基于模糊Petri網(wǎng)的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估*

陸秋琴，王 勃，黃光球

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

燃氣已經(jīng)處于城市能源組成部分的核心地位，在IEA成員國中，有16個國家的城市燃氣(即天然氣、液化氣)消耗量超過一次能源消耗總量的20%，其中7個國家超過30%[1]。我國現(xiàn)在正處于城市化、工業(yè)化的高速發(fā)展階段，城市的燃氣普及率已經(jīng)高達98.42%，每年的燃氣供應(yīng)總量約2 803億m3。隨著近年來城市燃氣供需缺口日益擴大、極端氣候、突發(fā)事故等方面的影響，導(dǎo)致城市的“氣荒”情況越來越嚴重，可能造成工業(yè)生產(chǎn)和電力供應(yīng)停滯，社會經(jīng)濟活動和日常生活難以正常運行；同時也可能引起社會的恐慌，短時間內(nèi)激發(fā)消費需求，引起消費劇增、價格暴漲，對社會穩(wěn)定造成嚴重的影響[2]。因此，針對城市愈演愈烈的“氣荒”狀況，通過對城市燃氣短缺應(yīng)急體系的評估，找出影響城市燃氣短缺應(yīng)急能力的主要因素，提出科學(xué)、有效的應(yīng)對策略，對提高城市突發(fā)性燃氣短缺的應(yīng)急能力具有一定的現(xiàn)實意義，同時也有助于減少由城市突發(fā)性燃氣短缺事故引起的各類經(jīng)濟損失。

針對以上不足，本文提出一種基于模糊Petri網(wǎng)的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估模型，該模型基于應(yīng)急能力影響因素間的關(guān)聯(lián)過程，評價城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力。該評估模型具有以下特點：

1)該模型能夠結(jié)合評估體系中一些模糊或不確定的影響因素，根據(jù)層次化的模擬仿真對影響因素眾多且因素間信息反饋不明確的復(fù)雜城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力進行評估。

2)該評估模型系統(tǒng)全面地從應(yīng)急的多個方面來構(gòu)建應(yīng)急能力影響因素體系，同時可以從不同層次間動態(tài)的應(yīng)急反饋過程，形象、直觀地顯示城市突發(fā)性應(yīng)急過程中的邏輯因果關(guān)系與機理，圖形化、科學(xué)化地對應(yīng)急過程進行仿真分析。

3)該模型的仿真過程通過采用極大代數(shù)運算來提高整體模型運算效率，同時采用AHP來減少應(yīng)急影響因素的評估主觀性，可以更加合理、有效地對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力進行評估。

1 應(yīng)急能力評估指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建準則及步驟

城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力是指從城市整體應(yīng)急系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過政府部門的指揮決策、法規(guī)制度、應(yīng)急預(yù)案以及企業(yè)、人員、設(shè)備積極響應(yīng)等各方面因素參與下，對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急全過程的緊急應(yīng)對與事后恢復(fù)能力。在城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估過程中，評估指標(biāo)體系的構(gòu)建是最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，它將直接影響應(yīng)急能力評估結(jié)果的科學(xué)性、全面性、可比性及有效性，但是影響城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力的各類因素中存在大量的主觀性與不確定性、耦合性的問題，因此必須用合適的評估準則進行深入地剖析來確定應(yīng)急能力評估體系。本文從應(yīng)急能力評估的目標(biāo)出發(fā)，綜合考慮了法律制度、人員、設(shè)備、管理、指揮決策等因素，在篩選具體指標(biāo)時以系統(tǒng)性、科學(xué)性、可行性為指導(dǎo)原則，遵循了(P)計劃-(D)實施-(C)檢驗-(A)改進的構(gòu)建程序[14]，建立能夠綜合反映城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力狀況的應(yīng)急指標(biāo)體系。構(gòu)建步驟如圖1所示。

圖1 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急評估指標(biāo)體系構(gòu)建步驟Fig.1 Construction steps of index system for emergency assessment of urban sudden gas shortage

