基于Petri網(wǎng)的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程優(yōu)化

宋志蘭，張 壯，徐七龍

（云南財經(jīng)大學(xué) 物流學(xué)院，云南 昆明 650221）

基于Petri網(wǎng)的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程優(yōu)化

宋志蘭，張 壯，徐七龍

（云南財經(jīng)大學(xué) 物流學(xué)院，云南 昆明 650221）

針對危險品在鐵路運輸過程中可能出現(xiàn)的一些突發(fā)狀況，提出了基于Petri網(wǎng)的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程。在利用Petri網(wǎng)優(yōu)化鐵路危險貨物運輸應(yīng)急流程基礎(chǔ)上，對該模型進行化簡處理并進行有效的分析。分析的結(jié)果也證實了經(jīng)過優(yōu)化的基于Petri網(wǎng)的鐵路危險貨物事故應(yīng)急流程具有可行性和有效性。該應(yīng)急流程能夠確保在危險品運輸途中，一旦出現(xiàn)事故，相關(guān)人員能在第一時間按照應(yīng)急流程有效及時啟動緊急事件解決方案，從而大大提高對突發(fā)事故的處理能力和救援效率。

Petri網(wǎng)；危險品；鐵路運輸；應(yīng)急處理流程

1 緒論

近年來，由于我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)進程的加快，對諸如汽油、強酸、強堿、賽璐珞、苯、過氧化物等劇毒、易燃、易爆以及有強烈腐蝕性的危險品需求量也日益增長[1]。由于鐵路運輸?shù)妮d貨量大以及單位運輸成本較低等原因，危險品的中長途運輸多采用鐵路運輸?shù)姆绞健ＮｋU品本身對于外界環(huán)境比較敏感，尤其是在運輸途中，運輸環(huán)境不確定性，溫度、濕度的變化以及摩擦、光電的影響，極大的增加了危險品在運輸途中運輸難度[2]。國家以及地方政府對危險品安全運輸高度重視，并且制定了一系列法律規(guī)章制度，如《危險品管理規(guī)定》、《道路危險品運輸管理規(guī)定》等；在運輸危險品的過程中，濕度、溫度等其他內(nèi)外環(huán)境的變化會使得危險品的性質(zhì)發(fā)生變化，從而有潛在的危險，如果在危險品運輸過程中不能做到實時監(jiān)控，一旦發(fā)生事故，就不能及時做出應(yīng)急救助措施，給生命、財產(chǎn)和環(huán)境都帶來了極大的損害[3]。

為了能夠及時有效的實現(xiàn)對突發(fā)事故的控制，迅速地組織和實施搶險和救援，本文利用Petri網(wǎng)模型構(gòu)建鐵路危險品運輸?shù)膽?yīng)急流程，針對在危險品運輸過程中出現(xiàn)的緊急事故，第一時間啟動應(yīng)急事件流程，展開救援，這對運輸全過程中車輛、人員、環(huán)境的安全具有重要意義。

2 Petri網(wǎng)綜述

德國學(xué)者Carl Adam Petri在其博士論文《自動通訊》中首次提出了Petri網(wǎng)的概念。40多年來，Petri網(wǎng)理論與技術(shù)不斷充實和完善，抽象、描述能力越來越強，從而使Petri網(wǎng)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[4]。由于具有明確的數(shù)學(xué)表達和直觀的圖像表達方式，所以Petri網(wǎng)是描述和分析復(fù)雜離散事件動態(tài)系統(tǒng)的一種有效且實用的圖形工具和信息流模型。由于Petri網(wǎng)具有強大模擬能力和描述與分析并發(fā)事件的獨特優(yōu)勢，這使得其在數(shù)據(jù)分析、工業(yè)過程控制、故障診斷、智能決策、制造系統(tǒng)以及流程分析等社會生產(chǎn)活動中得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。

