油泄漏”模糊集和“旋轉(zhuǎn)控制盤按鈕”模糊集與激活“副班長匯報(bào)控制中心”這個(gè)事件的關(guān)系形成一個(gè)模糊集,稱為事件關(guān)系的模糊集,在進(jìn)行場景推理的時(shí)候會(huì)用到。

隸屬度函數(shù)反映了模糊集合中的元素屬于該集合的程度。對(duì)于“閥門的開度” (0～100)可用連續(xù)的函數(shù)表達(dá)隸屬度。而對(duì)于“迅速向班長匯報(bào)”可用離散型的函數(shù)對(duì)其表達(dá)。演練中隸屬度函數(shù)分三類來構(gòu)造。

(1) 單連續(xù)隸屬度函數(shù)(包括操作、匯報(bào)、觀察與確認(rèn)) 對(duì)于閥門的開度、觀察火焰的大小等事件,可以用簡單隸屬度函數(shù)來表達(dá)。

(2) 復(fù)雜連續(xù)隸屬度函數(shù)(瞬間災(zāi)害爆炸)對(duì)于些比較復(fù)雜事件的元素,則需考慮創(chuàng)造復(fù)雜的隸屬度函數(shù)來表達(dá)。

(3) 離散隸屬度表(連續(xù)災(zāi)害類燃?xì)庑孤? 衡量災(zāi)害對(duì)人造成的傷害,一般需通過仿真算法進(jìn)行定量的計(jì)算。本推理系統(tǒng)是用模糊數(shù)學(xué)的方法來衡量傷害度,用離散數(shù)據(jù)來表達(dá)其隸屬度。

2.3 場景推理的模糊匹配

當(dāng)應(yīng)急演練規(guī)則的前件是不確定知識(shí)的時(shí)候,應(yīng)該使用含有模糊概念、模糊數(shù)據(jù)或帶有模糊確信程度的語句和命題。[5]例如: IF“原油泄漏”。當(dāng)應(yīng)急演練規(guī)則激活以后所描述的結(jié)論是不確定知識(shí)時(shí),也要用含有模糊概念、模糊數(shù)據(jù)或帶有模糊確信程度的語句和命題來表達(dá)。例如: THEN“通知控制中心”。對(duì)每一條模糊規(guī)則,系統(tǒng)需定義一個(gè)閾值,表明該規(guī)則需要的匹配程度。例如, IF“值班長緩慢打開進(jìn)風(fēng)閥”THEN“副值記錄時(shí)間”。前件的匹配設(shè)置為0.3,這意味著進(jìn)風(fēng)閥打開的程度只有夠慢，才能滿足這條規(guī)則的匹配條件。

2.3.1 場景推理的的單一模糊事件匹配與響應(yīng)

場景推理使用“貼近度”來衡量場景中兩個(gè)模糊事件的匹配程度。若貼近度大于等于規(guī)則指定的閾值時(shí),就認(rèn)為規(guī)則的模糊條件與證據(jù)事件匹配;貼近度越大表示越匹配。應(yīng)急演練推理,實(shí)質(zhì)是模糊集組合與證據(jù)的匹配過程。下面簡單描述演練場景推理的運(yùn)行步驟。

對(duì)于前件是X1∪X2(邏輯或)形式的規(guī)則,本系統(tǒng)采用了“取極大”的方法來計(jì)算總匹配度

2.3.2 場景推理中的多維模糊事件匹配與響應(yīng)

應(yīng)急演練的過程是一個(gè)多事件多維的模糊推理過程。我們可以在場景推理中使用扎德方法進(jìn)行簡單模糊肯定式推演。[6]當(dāng)某個(gè)場景是一個(gè)由多事件組成的復(fù)雜表達(dá)式時(shí),需用多維模糊肯定式進(jìn)行推理,步驟如下。

(1) 求出規(guī)則前件的各事件的模糊交集,記為A。

(2) 用最大最小規(guī)則方法構(gòu)造出A與考察中帶激活的事件B的模糊集之間的模糊關(guān)系R(A,B)。

(3) 求出帶檢驗(yàn)的證據(jù)事件的模糊交集,記為A′。

(4) 用模糊肯定式推理,由A′與R(A,B)的合成求出結(jié)論的模糊集B′=A′R(A,B)

(5) 對(duì)模糊集B和B′進(jìn)行匹配,匹配成功后激活該條規(guī)則。

2.3.3 場景推理中各觸發(fā)事件分類

(1) 檢查和確認(rèn)類

例如,

步驟描述: 檢查風(fēng)動(dòng)閥各部位螺栓緊固無松動(dòng)。

觸發(fā)閾值:虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中“值班員”角色選中風(fēng)動(dòng)閥各部位螺栓∪ “緊固程度”∪ “密封程度”與“螺栓緊固模糊集”匹配度在0. 8以上。

(2) 災(zāi)害類

例如,

步驟描述: 外輸泵突發(fā)原油泄漏。

觸發(fā)閾值:通過工藝仿真計(jì)算管道壓力閾值。

(3) 匯報(bào)類

例如,

步驟描述:向控制室匯報(bào):

觸發(fā)閾值:虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中值班長使用通訊設(shè)備∪發(fā)出“原油泄漏報(bào)警器閃爍”信息。

(4) 救助類

例如,

步驟描述:工作人員中毒。

觸發(fā)閾值:“虛擬環(huán)境中救護(hù)人員角色選中毒人員角色”∪“呼叫120”∪“選中通訊工具”。

(5) 操作類

例如,

步驟描述:緩慢打開風(fēng)進(jìn)閥。

觸發(fā)閾值:“風(fēng)進(jìn)閥”與“閥門關(guān)閉模糊集”匹配度為0. 3以下。

3 案例分析

本文對(duì)場景推理的一個(gè)分支“人員中毒和窒息應(yīng)急處置模塊”進(jìn)行案例分析。

3.1 首先對(duì)本模塊的三維應(yīng)急場景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述

