基于知識元的非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景分析與表達研究

李鋒 王慧敏

摘要：從系統(tǒng)論的觀點，結合突發(fā)洪水應急決策特點，分析非常規(guī)突發(fā)洪水災害發(fā)生發(fā)展過程中突發(fā)事件、承災載體、環(huán)境單元及應急活動各要素及要素間關系，基于知識元理論，建立突發(fā)事件、承災載體、環(huán)境單元及應急活動等知識元模型，構建基于知識元的多層次情景表達模型。以淮河流域2007年洪水災害 片段為實例，應用情景模型對非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景進行完整表達，并實現(xiàn)應急情景態(tài)勢轉化及推演分析。

關鍵詞：洪水災害；應急情景；非常規(guī)突發(fā)事件；知識元

DOI：10.13956/j.ss.1001-8409.2016.04.30

中圖分類號：TP182；F224文獻標識碼：A 文章編號：1001-8409（2016）04-0140-05

Abstract：According to the character of unconventional flood emergencies decision， this paper analysis the element and relations of emergency event， hazard bearing body， environment and emergency action in the flood development and progression from system viewpoint. Based on knowledge element theory， knowledge element models of emergency event， hazard bearing body， environment and emergency action are built， and multilevel emergencies scenario model is generated. An Example of flood over Huaihe Valley in 2007， unconventional flood emergency scenario is generated completely by the scenario model， and scenario transformation and evolution is also analyzed.

Key words：flood； emergency scenario； unconventional emergencies； knowledge element

洪水災害是發(fā)生頻率最高、影響范圍最廣的自然災害。近年來，突發(fā)性強、災害損失巨大、發(fā)生頻率極低的非常規(guī)突發(fā)洪水事件頻發(fā)，由于其破壞力極強，加之經濟發(fā)展及人類活動范圍擴大，非常規(guī)突發(fā)洪水對社會經濟、生命財產以及生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重影響和巨大損失。

目前“情景—應對”已取代“預測—應對”，是最適合非常規(guī)突發(fā)事件的應急決策范式[1]?？茖W、準確的非常規(guī)突發(fā)洪水情景表達，能夠幫助決策者制定有效應對策略，降低洪水災害造成的危害，對于應急決策具有重要意義[2]。

1非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景分析

11應急情景定義

情景最早被Kahn定義為：“未來是多樣的，潛在的結果及通往結果的途徑都不是唯一的，對可能出現(xiàn)的未來以及實現(xiàn)這種未來途徑的描述構成一個情景”[3]。從靜態(tài)視角來看，應急情景是對突發(fā)事件當前狀態(tài)的詳細描述，即某一時刻所有災害要素的狀態(tài)集合；從動態(tài)視角來看，應急情景包括突發(fā)事件發(fā)展演化路徑及發(fā)展趨勢，由當前狀態(tài)到未來的發(fā)展趨勢、演變路徑、演變誘因等同樣對決策主體至關重要[4～6]。

從服務決策角度，本文認為突發(fā)事件應急情景是突發(fā)事件靜態(tài)與動態(tài)的綜合集成，既包括突發(fā)事件在發(fā)生發(fā)展過程中某一時間點事件主體及客體的狀態(tài)數(shù)據，又包括某一時段主客體行為、規(guī)則及相關參數(shù)演化的抽象，即事件演進的趨勢。

12非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景特點

與一般突發(fā)事件相比，非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景中情景主體眾多且關系復雜，情景演化隨機性更強且更迅速[7]，表現(xiàn)在：

（1）非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景要素眾多、關系復雜。突發(fā)洪水涉及河流、湖泊、水庫、行蓄洪區(qū)、城市、農村等要素，同時應急主體眾多，地方政府與流域管理機構都是突發(fā)洪水應急管理主體，同時還涉及水利部、民政部、農業(yè)部、交通部等十幾個機構或團體，各主體間形成縱橫交錯的復雜網絡關系[8]。

