基于OODA环的城市内涝灾害应急联动体系建模

暴雨内涝是由于长历时降雨或瞬时大暴雨导致地面雨量过多,以致地势低洼区域的积水不能及时排除而造成的灾害[1],是洪涝灾害的一种。暴雨内涝有一个量变到质变的过程,它与城市排水系统的构成状况密切相关。暴雨内涝往往发生在城市,由于城市的快速发展,频发的内涝灾害给城市造成的损失日益加重;而同时,城市对内涝及其衍生灾害的应对能力愈发脆弱。

目前,国内外在研究城市内涝灾害应急联动(即应急服务联合行动)体系时,普遍建立了统一的指挥调度平台[2],提出了诸如基于兵棋推演的应急管理法[3]、时间操纵法[4]等,但这些方法在应急联动中仍存在不足,主要表现在对系统的整合力度不够;过程松散,不稳定;机制缺乏系统性。综合历年各大城市的内涝灾害,发现该类灾害具有突发性强,来势猛烈;点多面广,救援困难;容易引发次生灾害等3个显著特点。因此,城市内涝灾害应急联动体系的建设已呈现出越来越强的现实需求。

本文借鉴军事OODA(Observe-orient-decide-act)环理论,预构建基于OODA环的城市内涝灾害应急联动体系。在OODA环的理论基础上,分析城市内涝的形成机理,进而提出灾害描述模型及应急联动策略,以建立高效的应急联动体系。

而李瑞东除了南北太极融于一身这个颇具争议的说法之外，在别的事情上，他倒没有太大的污点。尤其是在武功修为上，他最出名的一件事情，就是曾经打赢过霍元甲。

1 OODA环

20世纪50年代中期,美国空军上校John Boyd提出了OODA环理论。这一理论被成功应用于海湾战争、尖端武器的研制(如F15等)以及信息化作战指挥系统C4ISR中[5]。近年来,OODA环理论已被应用于商业管理和决策等领域,同时,一些优秀的软件工程师还将OODA循环模型引入软件的开发设计中。

OODA环过程是在一种动态和复杂的环境中进行,通过观察-判断-决策-行动4个环节,不断地循环和更新执行。由于外界环境随时可能发生变化,因此,必须将决策阶段和执行阶段的信息及时有效地反馈至观察阶段,重新开启OODA的循环过程,从而实现从“信息优势”向“行动优势”的转化。OODA环过程如图1所示。

将信号采样后已按规律排列的各分段信号合路输出，可以在干扰时段内生成与脉压雷达信号脉冲长度相同的干扰信号。

废水流入絮凝池B，加入絮凝剂使沉淀聚集成大颗粒，废水流入斜管沉降池B，沉淀物沉入沉降池的底部。用污泥泵将沉淀物抽入板框式压滤机，压滤后得到滤渣。滤渣送到有资质的厂家处理。滤液又回到废水调节池。

  

图1 OODA循环过程

2 城市内涝应急方案总体分析框架

近年来,频发的城市内涝灾害已经严重影响城市居民的生命财产安全。如何科学、快速、高效地处置城市内涝灾害已成为重要研究课题之一。本文拟在OODA环理论的基础上,阐述城市内涝灾害的形成机理,建立灾害形成模型,进而提出基于OODA环的城市内涝灾害应急体系,其中包括指挥流程、联动协同和处置措施,为参与城市内涝灾害应急指挥的消防等部门提供参考,以期在灾害发生时最大限度地发挥作用。

本文城市内涝应急指挥流程框架大致分为救灾准备阶段、救灾实施阶段和善后处理阶段,如图2所示。

3 基于OODA环的内涝灾害应急指挥体系

在城市内涝灾害的应急响应过程中,内涝灾害指挥中心根据气象中心监测到的实时数据,分析判断内涝灾害的形成定位,做出相应的决策预案,指挥消防等相关部门实施应急行动。通过分析整个内涝灾害应急指挥的过程可以看出,该过程遵循观察-判断-决策-行动的OODA循环过程。基于OODA环的内涝灾害应急指挥响应环如图3所示。

从信息流的角度对基于OODA环的内涝灾害应急指挥过程进行分析,将Observe过程抽象为地理信息及历史灾害数据等监测与整理模块,对待处理的数据进行标准化处理,以便进一步分析。Orient模块对采集到的数据信息进行分析处理,并利用演绎推理方法对新的未知数据进行挖掘判定。Decide模块的主要任务是对数据融合与分析的结果做出解释,得出合理高效的决策方案。Act模块根据决策方案,到达现场进行内涝灾害应急处置,并将信息及时有效地反馈到观察模块,循环往复地执行OODA的4个模块。

