面向突發(fā)事件的應(yīng)急指揮控制敏捷性度量及仿真*

康　凱,陶九陽,2,劉方鑫

(1.解放軍理工大學(xué),江蘇南京　210007;2.國防大學(xué),北京　100091)

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面向突發(fā)事件的應(yīng)急指揮控制敏捷性度量及仿真*

康凱1,陶九陽1,2,劉方鑫1

(1.解放軍理工大學(xué),江蘇南京210007;2.國防大學(xué),北京100091)

摘要:現(xiàn)階段,國內(nèi)外應(yīng)急事件時有發(fā)生,如何快速有效地實(shí)施應(yīng)急指揮控制是處置社會公共安全突發(fā)事件的核心要求之一。因此，以O(shè)ODA模型為基礎(chǔ)提出了一種基于敏捷性指標(biāo)的應(yīng)急指揮控制過程模型和一種基于Lotka-Volterra模型的度量指揮控制敏捷性的數(shù)學(xué)計算方法,并以地鐵突發(fā)爆炸事故為背景,對應(yīng)急指揮控制的敏捷性與指揮控制效果進(jìn)行了仿真分析和對比。

關(guān)鍵詞:指揮控制;敏捷性;應(yīng)急突發(fā)事件

發(fā)生在人員密集區(qū)域的突發(fā)事件具有突然性、動態(tài)性,這給突發(fā)事件的應(yīng)急處置帶來了巨大挑戰(zhàn)。探索和研究突發(fā)災(zāi)難性事件的處置方法、機(jī)制、流程等已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。在應(yīng)急處置過程中,如何才能實(shí)現(xiàn)快速有效地應(yīng)急指揮直接關(guān)系到能否妥善高效地處置應(yīng)急事件,最終減少事件帶來的影響和損失。

指揮是軍隊指揮員及其指揮機(jī)關(guān)對所屬軍事力量實(shí)施軍事行動的特殊組織領(lǐng)導(dǎo)活動[1]。應(yīng)急事件指揮,與軍隊指揮屬于高度相似的同一活動。由于指揮和控制在實(shí)際實(shí)施過程中聯(lián)系緊密,美軍一般將指揮與控制合稱為指揮控制(C2,Command and Control)[2]。隨著信息化、高精度、高速度的武器裝備的大量使用,常規(guī)的基于作戰(zhàn)計劃的指揮控制方式面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),通俗地說就是“計劃趕不上變化”。

2008年起,美軍指揮控制前沿理論研究計劃CCRP(The Command and Control Research Program)開始研究應(yīng)對復(fù)雜、高度動態(tài)變化戰(zhàn)場的新型指揮控制理論,并于2010年后提出了指揮控制敏捷性(Agility)的概念[3]。指揮控制敏捷性目前已經(jīng)成為指揮控制領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

社會公共安全領(lǐng)域突發(fā)事件應(yīng)急指揮控制,通常都有時間緊迫、情況復(fù)雜、形式多變的決策環(huán)境特點(diǎn),這與現(xiàn)代戰(zhàn)場態(tài)勢復(fù)雜多變的環(huán)境具有相似性。本文通過借鑒軍事領(lǐng)域的指揮控制敏捷性的理論成果,立足于公共安全突發(fā)事件的應(yīng)用背景,研究社會公共安全應(yīng)對復(fù)雜突發(fā)事件的指揮控制方法和技術(shù),建立一套面向突發(fā)事件的應(yīng)急指揮控制敏捷性的度量方法。

1應(yīng)急指揮控制過程模型

指揮控制的目的是為了更好地完成任務(wù)和應(yīng)對危機(jī),高效流暢的指揮控制過程是遂行作戰(zhàn)活動的有力保證,是各作戰(zhàn)單元有效協(xié)同的基礎(chǔ)。通常,軍隊指揮控制的過程可以分為態(tài)勢感知與情況判斷、定下行動決心、計劃組織作戰(zhàn)、協(xié)調(diào)控制行動和評估戰(zhàn)場態(tài)勢等幾個步驟[1]。

在所有指揮控制過程的概念模型中,OODA(Observe—Orient—Decide—Act:觀察-調(diào)整判斷-決策-行動)模型是使用最為廣泛的一個模型[4],如圖1所示。1987年John R. Boyd在研究戰(zhàn)斗機(jī)飛行員決策過程時提出了該模型,隨后又有大量的改進(jìn)版本。

