海事應急決策中基于置信規則的失誤擴散模型*

支云翔 張金奮 范騰澤 吳 兵 汪 洋*

(武漢理工大學智能交通系統研究中心1) 武漢 430063) (武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

在應急救援活動中處于控制和管理的樞紐地位，稱為應急指揮中心，負責部署、組織和調度等一系列應急處置活動，各應急處置單元據此做出的決策進行應急救援行動[1-2].

由于應急狀態中存在大量不確定性因素，應急指揮人員在決策時可能會產生并非最佳、甚至是錯誤的應急方案，即產生應急決策失誤，并對后續的應急行為產生不良的影響[3].提高對失誤致因的認知來從源頭減少失誤發生，以及在決策工作流中增強對失誤的控制，是降低決策失誤對應急處置產生不良影響的主要方式.

由于事故決策環境的復雜性，決策者的邏輯思考過程往往難以完整地重現，而規則推理具有同時兼容定量觀測數據和定性知識信息的特點，在決策過程的模擬上有較高的優越性.梅江鐘等[4]將規則推理用作于案例相似度提升的修正，進而增強案例選取的有效性.曲毅等[5]運用置信規則庫推理將突發事件演化中存在的不確定性信息轉化為一致的信度結構.方志堅等[6]使用基于信度的規則推理與雙邊匹配決策方法按方法結合，提高決策的準確性.

應急組織結構中各個決策單元的職責劃分直接影響應急指揮的有效性，禹明剛等[7]在系統組織互操作性研究中強調“清晰的角色映射”.劉丹等[8]從開放理性系統的視角將應急指揮組織結構分為應急指揮協調中心、應急輔助決策單位和應急方案執行單位.李安楠等[9]依據組織間的權責關系將劃分為決策層、協調層和能力層.余昊等[10]梳理了三峽庫區救援要素間的新國關系.

在借鑒現有研究的基礎上，文中給出了單個應急決策單元的推理模型，將信度引入決策單元的規則推理中，用以表示決策結果的不確定性.根據應急指揮角色的功能劃分構建應急決策的網絡流模型，并說明決策單元間信息的交互傳遞.在網絡流模型上提出決策失誤定義，基于失誤的反復性、潛在性、可預測性構建失誤控制模型，最后將失誤控制模型應用于應急救援案例的決策推理中.

1 應急單元的推理模型

1.1 應急單元決策

應急單元是應急指揮中最小的單元，也是進行應急決策的最小單元.應急單元決策就是決策主體通過對接收到的上級指令或事故信息的分析，根據自身的應急執行能力，面向應急目標，做出相應的應急決策，決策結果可作為指令信息指導下一步的應急行為，也可以是應急活動對應急對象進行應急處置.由于RIMER方法[11]是在傳統IF-THEN推理的基礎上引入分布式置信框架，能夠很好地處理定量數據和定性信息，因此擬在RIMER方法上構建應急單元決策模型.

1.2 RIMER方法

1.2.1置信規則庫的建立

(1)

1.2.2輸入值的轉化

i=1,2,…,T

(2)

1.2.3激活權重

計算規則Rk的激活權重wk，

(3)

1.2.4信度修正

由于突發事故情景具有復雜性，決策者可能無法完整地獲取需要的決策信息，因此針對規則Rk的輸入值可能是有缺失的.為解決這一問題需要對規則Rk的輸出值的置信度進行修正，為

(4)

1.2.5證據融合

n=1,2,…,N

(5)

2 應急決策的網絡流模型

2.1 應急決策工作流模型

按照在應急救援活動中的作用，可以將應急指揮分為決策層、調度層和執行層，其主體分別為應急決策單元(emergency decision-making unit,EDU)、應急協同單元(emergency coordination unit,ECU)以及應急執行單元(emergency execution unit,EEU).EDU負責救援方案的制定，ECU負責組織和調度EEU，EEU進行現場事故處置.

具有自主決策的應急主體組成協同組織網絡.每個應急主體可以進行自主決策，它與其它主體進行協同來實現其應急目標.每一個決策單元都會接收到來自外界或者其他的決策單元的信息或指令(輸入信息)，同時每個決策單元經過自主決策之后也會對外界或者其他的決策單元發出指令或執行動作(輸出信息).