1.2 評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急是一個多階段且復(fù)雜的反饋綜合應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)體系，由監(jiān)測預(yù)警體系、資源保障體系、應(yīng)急響應(yīng)體系、應(yīng)急組織體系、后期恢復(fù)評估體系5個子體系共同構(gòu)成，各個子體系在城市突發(fā)性燃氣短缺事件發(fā)生過程中，共同對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對應(yīng)急系統(tǒng)影響因素內(nèi)容以及文獻[12]分析，建立包括5個二級指標(biāo)和26個三級指標(biāo)的城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系，如表1所示。

表1 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估指標(biāo)體系Table 1 Index system for emergency capability assessment of urban sudden gas shortage

1.3 應(yīng)急能力等級評判標(biāo)準

表2 應(yīng)急能力等級評價標(biāo)準Table 2 Assessment criteria of emergency capability grade

2 FPN評估模型及推理算法

2.1 模糊Petri網(wǎng)模型的定義

模糊Petri網(wǎng)是根據(jù)傳統(tǒng)Petri網(wǎng)不能處理評價指標(biāo)的不確定性和模糊性的特征擴展而來，通過模糊集理論形成模糊Petri網(wǎng)評價體系來描述具有模糊行為的并發(fā)系統(tǒng)，因此被廣泛應(yīng)用于各個復(fù)雜系統(tǒng)的模擬仿真等實際問題。城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急是一個復(fù)雜動態(tài)過程，模糊Petri網(wǎng)可以很好地展現(xiàn)出應(yīng)急行為變遷與反饋過程，還可以通過推理分析出影響因素之間的因果關(guān)系。

為了更明確地表達城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評價的模糊Petri網(wǎng)(USGSFPN)，將其定義為1個8元組，如式(1)所示。

USGSFPN=(P,T,D,IN,OUT,V,λ,M)

(1)

2.2 產(chǎn)生式規(guī)則的模糊FPN表示

根據(jù)USGSFPN的定義，每1個變遷都可以被看成是1個運行規(guī)則，那么變遷的輸入庫所(d1,d2,d3,,dn)和輸出庫所(dg)分別表示運行規(guī)則的前提條件和結(jié)論命題，可以通過邏輯聯(lián)接符號“and”或“or”進行因果表示。通過對城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系分析，認為應(yīng)急系統(tǒng)中的某1個影響因素可能就會導(dǎo)致整體應(yīng)急能力下降。即IFd1(w1) ord2(w2)or,,ordn(wn)，THENdg(wg1)，變遷發(fā)生規(guī)則以及觸發(fā)規(guī)則如圖2所示。變遷的可信度數(shù)學(xué)表達式如式(2)所示[14]：

wg1=max(w1μ1，w2μ2,,wnμn)

(2)

圖2 USGSPFN模型推理規(guī)則Fig.2 Inference rules of USGSPFN model

2.3 模糊矩陣推理算法及步驟

1)模糊推理算法

在USGSFPN模糊推理之前，為了清晰、準確、簡潔地表達推理矩陣運算，推理過程中引入以下算子：設(shè)A,B,C均為n×m維矩陣，D為n維向量[16]，則有：

①加法算子⊕:A⊕B=C,則有cij=max(aij,bij),(i=1,2,,n;j=1,2,,m)

②乘法算子?:D?B=C,則有cij=di×bij,(i=1,2，,n;j=1,2,,m)

2)USGSFPN模糊推理步驟

根據(jù)相關(guān)算子規(guī)則進行模糊推理運算。首先將城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系轉(zhuǎn)化為USGSFPN網(wǎng)模型，根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的USGSFPN定義分別確定應(yīng)急能力影響因素集IN與應(yīng)急行為集OUT，其中|P|=n，|T|=m，相應(yīng)矩陣形式分別為IN={αij}，OUT={γji}；然后根據(jù)歷史數(shù)據(jù)與應(yīng)急專家知識庫數(shù)據(jù)評估標(biāo)準得到初狀態(tài)M(0)；根據(jù)層次分析法可得到應(yīng)急系統(tǒng)中各個應(yīng)急影響因素的權(quán)重值ωi，同時得到模糊變遷的置信度向量U={Ui}={ωi}。具體模糊推理計算步驟如下所示，其中，輸入包括：初始化輸入矩陣IN；輸出矩陣OUT；置信度向量U；應(yīng)急能力評判矩陣Q和初始狀態(tài)矩陣M(0)。輸出包括：各個庫所應(yīng)急能力評估值。