（2）非常規(guī)突發(fā)洪水情景演化隨機性更強且更迅速。由于暴雨、風速、水文等因素本身具有隨機性、模糊性，受這些因素影響的洪水演化更具不確定性及不可預知性，更容易造成破壞性，災害影響范圍更容易擴大，次生及衍生災害事件更易發(fā)生。

（3）非常規(guī)突發(fā)洪水應急決策復雜性更強。在非常規(guī)突發(fā)洪水應急決策過程中，時間緊迫，信息匱乏，資源緊張，同時應急決策要求具備多目標性。非常規(guī)突發(fā)洪水應急過程中涉及經濟、社會、工程、自然等諸多因素，既要保證受災群眾生命物質安全，又要綜合考慮全局經濟財產損失最低，同時又受到自然條件、資源分配的嚴重約束。

13非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景要素及要素間關系

根據范維澄關于公共安全事件的“三角形”框架理論，公共安全事件由突發(fā)事件、承災載體和應急管理3條邊組成三角形，3條邊共同作用，發(fā)生物質、能量及信息的交換，推動公共安全事件的發(fā)展演化[9]。在特定時空環(huán)境中，初始事件與環(huán)境內的客觀事物相互作用，客觀事物被施加作用后其某個狀態(tài)屬性值達到并超過臨界值，狀態(tài)發(fā)生突變，釋放物質、能力及信息等災害要素，促使原生突發(fā)事件演化產生衍生和次生事件[10]。應急活動通過人為對客觀事物施加一定的干預，阻止或控制事件的進一步發(fā)展、演進，從而延緩突發(fā)事件作用力、減少其對客觀事物的破壞力?？陀^事物作為突發(fā)事件施加作用對象，稱為承災客體，承災客體同時也是突發(fā)事件應急活動的作用與保護對象。

由此可知，突發(fā)事件客體、承災客體、環(huán)境單元及應急活動是應急情景中的關鍵要素，4者之間的關系決定了突發(fā)事件的演化行為和路徑。對關鍵要素的屬性進行詳細分析，分解歸類為3類屬性：誘發(fā)因素、突變條件和后果影響。誘發(fā)因素作為輸入屬性集，是導致突發(fā)事件發(fā)生、承災客體及環(huán)境單元狀態(tài)變化的動因；突變條件為事件客體、承災客體及環(huán)境單元維持常規(guī)狀態(tài)不向非常態(tài)變化的最低限度，可視為狀態(tài)屬性集；后果影響是突發(fā)事件、應急活動及承災客體各自對其他客體造成的影響，歸納為輸出屬性集。突發(fā)事件客體、承災客體、環(huán)境單元及應急活動等突發(fā)事件情景中的4個客體通過輸入、狀態(tài)、輸出屬性產生關聯(lián)關系，如圖1所示。通過輸出屬性將作用施加到其他客體的輸入屬性上，導致其他客體的狀態(tài)屬性發(fā)生變化，進而產生輸出屬性，作用于下一個環(huán)節(jié)的其他客體，推動突發(fā)事件情景向前演化。

2基于知識元的突發(fā)洪水情景模型

21知識元理論

知識元是存儲、共享和引用知識的最小存儲單位。王延章[11]基于知識工程的理論方法，利用概念、屬性及關系約束三元組對知識元模型進行表示：

K=（k1，k2，k3，…，kn） （1）

Km=（Nm，Am，Rm）m∈n（2）

Ka=（pa，da，fa）a∈Am（3）

Kr=（pr，AIr，AOr，fr）r∈Rm （4）

式（1）中K為某一具體知識，ki為組成知識的知識元。

式（2）中Km為K中一個知識元，Nm是事物概念和屬性名稱，Am是Nm屬性狀態(tài)集，Rm為屬性間映射關系集。

式（3）中Ka規(guī)范描述事物屬性狀態(tài)Am，pa表示事物屬性可測特征，da為可測度量綱，fa為關系規(guī)則。

式（4）中Kr描述事物對象內部屬性間約束關系，pr表示事物對象屬性間關系映射描述，AIr為輸入屬性狀態(tài)集，AOr為輸出屬性狀態(tài)集，（AIr，AOr）∈Am，fr是關系映射的函數(shù)：AOr=fr（AIr）。