圖1　C2過程的OODA環(huán)模型

應(yīng)急指揮控制與普通的軍隊指揮控制存在著一系列區(qū)別,主要表現(xiàn)在:第一,在面臨突發(fā)事件的應(yīng)急狀態(tài)下,時間通常更為緊迫,留給決策者的反應(yīng)時間更少。反映在OODA模型中,就是指揮控制人員應(yīng)對OODA環(huán)的時間周期更短;第二,在突發(fā)情況下,受天氣、作業(yè)環(huán)境等各種自然和社會因素影響,能夠用來支撐指揮控制的裝備、手段和力量等都可能受到巨大的限制,導(dǎo)致信息的獲取、傳輸、處理受到影響,其直接結(jié)果就是決策者會面臨更為濃重的“迷霧”,這使得決策者更容易誤判形勢,制定出不恰當(dāng)?shù)男袆臃桨?從而造成更大的損失;第三,決策者面臨的環(huán)境可能高度動態(tài)變化,增加其控制局勢的難度和復(fù)雜度。一方面,突發(fā)事件的發(fā)生,往往超出決策者的意料,甚至在決策者制定行動方案的過程中,形勢又有了新的變化。另一方面,行動的執(zhí)行者同樣面臨動態(tài)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境,例如火場救火,由于風(fēng)向經(jīng)常會突然變化,這可能會導(dǎo)致先前決策者制定的計劃瞬間失效。

由此可見,應(yīng)急指揮控制過程面臨時間緊迫、手段受限、環(huán)境動態(tài)變化等諸多不利因素,如何在有限的時間和資源約束下,使得各項(xiàng)決策的制定科學(xué)合理,各項(xiàng)行動的實(shí)施及時有效,是有效應(yīng)對應(yīng)急突發(fā)事件的關(guān)鍵。經(jīng)過認(rèn)真分析,我們認(rèn)為,應(yīng)急指揮控制模型的建立,應(yīng)以敏捷性為基本原則,即在有限的時間和資源約束下,制定最為有效的行動方案。這是一個目標(biāo)優(yōu)化問題,其關(guān)鍵是設(shè)計指標(biāo)度量體系,建立合適的目標(biāo)函數(shù),其中,可以根據(jù)需要,利用敏捷性作為目標(biāo)函數(shù)或者作為其重要的指標(biāo)。如何度量應(yīng)急指揮控制的敏捷性,至關(guān)重要。

2應(yīng)急指揮控制敏捷性度量

當(dāng)前指揮控制敏捷性的度量普遍采用指標(biāo)體系法,其主要指標(biāo)項(xiàng)有響應(yīng)性、多能性、魯棒性、創(chuàng)新性、彈性、靈活性、適應(yīng)性等[5]。這些指標(biāo)間還會有相互作用,例如實(shí)體具備的響應(yīng)性可以直接對敏捷性的其他指標(biāo)產(chǎn)生影響。事實(shí)上,不同的應(yīng)用背景和領(lǐng)域,對眾多敏捷性指標(biāo)所造成的影響側(cè)重程度不同,反映在數(shù)學(xué)上就是指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重不同。在實(shí)際應(yīng)用中,為了簡化敏捷性的度量,有時可以只采用幾個關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行度量。通過分析可以發(fā)現(xiàn),響應(yīng)性(responsiveness)和適應(yīng)性(adaptability)是應(yīng)急指揮控制敏捷性關(guān)注的重點(diǎn)。因?yàn)樵谔幚砭o急情況時,首先強(qiáng)調(diào)的是響應(yīng)性,即響應(yīng)時間,在有效的時間內(nèi)做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)是應(yīng)急指揮控制的核心內(nèi)容。此外,由于突發(fā)事件的復(fù)雜性以及態(tài)勢變化的迅捷性,決定了適應(yīng)性也是一個重要的考慮方面。在現(xiàn)實(shí)中,突發(fā)事件的出現(xiàn),往往不是單一事件的發(fā)生,更多地會是一個事件伴隨著其他事件的發(fā)生而同時或相繼發(fā)生,例如2015年天津812事件,爆炸引起火災(zāi),消防員進(jìn)去搶救時,還有爆炸的持續(xù)發(fā)生,這種突發(fā)事件態(tài)勢發(fā)展的高度不確定性要求應(yīng)急指揮控制需具備較強(qiáng)的適應(yīng)性。

從宏觀來看,應(yīng)急指揮控制的響應(yīng)性和適應(yīng)性具有相關(guān)性,并非相互獨(dú)立。不妨假設(shè),兩者在一定程度上存在競爭關(guān)系(非嚴(yán)格競爭),其共同消耗有限的資源,這在現(xiàn)實(shí)中很常見。例如在應(yīng)急救援中,投入搜救的人力資源有限,要想增強(qiáng)適應(yīng)能力,可能需要有冗余的人員待命,遇到再出現(xiàn)其他危機(jī)的情況下可以迅速將預(yù)備隊投入現(xiàn)場;而要想增強(qiáng)響應(yīng)性,可能需要的搜救人員越多越好,搜救投入人員越多,響應(yīng)時間越短,于是人員數(shù)量對于適應(yīng)性和響應(yīng)性就是一種共用的競爭性資源。其他如通信資源、搜救物資、運(yùn)輸資源等都存在這樣類似的問題。