①步驟一：令初始狀態(tài)k=0，變遷發(fā)生時，初始應(yīng)急能力影響因素輸入庫所的可信度INTM(K)；變遷觸發(fā)后，應(yīng)急行為輸出庫所的可信度U?OUT。

②步驟二：計算變遷觸發(fā)生后的下一個狀態(tài)，應(yīng)急能力影響因素行為變更的可信度為M(k+1)=M(k)⊕(U?OUT)[INTM(k)]。

③步驟三：若M(k+1)≠M(k)，則令k=k+1，轉(zhuǎn)到步驟二；若M(k+1)=M(k)，則模糊推理結(jié)束。

④步驟四：計算各個庫所應(yīng)急能力等級F=M(k)QT，F(xiàn)為n×1階矩陣，表示n個庫所的應(yīng)急能力評估等級值,該矩陣的最后1個元素對應(yīng)的等級標(biāo)準即為城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力指標(biāo)綜合等級。

3 實例仿真

3.1 構(gòu)建FPN模型

為了驗證上述應(yīng)急能力模型和模糊推理算法的可行性和科學(xué)性，本文以西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急為例進行模擬仿真分析。通過基本的模糊規(guī)則邏輯關(guān)系將城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估指標(biāo)體系(表1)轉(zhuǎn)化為FPN模型，如圖3所示。

圖3 城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評估體系FPN模型Fig.3 FPN model of emergency capability assessment system for urban sudden gas shortage

3.2 FPN應(yīng)急能力評估參數(shù)求解

根據(jù)USGSFPN的定義，可得到城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急FPN模型的輸入矩陣IN和輸出矩陣OUT，通過查閱《西安市統(tǒng)計年鑒2018》、相關(guān)歷史數(shù)據(jù)以及城市應(yīng)急專家知識庫等,以及分析歷史數(shù)據(jù)和專家評判法給出的庫所評估向量取值量化規(guī)則可得到初始評估向量矩陣M(0)，如式(3)所示。

(3)

IN={αij},α1,1=1,α2,2=1,α3,3=1,α4,4=1,α5,5=1,α6,6=1,α7,7=1,α8,8=1,α9,9=1,α10,10=1,α11,11=1,α12,12=1,α13,13=1,α14,14=1,α15,15=1,α16,16=1,α17,17=1,α18,18=1,α19,19=1,α20,20=1,α21,21=1,α22,22=1,α23,23=1,α24,24=1,α25,25=1,α26,26=1,α27,27=1,α28,28=1,α29,29=1,α30,30=1,α31,31=1,其余的輸入值αij=0,(i=1,2,,n;j=1,2,,m)。

OUT={γij},γ1,27=1,γ2,27=1,γ3,27=1,γ4,27=1,γ5,27=1,γ6,28=1,γ7,28=1,γ8,28=1,γ9,28=1,γ10,28=1,γ11,29=1,γ12,29=1,γ13,29=1,γ14,29=1,γ15,29=1,γ16,29=1,γ17,29=1,γ18,30=1,γ19,30=1,γ20,30=1,γ21,30=1,γ22,30=1,γ23,31=1,γ24,31=1,γ25,31=1,γ26,31=1,γ27,32=1,γ28,32=1,γ29,32=1,γ30,32=1,γ31,32=1,其余的輸出值γij=0,(i=1,2,,n;j=1,2,,m)。

3.3 影響因素的權(quán)重值計算

計算各影響因素的權(quán)重值(即變遷的置信度向量U)，根據(jù)城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急評估體系，以二級指標(biāo)為例，通過層次分析法從應(yīng)急預(yù)警(B1)、資源保障(B2)、應(yīng)急響應(yīng)(B3)、應(yīng)急組織(B4)、后期恢復(fù)評估(B5)等5個方面確定指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)指標(biāo)重要程度采用1～9標(biāo)度法得到判斷矩陣A-Bi。經(jīng)歸一化處理后的權(quán)重值如表3所示。判斷矩陣A-Bi的λmax=5.353 239，CI=0.088 31,RI=1.12，進而求得CR=0.078 8<0.1,滿足一致性檢驗。

表3 A-Bi層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重Table 3 A-Bi layer judgment matrix and index weights