在非常規(guī)突發(fā)洪水災害事故中，由于涉及到眾多主體、信息及應急資源，各子系統(tǒng)知識結構、存儲形式存在很大差異，但各子系統(tǒng)間的知識元素又嚴格按照一定的邏輯關系存在，特別適合利用知識元理論來表達洪水情景中各類異質要素及要素間的關系。通過構建知識元模型，梳理和表達非常規(guī)突發(fā)洪水事件中的各類異質要素，能夠實現(xiàn)對事件應急情景靜態(tài)的完整描繪，同時通過知識元間以及各知識元內部的屬性關系約束，能夠實現(xiàn)事件應急情景動態(tài)的演化邏輯及趨勢分析。

22知識元—應急情景—突發(fā)洪水事件層次結構分析

從系統(tǒng)論的角度，突發(fā)洪水災害事故是一個具備復雜層級結構的系統(tǒng)，如圖2所示。在層級結構的最底層，是突發(fā)洪水災害事故中事件、承災載體、環(huán)境單元、應急活動的最小單元，對各要素最小單元進行知識元建模，得出各要素知識元模型。通過對事件、承災載體、環(huán)境單元、應急活動等知識元模型進行實例化，得到基元事件、承災載體等要素實體對象。根據構建的非常規(guī)突發(fā)洪水情景模型，結合各要素實體對象生成情景片段單元。情景單元隨要素屬性及時間進行演化，多個情景單元構成突發(fā)洪水事件，在事件層表現(xiàn)為突發(fā)事件隨時間發(fā)生與演化。

知識元是突發(fā)洪水災害事件中各要素基本單元的共性表達，涵蓋突發(fā)洪水災害事件演化過程中所有基本知識單元，是突發(fā)洪水災害事件系統(tǒng)演化過程所有要素的規(guī)范化表達。

應急情景是知識元實例化后的實體對象，包括各種基元事件、承災載體、環(huán)境子單元、應急子活動的集合，4者之間相互作用推動突發(fā)事件系統(tǒng)發(fā)生和演化。

突發(fā)事件是情景的概括性描述，以突發(fā)事件連鎖反應的形式表現(xiàn)出來，隨著情景層內基元事件與環(huán)境單元、承災載體之間進行物質、能力與信息的交換，推動產生一系列次生和衍生事件。

23情景表達模型

根據非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景要素及要素間關系分析，構建基于知識元的多層次情景表達模型，將情景S視為由不同情景單元si構成的情景集合：

S=（so，s1，s2，…，sn）（5）

si=（E，C，H，Y，T）（i∈n） （6）

式中：E為事件集，C為承災載體集，H為環(huán)境單元集，Y為應急活動集，T為情景單元si出現(xiàn)的時間集合，t0（t0∈T）為初始情景so所在時刻。

通過對洪水應急預案及歷史案例的分析，采用事先制定的粒度對洪水災害事件過程中洪水災害基元事件、承災載體、環(huán)境單元及應急活動進行劃分，建立相應要素的知識元模型。

231承災載體知識元

洪水承災載體系統(tǒng)是由與洪水相關的各種客觀存在的事物及系統(tǒng)組成，把洪水相關客觀事物系統(tǒng)分成若干個不可再分的單元，稱為洪水承災載體系統(tǒng)基本單元。抽取洪水承災載體系統(tǒng)中基本單元的屬性要素及關系，構建洪水承災載體系統(tǒng)知識元模型。

