摘  要： 為了提高應(yīng)急信息系統(tǒng)模型的語義基礎(chǔ)，提出了一種基于Petri網(wǎng)的應(yīng)急預(yù)案流程的建模方法,。以ABC模型為上位本體建立了應(yīng)急預(yù)案流程本體,，提出了應(yīng)急預(yù)案流程的Petri網(wǎng)建模過程，并定義了應(yīng)急預(yù)案流程中本體和層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則,。使用該方法對(duì)某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案流程進(jìn)行Petri網(wǎng)建模,，并通過仿真分析驗(yàn)證了建模方法的有效性。

　　關(guān)鍵詞： 應(yīng)急預(yù)案,；應(yīng)急預(yù)案流程,；本體；Petri網(wǎng)

0 引言

　　應(yīng)急預(yù)案是對(duì)可能發(fā)生的重大事故或?yàn)?zāi)害等突發(fā)事件所提供的包括從災(zāi)害事件準(zhǔn)備,、響應(yīng),、恢復(fù)各階段行動(dòng)的指導(dǎo)和方案。目前,，包括國家,、省、市,、區(qū),、企業(yè)等各級(jí)應(yīng)急預(yù)案已相繼建立，但質(zhì)量卻相對(duì)較低,，且現(xiàn)有的數(shù)字應(yīng)急預(yù)案的建模方法也沒有考慮預(yù)案模型的語義統(tǒng)一,，多系統(tǒng)的信息共享和互操作無法實(shí)現(xiàn)，直接影響應(yīng)急平臺(tái)的跨組織應(yīng)急預(yù)案協(xié)同,，導(dǎo)致各應(yīng)急預(yù)案無法良好協(xié)調(diào),，應(yīng)急聯(lián)動(dòng)效果不佳。為解決這一問題,，本文提出了基于應(yīng)急預(yù)案流程本體的Petri網(wǎng)建模方法,，采用本體技術(shù)建立具有共享語義的應(yīng)急預(yù)案流程知識(shí)體系,，利用Petri網(wǎng)良好的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能描述和仿真能力對(duì)應(yīng)急預(yù)案流程進(jìn)行建模與評(píng)估，實(shí)現(xiàn)提升應(yīng)急預(yù)案質(zhì)量的目的,。

　　本體是描述知識(shí)模型的重要手段,，是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[1]。Harmony數(shù)字圖書館項(xiàng)目的ABC本體模型[2]描述了狀態(tài),、動(dòng)作,、事件、agent等相關(guān)的概念及其關(guān)系,；PLANET[3]用一個(gè)可重用,、共享的本體用來描述方案，解決各系統(tǒng)之間的知識(shí)共享問題并進(jìn)行信息交互,；I-N-C-A本體[4]則認(rèn)為方案可以用包括隱含約束,、節(jié)點(diǎn)約束、細(xì)節(jié)約束的一系列約束來描述,。但由于本體在過程建模能力的不足,，各種基于本體的建模方法也相繼出現(xiàn)，如參考文獻(xiàn)[5]利用本體對(duì)供應(yīng)鏈模型進(jìn)行了語義標(biāo)注,，參考文獻(xiàn)[6]對(duì)基于本體進(jìn)行EPC建模方法進(jìn)行了研究,，參考文獻(xiàn)[7]則提出了基于本體的軟件過程開發(fā)模型。

　　Petri網(wǎng)作為描述和分析離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有效工具,，是一種研究信息系統(tǒng)及其相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,。TAVANA M[8]認(rèn)為工作流、數(shù)據(jù)流圖,、決策樹,、實(shí)體關(guān)系圖、進(jìn)程圖,、角色活動(dòng)圖等建模方法在描繪和驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求方面有所欠缺,，而選用Petri網(wǎng)為核電站應(yīng)急管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行建模；參考文獻(xiàn)[9]建立了中國城市應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的Petri網(wǎng),，并對(duì)系統(tǒng)技術(shù)性能進(jìn)行了分析,。雖然以上研究解決了一些實(shí)際問題，但這些模型和系統(tǒng)卻缺乏語義基礎(chǔ),，無法進(jìn)行有效的信息共享,、互操作和應(yīng)急業(yè)務(wù)協(xié)同。