同理可得其他各變遷的置信度向量為：U={0.30,0.43,0.14,0.08,0.05,0.46,0.18,0.23,0.09,0.04,0.49,0.14,0.05,0.16,0.16,0.28,0.36,0.05,0.10,0.11,0.07,0.03,0.08,0.48,0.20,0.19,0.04,0.53,0.27,0.15,0.05}。

3.4 模糊推理運算

根據(jù)USGSFPN模糊推理步驟，利用MATLAB軟件進行模糊運算，由推理算法程序進行迭代得到最終的M(k)為：

M(2)=M(3)=[

根據(jù)最后一個元素為5.424,表明了西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力等級為中等；二級指標(biāo)中，監(jiān)測預(yù)警能力為6.078，表明監(jiān)測預(yù)警方面能力等級較高;資源保障能力為6.204，表明資源保障方面應(yīng)急能力等級較高;應(yīng)急響應(yīng)能力為4.974，表明應(yīng)急響應(yīng)能力等級中等;應(yīng)急組織能力為5.464，表明應(yīng)急組織能力等級中等;后期處理能力5.572，表明后期恢復(fù)評估能力等級中等。三級指標(biāo)應(yīng)急能力等級限于篇幅不詳細列出。

3.5 分析及建議

在USGSFPN評估模型中，由于上層指標(biāo)支配著下層指標(biāo)，同時下層指標(biāo)共同制約著上層指標(biāo)，因此使用下層指標(biāo)評估等級均值來作為下層指標(biāo)對上層指標(biāo)的制約相關(guān)性閥值，若下層指標(biāo)評估等級值低于閥值，則對上層指標(biāo)的制約相關(guān)性越強。根據(jù)上述方法和仿真計算結(jié)果顯示，西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力水平為中等，制約綜合應(yīng)急能力的二級指標(biāo)主要有應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急組織能力、后期恢復(fù)評估能力(閥值=5.658 4)。同理，通過數(shù)值分析可得對上述3個二級指標(biāo)制約相關(guān)性較強的三級指標(biāo)，并根據(jù)其相應(yīng)的不足對提升西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力提出建議。

1)在應(yīng)急響應(yīng)能力方面，應(yīng)建立應(yīng)急專項領(lǐng)導(dǎo)小組加強城市突發(fā)性事件應(yīng)急指揮決策反應(yīng)能力，總結(jié)、積累應(yīng)急事件經(jīng)驗，不斷完善突發(fā)性事件應(yīng)急預(yù)案的完整性，建立應(yīng)急響應(yīng)的預(yù)演機制、加強宣傳力度，使得政府和民眾應(yīng)急響應(yīng)能力進一步提升。

2)在應(yīng)急組織能力方面，精簡應(yīng)急單位、部門的數(shù)量并且做到明確應(yīng)急組織的責(zé)任劃分，建立城市區(qū)域間的聯(lián)動協(xié)調(diào)機制，不斷提升應(yīng)急組織效率的同時，也提高應(yīng)急組織能力的快速化和實效性。

3)在后期恢復(fù)評估能力方面，需要加強對應(yīng)急專業(yè)隊伍的建設(shè)和后期恢復(fù)資金的投入，來提高事后評估的準確性、減少恢復(fù)的時間，加強突發(fā)性事件后期恢復(fù)評估能力的建設(shè)也是為應(yīng)急能力的不斷提升打下堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)本文提出的模糊Petri網(wǎng)方法綜合考慮了系統(tǒng)中的各種影響因素，通過模糊推理和算法得到應(yīng)急能力等級評價指標(biāo)，在某種程度上避免了影響因素分析的不確定性和主觀性問題，使應(yīng)急能力評估結(jié)果更加準確、有效。

2)通過對模糊Petri網(wǎng)模型及其推理算法在城市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急能力評價中的應(yīng)用，表明該方法不僅能夠評估城市應(yīng)急系統(tǒng)綜合的應(yīng)急能力等級，而且還能評估各個子系統(tǒng)的影響因素以及中間層的應(yīng)急能力等級，具有可行性、科學(xué)性和準確性的特點。

3)以西安市突發(fā)性燃氣短缺應(yīng)急為例進行模擬仿真分析，最終根據(jù)模擬仿真結(jié)果，在應(yīng)急響應(yīng)能力、應(yīng)急組織能力、后期恢復(fù)評估能力等3個方面提出措施建議。