摘 要： 为了提高应急信息系统模型的语义基础，提出了一种基于Petri网的应急预案流程的建模方法。以ABC模型为上位本体建立了应急预案流程本体，提出了应急预案流程的Petri网建模过程，并定义了应急预案流程中本体和层次Petri网的映射规则。使用该方法对某公路桥梁抢修应急预案流程进行Petri网建模，并通过仿真分析验证了建模方法的有效性。
关键词： 应急预案；应急预案流程；本体；Petri网
0 引言
应急预案是对可能发生的重大事故或灾害等突发事件所提供的包括从灾害事件准备、响应、恢复各阶段行动的指导和方案。目前，包括国家、省、市、区、企业等各级应急预案已相继建立，但质量却相对较低，且现有的数字应急预案的建模方法也没有考虑预案模型的语义统一，多系统的信息共享和互操作无法实现，直接影响应急平台的跨组织应急预案协同，导致各应急预案无法良好协调，应急联动效果不佳。为解决这一问题，本文提出了基于应急预案流程本体的Petri网建模方法，采用本体技术建立具有共享语义的应急预案流程知识体系，利用Petri网良好的系统动态性能描述和仿真能力对应急预案流程进行建模与评估，实现提升应急预案质量的目的。
本体是描述知识模型的重要手段，是“共享概念模型的明确的形式化规范说明”[1]。Harmony数字图书馆项目的ABC本体模型[2]描述了状态、动作、事件、agent等相关的概念及其关系；PLANET[3]用一个可重用、共享的本体用来描述方案，解决各系统之间的知识共享问题并进行信息交互；I-N-C-A本体[4]则认为方案可以用包括隐含约束、节点约束、细节约束的一系列约束来描述。但由于本体在过程建模能力的不足，各种基于本体的建模方法也相继出现，如参考文献[5]利用本体对供应链模型进行了语义标注，参考文献[6]对基于本体进行EPC建模方法进行了研究，参考文献[7]则提出了基于本体的软件过程开发模型。
Petri网作为描述和分析离散事件动态系统的有效工具，是一种研究信息系统及其相互关系的数学模型。TAVANA M[8]认为工作流、数据流图、决策树、实体关系图、进程图、角色活动图等建模方法在描绘和验证系统的动态要求方面有所欠缺，而选用Petri网为核电站应急管理系统的动态过程进行建模；参考文献[9]建立了中国城市应急响应系统的Petri网，并对系统技术性能进行了分析。虽然以上研究解决了一些实际问题，但这些模型和系统却缺乏语义基础，无法进行有效的信息共享、互操作和应急业务协同。
为了增强系统的语义理解与交互，本文结合本体与Petri网的优势，提出了基于应急预案流程本体的Petri网的间接建模方法。首先，通过建立应急预案流程本体，构建了应急系统的共同语义基础，然后定义了本体、元模型、层次Petri网的映射关系，给出了基于本体的应急预案流程的Petri网建模过程，并对某公路桥梁抢修应急预案实例进行建模仿真。
1 应急预案流程本体模型
以ABC模型为上位本体，构建应急预案流程本体，出于直观表示的目的，本文使用UML表达应急预案流程本体，如图1所示，受篇幅所限，本文只介绍部分内容。
应急预案流程本体中的主要概念和关系包括：
（1）应急预案流程概念定义为EPP_Concepts：={C}，其中C表示应急预案流程的概念集，表示为EPP_Concepts：=
①应急预案流程（EPP_Process）：ABC模型中Event的子类，表示在某一时空范围内，为达到应急预案中特定目标所采取一系列行动的业务领域活动。
②应急预案事件状态（EPP_EventState）：ABC模型中Situation的子类，表示应急预案流程中事件在某一时刻的状态和上下文约束，包括天气、地理位置、人员等。
③应急预案步骤（EPP_Step）：ABC模型中Event的子类，表示在某一应急预案流程中，为实现流程中某一特定阶段目标所采取的一系列行动集合，若干个应急预案步骤组成一个应急预案流程。
④应急预案动作（EPP_Action）：ABC模型中Action的子类，表示应急事件处置流程中的动作。
（2）应急预案流程关系定义为EPP_Relations：={R（c1，c2）|c1，c2∈EPP_Concepts}，在应急预案流程模型中概念间的主要关系包括：
①使用（Use）：表示应急预案动作（EPP_Action）与应急资源（EPP_Resource）之间的使用和被使用关系。
②主体（Hassubject）：表示行动主体（EPP_Actionsubject）是应急事件动作（EPP_Action）的执行者。
③客体（Hasobject）：表示行动客体（EPP_Actionobject）是应急预案动作（EPP_Action）的执行客体。
④约束（Containt）：表示应急预案动作（EPP_Action）及应急预案步骤（EPP_Step）与应急预案事件状态（EPP_EventState）之间存在一系列的约束（Containt）关系，即应急预案动作和步骤影响应急预案事件状态，而应急预案事件状态又导致了应急预案动作和步骤的发生。