　　為了增強(qiáng)系統(tǒng)的語義理解與交互,，本文結(jié)合本體與Petri網(wǎng)的優(yōu)勢,，提出了基于應(yīng)急預(yù)案流程本體的Petri網(wǎng)的間接建模方法。首先，通過建立應(yīng)急預(yù)案流程本體,，構(gòu)建了應(yīng)急系統(tǒng)的共同語義基礎(chǔ),，然后定義了本體、元模型,、層次Petri網(wǎng)的映射關(guān)系,，給出了基于本體的應(yīng)急預(yù)案流程的Petri網(wǎng)建模過程，并對(duì)某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案實(shí)例進(jìn)行建模仿真,。

1 應(yīng)急預(yù)案流程本體模型

　　以ABC模型為上位本體,，構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案流程本體，出于直觀表示的目的,，本文使用UML表達(dá)應(yīng)急預(yù)案流程本體,，如圖1所示，受篇幅所限,，本文只介紹部分內(nèi)容,。

　　應(yīng)急預(yù)案流程本體中的主要概念和關(guān)系包括：

　?。?）應(yīng)急預(yù)案流程概念定義為EPP_Concepts：={C},，其中C表示應(yīng)急預(yù)案流程的概念集，表示為EPP_Concepts：=<EPP_Process,，EPP_EventState,，EPP_Step，EPP_Action,，EPP_ActionSubject,，EPP_ActionObject，EPP_Resource>,，主要包括：

　?、賾?yīng)急預(yù)案流程（EPP_Process）：ABC模型中Event的子類，表示在某一時(shí)空范圍內(nèi),，為達(dá)到應(yīng)急預(yù)案中特定目標(biāo)所采取一系列行動(dòng)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域活動(dòng),。

　　②應(yīng)急預(yù)案事件狀態(tài)（EPP_EventState）：ABC模型中Situation的子類,，表示應(yīng)急預(yù)案流程中事件在某一時(shí)刻的狀態(tài)和上下文約束,，包括天氣、地理位置,、人員等,。

　　③應(yīng)急預(yù)案步驟（EPP_Step）：ABC模型中Event的子類,，表示在某一應(yīng)急預(yù)案流程中,，為實(shí)現(xiàn)流程中某一特定階段目標(biāo)所采取的一系列行動(dòng)集合，若干個(gè)應(yīng)急預(yù)案步驟組成一個(gè)應(yīng)急預(yù)案流程。

　?、軕?yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）：ABC模型中Action的子類,，表示應(yīng)急事件處置流程中的動(dòng)作。

　?。?）應(yīng)急預(yù)案流程關(guān)系定義為EPP_Relations：={R（c1,，c2）|c1，c2∈EPP_Concepts},，在應(yīng)急預(yù)案流程模型中概念間的主要關(guān)系包括：

　?、偈褂茫║se）：表示應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）與應(yīng)急資源（EPP_Resource）之間的使用和被使用關(guān)系。

　?、谥黧w（Hassubject）：表示行動(dòng)主體（EPP_Actionsubject）是應(yīng)急事件動(dòng)作（EPP_Action）的執(zhí)行者,。

　　③客體（Hasobject）：表示行動(dòng)客體（EPP_Actionobject）是應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）的執(zhí)行客體,。

　?、芗s束（Containt）：表示應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）及應(yīng)急預(yù)案步驟（EPP_Step）與應(yīng)急預(yù)案事件狀態(tài)（EPP_EventState）之間存在一系列的約束（Containt）關(guān)系，即應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作和步驟影響應(yīng)急預(yù)案事件狀態(tài),，而應(yīng)急預(yù)案事件狀態(tài)又導(dǎo)致了應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作和步驟的發(fā)生,。