  

图2 基于OODA环的应急指挥流程框架

  

图3 基于OODA环的内涝灾害应急指挥体系

3.1 监测预警

根据城市地理信息系统及气象信息,结合历

年灾情数据,监测出城市内涝灾害可能发生的时间、地点。此过程是整个灾害应急过程中最简单的阶段,但却很容易被忽略,因此使得城市在应急内涝灾害时措手不及,造成损失超出预期的后果。

随着城市的发展,城市化引起的城市“热岛效应”和“雨岛效应”增加了城市降雨的频率与强度,是城市暴雨内涝的直接诱导因素。从产流过程上看,城市高密度的硬化地面阻碍了降雨下渗和渗透过程,提高了地表的产流系数,加大了地表径流量;从汇流过程上看,大部分地表径流通过社会水循环由排水管网汇集到河道,增加了汇流的水力效率,导致河道洪峰流量增大,峰现时间提前[6]。

单个OODA循环能够满足部门内部的工作指导需求,在突发事件发生时,单个部门的职责很明确,且能够按照OODA的指导思想处置面临的迫切问题;部门内部的协调主要依据部门内指挥专家,通过OODA的思想将明确的任务分配到每个人,利用个体工作的独立优势完成任务[9]。

将监测阶段得到的信息进行融合和处理,综合分析内涝灾害的具体位置和灾情等级。若发生一般性灾情,采用一般处置方法对城市进行恢复处理。如果由于长时间持续暴雨导致灾情加重,需要启动应急处置过程,迅速组织相关人员及部门成立应急指挥小组,制定初步的应急计划。为有效地在可控时间内预测内涝灾害的形成,在已有的GIS空间分析技术基础上预构建一个简单的数学模型,以降雨量作为输入数据,计算产汇流的过程,判断内涝的形成时间点。

  

图4 城市水循环系统

同时,城市功能区规划不合理、排水管网设计标准偏低、雨水回收利用等基础设施不完善以及防洪调度管理水平不高等人为因素,也是造成城市内涝的重要因素。

农业，为民生之本。当各种各样的农田作物成为人们的盘中餐时，被弃用的农用地膜的去向却成了一大难题。因为不可降解且回收成本逐年增加，年复一年，农民们只能任由废弃的农膜堆在田间地头，随风漫天飞舞，白色垃圾贻害万年。

3.2 判断定位

综上所述,由图4所示的城市水循环系统可见,城市内涝灾害的形成并不是突发现象,而是一个存在缓冲时间的过程,简而言之,是城市水循环极端现象的表现。

降雨量是模型中的主要驱动变量,是内涝灾害模型计算中最重要的输人数据。而地表上一个基本的水文单元的径流过程是由降雨、植被截留、雨期蒸散发、滇洼和下渗几个过程的组合来控制。因此,从降雨开始到任一时刻的产流过程可表示为

Rs(t)=idt-indt-edt-sddt-fdt

(1)

式中:Rs(t)为t时刻地面径流深,i为降雨强度,in为植被截留率,e是蒸发率,sd是填洼率,f是下渗率。其中,下渗对地面产流过程起决定性作用,为简化计算,地面产流过程可表示为

（3）是否有提出反对意见。在某些错误中，执行人对于上级领导或者其他制约主体提出的方案无法拒绝执行，在一定程度上存在着客观不能。在这些情形中，需要观察和研究具体的事由以及是否有提出反对意见、反对意见的大小、与危害结果发生之间的因果关系大小进行综合判断，而非一概地进行否定和追责。

通过对OODA环过程的分析可以发现,城市内涝灾害应急响应中的监测预警、判断定位、预案生成和应急处置的过程恰恰构成了OODA环中的4个基本要素。因此,可以将OODA环理论引入城市内涝灾害应急联动指挥过程中来应对复杂多变的内涝灾害,提高整个应急指挥过程的效率,缩短处置时间。

(2)

对式(2)进行微分,得到

 

(3)

从式(3)可以看出,当i>f时,将会有径流产生,反之则没有。当城市的排水能力不能满足降水量时,也正是内涝逐渐形成的过程。建立该模型的目的在于有效地判定出城市内涝灾害的地理区域及其灾情等级,为后期城市内涝的应急提供操作可行性依据。