(1)

其中δ1表示相對于N2個單位的種群乙,消耗的資源是相對于N1個單位種群甲所消耗資源的δ1倍。

類似地,種群乙的增長方程為

(2)

根據(jù)式(1)、(2),可以對響應(yīng)性和適應(yīng)性相互競爭的結(jié)果進(jìn)行分析。分析此方程,可以發(fā)現(xiàn)它存在平衡點(diǎn)。由此根據(jù)Lotka-Volterra模型方法,對式(1)、(2)求導(dǎo),得到系數(shù)矩陣A,根據(jù)|A-λE|=0 求解特征方程的根,就可以得到4個平衡點(diǎn)及得到該平衡點(diǎn)的條件,如表1所示。

表1　響應(yīng)性和適應(yīng)性均衡解

根據(jù)表1可知,其中P1,P2的存在會導(dǎo)致只有一種屬性的存在,即要么適應(yīng)性指標(biāo)占用全部資源,要么響應(yīng)性指標(biāo)占用全部資源,而現(xiàn)實(shí)中往往需要綜合考慮適應(yīng)性和響應(yīng)性,因此P1,P2不符合客觀現(xiàn)實(shí),P4相對于實(shí)際同樣不符合客觀現(xiàn)實(shí),只有P3與客觀現(xiàn)實(shí)相符,可以達(dá)到理論上的響應(yīng)性和適應(yīng)性均衡。

針對響應(yīng)性、適應(yīng)性等影響因素對其進(jìn)行條件概率的計算,因?yàn)槊鎸ν话l(fā)事件的情況下,在滿足各屬性要求的情況下求得最快事件的概率:

(3)

由于本文是針對響應(yīng)性和適應(yīng)性進(jìn)行分析,其他特性的影響未考慮,所以上述公式可以寫為

(4)

基于以上的適應(yīng)性和響應(yīng)性指標(biāo)計算,根據(jù)表1的結(jié)果,采用加權(quán)平均法可以得到應(yīng)急指揮控制的敏捷性Agl的度量公式:

(5)

3案例仿真與分析

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法的有效性,本文以地鐵突發(fā)事件的應(yīng)急指揮控制為例,進(jìn)行仿真檢驗(yàn)計算。

地鐵一般都處在半封閉空間里,具有人流基數(shù)大、設(shè)備密度高的特點(diǎn),一旦發(fā)生突發(fā)事件,人員疏散和救援非常困難。

仿真案例想定設(shè)定假設(shè)地鐵發(fā)生突發(fā)事件(例如:爆炸)需要進(jìn)行人員疏散。

仿真模型基于Lotka-Volterra模型對敏捷性度量中的適應(yīng)性和響應(yīng)性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),采用R語言進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)可視化展示。

仿真參數(shù)和過程設(shè)定假設(shè)當(dāng)前地鐵內(nèi)需要疏散的人數(shù)為300。設(shè)定三種人員疏散策略:1)第一種方案是每個人自由疏散,這里設(shè)定每個人朝距離最近的出口處移動;2)第二種方案是在地鐵中有人指揮,進(jìn)行人員疏散,這里主要是指揮人員間的協(xié)調(diào)配合。例如如果存在一個出口1疏散人流較小,這時指揮人員A給予該區(qū)域人員指示“朝出口1進(jìn)行移動”。同時,如果指揮人員B也發(fā)現(xiàn)出口1疏散人流較小,也對B區(qū)域人員發(fā)送疏散指令“朝出口1移動”,就會由于過度指揮造成出口1人流瞬間增大,出現(xiàn)擁擠甚至可能會引發(fā)踩踏問題;3)第三種方案,就是每個人有一臺移動終端,發(fā)生突發(fā)事件后,每個人根據(jù)移動終端的提示進(jìn)行最優(yōu)路線的撤離。在想定中考慮到爆炸發(fā)生后,可能會有爆炸的情況發(fā)生。本仿真實(shí)驗(yàn)假定最多發(fā)生兩次爆炸,爆炸位置隨機(jī)選取。三種移動方案的仿真參數(shù)測量中,以在某一時刻人口疏散的數(shù)目作為敏捷性指標(biāo)中響應(yīng)性的度量;以出現(xiàn)二次事故時,安全區(qū)域的人員數(shù)目(成功疏散人員數(shù)目)作為敏捷性指標(biāo)中適應(yīng)性的度量。本文做了兩個實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)1主要對響應(yīng)性指標(biāo)進(jìn)行了仿真計算度量,其中曲線斜率的變化可以在一定程度上表征適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)2主要針對敏捷性度量指標(biāo)中的適應(yīng)性進(jìn)行了仿真計算檢驗(yàn)。仿真參數(shù)設(shè)定如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,統(tǒng)計人員疏散情況(即人員到達(dá)出口位置),全部人員疏散時間,沖突人數(shù)及人員密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖1、2所示。