用C表示突發(fā)洪水承災載體集，包含若干個承災載體：C=（c1，c2，…，cn），對于任意一個承災載體ci，用知識元模型表達為：

Kc=（Nc，AIc，ASc，AOc，Rc） （7）

Nc為承災載體名稱，如河道、堤壩等；

AIc為承災載體ci的輸入屬性集，該部分屬于非時變屬性；

ASc為承災載體ci的狀態(tài)屬性集，狀態(tài)屬性中隱含突變要素屬性；

AOc為承災載體ci的輸出屬性集，包含損失狀況輸出屬性和系統(tǒng)響應輸出屬性，反映承災載體狀態(tài)屬性變化對外部環(huán)境造成的變化及損失。

對于ca∈（AIc，ASc，AOc），有：

Kca=（pca，dca，fca，ZTca）（8）

pca表示承災載體ci的屬性可測性描述，dca表示測度量綱，fca表示屬性的時變函數(shù)，ZTca表示屬性ca在T時刻的屬性值。

對于r∈Rc，關系r符合公式（4）的規(guī)范要求。

以承災載體河道為例，構建知識元Kc（河道）：

Kc（河道）=（河道，{輸入}，{狀態(tài)}，{輸出}，屬性間關系）

河道輸入=（所屬河段，起止點，河道類型，堤高，警戒水位，行洪能力，護岸類型）

河道狀態(tài)=（水位，水量，水面寬度，水深，水流速度，流量）

河道輸出=（漫壩水位，泄洪水量）

Kc（河道）知識元詳細描述如表1所示。

232洪水災害事件知識元

洪水災害突發(fā)事件是若干基元事件按照各種關系進行組合而成，基元事件是洪水災害事件不能再分的基本子過程，抽取基元事件主要屬性要素和關系，構建洪水災害事件知識元。

用E表示突發(fā)洪水災害事件，包含若干個洪水事故基元事件：E=（e1，e2，…，en），對于任意一個基元事件ei，用知識元模型表達為：

Ke=（Ne，AIe，ASe，AOe，Re）（9）

Ne為事件過程實體，如降雨、河道水位上升、河道水位下降等；

AIe為事件Ne的輸入屬性集，該部分屬性不隨時間演進而變化，如洪水潰壩發(fā)生時間、發(fā)生地點等；

ASe為事件Ne的狀態(tài)屬性集，狀態(tài)屬性中隱含事件突變要素屬性；

AOe為事件Ne的輸出屬性集，包括事件知識元的系統(tǒng)響應輸出屬性和損失狀況輸出屬性，反映事件對承災載體及外界環(huán)境造成的破壞性情況以及損失大小情況。

對于ea∈（AIe，ASe，AOe），屬性ea符合公式（8）的規(guī)范要求；對于r∈Re，關系r符合公式（4）的規(guī)范要求。

以河道水位上升事件為例，構建知識元Ke（河道水位上升）：

Ke（河道水位上升）=（河道水位上升，{輸入屬性}，{狀態(tài)屬性}，{輸出屬性}）

河道水位上升事件輸入=（流域面雨量，河流徑流量，下墊面類型）

河道水位上升事件狀態(tài)=（事件編號，事件級別，所屬河流，初始水位，水位漲差，水位警戒線，警戒線水位時長，初始流量，流量漲差）

河道水位上升事件輸出=（最終水位，最終流量）

233環(huán)境單元知識元

環(huán)境單元是指突發(fā)事件發(fā)生發(fā)展過程中在一定空間范圍內以自然環(huán)境為主，社會環(huán)境、人文環(huán)境和其他物理設施為輔的災害背景。

用H表示突發(fā)洪水環(huán)境單元集，其由若干個環(huán)境子單元組成， H=（h1，h2，…，hn），對于任意一個環(huán)境單元hi，用知識元模型表達為：