3.3 预案生成

根据判断阶段得出的结果,启动应急辅助决策系统,通过检索应急预案库和专家组商议,综合生成应急处置方案。在预案生成过程中需要不断地修正和审核,根据灾情信息及时做出调整。针对不同时间段的灾情程度,在可预测的灾情范围(II级)和不可预测的灾情范围(I级)内启动相匹配的应急预案,其中各部门的应急联动协同作用不可或缺。

本文提出的应急联动体系在组织结构上由指挥领导机构、协调办事机构、警务机构、灾害监测机构、后勤保障机构、专家库等部门组成[7],具体结构和分工如图5所示。

民间早已对花椒精油所含有的抑菌作用进行了应用，如为防止米生虫和抑菌，常用花椒水来浸泡米的布袋，该方法能让大米平安度夏。祝瑞雪等[25]将花椒精油用于食物的防腐，这是出于他们对汉源花椒精油进行的研究，得出当质量浓度不是很高的情况下，汉源花椒精油对常见的食品腐败菌具有比较明显的抑制作用。龚佑文等[26]研究了花椒精油对水稻纹枯病菌形态以及对细胞壁降解酶的影响作用，将精油对水稻纹枯病菌的菌丝生长较明显的抑制作用用在了灭菌上。

山区农村居民点分散和集聚是一个自然而然的过程，因此应充分尊重村庄在社会发展中的变化及其所处的阶段。该村在发展中也总结了很多实践经验：①渐近式的迁村并居工程，其能够全面优化农民的生活水平，对农民升级转型有着十分积极的意义。②生计转型帮助农民摆脱了对土地的依赖，对分散和闲散的土地进行有效整合，可促进山区特色农业产业规模化的发展。③在山区农业产业发展的过程中要充分尊重与保护当地地域空间的特色，结合当地的实际特点，这样才能更好地满足村庄人口结构的需要，与劳动力水平相适应。

  

图5 城市内涝灾害应急联动系统组织构成

由图5所示的应急联动体系可见,在危机发生时,通过建立统一的指挥中心,借助通讯网络系统和集成信息,将医疗、消防、交通等各应急部门整合在一个有机系统中,从而实现不同应急联动单位之间的配合和协调,以便采取高效快速的联合应对行动,应对内涝灾害危机[8]。

考虑到内涝灾害的应急联动需要协同响应,应急联动体系往往需要多个应急单元系统的配合。于是,应急体系应该包括许多应急协同单元的OODA复合模型,即将单个应急协同单元的OODA模型通过复合叠加与扩展交联生成新的协同OODA模型,应急单元之间可通过网络与信息进行交联,协同互助,形成整体应急合力,达到应急效能或体系能力倍增的效果。

3.4 应急处置

根据应急处置方案进行消防抢险、武警抢修和医疗救护,组织其他相关部门赶赴现场进行应急处置,并对现场实施必要的管制,保证整个应急行动高效有序地执行。在应急处置过程中需要不断地将应急处置信息反馈到内涝灾害指挥小组,对事故态势的发展做出合理的预测和评估,及时对方案做出调整和优化。事故处理完成后开展善后工作,要针对此次城市内涝灾害应急的实施情况进行综合评审,同时可以将此次处置信息制成预案,为以后的内涝灾害应急工作提供指导和参考。

4 基于复合OODA环的内涝灾害应急联动体系

应急处置是一个多部门、多工种、多设备协同发挥作用的过程,由于涉及人员较多,人员间缺乏明确的层次分工,工作职责在突发事件的紧急情况下难以准确划分,导致部门间协调不一致,处理事务的职责不明确,部门间联动收益较差,还可能出现互相推卸责任,应急效能出现1+1<2的情况。若各部门没有统一的协同联动工作,将关键的应急时间浪费在了职能分配、相互协调、信息互通等一系列次要任务上,将延误最佳救援时机,导致受灾群众和经济损失增加。

为抓紧关键应急处置时间,解决部门间责任不明确,分工不彻底等问题,本文基于从OODA环思想所获得的应急指挥流程框架,提出了复合OODA循环的内涝应急联动体系,以使应急处置的协同能够快速有效地进行。本研究称之为基于复合OODA环的内涝灾害应急联动体系,如图6所示。图6中,A为通信指挥单位,B为消防单位,C为医疗单位。

（3）有很多巨型的大额的基础建设项目的成本不能及时抵扣，物流公司各大行业在各个地方与当地的政府或者其他的一些相关利益企业合作，修建货物中转储备需要用到的房屋和建筑，这些建筑占地面积一般比较广，修建的时间周期比较长，所需要的建设资金也非常大，在营业税改增值税的方案施行的期间，未彻底完工形成固定资产只是在建工程时不能够及时进行抵扣，这又在无形之中增重了企业缴纳税收的负担。

