營區突發事件應急保障方案仿真推演評估方法

張 寒, 黃炎焱, 耿 澤, 張 振

(南京理工大學自動化學院, 江蘇 南京 210094)

0 引 言

作戰部隊作為保護國家和人民利益的武裝力量,肩負著保衛國家安全的重要職責,部隊建設水平直接關乎國家安全。營區作為部隊日常訓練、工作和生活的主要場所,是部隊重要物質基礎,對于部隊建設發展具有重要的職責和使命:戰時部隊需要依托營區進行各項相關的軍事保障和調度,非戰時營區為部隊各項相關的日常工作訓練提供保障支持,因此營區的安全運轉直接影響著部隊的戰斗力水平?！爸腔蹱I區”建設的開展使得部隊營區在生活及安防水平上有所改善,但是在應對復雜突發事件情景下應急指揮管理能力依然較為薄弱,特別是缺乏針對營區突發事件快速響應的行動保障方案支持。復雜突發事件應急管理問題是備受關注的研究熱點,國內外許多專家學者圍繞突發事件的應急響應過程及應急方案予以研究。文獻[3-4]針對地震、暴恐等非常規突發事件應急保障方案開展論證研究,主要采用基于作戰環思想建立應急指揮模型,同時進行應急效能的仿真評估,取得了良好效果。

營區應急管理問題,屬于應急作戰的研究范疇,對于應急保障方案評估及仿真推演的研究,國內外專家學者更多的是立足于民生相關的自然災害預防和應急管理理論方法等層面的研究。新時期營區生活水平以及安防建設取得了一定進展,但對于營區突發事件應急指揮管理和應急保障行動方案建設仍屬于較為薄弱的環節。隨著對外維和部隊的增加以及海外軍事基地建設,迫切需要提升營區應急指揮管理水平?！胺彩骂A則立,不預則廢”。部隊營區無論是在戰爭和非戰爭時都面臨著突發事件的挑戰與威脅。著眼于新形勢新使命,圍繞能打仗打勝仗為核心開展營區建設的研究,特別是構建營區綜合應急指揮系統,加強營區突發事件狀態下的應急管理水平,切實保障官兵人身安全以及軍事設施的安全,具有極大的現實意義與緊迫性。

為此,本文以營區突發事件應急指揮與管理為背景,利用突發事件情景、案例推理、兵棋推演方法開展對應急保障行動方案的生成與推演評估研究,旨在提升營區突發事件應急管理水平。

1 營區突發事件應急方案分析評估總體框架

本節將根據應急響應特點,結合OODA(observation, orientation, decision, and action)作戰環思想,建立突發事件應急分析評估框架。

1.1 OODA作戰環理論與應急響應分析

決策環理論是美國空軍上校約翰·博伊德于20世紀70年代提出的,OODA分別表示為observer(觀察)、orient(判斷)、decide(決策)、act(行動),博伊德最初是以空戰戰術應用為目的創立了該理論,該理論的提出為決策的科學化提供了新的途徑和手段。立足于應急響應過程分析:應急保障方案行動響應的快速響應過程(見圖1)可以看作是準確快速完成作戰環過程,能否獲得方案快速響應的優勢地位通常由兩方面決定:第一是加快“齒輪”的轉速,也就是完成一次循環的速度;第二是加大“齒輪”的轉動力量,也就是每次循環能達到的實際效果。

圖1 應急保障方案響應過程Fig.1 Emergency security program response process

對于營區突發事件應急指揮過程中,借助多途徑信息融合及基于歷史案例匹配的應急方案決策能夠在作戰環中提高系統感知和決策的質量和速度,使得應急保障方案響應的判斷、決策、行動、觀察環節速度加快,從而可以使“齒輪”轉速提升,進而在方案響應過程產生迅速性先機優勢;同時對應急方案集的推演評估,合理選擇對當前突發事件應急推演效果較好的方案,能夠提高應急部分環節處置的效能,使得應急保障方案響應循環效果更加有效。