Petri網(wǎng)是一個由庫所（Place）和變遷（Transition）兩類結(jié)點構(gòu)成的有向圖，結(jié)點與結(jié)點之間由有向弧（Directed Arc）連接,兩個庫所或變遷之間不允許有弧[8-9]。其中，庫所表示可能的系統(tǒng)局部狀態(tài)，變遷表示狀態(tài)的變化。除了庫所和變遷外，Petri網(wǎng)的基本概念還涉及到以下幾個方面：

（1）資源：系統(tǒng)中發(fā)生變化所涉及到的與系統(tǒng)有關(guān)的因素，包括原料、部件、生產(chǎn)人員、工具、設(shè)備、數(shù)據(jù)及信息等。

（2）庫所：系統(tǒng)中的資源按照作用不同分成不同的類別放在一起，每一類抽象為一個庫所。

（3）變遷：資源的消耗、使用及使系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生的變化。

（4）托肯：存放在庫所中的資源，又稱令牌。

（5）條件：如果一個庫所中只有兩種狀態(tài)，有托肯和無托肯，則該庫所稱之為條件。

（6）事件：變遷涉及條件時，成為事件。

Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)描述為：

式中，P—庫所，P={p1,p2,…,pn}

T—變遷，T={t1,t2,…,tn}

F—流關(guān)系，F(xiàn)?(p?T)?(T?p)

W—有向弧的權(quán)函數(shù)，F(xiàn)→{1,2,…}

M—狀態(tài)標(biāo)識含有托肯的數(shù)量，P→{0,1,2,…}

M0—初始標(biāo)識含有托肯的數(shù)量，P→{0,1,2,…}

使用位置、變遷、弧和托肯（或稱令牌）這四個元素建模，在建模過程中，系統(tǒng)的靜態(tài)功能和結(jié)構(gòu)通過位置、變遷、弧的連接來表示，而系統(tǒng)的動態(tài)行為通過變遷的發(fā)生和托肯的移動來描述。用圖形表示的Petri網(wǎng)被稱為Petri網(wǎng)圖，其中，從圖1中可以看出庫所表示為“○”，變遷以粗線表示。“⊙”表示庫所擁有一個托肯。

圖1 傳統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3 模型構(gòu)建

3.1 鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程分析

鐵路危險品運輸應(yīng)急處理流程包括：實時監(jiān)控、事故發(fā)生及事故警報、啟動應(yīng)急流程、事故后期處理四個流程。

實時監(jiān)控是指為了實時監(jiān)控鐵路危險品運輸過程的貨物位置狀態(tài)和貨物安全狀態(tài)等，保證危險品運輸車輛和工作人員安全，同時實現(xiàn)運輸車輛和監(jiān)控中心以及用戶的一體化動態(tài)信息查詢，這對運輸全過程中車輛、人員、環(huán)境及危險品的安全具有重要意義。本文構(gòu)建基于RFID和WSN二者混合式的鐵路危險品運輸監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由4部分組成，即：監(jiān)控終端、中間服務(wù)、監(jiān)控中心以及信息訪問。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是在傳感器節(jié)點中混雜電子標(biāo)簽，并將該混雜結(jié)構(gòu)部署在運輸車輛監(jiān)測區(qū)域中，利用智能基點對RFID閱讀器和WSN基站進行功能整合，將RFID與WSN采集到的信息在混雜結(jié)構(gòu)中整合，然后通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將信息發(fā)射給列車監(jiān)控終端。RFID與WSN組成的混合式實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 由RFID與WSN組成的混合式實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程

事故發(fā)生是指危險品在運輸過程中由于內(nèi)部環(huán)境變化以及外界條件的變化，如激烈碰撞等其他原因發(fā)生爆炸、燃燒、泄露等緊急狀態(tài)，需要請求援助，立即采取措施，恢復(fù)正常狀態(tài)。事故警報是指在運輸危險貨物發(fā)生事故時，現(xiàn)場第一時間有突發(fā)事件的當(dāng)事人用報警設(shè)備向系統(tǒng)匯報，根據(jù)事故發(fā)生的嚴重等級來啟動系統(tǒng)中央警報系統(tǒng)，嚴重程度按照四個等級來分：