Kh=（Nh，Ah，Rh）（10）

式中，Nh為突發(fā)洪水環(huán)境單元；

Ah為環(huán)境單元屬性集，對于ha∈Ah屬性ha符合公式（7）的規(guī)范要求；

對于r∈Rh，關系r符合公式（4）的規(guī)范要求。

以環(huán)境單元中地理知識元為例，構建地理知識元Kh（地理）：

Kh（地理）=（地形地貌，河網密度）

234應急管理活動知識元

應急管理指可以預防或減少突發(fā)事件及其后果的各種人為干預手段，應急管理活動主要由活動對象（主體、客體）、動作、操作和結果等組成。

用Y表示應急管理活動集，其由若干個應急管理子活動組成，Y=（y1，y2，…，yn） ，對于任一個應急管理子活動yi，用知識元模型表達為：

Ky=（Ny，Dy，Xy，AIy，ASy，AOy，Ry） （11）

Ny為應急管理活動實體集，如水文監(jiān)測、信息報送等；

Dy為應急管理活動對象集，包括應急管理活動主導者（主體）及主體面向對象（客體）；

Xy為應急管理活動過程中發(fā)生的動作及操作集；

AIy為應急管理活動輸入屬性集，主要包括Ny的前置狀態(tài)及應急管理活動Ny的啟動原因；

ASy為應急管理活動狀態(tài)屬性集，即應急管理活動涉及到的要素狀態(tài)屬性；

AOy為應急管理活動輸出屬性集，即應急管理活動發(fā)生后，引起客觀事物、事件等屬性狀態(tài)變遷的相關屬性集。

對于ya∈（AIy，ASy，AOy） ，屬性ya符合公式（7）的規(guī)范要求；對于r∈Ry，關系r符合公式（4）的規(guī)范要求。

以應急活動中水文監(jiān)測為例，構建Ky（水文監(jiān)測）知識元模型：

Ky（水文監(jiān)測）=（水文監(jiān)測，{水文站，河道}，{水位監(jiān)測、流量監(jiān)測}，{輸入屬性（前一監(jiān)測時間點水文狀態(tài)，觸發(fā)活動原因（河道水位上升））}，{狀態(tài)屬性（編號，監(jiān)測時間，監(jiān)測地點，監(jiān)測標準，監(jiān)測內容，監(jiān)測完成情況）}，{輸出屬性（監(jiān)測結果）}）

24情景間的轉化關系及情景演化

在上述情景表達模型下，情景的態(tài)與勢都得到了充分的表達，隨著情景單元的不斷轉化，形成了情景隨時間不斷向前演變的真實情境。

ti時刻，情景靜態(tài)表達為：

si=（ei，ci，hi，yi，ti）（12）

在ti到ti+1時刻：情景中承災載體在前一情景基元事件輸出屬性集元素和應急子活動輸出屬性集元素的雙重作用下，其內部狀態(tài)要素發(fā)生突變，使得承災載體的輸出屬性集元素狀態(tài)值發(fā)生改變，從而導致新基元事件的發(fā)生，基元事件輸入屬性中一方面受承災載體輸出屬性集影響，另一方面受環(huán)境單元狀態(tài)屬性集影響，兩部分元素共同影響著事件客體的狀態(tài)屬性，誘發(fā)基元事件輸出屬性集狀態(tài)值改變?；录敵鰧傩约性貭顟B(tài)值發(fā)生變化，促使事件客體產生破壞作用并施加到本環(huán)境單元中的其他承災載體上，應急活動的輸出屬性集開始介入，降低或減緩事件客體引發(fā)的影響，引發(fā)新一輪過程。

用公式表達如下：

Zci.as+Zhi.aRec，RycZ′ci.as（13）

Z′ci.as+Zhi.aRceZei+1.aI （14）

Zei+1.asZei+1.aIZ′ei+1.as（15）

siei+1si+1（16）

Zci.as是指ti時刻承災載體ci狀態(tài)屬性as的屬性值，Zhi.a是指ti時刻環(huán)境單元hi屬性a的屬性值，Zei+1.aI表示ti+1時刻基元事件ei+1輸入屬性aI的屬性值，Zei+1.as表示ti+1時刻基元事件ei+1狀態(tài)屬性as的屬性值，Rce表示事件知識元e與承災載體知識元c之間的屬性聯(lián)接關系，Ryc表示應急活動知識元y與承災載體知識元c之間的屬性聯(lián)接關系。