　　⑤發(fā)生時(shí)間（Occurtime）：表示應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）的發(fā)生時(shí)間,。

　?、薨l(fā)生地點(diǎn)（Occurplace）：表示應(yīng)急預(yù)案動(dòng)作（EPP_Action）的發(fā)生地點(diǎn)。

2 基于本體的層次Petri網(wǎng)建模

　　2.1 基于應(yīng)急預(yù)案流程本體的Petri網(wǎng)建模過程

　　應(yīng)急預(yù)案流程的層次Petri網(wǎng)建模過程可分為應(yīng)急預(yù)案流程本體建模,、應(yīng)急預(yù)案流程元模型建模,、應(yīng)急預(yù)案流程層次Petri網(wǎng)建模三個(gè)階段，如圖2所示,。

　?。?）應(yīng)急預(yù)案流程本體建模：通過對(duì)應(yīng)急預(yù)案流程的知識(shí)體系進(jìn)行歸納、分析,、設(shè)計(jì),、編碼、檢驗(yàn)等一系列步驟,，強(qiáng)調(diào)共享和重用,，抽象應(yīng)急預(yù)案流程的概念、屬性,、關(guān)系,、公理、實(shí)例,，建立應(yīng)急預(yù)案流程本體,。

　　（2）應(yīng)急預(yù)案流程元模型建模：應(yīng)急預(yù)案流程元模型是應(yīng)急預(yù)案流程中數(shù)據(jù)的描述，可以提供應(yīng)急預(yù)案流程的語義基礎(chǔ),，解決信息系統(tǒng)的語義異構(gòu)問題,。在應(yīng)急預(yù)案流程本體基礎(chǔ)上，通過本體的實(shí)例化,，映射到元模型層,，構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案流程元模型,，是應(yīng)急預(yù)案流程的信息資源和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)描述。

　　（3）應(yīng)急預(yù)案流程的層次Petri網(wǎng)建模：根據(jù)應(yīng)急預(yù)案流程元模型與層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則,，可映射為層次Petri網(wǎng)中的庫所,、變遷（可細(xì)化變遷）,、有向弧,，形成層次結(jié)構(gòu)的Petri網(wǎng)模型，模型能夠?yàn)閼?yīng)急預(yù)案流程提供簡單直觀的圖形化描述方法,，同時(shí)引入的數(shù)學(xué)描述手段,，具有多種分析方法和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。

　　2.2 層次映射規(guī)則

　　基于應(yīng)急預(yù)案流程本體的層次Petri網(wǎng)建模中,，本體,、元模型、層次Petri網(wǎng)三層之間存在著映射關(guān)系,，如表1所示,。

　　映射關(guān)系保證了應(yīng)急預(yù)案流程的層次Petri網(wǎng)模型能夠建立在領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)上,，并增強(qiáng)了Petri網(wǎng)模型的語義基礎(chǔ),。應(yīng)急預(yù)案流程中的本體和層次Petri網(wǎng)的映射規(guī)則可定義為：

　　規(guī)則1：p=Instance（EPP_Process）r∈R表示存在任意應(yīng)急預(yù)案流程本體層的EPP_Process的實(shí)例化Ep，可以用一個(gè)層次Petri網(wǎng)表示,，R為層次Petri網(wǎng)模型,。

　　規(guī)則2：Es=Instance（EPP_Step）Ts∈Np（t）表示存在任意應(yīng)急預(yù)案流程本體層的EPP_Step的實(shí)例化Es，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的一個(gè)變遷細(xì)化子網(wǎng)Np（t）表示,。

　　規(guī)則3：Ead=Instance（EPP_EventAction）t∈T表示存在任意應(yīng)急預(yù)案流程本體層的EPP_Action的實(shí)例化Eea,，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的不可細(xì)化變遷T表示。