⑤发生时间（Occurtime）：表示应急预案动作（EPP_Action）的发生时间。
⑥发生地点（Occurplace）：表示应急预案动作（EPP_Action）的发生地点。
2 基于本体的层次Petri网建模
2.1 基于应急预案流程本体的Petri网建模过程
应急预案流程的层次Petri网建模过程可分为应急预案流程本体建模、应急预案流程元模型建模、应急预案流程层次Petri网建模三个阶段，如图2所示。
（1）应急预案流程本体建模：通过对应急预案流程的知识体系进行归纳、分析、设计、编码、检验等一系列步骤，强调共享和重用，抽象应急预案流程的概念、属性、关系、公理、实例，建立应急预案流程本体。
（2）应急预案流程元模型建模：应急预案流程元模型是应急预案流程中数据的描述，可以提供应急预案流程的语义基础，解决信息系统的语义异构问题。在应急预案流程本体基础上，通过本体的实例化，映射到元模型层，构建应急预案流程元模型，是应急预案流程的信息资源和数据的结构化的数据描述。
（3）应急预案流程的层次Petri网建模：根据应急预案流程元模型与层次Petri网的映射规则，可映射为层次Petri网中的库所、变迁（可细化变迁）、有向弧，形成层次结构的Petri网模型，模型能够为应急预案流程提供简单直观的图形化描述方法，同时引入的数学描述手段，具有多种分析方法和严密的数学理论基础。
2.2 层次映射规则
基于应急预案流程本体的层次Petri网建模中，本体、元模型、层次Petri网三层之间存在着映射关系，如表1所示。
映射关系保证了应急预案流程的层次Petri网模型能够建立在领域本体的基础上，并增强了Petri网模型的语义基础。应急预案流程中的本体和层次Petri网的映射规则可定义为：
规则1：p=Instance（EPP_Process）r∈R表示存在任意应急预案流程本体层的EPP_Process的实例化Ep，可以用一个层次Petri网表示，R为层次Petri网模型。
规则2：Es=Instance（EPP_Step）Ts∈Np（t）表示存在任意应急预案流程本体层的EPP_Step的实例化Es，可以用层次Petri网模型中的一个变迁细化子网Np（t）表示。
规则3：Ead=Instance（EPP_EventAction）t∈T表示存在任意应急预案流程本体层的EPP_Action的实例化Eea，可以用层次Petri网模型中的不可细化变迁T表示。
规则4：Ees=Instance（EPP_EventState）p∈P表示存在任意应急预案流程本体层的EPP_EventState的实例化Ees，可以用层次Petri网模型中的库所P表示。
规则5：Ec=Instance（Constrain）f∈F表示存在任意应急预案流程本体层中的关系Constrain的实例化Ec，可以用层次Petri网模型中的有向弧F表示。
3 应用
3.1 场景描述
某公路桥梁抢修应急预案的部分流程简述如下：当发生公路桥梁损毁时，养护站立即上报领导小组，并在危险地段设立标志及派人监守，对损毁公路、桥梁进行初步维修和疏通；公路管理站负责组织进行现场查勘和处理，并提供技术支持；交通疏导队负责对车辆进行疏通和引导；领导小组制订抢修方案，组织实施公路、桥梁抢修和应急疏通任务，直至恢复交通。
3.2 建模实例
在上述场景中，节选预案流程中交通疏导队应急处置部分为例，基于应急预案流程本体，建立了交通疏导队的应急预案流程层次Petri网模型，建模过程如图3所示。
3.3 模型仿真
利用PIPE2工具，对基于应急预案本体建立的某公路桥梁抢修应急预案的Petri网模型进行仿真，如图4所示。
对此应急预案进行仿真分析，结果如图5所示，可知在某公路桥梁抢修应急预案流程中，领导小组制订抢修方案并组织实施方案的时间决定了公路桥梁何时能够恢复交通通行，所以该任务的执行所需的组织力量和资源力量应该首先被满足，且提升这个任务的执行效率将有利于整体应急处置时间的缩短。养护站的损毁确认报警时间决定了其他应急组织开始执行各自任务的起始时间，需要加强养护站的预警响应任务的日常训练。另外，交通疏导队的交通疏导任务和养护站的维修疏通任务是消耗时间最长的任务，需要注重日常任务训练。
4 结论
本文构建了应急预案流程本体，提出了一种基于本体的层次Petri网建模方法，定义了本体、元模型、层次Petri网的层次间映射规则，并使用该方法对某公路桥梁抢修应急预案流程进行Petri网建模，通过仿真验证了方法的有效性。这种方法可以增强应急信息系统建模的语义基础，进一步提升模型的共享性和重用性，同时建立各级、各部门应急预案流程模型，其仿真结果也能够对应急预案流程进行评价和分析，有利于应急预案质量的提升。下一步工作是继续研究使用该方法建立的Petri网模型在应急预案演练、应急协同平台等方面的应用。
参考文献
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