2.2 應急決策網絡流模型

由于事故情景的復雜性，應急指揮是多工作流組成的交互網絡，見圖1a).應急指揮是一個群體決策的過程，決策網絡中的個體都會根據已有的決策規則、知識庫及事故信息，分析當前情景態勢并判斷演化趨勢，提出適應當前事態的決策方案，形成決策循環直至事件結束.

圖1 應急決策網絡流模型與證據網絡模型

應急決策流可分為由上而下執行的指令流與自下而上傳遞的反饋流.每個應急單元都會獨立地進行決策，向下一級應急單元發送指令信息，或向上一級應急單元反饋.其中EEU會根據應急任務的完成情況產生反饋.因此，在網絡流中產生的決策失誤也會隨著決策指令的傳遞而傳遞.

以船舶火災事故為例，當發生火災后，應急決策中心(A)發現事故可以通過：①收到遇險報警(I)，應急決策中心命令數據處理中心(B)收集事故信息，如0→1→1,2；②船舶交通服務端(D)和視頻監控端(E)發現船舶遇險，將船舶信息和事故信息報告給數據處理中心，再傳遞給應急決策中心，如4,5→6.應急決策中心命令現場指揮中心(C)征調附近的巡航艇(H)和消防艇(G)赴現場進行滅火和落水人員救援調，并組織派遣救護車(F)趕赴事故現場進行人員救治.救護車、巡航艇、消防艇將事故救援信息反饋給現場指揮中心，并進一步反饋給應急決策中心，見圖2.

圖2 船舶火災事故應急工作流

3 失誤傳遞

3.1 工作流中的失誤傳遞

已有的研究根據決策失誤的表現形式，將群體決策失誤分為決策錯誤、決策失效、機會失誤[12].由于應急決策的主體是人，決策失誤具有反復性、潛在性、不可逆轉性以及一定的可預測性[13].決策失誤的反復性和可預測性決定了可以通過歷史數據統以及專家經驗進行預測，并且通過有效手段盡可能地減少；潛在性表示其在事態演變過程中會不斷傳遞和積累，并存在一個可能的觸發點.因此，決策失誤會隨著決策工作流的進行不斷傳遞和積累，直到與某種激發條件相結合帶來難以避免的后果.

研究工作流中的失誤傳遞，需要保證決策單元的連貫性，即在一條有向決策工作流中，前一個單元的決策輸出值可以轉化為后一個單元推理的輸入值.假設單元B與C為有向決策工作流中的相鄰決策單元，并有規則RB與RC為

式中：RB中的輸出值集合DB={DBi;i=1,2,…,N}，與RC中的輸入參考值集合AC={ACj;j=1,2,…,I}滿足：DB?AC.

3.2 失誤擴散模型

應急決策工作流中的失誤傳遞就是在既有工作流上分析因果關系，識別決策個體，計算失誤程度的變化.提出了一種應急工作流中基于置信規則的失誤擴散模型，首先通過證據結構網絡對上述工作流模型進行優化，繼而通過RIMER方法獲得決策結果，最后計算獲得決策失誤的偏差程度，應急決策工作流中的失誤傳遞模型主要包括：①證據網絡模型化處理；②單元決策模型構建；③推理結果一致性轉化；④失誤分析.

3.2.1證據網絡模型化處理

證據網絡是一種有向無環圖模型，是D-S證據理論運行的基礎.根據上節所述工作流模型，首先應該注意到：①上級指揮單元向下級單元發送決策指令，下級單元向上級單元反饋指令執行結果；②下級單元優先執行上級單元的決策指令，上級單元根據下級單元的反饋重新進行決策.

將決策信息作為決策失誤的主要影響因素，針對既定決策群體在應急指揮過程中決策失誤的傳遞進行研究.決策信息主要包括資源信息，情景信息等.由于決策環境復雜性，決策信息稀缺或泛濫都會增加了決策失誤的機率，導致救援人力物資等資源不足，使得事故進一步惡化.