表2　仿真參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)1響應(yīng)性指標(biāo)仿真分析:疏散人員數(shù)目隨時間的變化。

如圖1所示,橫坐標(biāo)代表仿真時間,縱坐標(biāo)表示疏散人數(shù)。其中綠色曲線代表第一種疏散策略、紅色曲線代表第二種疏散策略、藍(lán)色曲線代表第三種疏散策略,對圖中曲線進(jìn)行比較可知,如果每個人都根據(jù)手持移動設(shè)備的引導(dǎo)進(jìn)行移動,效果最優(yōu),疏散人數(shù)最多,在設(shè)定的場景下,能夠成功疏散的人數(shù)約占總?cè)藬?shù)的87.3%;通過疏散指揮人員進(jìn)行調(diào)度指揮的,疏散人流數(shù)目也遠(yuǎn)優(yōu)于人群盲目移動的效果,但是在1920s到1950s之間出現(xiàn)單位時間內(nèi)疏散人流數(shù)目下降的情況,分析是由于上面提到的指揮人員的協(xié)調(diào)不夠,出現(xiàn)多處人流引入一個疏散方向?qū)е氯肆鲹頂D的現(xiàn)象。

圖1　疏散人口時間圖

實(shí)驗(yàn)2適應(yīng)性指標(biāo)仿真分析:二次爆炸時成功疏散的人員密度。

設(shè)定二次爆炸的發(fā)生,對其中一處出口處的人流百分比進(jìn)行統(tǒng)計。圖2中(a)表示第一種策略、(b)表示第二種策略、(c)表示第三種策略,可以看出相同人員密度范圍內(nèi)越平滑的曲線疏散的效果越好,可知第二種有指揮人員的策略優(yōu)于自由逃離的情況,第三種根據(jù)手持設(shè)備的策略不僅平滑變化,并且人口密度概率低,可知這種策略是最理想的情況。

圖2　二次爆炸出口處人員密度圖

4結(jié)束語

本文基于Lotka-Volterra模型分析了敏捷性度量中的兩種重要指標(biāo)響應(yīng)性和適應(yīng)性,并分析了二者的均衡情況,最后以地鐵爆炸疏散為背景進(jìn)行了案例分析。本文的研究主要側(cè)重于敏捷性度量指標(biāo)中的響應(yīng)性和適應(yīng)性之間常見的競爭平衡。事實(shí)上,敏捷性度量指標(biāo)還有很多,如魯棒性、靈活性等,而且各類指標(biāo)之間也存在多種相互關(guān)系,系統(tǒng)的研究各類指標(biāo)在應(yīng)急指揮控制敏捷性度量方面的表現(xiàn)形式及計算方法,是需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。另外,如何運(yùn)用敏捷性的度量體系改善指揮控制的敏捷性,也是需要研究的內(nèi)容。

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Command and Control Agility Measurement and Simulation Facing the Sudden Matters Emergency

KANG Kai1, TAO Jiu-yang1,2, LIU Fang-xin1

(1.PLA University of Sci. & Tech., Nanjing 210007;2.National Defense University PLA China, Beijing 100091, China)

Abstract:At this stage, emergency incidents occur in the domestic and international,Effective emergency command and control is the kernel of the disposal of public safety emergencies. Based on the OODA model this paper presents a new model of command and control process face the sudden matters emergency based on the index of agility, establishes a mathematical model based on Lotka-Volterra model, and simulation analysis and comparsion is carried out on the agility of command and control face the emergency and the effect of command and control in the background of the subway explosion accident.

Key words:C2; agility; sudden matters emergency

中圖分類號:TP399-CB；E91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.005

作者簡介：康凱(1986-),男,山東成武人，碩士研究生,研究方向?yàn)閼?yīng)急指揮控制。陶九陽(1984-),男,博士研究生,講師。劉方鑫(1992-),男,碩士研究生。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61174198；U1435218)

收稿日期：2015-12-16

文章編號：1673-3819(2016)02-0020-04

修回日期： 2015-12-22