在初始場景中我們構(gòu)建三維應(yīng)急演練場景，配置參數(shù)，包括儲(chǔ)油罐、燃?xì)庑孤┚瘓?bào)器、設(shè)備、崗位等。

(1) 事故信息

事故種類：人員中毒；事故程度：中度。

(2) 位置信息

總體位置：油氣儲(chǔ)罐。精確位置：罐中心。

(3) 崗位信息

模擬方式：主崗，具體崗位，值班長，副值班長，清罐崗。

(4) 設(shè)備信息

操作設(shè)備：燃?xì)庑孤┚瘓?bào)器、救護(hù)車。操作工具：正壓呼吸器、手機(jī)。

(5) 環(huán)境信息。

社會(huì)環(huán)境：無人員失蹤。自然環(huán)境：油氣儲(chǔ)罐周圍無明火。

3.2 “人員中毒和窒息應(yīng)急處置模塊”的隸屬度構(gòu)造

(1) 簡單連續(xù)隸屬度函數(shù)，針對(duì)燃?xì)庑孤┑燃?jí)、匯報(bào)和營救的完成程度進(jìn)行構(gòu)造。這里拿燃?xì)庑孤┦录e例：由于“燃?xì)鉂舛取焙汀靶孤┦录被臼浅收壤年P(guān)系,所以隸屬度函數(shù)的形狀應(yīng)該是一個(gè)漸進(jìn)向上的曲線，對(duì)于“燃?xì)鉂舛取睂儆凇靶孤┦录蹦：碾`屬度函數(shù)可采用S-shaped函數(shù)來構(gòu)造。函數(shù)表達(dá)如下：y=xl(z,[a,b])系統(tǒng)定義6個(gè)等級(jí)的燃?xì)鉂舛?等級(jí)1的火苗隸屬于火災(zāi)的可能性可以設(shè)定為0;而對(duì)于等級(jí)3以上的濃度(0.01%),隸屬于燃?xì)庑孤┑目赡苄钥稍O(shè)定為1。所以,函數(shù)中[ a, b]的范圍可以定義為[1,6]。

(2) 散隸屬度表(連續(xù)災(zāi)害類等)針對(duì)人員中毒事件用模糊數(shù)學(xué)的方法來衡量對(duì)人體傷害度,用離散數(shù)據(jù)來表達(dá)其隸屬度，考慮泄漏源的距離和泄漏持續(xù)的事件來構(gòu)造離散隸屬度函數(shù)，離泄漏源越遠(yuǎn)，時(shí)間越短中毒程度越輕。

3.3 中毒應(yīng)急演練事件推演的匹配規(guī)則

基于三維場景結(jié)構(gòu)化描述和模糊知識(shí)的隸屬度構(gòu)造，對(duì)整個(gè)事件進(jìn)行推理規(guī)則的抽取。具體如下。

(1) 值班長組織人員撤離的閥值是“原油泄漏報(bào)警器閃爍。進(jìn)行匯報(bào)觸發(fā)閥值是：虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中值班員選中手機(jī)∪“原油泄漏報(bào)警器閃爍。具體的場景及事件演化如圖5、圖6所示。

圖5 值班長選中手機(jī)圖

圖6 值班長匯報(bào)圖

(2) 值班長營救中毒人員的觸發(fā)閾值:“虛擬環(huán)境中值班長選中正壓式呼吸器”∪“儲(chǔ)油罐內(nèi)存在中毒人員”具體的場景及事件演化如圖7，圖8所示。

圖7 值班長選中正壓式呼吸器圖

(3) 搶救事件的觸發(fā)閥值觸發(fā)閾值:“虛擬環(huán)境中副值班長選中毒人員角色”∪“進(jìn)行急救措施”∪“選中通訊工具”。具體的場景及事件演化如圖圖9所示。

圖9 副值班長采取急救措施圖

(4) 救護(hù)車救援觸發(fā)閥值“虛擬環(huán)境中救護(hù)人員角色選中毒人員角色”∪“選中救護(hù)車”。具體的場景及事件演化如圖10所示。

圖10 救護(hù)車急救圖

3.1.4 “人員中毒和窒息應(yīng)急處置模塊”的場景推理架構(gòu)流程

場景包含初始場景-四個(gè)流程場景-結(jié)束場景，每個(gè)場景都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的操作事件。如圖為整個(gè)場景推理的架構(gòu)圖，根據(jù)此流程完成場景推理。具體推理的架構(gòu)流程如圖11所示。

圖11 場景推理架構(gòu)圖

4 總結(jié)

油田三維應(yīng)急演練系統(tǒng)核心的理論在于場景推理，本文首先對(duì)油田應(yīng)急演練系統(tǒng)中三維應(yīng)急場景進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，然后對(duì)于場景的演化變遷進(jìn)行研究，這是場景推理的基礎(chǔ)。其次是對(duì)場景推理的規(guī)則進(jìn)行抽取，對(duì)場景推理中模糊知識(shí)進(jìn)行隸屬度函數(shù)構(gòu)造最后對(duì)于對(duì)場景推理中的事件模糊匹配進(jìn)行研究。最后通過人員中毒案例進(jìn)展現(xiàn)整個(gè)場景推理架構(gòu)。綜上，油田三維應(yīng)急演練系統(tǒng)的場景推理方法不但最貼近應(yīng)急演練系統(tǒng)開發(fā)的需求，而且提供了多種演練方式和為應(yīng)急指揮控制中心提供了多種預(yù)案支持。