第一等級——非常嚴重，預(yù)警指數(shù)為五顆星；

第二等級——嚴重，預(yù)警指數(shù)為三顆星；

第三等級——較重，預(yù)警指數(shù)為兩顆星；

第四等級——輕微，預(yù)警指數(shù)為一顆星。

啟動應(yīng)急流程是指危險品在鐵路運輸過程中發(fā)生突發(fā)事故后，從相關(guān)人員接到報警到各救援部門到達事故現(xiàn)場的過程。主要包括發(fā)出警報、事故上報、站段內(nèi)發(fā)布事故信息和站段基層預(yù)警響應(yīng)4個階段。啟動應(yīng)急流程是應(yīng)急處理中最關(guān)鍵、最核心的部分，直接關(guān)系到人員和財產(chǎn)的安全。

事故后期處理是指事發(fā)救援后，相關(guān)人員對事故原因、救援情況、事故損失等進行深入的調(diào)查和評估，對事故情況進行全面的了解并上報或向社會公開信息。

具體應(yīng)急流程結(jié)果如圖3所示。

3.2 基于Petri網(wǎng)（P/T）的鐵路危險品運輸應(yīng)急處理流程模型定義

從以上流程分析可以看出，鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程涉及的過程、人員非常復(fù)雜，彼此之間存在動態(tài)的過程。本節(jié)為合理的敘述流程，綜合考慮Petri網(wǎng)的優(yōu)點，建立鐵路危險貨物事故應(yīng)急流程的Petri網(wǎng)模型。

定義1：庫所P（條件）定義

p1：危險品運輸準(zhǔn)備；p2：實時監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)備；p3：事故信息；p4：事故信息上傳；p5：初步調(diào)查事故原因信號發(fā)出；p6：事故原因初步調(diào)查結(jié)果確定；p7：專家小組評估事故等級信號發(fā)出；p8：根據(jù)事故等級確定應(yīng)急備案信號發(fā)出；p9：應(yīng)急救援部（救援小組）成立信號發(fā)出；p10：現(xiàn)場開始應(yīng)急救援工作信號發(fā)出；p11：現(xiàn)場應(yīng)急救援結(jié)束信號發(fā)出；p12：事故后期處理信號發(fā)出；p13：涉外處理信息接收完畢；p14：善后處理信息接收完畢；p15：現(xiàn)場應(yīng)急小組調(diào)查總結(jié)匯報上交信息發(fā)出；p16：收到調(diào)查總結(jié)結(jié)束信號后，發(fā)出應(yīng)急工作評估信號；p17：收到應(yīng)急評估結(jié)束信號；p18：收到整個應(yīng)急響應(yīng)結(jié)束信號。

定義2：變遷T（動作）定義

t1：列車運輸；t2：實時監(jiān)控啟動；t3：事故發(fā)生；t4：事故警報；t5：系統(tǒng)接警；t6：事故原因初步調(diào)查；t7：專家決策；t8：確定事故等級；t9：啟動與事態(tài)程度相應(yīng)的應(yīng)急備案；t10：啟動應(yīng)急流程；t11：成立應(yīng)急救援部；t12：現(xiàn)場指揮小組、醫(yī)療救護小組、事故調(diào)查小組、現(xiàn)場跟蹤專家小組到位；t13：應(yīng)急救援工作展開；t14：現(xiàn)場應(yīng)急救援結(jié)束；t15：涉外處理；t16：善后處理；t17：現(xiàn)場應(yīng)急小組調(diào)查總結(jié)匯報上交；t18：應(yīng)急工作評估結(jié)束；t19：應(yīng)急流程響應(yīng)結(jié)束。

3.3 模型說明

（1）庫所 p1和p2分別表示危險貨物運輸、實時監(jiān)控系統(tǒng)啟動信息，它們之間托肯的傳遞是通過變遷t1和t2的激發(fā)來實現(xiàn)的。