兵棋是戰爭中的實踐產物,也是研究與模擬戰爭的有效工具。兵棋主要由算子、地圖、規則、隨機數生成器、想定等因素構成。結合兵棋對于戰場態勢進行推演分析,能夠對未來戰爭進程和結局進行模擬與預測,對軍事領域進行輔助決策,有效提升戰場指揮能力。

1.2 應急響應分析評估框架

營區突發事件應急決策不同于常規決策問題,方案條件通常具有事件情景信息不對稱或者失真、時間有限等特征;此外由于突發事件具有的突發性以及造成或者可能造成嚴重社會安全等特點,應急保障行動方案分析評估對于危機控制及突發事件破壞性影響有較大關系。

應急方案評估方法是對應急方案集合進行評估并獲得綜合結論的有效工具。目前常用的綜合評價方法主要可以分為定性評價方法、定量評價方法和基于統計分析的評價方法等。其中,定性評價方法立足于評價對象分析觀察基礎,通過邏輯分析等步驟,運用文字或者語言來對評價對象進行描述。常見定性評價方法有專家評分法等。定量評價方法是根據評價對象特征,利用數據或者語言等信息對評價對象進行綜合分析和處理,并獲取評價結果,常見的定量評價方法有層次分析法和模糊綜合評判法等?；诮y計分析的評價方法采用數理統計形式,對相關變量之間的相關性或相似性進行分析排序,其評估結果的可行性與有效性分析需要借助大量數據樣本。

由于營區突發事件的發展具有較大隨機性和模糊性,使用單純定性、定量分析評估方法無法考慮到應急方案在應急過程中受到突發事件現場隨機性影響,由于定量評價方法如模糊綜合評判方法人工介入環節較多,評判結果易受到主觀因素影響。上述評價方法能夠對歷史案例中應急方案集合進行有效評價,但無法對應急方案應用在當前突發事件的效果進行科學有效評估。營區突發事件應急方案評估過程中對外部因素進行感知與判斷,對于相關突發事件情景與因素特點進行分類,進一步形成營區突發事件的歷史案例庫。采用案例推理方法獲得與當前營區突發事件情景相匹配的多個相似歷史案例,構建可行方案集合,進而對多個應急方案進行評估分析。按照評估分析結果,對應急方案進行排序,呈現給決策指揮人員優選方案以供選擇分析,流程框架如圖2所示。

圖2 應急響應評估理論方法框架Fig.2 Theoretical framework of emergency response evaluation method

本文采用基于兵棋的營區突發事件應急保障行動方案評估方法,首先對營區內部地理環境、應急資源和突發事件態勢進行建模,同時增加環境隨機影響模型進行營區突發事件現場環境隨機性模擬,進一步構建出計算機兵棋推演系統,針對待評估的應急方案集合在該兵棋推演平臺上進行實際推演分析,結合實際推演結果給出較為客觀的綜合效能評估度量結果,同時兵棋推演系統可視化界面提供實時態勢顯示和實時態勢評估過程。

基于兵棋的營區突發事件應急保障方案評估方法在營區突發事件應急方案評估中的應用相較于傳統評估方法優點主要有:

(1) 兵棋推演系統進行應急方案推演的可視化功能可以查看應急方案的實際處置流程,決策指揮人員可以在方案實施之前進行針對性修改,同時在推演過程中能夠隨時調整和修改算子,進一步強化推演的應對性。

(2) 使用隨機數模擬突發事件發展的不確定性,取代單純的數學方法進行定量分析,能夠更加準確地反映應急方案的處置效果。

(3) 非突發事件狀態下結合應急兵棋推演系統進行應急推演,并對推演數據進行整理、總結、歸納,對于更新歷史案例數據庫,增加營區綜合應急指揮系統的應急指揮能力具有重要作用。

2 基于兵棋的營區突發事件應急保障方案建模與評估技術

2.1 基于兵棋的營區戰場描述

營區戰場的兵棋表示主要體現在算子與地圖環境,為便于推演應急大本營及周邊地圖環境需要兵棋網格化,故采用六角格地圖代表營區環境,同時采用不同棋子代表對戰雙方力量,依據預先設定規則及想定場景,并利用骰子模擬真實戰場上多變性及偶然性,以回合制或實時制方式進行模擬推演。

