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)案是對可能發(fā)生的重大事故或災(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)各階段行動的指導(dǎo)和方案。目前，包括國家、省、市、區(qū)、企業(yè)等各級應(yīng)急預(yù)案已相繼建立，但質(zhì)量卻相對較低，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現(xiàn)，直接影響應(yīng)急平臺的跨組織應(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)案流程知識體系，利用Petri網(wǎng)良好的系統(tǒng)動態(tài)性能描述和仿真能力對應(yīng)急預(yù)案流程進(jìn)行建模與評估，實現(xiàn)提升應(yīng)急預(yù)案質(zhì)量的目的。

　　本體是描述知識模型的重要手段，是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[1]。Harmony數(shù)字圖書館項目的ABC本體模型[2]描述了狀態(tài)、動作、事件、agent等相關(guān)的概念及其關(guān)系；PLANET[3]用一個可重用、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]利用本體對供應(yīng)鏈模型進(jìn)行了語義標(biāo)注，參考文獻(xiàn)[6]對基于本體進(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、實體關(guān)系圖、進(jìn)程圖、角色活動圖等建模方法在描繪和驗證系統(tǒng)的動態(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，并對某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案實例進(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)所采取一系列行動的業(yè)務(wù)領(lǐng)域活動。

　?、趹?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刻的狀態(tài)和上下文約束，包括天氣、地理位置、人員等。

　?、蹜?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，為實現(xiàn)流程中某一特定階段目標(biāo)所采取的一系列行動集合，若干個應(yīng)急預(yù)案步驟組成一個應(yīng)急預(yù)案流程。

　?、軕?yīng)急預(yù)案動作（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）：表示行動主體（EPP_Actionsubject）是應(yīng)急事件動作（EPP_Action）的執(zhí)行者。

　?、劭腕w（Hasobject）：表示行動客體（EPP_Actionobject）是應(yīng)急預(yù)案動作（EPP_Action）的執(zhí)行客體。

　?、芗s束（Containt）：表示應(yīng)急預(yù)案動作（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)案動作和步驟的發(fā)生。

　　⑤發(fā)生時間（Occurtime）：表示應(yīng)急預(yù)案動作（EPP_Action）的發(fā)生時間。

　　⑥發(fā)生地點（Occurplace）：表示應(yīng)急預(yù)案動作（EPP_Action）的發(fā)生地點。

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)建模三個階段，如圖2所示。

　?。?）應(yīng)急預(yù)案流程本體建模：通過對應(yīng)急預(yù)案流程的知識體系進(jìn)行歸納、分析、設(shè)計、編碼、檢驗等一系列步驟，強調(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、實例，建立應(yīng)急預(yù)案流程本體。

　?。?）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。

　?。?）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，模型能夠為應(yīng)急預(yù)案流程提供簡單直觀的圖形化描述方法，同時引入的數(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的實例化Ep，可以用一個層次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的實例化Es，可以用層次Petri網(wǎng)模型中的一個變遷細(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，養(yǎng)護(hù)站立即上報領(lǐng)導(dǎo)小組，并在危險地段設(shè)立標(biāo)志及派人監(jiān)守，對損毀公路、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)隊負(fù)責(zé)對車輛進(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 建模實例

　　在上述場景中，節(jié)選預(yù)案流程中交通疏導(dǎo)隊?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施方案的時間決定了公路橋梁何時能夠恢復(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，且提升這個任務(wù)的執(zhí)行效率將有利于整體應(yīng)急處置時間的縮短。養(yǎng)護(hù)站的損毀確認(rèn)報警時間決定了其他應(yīng)急組織開始執(zhí)行各自任務(wù)的起始時間，需要加強養(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，通過仿真驗證了方法的有效性。這種方法可以增強應(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，同時建立各級、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)行評價和分析，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)同平臺等方面的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

　　[1] BORST W N. Construction of engineering ontologies for knowledge sharing and reuse[D].  Enschede： University of Twente， 1997.

　　[2] LAGOZE C， HUNTER J. The ABC ontology and model[J]. Journal of Digital Information， 2001， 1（2）：478-496.

　　[3] GIL Y， BLYTHE J. PLANET： a shareable and reusable ontology for representing plans[C]. Proceedings of the AAAI   2000 Workshop on Representational Issues for Real-world Planning Systems， 2000.

　　[4] TATE A. Coalition task support using I-X and <I-N-C-A>[C]. Proceedings of the 3rd International Central and Eastern European Conference on Multi-Agent Systems， 2003.

　　[5] Wang Xiaodong， Li Nan， Cai Hongming， et al. An ontological approach for semantic annotation of supply chain process models[C]. OTM Workshops， 2010.

　　[6] THOMAS O， FELLMANN M. Semantic EPC： enhancing process modeling using ontology languages[C]. Prceedings of the Workshop on Semantic Business Process and Product Lifecycle Management（SBPM），2007：64-75.

　　[7] Li Haitao， Wang Huadong. An ontology-based process model for scientific research software development[C]. 2010 2nd International Conference on Software Engineering and Data Mining（SEDM）， 2010：299-304.

　　[8] TAVANA M. Dynamic process modelling using Petri nets with applications to nuclear power plant emergency management[J]. International Journal of Simulation and Process Modelling， 2008， 4（2）：130-138.

　　[9] Zhong Maohua， Shi Congling， Fu Tairan， et al. Study in performance analysis of China urban emergency response system based on Petri net[J]. Safety Science， 2010， 48（6）：755-762.