下級單元無條件執行上級單元的命令，等同于只有最高決策單元做出決策；上級單元會根據下級單元反饋的信息進行二次決策，再對下級單位下達命令，每個單元都進行推理決策.因此基于上述工作流模型的證據網絡結構見圖1b).

3.2.2單元決策模型構建

應急單元的決策模型見圖3，應急決策單元在接收上機指令或事故信息時，運用模糊理論將其轉化為可用的信度結構數據，以作為規則推理的輸入值；將輸入值與規定規則進行匹配，計算出匹配程度并激活規則權重，對輸出結果的置信度進行修正；運用D-S證據理論將規則推理的結果進行歸一化處理，得最終輸出值的可信度作為決策結果.

圖3 應急單元決策模型

3.2.3推理結果一致性轉化

推理結果的一致性轉化是指將各個單元推理所得的結果轉化為固定輸出量的信度結構數據.這個過程為決策單元的二次推理過程，即決策單元根據下級單元所提供的信息進行推理獲得推理結果，并根據這個推理結果二次推理獲得固定輸出量的信度結構數據.推理過程見圖4.

圖4 一致性轉化模型

通過推理結果的一致性轉化，決策工作流中所有單元的最終結果有同樣的信度結構，可以更好地分析各單元之間的決策差異性，從而體現決策失誤在工作流中的擴散.

3.2.4失誤分析

在實際工作中，應急指揮人員的決策主要是依據個人經驗或主觀判斷給出的.因此，由于經驗的缺乏或者信息獲取的不完整，指揮人員會在決策過程中產生失誤，即決策偏差F.決策偏差F可由決策結果Y與理想結果Q的距離表示.

為方便計算，用置信度向量來描述每一次推理得到的信度結構，

B=v(S)=(β1,β2,…,βN)

決策偏差可表示為推理結果Y1的置信度向量B1與理想結果Q的置信度向量B0的距離偏移，即決策偏差,引用文獻[14]中信度結構向量的距離公式：

F(Y1,Q)=d(Y1,Q)=

(6)

4 案例分析

以陽邏長江江面20萬t貨船起火事故為例，來說明應急決策失誤在工作流上的擴散作用.2018年2月10日晚10：30，海事局水上指揮中心接到報警,青山王家屋錨地附近水域有一艘萬噸貨輪失火.指揮中心隨即調遣兩艘海巡艇、兩艘大馬力拖船趕赴事故現場進行救援，并通知長航公安消防支隊派遣消防人員乘坐海巡艇同去滅火，消防人員于10 min后到達江邊.11：30將火撲滅，兩艘拖船將事故船舶拖往武鋼碼頭.據悉,船上裝有4 000 t鐵礦粉和10 t柴油，有4名船員.

案例中有一個EDU(海事局水上指揮中心，節點A)作為總指揮，下屬有兩個ECU：①應急數據處理中心(節點B)負責從船舶交通服務端(節點D)獲取船舶信息，以評價船舶類型及所載貨物的安全威脅等級，從視頻監控端(節點E)獲取事故信息以評價事故嚴重程度；②現場指揮中心(節點C)負責現場救援指揮，協調巡航艇(節點F)、拖船(節點G)和消防人員(節點H)進行應急救援，見圖5，其中各個節點含義與狀態描述見表1.其中，將海事局水上指揮中心制定的應急方案按照應急目標分為三類，計劃Z以人員救助為主，計劃Y以消防滅火為主，計劃Z以維護交通為主.根據上述事故信息結合三位專家經驗判斷，建立相應推理規則，見表2(共整理規則49個，由于篇幅所限僅列出前15項)，并由式(2)以及專家經驗計算實際輸入值與參考值的匹配程度，見表1.