（2）庫所p3和p4分別表示事故發(fā)生，并通過實時監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場人員將事故信息上報，它們之間托肯的傳遞是通過變遷t3、t4和t5的變遷來實現(xiàn)的。

（3）庫所p5和p6分別表示根據(jù)事故現(xiàn)場的情況和對事故原因初步調(diào)查的信息，它們之間托肯的傳遞是通過變遷t6的激發(fā)來實現(xiàn)的。

（4）庫所p7和p8分別表示專家小組評估事故等級信息，根據(jù)專家決策結(jié)果確定事故等級，并啟動與事態(tài)程度相應(yīng)的應(yīng)急備案。它們之間托肯的傳遞是通過變遷t7、t8和t9的變遷來實現(xiàn)的。

（5）變遷t10表示啟動應(yīng)急流程，在庫所 p7和 p8等工作均進行完畢后才被激發(fā)。

（6）庫所p9和p10分別表示成立應(yīng)急救援部（救援小組）并開展應(yīng)急救援工作，通過變遷t11、t12和t13的變遷和激發(fā)來實現(xiàn)它們之間托肯的傳遞。

（7）庫所 p11表示現(xiàn)場救援工作結(jié)束，通過變遷t14的激發(fā)實現(xiàn)。

（8）庫所 p12、p13和 p14分別表示事故后期處理開始，包括涉外處理和善后處理，庫所 p13、p14是并發(fā)關(guān)系，可以同時展開工作，它們之間托肯的傳遞是通過變遷t14、t15和t16的變遷來實現(xiàn)的。

（9）庫所p15表示現(xiàn)場應(yīng)急小組將調(diào)查總結(jié)結(jié)果匯報上交，通過t17的變遷完成。

（10）庫所 p16和 p17表示收到調(diào)查總結(jié)結(jié)束信號后，給出救援工作評估，在給出評估結(jié)果后結(jié)束全部救援工作，它們之間托肯的傳遞是通過變遷t18和t19的激發(fā)來實現(xiàn)的。

3.4 模型建立

根據(jù)定義1和定義2，構(gòu)建優(yōu)化后的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程Petri網(wǎng)模型如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程Petri網(wǎng)模型

在整個應(yīng)急救援系統(tǒng)中，各個因素之間的綜合性能變化是一個不確定的概念，一般的，它們之間的關(guān)系可以用Petri網(wǎng)表示，見表1。

表1 Petri網(wǎng)與各因素之間的關(guān)系

根據(jù)表1建立數(shù)字化的Petri網(wǎng)模型，庫所P0對應(yīng)最終的總評價指標(biāo)，即判斷鐵路危險貨物運輸應(yīng)急流程的優(yōu)劣性。Pi為一級庫所，Pij為二級庫所，分別對應(yīng)各個一級指標(biāo)和二級評價指標(biāo)。一級指標(biāo)是指關(guān)系的確定，二級指標(biāo)是指各一級指標(biāo)是否執(zhí)行到位。四個庫所PA，PB，PC，PD表示計算可能得到的最終評價結(jié)果。Pij(A)，Pij(B)，Pij(C)，Pij(D)則分別對應(yīng)評價指數(shù)V={A, B,C,D}={好，較好，一般，差}。關(guān)系強度Φ標(biāo)注在輸入弧（Pij,T）上，對應(yīng)二級評價指標(biāo)體系。在輸出弧(Pk,T0)上標(biāo)注出關(guān)系強度Φ，其對應(yīng)以及評價指數(shù)。不確定指數(shù) δ反應(yīng)了系統(tǒng)最終的狀態(tài)，即θij(A)，θij(B)，θij(C)，θij(D)對應(yīng)評價指數(shù)集合Pij(A)，Pij(B)，Pij(C)，Pij(D)的托肯值，有其中表示第S位評價者對指標(biāo)的評語為L(L=A,B,C,D)，N為參與評價的總?cè)藬?shù)。