首先,通过城市地理信息以及观察城市气象进行信息检测,及时获取暴雨的实时信息,然后根据内涝灾害描述模型结果大致获得城市内涝的形成时间点,识别灾害并定位,判断出各个时间段的灾情等级并下达命令给各应急指挥中心,从而进行决策内涝灾害的救援以及应急处置的方案。当灾情减轻时,相关部门进行应急恢复,并及时反馈到气象监测系统进行重新实时监测,总结分析。

Rs(t)=idt-fdt

学生管理队伍建设力度不足。对于学生人数相对较小的学院，学院的师生配比问题尚未显现，但对于学生人数相对较多的学院，这种矛盾则体现的较为全面。学生工作细碎而繁杂，管理人员的精力难以全面覆盖。管理队伍建设滞后的问题不但表现在管理教师人数严重不足，同时也体现为管理教师综合素质不高与年龄结构失衡，具体表现在从事对口专业的管理人员不足、管理人员年龄偏大、管理激情减退等方面，这个问题不利于学生管理信息化工作的推进。

  

图6 基于复合OODA环的应急联动体系

5 案例分析

5.1 基于OODA框架的应急联动体系想定

A城市地处我国南部,属于亚热带海洋性气候,雨量充沛,多年平均降雨量约1 900 mm。本文针对该市某一雨季期间构建应急联动模型。基于该模型,以某年该季节城市内涝灾害应急管控为例,结合随机Petri网建模方法展开仿真研究。

Petri网是一种适用于多种系统的图形化和数学化的建模工具,为描述和研究具有并行、异步、分布式和随机性等特征的系统提供了强有力的手段[10]。Petri网可以通过数学分析的方法来描述和分析系统的行为,既能针对模型结构进行静态分析,又能针对模型中的行为进行动态分析,因而在实际中得到广泛应用,特别是在一些具有不确定性、并发性和资源共享问题的领域[11]。本文中Petri网仿真模型根据内涝灾害应急响应环对应急流程进行分析并构建应急联动体系,主要涉及联动单元有武警、消防、医疗、卫生、通信指挥等部门。具体内涝灾害应急行动管控流程如图7所示。

  

图7 A城市内涝灾害应急流程

复合OODA循环能够满足部门间的协同工作联动,完善部门间的协同信息共享、部门间的协同调整、协同综合决断和协同联合行动,改善现有部门间协同应急遇到的困难,激发协同联动部门之间的潜力,做到应急效能1+1>2的涌现效果。该复合OODA循环理论可为多个不同部门的协同工作提供应急指挥与决策的支持,特别地,在部门数量越多时,复合OODA循环更能体现其优势。

由于我国公共交通行业的蓬勃发展，公路大中修养护工程逐渐引起大众广泛关注，通过不断提升我国大中修养护水平，能够更好的延长公路使用时间，降低道路交通事故的发生次数与概率。目前我国公路大中修养护过程之中，仍然存在很多问题需要解决，本文主要研究公路大中修工程养护要点。

5.2 基于随机Petri网的应急流程建模

考虑到城市内涝灾害应急联动演习过程中存在冲突死锁的现象,需要对演习流程体系的流畅性进行研究分析,时间因素是应急指挥救援过程中重点关注的性能指标,故采用随机Petri网的建模方法较为合适[12]。由于整个指挥流程庞大且复杂,为便于后续计算,将重点对OODA中观察和执行模块进行建模分析。相应的应急指挥流程图构建的Petri网模型如图8所示。模型中的各库所和变迁含义如表1和表2所示。

  

图8 A城市内涝灾害应急联动Petri网模型

 

表1 模型库所含义

  

库所库所含义库所库所含义库所库所含义库所库所含义p1应急演习开始p2灾情信息获取p9医疗部门就位p10消防抢修结束p3信息处理结束p4灾情反馈结束p11指挥救援完成p12医疗救护完成p5判断灾情完成p6II级救援结束p13准备扩大救援p14现场恢复开始p7消防部门就位p8指挥部门就位p15处理善后结束p16救援总结结束

 

表2 模型变迁含义

  

变迁变迁含义变迁变迁含义变迁变迁含义变迁变迁含义t1灾情接警t2信息接收处理t7开展抢修工作t8指挥救援工作t3灾情等级判断t4II级应急预案t9进行医疗救护t10事态评估t5处置工作完成t6I级应急预案t11进行现场恢复t12善后总结