　　規(guī)則4：Ees=Instance（EPP_EventState）p∈P表示存在任意應(yīng)急預(yù)案流程本體層的EPP_EventState的實(shí)例化Ees,，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的庫所P表示,。

　　規(guī)則5：Ec=Instance（Constrain）f∈F表示存在任意應(yīng)急預(yù)案流程本體層中的關(guān)系Constrain的實(shí)例化Ec，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的有向弧F表示,。

3 應(yīng)用

　　3.1 場景描述

　　某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案的部分流程簡述如下：當(dāng)發(fā)生公路橋梁損毀時(shí),，養(yǎng)護(hù)站立即上報(bào)領(lǐng)導(dǎo)小組，并在危險(xiǎn)地段設(shè)立標(biāo)志及派人監(jiān)守,，對(duì)損毀公路,、橋梁進(jìn)行初步維修和疏通；公路管理站負(fù)責(zé)組織進(jìn)行現(xiàn)場查勘和處理，并提供技術(shù)支持,；交通疏導(dǎo)隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)車輛進(jìn)行疏通和引導(dǎo),；領(lǐng)導(dǎo)小組制訂搶修方案，組織實(shí)施公路,、橋梁搶修和應(yīng)急疏通任務(wù),，直至恢復(fù)交通。

　　3.2 建模實(shí)例

　　在上述場景中,，節(jié)選預(yù)案流程中交通疏導(dǎo)隊(duì)?wèi)?yīng)急處置部分為例,，基于應(yīng)急預(yù)案流程本體，建立了交通疏導(dǎo)隊(duì)的應(yīng)急預(yù)案流程層次Petri網(wǎng)模型,，建模過程如圖3所示,。

　　3.3 模型仿真

　　利用PIPE2工具，對(duì)基于應(yīng)急預(yù)案本體建立的某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行仿真,，如圖4所示,。

　　對(duì)此應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖5所示,，可知在某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案流程中,，領(lǐng)導(dǎo)小組制訂搶修方案并組織實(shí)施方案的時(shí)間決定了公路橋梁何時(shí)能夠恢復(fù)交通通行，所以該任務(wù)的執(zhí)行所需的組織力量和資源力量應(yīng)該首先被滿足,，且提升這個(gè)任務(wù)的執(zhí)行效率將有利于整體應(yīng)急處置時(shí)間的縮短,。養(yǎng)護(hù)站的損毀確認(rèn)報(bào)警時(shí)間決定了其他應(yīng)急組織開始執(zhí)行各自任務(wù)的起始時(shí)間，需要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)站的預(yù)警響應(yīng)任務(wù)的日常訓(xùn)練,。另外,，交通疏導(dǎo)隊(duì)的交通疏導(dǎo)任務(wù)和養(yǎng)護(hù)站的維修疏通任務(wù)是消耗時(shí)間最長的任務(wù)，需要注重日常任務(wù)訓(xùn)練,。

4 結(jié)論

　　本文構(gòu)建了應(yīng)急預(yù)案流程本體,，提出了一種基于本體的層次Petri網(wǎng)建模方法，定義了本體,、元模型,、層次Petri網(wǎng)的層次間映射規(guī)則，并使用該方法對(duì)某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案流程進(jìn)行Petri網(wǎng)建模,，通過仿真驗(yàn)證了方法的有效性,。這種方法可以增強(qiáng)應(yīng)急信息系統(tǒng)建模的語義基礎(chǔ)，進(jìn)一步提升模型的共享性和重用性,，同時(shí)建立各級(jí),、各部門應(yīng)急預(yù)案流程模型，其仿真結(jié)果也能夠?qū)?yīng)急預(yù)案流程進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,，有利于應(yīng)急預(yù)案質(zhì)量的提升,。下一步工作是繼續(xù)研究使用該方法建立的Petri網(wǎng)模型在應(yīng)急預(yù)案演練,、應(yīng)急協(xié)同平臺(tái)等方面的應(yīng)用。

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