在圖3所示的某營區兵棋推演模擬地圖中,紅色粗線為營區邊界,黑色線為營區內道路,相關設施采用不同的樣式圖標表示在六角格中。

圖3 H營區兵棋推演地圖設計Fig.3 Simulation map of wargaming in H camp

在該兵棋推演的系統規則中,所有應急資源單位在機動的時候必須沿著道路行駛,并且算子初始位置不在道路上的可以直接到達相鄰的路上;為了便于對營區內外部環境進行描述,營區內部每個六角格距離設定為50 m,營區外部每個六角格距離設定為500 m;營區內應急資源由事先編制應急小隊組成,在基于兵棋推演應急方案評估環境中表示為相應的應急棋子,在任務管理器中對應急棋子下達任務之后,應急棋子移動路徑由推演系統生成。

2.2 營區應急兵棋算子建模

在營區綜合應急指揮系統中,應急資源棋子是營區應急救援力量的統稱,主要用來表示應急救援力量組成情況。例如,表示不同應急分隊相關能力數值:人員數量值、救援力量值、救援裝備值和機動值等。針對特定的營區環境,應急棋子由事先編制的應急救援力量抽象生成,形成應急棋子庫,在進行應急評估時,針對不同的應急方案,抽調相應的應急棋子進行推演。

應急資源棋子數學模型為

={,}

(1)

式中:表示棋子的屬性集,比如位置坐標等信息;表示棋子的可用動作集。

突發事件棋子用于描述當前營區突發事件,通過對突發事件特性分析,在推演過程中扮演突發情況,對突發事件在現實環境中的活動規則進行描述,扮演兵棋推演中藍方與紅方應急資源棋子進行交互。在營區突發事件應急兵棋推演中,兵棋規則主要對應急資源棋子的機動、應急處置等進行規則上的限制,通過規則的限制可以使應急資源棋子行為趨近于現實情況。在營區突發事件應急方案兵棋推演系統中的應急棋子命令執行之前,通常需要對該棋子即將進行的命令進行行動合理性檢查,其校驗規則為

=()|∈

(2)

式中:表示對棋子下達行動命令,該命令應當是棋子當前可用行動集的子集;表示檢驗函數,其返回值為布爾類型,判斷當前行動命令是否符合規則,即兵棋推演系統的規則系統。

2.3 案例結合匹配模式

對于營區突發事件來說,情景匹配可以有針對性地對突發事件情景狀態提供最有效的應急方案。營區突發事件參考知識元模型采用情景要素名稱和基本屬性描述集合、情景要素狀態描述集合進行描述。

={,,},∈

(3)

式中:表示描述對象的集合;表示情景要素名稱及屬性描述集合;表示情景狀態要素描述集合;表示情景要素間關系描述集合。

由于營區突發事件復雜性及不確定性,某些突發事件情景可能會存在要素屬性值缺失的情況,會導致使用傳統近相鄰算法時產生較大誤差。本文在情景相似度的計算過程中加入了計算結構相似度步驟,采用結構相似度和要素相似度相結合的全局相似度作為案例匹配標準。定義案例情景庫中所有情景特征要素集合為,對比情景的所有特征要素集合為,對比情景所有特征要素集合為。則情景和情景之間的結構相似度為

(4)

式中:JGSim(,)表示對比情景和對比情景間結構相似度;∩表示和交集要素權重之和;∪表示和并集要素權重之和。

若情景要素屬性較多,情景要素屬性間相似度可用單個要素屬性相似度加權代表。單一屬性間的相似度很容易判斷,內容相同則相似度為1,否則就是完全不相似,相似度為0。對于多要素屬性情景需要使用單一要素屬性相似度組合進行計算,之后進行加權即可:

(5)

根據營區突發事件應急案例中情景要素取值和特征,將常見屬性類型劃分為3類:確定數值型要素、布爾型要素和模糊型要素。對營區突發事件情景進行形式化表示時,將所有營區突發事件情景要素分為上述3類,便于對每種要素進行相似度計算,分類如表1所示。