5.3 仿真分析

首先针对5.2节构建的Petri网模型进行合理性验证,通过仿真软件PIPE(Platform indepen-dent petri net editor)构建模型框架,仿真结果如图9所示。从图9仿真结果可以看出,构建的Petri网模型框架满足有界性、安全性以及无死锁,这为后续基于OODA的应急框架应用提供了稳定支持。假设模型中各变迁的发生时间为一随机变量且相互独立,并服从负指数分布,结合历次典型案例数据统计确定模型的各变迁的平均发生时延,如表3所示。

根据图9可达标识集中的15个状态,将被触发的变迁作为有向边,得到与其同构的马尔可夫链,如图10所示。

  

图9 应急联动Petri网模型仿真结果及可达标识集

 

表3 变迁平均发生时延

  

变迁发生时延/min变迁发生时延/min变迁发生时延/min变迁发生时延/mint15t210t7120t8120t32t410t960t1040t515t65t1110t1220

  

图10 随机Petri网模型的马尔可夫链

设马尔可夫链中n个状态的稳定状态概率是一个行向量X=(x1,x2,…,xn),则根据马尔可夫链过程有下列线性方程组解此方程组,可得到每个可达标识的稳定概率P[Mi]=xi(1≤i≤n),如表4所示。

其次,计算得到标识的密度函数。对∀s∈S,∀i∈N,令P[M(s)=i]表示库所s中包含i个标记的概率,则可从标识的稳定概率求得库所s的标记概率密度函数如表5所示。

进一步,计算系统变迁的利用率,∀t∈T的利用率U(t)等于使t可实施的所有标识的稳定概率之和。根据求得各变迁利用率,如表6所示,其中E是使t可实施的所有可达标识集合。

 

表4 标识稳态概率

  

P(M1)P(M2)P(M3)P(M4)P(M5)P(M6)P(M7)P(M8)0．020320．040650．008130．013550．021680．020220．086720．00334P(M9)P(M10)P(M11)P(M12)P(M13)P(M14)P(M15)0．001540．081310．214760．052330．000530．32650．1084

 

表5 标识密度函数

  

P[M(P1)=1]P[M(P2)=1]P[M(P3)=1]P[M(P4)=1]P[M(P5)=1]P[M(P6)=1]P[M(P7)=1]P[M(P8)=1]0．020320．040650．008130．991870．013550．020220．32650．16227P[M(P9)=1]P[M(P10)=1]P[M(P11)=1]P[M(P12)=1]P[M(P13)=1]P[M(P14)=1]P[M(P15)=1]P[M(P16)=1]0．02710．380910．545140．680310．292590．10840．081310．08131

 

表6 变迁利用率

  

U(t1)U(t2)U(t3)U(t4)U(t5)U(t6)0．020320．040650．008130．013550．020220．01355U(t7)U(t8)U(t9)U(t10)U(t11)U(t12)0．32650．162270．027090．32650．10840．08131

最后获得系统的平均延迟时间。一个库所集Sj⊆S的平均标记数是Sj中每一个si∈Sj的平均标记数之和,记为则有即流入系统的标记流速λ=R(t1,p2)=W(t1,p2)×U(t1)×λ1=0.004 064。

根据Little规则和平衡原理,子系统的流入流出速率应该平衡,可得系统运行时间为即系统的平均工作时间为15 h 25 min。系统平均工作时间是一项重要的性能指标,对评价应急救援流程是否合理具有重要意义。篇幅受限,不作具体过程赘述。

综上仿真实验结果表明,复合OODA在应急联动中起到了交联的作用,减少了部门间重复的信息传输、任务分配以及决策时间,提高了城市内涝灾害的应急效能,为今后城市内涝突发事件的多部门协同应急管理决策提供了理论支持和参考建议。

“这时我已经崩溃、失去理智了”，曾先生承认，当时他就和网上流传的视频中一样，把背包向地下一扔，然后向前扑倒在地上嚎叫，“我当时没有办法思考这种方式是否妥当，我只是想控诉警察的作为，并向路人求助。”也正是在此时，曾先生喊出了类似“快来看，瑞典警察杀人了”等语音，试图吸引路人注意。

6 结束语

本文以城市内涝灾害为对象,结合OODA环理论,分析了应急联动体系建模中各环节技术,提出了基于复合OODA环的内涝灾害应急联动体系,并将OODA环理论扩展应用到应急联动过程的4个重要阶段。最后以A城市内涝灾害为例,用随机Petri网展开流程建模仿真,验证了本文基于OODA的应急联动过程机理的可行性。分析结果表明,所提出的应急联动体系构建及其相关建模技术对提高城市内涝灾害应急能力具有参考意义。

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