可拓决策方法在灭火救援指挥方案优化中的应用研究

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  摘要:现场指挥决策是灭火救援指挥的核心,本文论述了灭火救援指挥中的决策问题, 通过引入可拓学理论与方法对救援决策方案选择问题进行形式化描述, 建立了基于可拓决策方法的灭火救援决策方案生成与评价模型, 并结合案例, 分析说明了该方法的可行性和有效性。
  关键词:灭火救援指挥;方案;可拓决策;优化。
  0 引言
  随着经济建设的飞速发展,生产规模的日趋扩大,火灾、爆炸、毒物泄漏、交通事故等类型重大事故时有发生,使得消防部队救援任务越来越艰巨,在处置重大灾害时,指挥者往往会面对多种救援方案,能否在短时间内选择最佳方案关系着灭火救援战斗的成功与否。可拓决策理论是在决策空间内通过关联函数及可拓变换来寻求满意方案的一门新学科。可拓学是中国学者蔡文等人于1983年创立的一门原创性横断学科,是研究事物的可拓性以及可拓的规律与方法,用以解决矛盾问题的学科,其研究对象是现实世界中的矛盾问题,理论支柱是物元理论和可拓集合理论[1]。计算机若能利用可拓集合处理事物性质的动态变化,进行创造性思维而生成救援方案,并将可拓集合作为解决问题的定量化工具进行定性和定量相结合的运作,将大大提高灭火救援指挥决策支持系统的智能化水平[2]。
  1.可拓决策方法的应用步骤
  可拓决策的基本思想[2]是:
  A 最大限度地满足主指标和主条件的要求。
  B 将不相容系统通过物元变换化为相容系统。
  利用物元理论,对目的物元和条件物元进行变换,可生成各种策略,利用可拓集合和关联函数进行综合评价,通过反馈和调整,就得到优度最大的决策方案。
  1.1给出初始方案
  在灭火救援过程中,根据一定的现场条件和初步到场的消防队实力,利用可拓方法对救援目的进行相关分析,可以确定满足现有条件的几个初始方案。
  (1)由于多个事物可具有同一特征元,如具有第一同一特征元的物元为:
  ■ (1)
  (Nx为救援方式,c为现场条件特征元,v为条件特征元量值)
  (2)对每个物元(Ni ,c1 ,v1)(i=1,2, . . . ,k),有:
  ■ (2)
  根据已知特征元(c2,v2)判断: 若c2(Ni)=v2,则选取事物Ni;若c2(Ni)≠v2,则淘汰事物Ni。从而得到满足c2(Ni)=v2, c1(Nj)=v1的事物集{Nj}(j=1,2, … ,l)。
  (3)重复上述步骤, 直至找到满足所有特征元的事物, 即为所求事物。
  1.2首次评价
  确定衡量条件的权系数后,对非满足不可的条件进行筛选,除去不满足该条件的对象。根据条件∧,对所生成的策略进行初选,符合的要求者为:
  T={Tj︳j=1,2, …,m}
  1.3建立关联函数
  为了研究问题的实质,明确问题的属性,提出解决问题的办法,需要对问题中的各种物元、组成物元的要素加以分析,弄清其间的关系,这样才能抓住问题的主要矛盾、主要特征、主要关系,为问题的解决提供必要基础;建立关联不等式并且解关联不等式是实现这一过程的重要手段。建立关联函数是指建立Vi上的关联函数Ki(x),并计算关联函数的值。设衡量条件集M={M1,M2…,Mn},条件特征元:Mi=(ci,Vi) , Vi为量值域, i=1,2, . . . ,n权系数分配为α=(α1,α2,…αn)建立关于Vi(其中区间用X0i=[a, b]表示)的关联函数[3]:
  ■ (3)
  1.4计算规范合格度
  物元分析将需求解问题中的物元量值的全体视为一个可拓集合,用关联函数表示每个取特定量值的物元符合要求的程度,一个物元所取的具体的关联函数值即为该物元的关联度。也称为该物元的规范合格度。计算Tj关于Mi的规范合格度采用规范化公式[3]:
  ■ (4)
  Ki=(Ki1,…,Kim),i=1,2, …,n。
  1.5 计算优度
  利用关联不等式的解变换将不相容问题变为相容问题,对“解变换集”中的解必须进行评价,从中选出可行解,最终确定一个最优方案。计算采用优度计算公式Tj的优度[4]
  C(Tj)=■, j=1,2,…,m 。 (5)