表1 營區突發事件情景要素分類Table 1 Classification of elements of emergency situation in the camp

(1) 確定數值型要素。例如風速、無人機高度等。使用歐氏距離對確定數值型要素的相似度進行計算:

(6)

式中:表示當前應急案例中第個要素的值;表示歷史案例中第個要素的值;max表示第個要素取值范圍中最大的值;min表示第個要素取值范圍中最小的值。

(2) 布爾型要素。例如使用明確文本或字符等術語表示,一般可以比較兩者的屬性值來比較該要素相似度。即當屬性值相同時,二者相似度為1,不同時相似度為0:

(7)

(8)

(9)

在最近相鄰算法基礎上,采用情景結構相似度與情景要素屬性相似度相結合的計算方法,避免了突發事件情景中某些要素屬性值缺失造成匹配結果差異較大問題,計算公式為

sim(,)=JGSim(,)·YSSim(,)=

(10)

2.4 應急方案推演評估流程

基于應急兵棋推演系統的營區應急方案評估是指揮決策人員在應急兵棋推演系統模擬的突發事件情景環境和處置過程中,按照應急方案集中應急任務實施流程,提取和細化應急方案評估指標,采用兵棋復盤關聯進行應急算子實際推演,整理離散營區突發事件應急態勢數據,結合兵棋推演系統推演結果進行應急方案整體風險效益評估,從而對比篩選最優的應急方案。應急方案評估流程如圖4所示。

圖4 基于兵棋推演的應急方案評估流程框圖Fig.4 Emergency plan evaluation process based on war gaming

兵棋推演環境構建部分按照以下3個步驟進行:

根據實際地圖環境構建兵棋推演地理環境;

根據突發事件信息,如事件類型、事件位置和事件發展程度等設置地圖特定位置屬性值以及突發事件仿真實體;

導入營區所有應急棋子以及推演規則等,兵棋推演環境的構建是進行基于兵棋推演的應急方案評估的前提。

其中,兵棋推演地圖是根據特定的營區地理環境抽象而成,應急棋子根據特定營區實際應急力量編制抽象而成,推演規則由通用規則和某些特定營區規則組成,推演地圖和應急棋子通常為預先編制,需要用到什么樣式的地圖或者哪種應急資源仿真實體,直接從數據庫中調用相應內容即可。為了對上文生成的營區突發事件應急方案集進行評估,需要先向基于兵棋推演的應急方案評估系統導入應急方案集,后續按照順序載入應急方案進行仿真推演。

2.5 應急效能評估指標

應急效能評估指標集是對營區突發事件應急方案進行能力評估的基礎,是應急決策能力各方面特性的體現。結合營區突發事件兵棋推演系統的特點,本文構建了如表2所示的應急方案評估指標體系和指標權重。

表2 應急方案評估指標集Table 2 Emergency plan evaluation index set

在建立應急方案評估指標集后,對兵棋推演戰報的相關數據與該指標集進行對應分析。其中,應急響應能力采用各個應急資源單位到達指定任務地點的回合數描述,緊急救援能力使用急救單位、救援單位等對被困和傷亡人員的營救回合數描述,應急處置能力使用應急資源棋子與突發事件棋子之間發生的行動回合數描述。

2.6 推演數據評估

在營區突發事件應急處置中,對單個應急方案的推演結果均以戰報的形式給出,應急處置效果可以通過查詢戰報獲得本次推演的結果,以及應急分隊在應急處置過程中的損失情況。戰報主要分為應急處置戰報和裁決戰報。

應急處置戰報主要是應急算子執行應急任務之后取得的應急效果,包括本次推演應急算子執行的所有任務、任務的目標位置、應急算子的損失以及該任務對當前突發事件的影響等。

通過推演過程中產生的戰報,分析應急方案與突發事件之間的態勢變化,評估各個方案取得的應急效果的大小綜合權衡,并對多套應急方案進行比對,選出應對當前突發事件的輔助應急方案。

推演過程棋子任務行動過程可表示如下:

={,,…,},≥1

(11)

式中:表示當前應急方案對應急棋子發出的第個任務指令,單一應急方案通常由一個或者多個任務指令組成。

對于當前應急方案評價結果描述為

(12)

式中:表示當前任務指標權重;為對應急方案執行過程中的應急子任務效果評價函數,()=1-,其中表示任務執行最長回合數,表示當前任務執行回合數。在基于兵棋推演的應急方案評估過程中,該評價效果在對當前方案進行推演后,由兵棋推演系統戰報數據給出。

針對多個應急方案進行推演評估時,采用應急方案任務集在推演過程中完成回合數,作為任務完成時間評估標準,分別從應急響應能力、危機處置能力及應急救援能力等3個方面對應急方案、應急效能進行評估。

3 案例分析

3.1 基于兵棋的營區應急聯動體系想定

本文將圍繞H營區體系面對外敵突發襲擾背景下遂行應急指揮與管理決策研究。基于該復雜應急場景,采用基于兵棋推演方法輔助營區應急保障聯動決策。

具體想定:H營區概況如圖5所示,該營區基本面積約為1 km,營區內建有指揮所、醫院、生活區、訓練區、碼頭、倉庫、儲油罐、軍械庫、雷達及消防設施等用于日常生活訓練及在突發事件下進行應急處置。營區西部和南部臨近海洋,東部和北部為山。

圖5 H營區平面示意模擬地圖Fig.5 Simulation map of H camp

20**年12月8日13時30分,天氣晴朗,風力2級,無降雨/雪,能見度高。H營區雷達在日常戰備運行過程中監測到有若干不明飛行物從西南方向海面接近營區,且距離營區約10 km,飛行高度約3 km,營區應急系統迅速反應,指揮兩組防空應急分隊迅速進行防空作戰,雖然營區防空應急分隊反應及時,但是仍有1架某型無人機4 min后進入我營區上空,距離約3 km,高度約1 km,目前位于坐標(17,22),并投下某型制導炸彈,導致營區內碼頭的一處油料庫(14,27)發生爆炸并進入燃燒狀態,燃燒面積大概100 m。同時,位于(15,27)的一處油料庫因被爆炸破片擊中出現泄露情況,油料庫存儲的油料類型均為軍艦用燃料油,受到油料庫爆炸的影響油料庫周邊存在受傷人員4名,傷員位置位于(16,27)。根據分析,該情景下,敵方無人機已對我軍營區造成實質性傷害,并發生了火災以及泄露情況,可以將該突發事件定性為敵特侵襲、火災和泄露混合的突發事件,需要同時進行防空、消防、搜救和急救等多種應急措施。

3.2 應急決策方案生成

根據上面相似度較高的兩組歷史案例,HS對應的歷史案例應急方案任務集的主要任務為進行防空作戰、阻止油料庫泄露、滅火消防、人員搜集與救治等,在歷史案例庫中,該案例的應急方案任務集如表3所示。

表3 HS3歷史案例應急方案任務集Table 3 HS3 historical case of the emergency plan task set

其中,HS應急方案任務集中任務間的邏輯關系如圖6所示。

圖6 HS3應急方案任務集關系圖Fig.6 Task set relationship diagram of HS3 emergency plan

HS對應的歷史案例應急方案的主要目的為防空作戰,阻止油料庫泄露以及燃燒,人員搜救與救治等,在歷史案例庫中,該案例的應急方案任務集如表4所示,其中,HS應急方案任務集中任務間的邏輯關系如圖7所示。

圖7 HS5應急方案任務集關系圖Fig.7 Task set relationship diagram of HS5 emergency plan

表4 HS5歷史案例應急方案任務集Table 4 HS5 historical case of the emergency plan task set

由于當前突發事件情景與匹配到的歷史突發事件情景中的某些要素屬性并不完全相同,所以需要利用應急方案修正知識庫和突發事件情景中某些要素屬性的不同程度,對應急方案任務集進行修正。