4 算例分析

選取庫所P11為例，計算出在評語集中{好，較好，一般，差}的從屬度（隸屬度），見表2。

表2 庫所P11對應(yīng)的評價指數(shù)集中從屬度（隸屬度）

計算二級庫所P11的托肯值，庫所P11的托肯值為以上4個托肯的合成向量，即：

計算一級庫所P1的托肯向量值：

計算頂層評價指標(biāo)對應(yīng)的總庫所P0的托肯值：

根據(jù)變遷TSA,TSB,TSC,TSD的啟動條件以及PA～PD的托肯分布,變遷TSA,TSB,TSC,TSD的啟動值：

從而變遷TSB啟動，表明得到的評價結(jié)果是該站的鐵路危險貨物運輸應(yīng)急流程可行。

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用Petri網(wǎng)理論對鐵路危險品運輸事故應(yīng)急處理流程的問題進行了分析研究，構(gòu)建了應(yīng)急事故處理的優(yōu)化模型，對模型中的各種參數(shù)和變量進行了詳細的描述、定義，并且給出了相應(yīng)的求解方法。應(yīng)用二級庫所P11和一級庫所P1為例，計算了庫所P11和P1的評價指數(shù)關(guān)聯(lián)度、托肯值以及頂層評價指標(biāo)對應(yīng)的總庫所P0的托肯值，根據(jù)各自的變遷條件和托肯值，最后計算出最優(yōu)變遷啟動，得到了的評價結(jié)果是該站的鐵路危險品運輸事故應(yīng)急流程整體編制較好。優(yōu)化后的應(yīng)急事故處理流程可以在發(fā)生事故的第一時間將事故信息上傳和發(fā)出警報，使相關(guān)部門和人員可以對事故及時地、有效地實施救援，這對事故現(xiàn)場人員的生命和財產(chǎn)安全具有重大意義。

[1]李智基.基于Petri網(wǎng)的鐵路危險貨物運輸應(yīng)急預(yù)案的研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2013．

[2]張小強,胡芳捷,駱玲.基于隨機Petri網(wǎng)的鐵路貨運流程優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報,2015,37(10):7-15．

[3]艾厚文.基于隨機Petri網(wǎng)的鐵路應(yīng)急預(yù)案流程化研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008．

[4]韓娜.基于Petri網(wǎng)的石油石化行業(yè)應(yīng)急管理流程研究[D].大連:大連工業(yè)大學(xué),2012．

[5]羅亞.物流電子商務(wù)策略及其應(yīng)用系統(tǒng)研究—以鐵路物流為例[J].物流技術(shù),2013,32(1):57-59．

[6]武中凱.貨運組織改革中站段機構(gòu)優(yōu)化與業(yè)務(wù)流程再造[J].中國鐵路,2013,(9):8-12．

[7]杜磊,王文俊,董存祥,等.基于多Agent的應(yīng)急協(xié)同Petri網(wǎng)建模及協(xié)同檢測[J].計算機應(yīng)用,2010,30(10):2 567-2 571．

[8]馬鋒,邱菀華,蔣世奇.信息不完全應(yīng)急物資轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的隨機Petri網(wǎng)建模[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2010,12(5): 90-93.

[9]蒲蕭云.方法研究在改善鐵路貨運流程中的應(yīng)用[J].時代經(jīng)貿(mào),2010,(4):122-125．

Study on Optimization of Railway Hazardous Material Transportation Accident Emergency Treatment Process Based on Petri Nets

Song Zhilan,Zhang Zhuang,Xu Qilong
(School of Logistics,Yunnan University of Finance,Kunming 650221,China)

In this paper,in view of some of the outbreak events possible in the railway transportation of the hazardous materials,we proposed the railway hazardous material transportation accident emergency treatment process based on the Petri nets.Then on such basis,we simplified the mode and analyzed its validity.The result indicated that the optimized process was highly feasible and effective.

Petri nets;hazardous material;railway transportation;emergency treatment process

U294.83

A

1005-152X(2016)11-0127-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.11.027

2016-10-02

宋志蘭（1967-），女，山西太原人，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：生產(chǎn)物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計、商業(yè)物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計、倉儲系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化、物流裝備設(shè)計。