圖5 海事應急工作流與證據網絡結構模型

表1 應急工作流節點及其狀態描述

表2 決策工作流信度規則表示

根據所建立的失誤擴散模型對此案例進行計算，以階段“4、5”為例，“船舶交通服務端D”和“視頻監控端E”的觀測值分別為{(G,0),(M,0.8),(B,0.2)},{(G,0),(M,0.3),(S,0.7)}，根據式(3)可求得R6～R14的權重w1=w2=w3=w4=w7=0，w5=0.270 3，w6=0.504 5，w8=0.067 6，w9=0.157 7，w1+w2+w3+…+w7+w8+w9=1，表示該規則是完整的.再根據式(4)～(5)求得B的結果為{(L,0),(M,0.414 5),(H,0.585 5)}.根據規則R32～R34重復上述過程進行結果一致性轉化，求得B的結果為{(Z,0.150 8),(Y,0.374 8),(X,0.474 4)}，通過式(6)與理想方案進行比較，求得節點B的決策偏差為0.044 9.上述案例所得推理結果見表3.

由表4可知，在上述案例中，進行了10次應急決策，這10次決策的決策偏差分別是：FA1=0.115 3，FD=0.074 5，FE=0.281 2，FB=0.044 9，FA2=0.040 3，FF=0.202 2，FG=0.220 4，FH=0.004 4，FC=0.049 4，FA3=0.015 8.其中，海事局水上指揮中心作為最高級的應急決策單元共進行了3次應急決策：FA1=0.115 3，FA2=0.040 3，FA3=0.015 8.結果表明：①隨著工作流的進行，上級決策單元的決策偏差明顯小于相鄰的下級單元的決策偏差；②上級決策單元的決策偏差普遍小于下級單元的決策偏差；③同級決策單元的決策偏差不具備可比性；④海事局水上指揮中心所做出的3次決策，其決策偏差依次減小.因此，所建立模型能夠較好地表示決策工作流中的決策失誤，表示具有直接因果關系的決策單元之間的失誤傳遞，在一定程度上體現決策工作流對決策失誤的控制與糾正作用.

表3 推理結果

結合實際案例的應用分析，所構建的海事應急決策工作流中基于置信推理的失誤傳遞模型對于人因失誤的反復性、潛在性、情景驅使以及可修復性這四類特征有較好的體現.

1) 反復性 人的失誤往往會在某些特定的情景下多次出現，推理規則的引入拓展了決策模型的適用性，將失誤效果的表征與失誤致因直接建立邏輯關系，在同樣失誤致因作為輸入的條件下會得到同樣的失誤率，符合失誤反復性的特點.

2) 潛在性 人因失誤會一直伴隨著人的行為而存在，并在某些特定情景下觸發并造成損失.模型對工作流中決策個體的決策失誤進行量化表示，能夠反映出每個決策單元在工作流進行中的決策偏差，可以直觀地表現決策偏差由小到大至失誤觸發以及由大到小得到糾正的過程.

3) 情景驅使 環境因素是失誤觸發的重要條件，通過將應急情景因素作為規則前件納入置信規則推理中，可以即時反映情景信息變化對決策的影響，符合失誤情景驅使的特征.

4) 可修復性 人可以通過某些手段發現自己或他人存在的人因失誤并進行糾錯，失誤在決策工作中不是持續累加的，而是可以被發現并糾正的.建立的決策工作流能夠規定了信息流傳遞先后順序，通過決策信息的匯集克服了情景信息稀缺的問題實現對決策失誤的糾正，如第～階段.

綜上所述，本章所建立的海事應急決策工作流中基于置信推理的失誤傳遞模型是一種對決策失誤的量化表示以及研究失誤傳遞的有效手段.

5 結 束 語

提出了一種應急決策工作流中基于置信規則推理的人因失誤擴散模型，建立條件信度模型下的工作流網絡，通過RIMER方法獲得決策結果，并將所有決策單元的決策進行一致性轉化，統一決策結果的信度結構，求出相應的決策偏差，研究該決策偏差在工作流中的擴散作用.案例分析表明，上級決策單元的決策偏差明顯小于直接相鄰的下級單元的決策偏差，且普遍小于所有下級單元的決策偏差；隨著決策信息的增加，決策次數的增多，決策單元的決策偏差會越來越小；決策網絡對于決策失誤具有一定的控制和糾正作用.將置信規則推理應用于事故應急處置與應急決策，能夠較好地描述決策單元的決策偏差程度，有助于提高決策者在群體決策中對失誤的識別，在一定程度上反映群體決策的效能，控制決策失誤對應急處置效果的影響.