摘 要: 為了提高應(yīng)急信息系統(tǒng)模型的語(yǔ)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(guò)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(guò)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(guó)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(méi)有考慮預(yù)案模型的語(yǔ)義統(tǒng)一,多系統(tǒng)的信息共享和互操作無(wú)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(wú)法良好協(xié)調(diào),應(yīng)急聯(lián)動(dòng)效果不佳。為解決這一問(wèn)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(yǔ)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(shuō)明”[1]。Harmony數(shù)字圖書(shū)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(lái)描述方案,解決各系統(tǒng)之間的知識(shí)共享問(wèn)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(lái)描述。但由于本體在過(guò)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(yǔ)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(guò)程開(kāi)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(shù)、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(guò)程進(jìn)行建模;參考文獻(xiàn)[9]建立了中國(guó)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(wèn)題,但這些模型和系統(tǒng)卻缺乏語(yǔ)義基礎(chǔ),無(wú)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(yǔ)義理解與交互,本文結(jié)合本體與Petri網(wǎng)的優(yōu)勢(shì),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(guò)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(yǔ)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(guò)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。
?、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(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。
(2)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:
①使用(Use):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。
②主體(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。
?、莅l(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(guò)程
應(yīng)急預(yù)案流程的層次Petri網(wǎng)建模過(guò)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(guò)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(yǔ)義基礎(chǔ),解決信息系統(tǒng)的語(yǔ)義異構(gòu)問(wèn)題。在應(yīng)急預(yù)案流程本體基礎(chǔ)上,通過(guò)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。
?。?)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(kù)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(jiǎn)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(yǔ)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(kù)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(chǎng)景描述
某公路橋梁搶修應(yīng)急預(yù)案的部分流程簡(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(yǔ)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(mén)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。
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.