對于HS突發事件案例的應急方案任務集,通過自動對比發現,在當前營區突發事件中,不存在人員被困的情況,因此刪除任務集中的人員搜救相關任務;由于當前突發事件中的泄露量較大,因此將阻止泄露中的消防需求增加至30。

針對HS突發事件案例的應急方案任務集,通過自動對比發現,在當前營區突發事件中,不存在人員被困等情況,因此刪除任務集中的人員搜救相關任務和。

經過對歷史案例應急方案任務集的基本修正,基于營區應急資源對生成的針對當前突發事件的兩個應急方案任務集進行任務分配,結合營區應急資源集進行任務分配求解,可以得到兩個應急方案任務集的任務分配與調度甘特圖分別如圖8和圖9所示。

圖8 HS3應急方案任務集任務分配甘特圖Fig.8 Task allocation for task set of HS3 emergency plan via Gantt chart

圖9 HS5應急方案任務集任務分配甘特圖Fig.9 Task allocation for task set of HS5 emergency plan via Gantt chart

3.3 應急方案推演評估

根據上文使用任務分配方法對應急方案任務集結合當前營區應急資源進行任務分配,將生成的3個任務方案任務集依次導入到兵棋推演方案評估環境中,其在兵棋環境中的行動概圖分別如圖10和圖11所示。

圖10 HS3應急方案任務執行概圖Fig.10 HS3 emergency plan task execution overview

圖11 HS5應急方案任務執行概圖Fig.11 HS5 emergency plan task execution overview

圖10為基于HS歷史案例并經過修改后的應急方案任務集在兵棋推演系統中的應急資源單位任務執行概圖,其中U11和U12消防分隊執行阻止泄露任務;U13等分隊執行滅火消防任務;U21和U22等分隊執行防空作戰任務;U61和U62急救分隊執行現場救治和傷員轉移任務。

圖11為基于HS歷史案例并經過修改后的應急方案任務集在兵棋推演系統中的應急資源單位任務執行概圖,其中U11和U12消防分隊執行阻止泄露任務;U13等分隊執行滅火消防任務;U21、U22、U23和U24等防空分隊執行防空作戰任務;U61和U62急救分隊執行現場救治和傷員轉移任務。

可以看出,基于HS歷史案例并經過修改后的應急方案任務集相較于HS歷史案例的應急方案任務集,增加了現場保障、防空偵察和防空作戰等子任務。

針對每種應急方案推演結束后,統計推演結果數據,可以將每種應急方案的應急效果按照回合數表示,如表5所示。從表5可以看出,HS應急方案相較于HS應急方案,在撲滅火源、阻止泄露和防空作戰3項應急任務的任務完成回合數較少,根據上文應急方案評估指標,計算出HS應急方案任務集對當前營區突發事件的應急效能為0.829 7,HS應急方案任務集對當前營區突發事件的應急效能為0.839 3。通過橫向對比,HS應急方案的應急效能相對于HS應急方案的應急效能更好。

表5 應急方案處置效能Table 5 Emergency plan handling efficiency

綜上所述,在對營區突發事件進行應急推演模擬中,結合歷史案例并加以修正之后的應急方案,能在突發事件的應急推演評估中取得較好的應急效能,同時在復雜的推演執行回合中,采取HS應急方案執行推演的回合數也相對于HS應急方案更少,意味著效率更佳。這說明,使用本文所設計推演評估方法對應急方案的決策評估具有較好的借鑒意義。

4 結 論

采用上述營區突發事件應急方案評估分析方法,以某營區發生敵特侵襲、火災和泄露的混合突發事件為背景,完成的研究工作及結論如下:① 能夠根據突發事件情景并基于案例推理的方法生成應急方案的準確性;② 利用營區突發事件應急方案任務分配方法,針對匹配的應急方案任務集,結合營區內應急方案任務集進行任務分配進而形成針對當前營區可執行的任務-資源分配方案;③ 采用基于兵棋推演的應急方案評估分析,驗證了兵棋推演分析方法對多種應急方案進行推演評估的有效性。研究結果表明在完成應急任務的前提下,方案執行推演的回合數少、應急處置效率高,在應急保障方案制定過程中需要合理優化應急行動步驟。