3情景表達實證

31事件描述

2007年6月29日～7月9日，淮海流域出現(xiàn)持續(xù)性強降水天氣，降水集中在湖北東北部、河南東南部、安徽中北部、江蘇中北部，雨帶位置與淮河流域重合，降水量一般為200～400mm，其中安徽沿淮地區(qū)降水量達到450～550mm。

7月10日淮河王家壩水文站至蚌埠河段最高水位超警戒線108～352米，7月3日開始超警戒線，7月10日王家壩水文站經歷最高一次洪峰，最高水位達到2959米，為歷史第二位。

7月10日12時28分，蒙洼蓄洪區(qū)開閘蓄洪，7月12日停止蓄洪，共分洪46小時，分蓄洪水25億立方米。隨后，又及時啟用了9個行蓄洪區(qū)蓄洪。10個行蓄洪區(qū)分流洪水總量15億立方米，有效降低了河道水位，降低王家壩等重要控制水文站洪峰水位02～045米，直接縮短王家壩在保證水位以上的行洪時間20小時。

32事件情景表達

情景表達時間定位6月29日至7月9日之間，空間范圍選定在淮河流域安徽段王家壩水文站，分為水文站以上河段、水文站、水文站以下河段等3個區(qū)域單元。結合應急預案，抽取本次暴雨洪水中的3個主要事件：降雨、洪水、蓄洪，在情景層組建5個情景單元，根據知識元模型對事件、承災載體、環(huán)境單元、應急活動等知識元進行建模，并結合事件過程對各知識元進行實例化，得到該情景中具體的基元事件、承災載體、環(huán)境子單元及應急子活動，實現(xiàn)對該時段5個時刻的應急情景表達，以t1時刻為例：

s1=（{河道水位上升}，{河道、堤壩}，{監(jiān)測、應急保障}，{地理}，t1）

其余情景見表2。

依據情景表達模型，t1時刻（7月9日），由于受前一情景中基元事件“暴雨”輸出屬性（雨量（200～400mm））的影響，在環(huán)境單元“地理”屬性地形（平原）、河網密度（高）的協(xié)同作用下，承災載體“河道”的狀態(tài)屬性（水位）發(fā)生變化（超警戒線108～352米），基元事件“河道水位上升”產生，應急活動“監(jiān)測”一直在進行中，事件“河道水位上升”的輸出屬性（當前水位及當前流量）對承災載體（河道）產生作用，在環(huán)境單元“氣候”屬性（風速）和“地理”（地勢落差）的協(xié)同作用下，產生基元事件“洪峰形成”，時間進度變?yōu)閠2（7月10日），進入下一個情景s2，完成情景演化。

4總結與展望

突發(fā)性強、災害損失巨大、發(fā)生頻率低的非常規(guī)突發(fā)洪水應急決策時間緊迫，信息資源豐富但來源眾多，異質特性明顯。利用知識元模型，能夠實現(xiàn)對非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景中各要素知識的統(tǒng)一描述，科學、準確地表達當前決策所面臨的情景，同時知識元模型中的關系又能夠實現(xiàn)對情景演化的表達。通過淮河流域暴雨洪水的情景表達也證實，知識元模型在實現(xiàn)非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景表達方面具有特有的優(yōu)勢。

當然，對非常規(guī)突發(fā)洪水應急情景而言，信息量巨大，數(shù)據內容極度豐富，知識元模型在表達大數(shù)據時還需要進一步優(yōu)化。后續(xù)研究還將在本研究基礎上進一步構建情景要素知識元網絡，通過分析網絡結構以及對歷史案例及預案搜尋類似情景，為當前情景未來演化趨勢提供參考。

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（責任編輯：石琳娜）