  一般地,当C(I)>0时,表示问题的解“得多于失”,C(I)<0时,表示问题的解“失多于得”,对Tj的优度进行比较:
  T0:C(T0)=max{C(Tj) ︳j=1,2,…,m},则对象Tj为最优。
  2案例分析
  2013年3月21日19时许,某高层建筑发生火灾。消防支队调度指挥中心接到报警后,迅速调集六个中队及特勤大队、支队机关赶赴现场。事发时该高层建筑内共有156人被困,现场指挥部决定成立攻坚组,依托两辆举高喷射消防车和一辆云梯消防车控制火势和营救被困人员。探讨可拓方法在救援决策方案生成与评价中的应用。
  2.1 确定救援方案
  备选救援方案可用物元表示为有序三元组R=(Nx,C,V),由发散分析,方案1:消灭火势同时救出被困人员;方案2:首先消灭火灾;方案3: 先控制火势;方案4:主要力量内攻救人、其余力量实施灭火;方案5:主要力量灭火、其余力量救人。对于Nx =(外攻配合内攻),C=(上级指示,目标重要性,救援难度,出动灭火力量,出动救人力量,出动强度,侦查情况详细度),V=(既救人又灭火,重要,适当,适当,适当,较高,较大)。
  2.1.1利用发散树进行救援方案发散
  已知救援方案的7个特征元:(上级指示,既消灭火势又成功救出被困人员),(目标重要性,重要),(救援难度,适当),(出动灭火力量,适当),(出动救人力量,适当),(出动强度,较高),(侦查情况详细度,较大),制定救援方案,使ci(Nx)=vi,i=1,2, …,7。   (1)根据式(1)确定{N1,N2,…,NK}是满足第一特征元(上级指示,既消灭火势又成功救出被困人员)的事物集。除了方案2和方案3外其它方案都满足第一特征元。
  (2)根据式(2)已知特征元(c2,v2)(目标重要性,重要)判断:若c2(Ni)=v2,则选取事物Ni若c2(Ni)≠v2,则淘汰事物Ni。从而得到满足c2(Nj)=v2,c1(Nj)=v1的事物集{Nj}(j=1,2,…, l){Nj}(j=1,2, …,i)。
  (3)重复上述步骤,直至找到满足所有特征元的事物,即为所求事物。由于方案1、方案4和方案5都满足这7个特征元,从而发散出3种备选方案:A1消灭火势的同时救出被困人员;A2主要力量救人,其余力量灭火;A3主要力量灭火,其余力量救人。
  2.2.2采用优度评价法进行收敛性方案评价
  从可行性、优度性、真伪性、相容性出发,对发散性思维过程得到的大量物元进行评价, 从而筛选出符合要求的少量物元,该过程称为收敛性思维。现采用优度评价法进行收敛性方案评价。
  (1)确定衡量条件。设衡量条件为:V=(V1,V2,V3,V4),其中: V1为上级指示,必须既救人又消灭火势;V2为侦查情况详细度,用三级评判1、2、3 分别表示火势较弱、一般、较强;V3 为目标重要性,将其按照大、中、小三级分类;V4 为出动强度,依次分成较高、一般、较低。
  (2)利用次分析法确定权系数。
  ①建立可拓决策指标体系模型。
  经过咨询相关专家,结合消防部队的灭火救援实际,针对灭火救援可拓决策确立表2.1的指标体系。
  ②确定各级指标权重
  专家咨询工作 依据层次分析法的原理和程序,为了构造合理的判断矩阵可清多位有关专家进行判断矩阵的标度,自上而下对灭火救援指挥可拓决策效能的各层次指标进行两两重要程度判断比较,构造判断矩阵。为了使各因素之间进行两两比较,得到量化的判断矩阵,引入1~9的比例标度(如表2.2所示),向专家通报灭火救援战例的基本情况(包括可靠真实的影像资料)并发放专家咨询表。本例对八位专家进行咨询,专家咨询结果见表2.3。
  统计得出权重值 对指标体系进行专家咨询后,得出判断矩阵群,计算每一个判断矩阵的权重向量并进行一致性检验,对于一致性差的判断矩阵予以舍弃。对每位专家的判断矩阵的权重向量进行汇总后,运用权重向量综合法,求出综合权重。由于篇幅有限,在此仅对一级指标相对于总目标的权重进行了演算,得出多名专家单准则条件下的综合权重值。
  根据实际需要,认为V1是必须满足的条件,权系数记为∧,根据表2.3的专家咨询结果,进行权重向量的计算,并进行一致性检验。得出衡量条件集V的权系数向量为:
  α=(α2α3α4)=(0.151 0.595 0.254)
  (3)首次评价。利用V1对所给3种备选方案进行首次评价,不满足此条件者即为不可取方案,首次评价后,衡量条件变为:
  Vˊ=(V2,V3,V4)
  α=(α2α3α4)=(0.151 0.595 0.254)
  (4)建立关联函数与计算合格度。由式(3)分别求出关于V2、V3、V4的关联函数为K2(x)、K3(x)、K4(x)。
  关于V2的关联函数为:
  ■
  其中,x表示侦查情况详细度V2,x=1, 2, 3 分别表示火势弱、一般、强。
  关于V3的关联函数为:
  ■
  其中,x表示目标重要性V3,x=1, 2, 3 分别表示大、中、小。
  关于V4的关联函数为:
  ■
  其中,x表示为出动强度V4, x=1, 2, 3分别表示大、一般、弱。
  各方案A1、A2、A3关于衡量条件V2、V3、V4的值分别为:
  V2 (A1) =一般V3(A1) =中V4 (A1) =较低
  V2 (A2) =较弱V3(A2) =中V4 (A2)=较高
  V2 (A3) =较强V3(A3) =中V4 (A3)=较高
  将上述各值分别代入关联函数K2(x)、K3(x)、K4(x)中,得到关联函数值即合格度:
  K2=(K2(A1),K2(A2),K2(A3))=(0.5,1,-1)
  K3=(K3(A1),K3(A2),K3(A3))=(0.75,0.75,0.75)
  K4=(K4(A1),K4(A2),K4(A3))=(-2,2,2)
  (5)计算规范合格度。将上述值K2、K3、K4代入式(4)进行规范化, 得出规范合格度:
  K2=(K11,K12,K13)=(0.5,1,-1)
  K3=(K21,K22,K23)=(1,1,1)
  K4=(K31,K32,K33)=(-1,1,1)
  (6)上述值代入式(5)计算优度。
  方案A1的规范合格度为K(A1)=[K11 K21 K31]T=[0.5 1 -1]T优度为C(A1)= αˊK(A1)=0.416。
  方案A2的规范合格度为K(A2)=[K12 K22 K32]T=[1 1 1]T,优度为C(A2)=αˊK(A2) =1。
  方案A3的规范合格度为K(A3)=[K13 K23 K33]T=[-1 1 1]T ,优度为C(A3)=αˊK(A3)=0.700。
  因C(A2)>C(A3)>C(A1) , 故方案A2最优。
  从以上计算可以看出,方案A2优度性最大,最有利于灭火救援目标的实现,是这三个可行方案中的最佳方案。
  3 结论
  通过研究和比较, 发现可拓方法用于灭火救援指挥决策具有一些特点和优势: 可拓方法是为解决不相容问题和矛盾提出的,为灭火救援指挥决策中指挥员思维过程的形式化描述提供了有力工具, 在救援决策方案生成与评价过程中, 使指挥和参谋人员对问题的考虑更全面、更客观。
  关于权重的确定应尽量切合实际, 可用层次分析法或专家评分的办法给出, 事实上, 评估工作也不可避免出现这样的现象。为了减小这一影响, 可采用数理统计中区间估计理论, 对数据进行必要的筛选, 将误差大的予以删除, 保留误差小的数据, 从而大大地提高了数据的可靠程度。
  以正合、以奇胜、奇正相生,指挥自动化不仅仅是指挥作业工具的现代化, 指挥自动化必须向指挥行为层次、指挥决策与辅助层次、甚至是谋略运用层次拓展。可拓学的理论和方法在灭火救援指挥决策理论和实践中的应用前景十分广阔, 有待进一步研究和探索。
  参考文献:
  [1] 蔡文,杨春燕,林伟初.可拓工程方法[M].北京:科学出版社,1997.
  [2] 蔡文,杨春燕.可拓学的基础理论与方法体系[J].科学通报,2013(13)1190-1199.
  [3] 杨春燕,蔡文.可拓集中关联函数的研究进展[J].广东工业大学学报,2012(2).7-14.
  [4] 姜智睿,姜青山,付爱辰,刘鹏.利用优度评价法评估导弹武器系统作战效能[J].海军航空工程学院学报,2006(4).467-470
  作者简介:于小龙(1987-),男,山东潍坊人,专业方向为消防装备保障指挥,现为中国人民武装警察部队学院研究生二队消防指挥专业在读研究生。
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