基于HTN规划的应急行动方案制定方法及技术

分类号学号511840200678450学校代码10487密级博士学位论文基于HTN规划的应急行动方案制定方法及技术学位申请人：唐攀学科专业：系统工程指导教师：王红卫教授答辩日期：2011.08.31ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringMethodsandTechnologiesforDevelopingEmergencyActionPlanbasedonHTNPlanningPh.D.Candidate：TangPanMajor：SystemsEngineeringSupervisor：Prof.WangHongweiHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei,430074,P.R.ChinaAugust31,2011独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学博士学位论文I摘要非常规突发事件是社会没有或极少经历过的、缺乏对其演化规律知识和处置经验的大规模突发事件。它们往往突然发生，造成或者可能造成严重的社会危害，从而需要社会组织采取行动予以应对，对政府和社会如何采取有效的应急管理手段和措施提出了挑战。目前，非常规突发事件的发生给我国经济和社会造成了严重冲击，带来了巨大的经济损失，并产生严重的社会问题，已成为我国构建和谐社会和实施可持续发展战略的巨大隐患。非常规突发事件影响范围广，强度大，具有多灾种耦合或多类型突发事件同时发生的特征，导致常规防治手段和处置措施失效，应急响应工作无法仅仅依据某个单位的应急预案开展，需要来自多个区域的缺乏合作经验的政府部门和社会单位在短时间内投放应急服务和调用应急资源共同完成。科学和有效的制定应急行动方案是协调多个应急响应参与单位应急行动的基本手段，是非常规突发事件应急管理的核心。其本质是面对复杂的应急态势制定完成事件目标集合的行动方案。非常规突发事件应急响应具有动态性、复杂性和时间紧迫性等特征，对应急管理人员制定应急行动方案提出了挑战。同时，应急行动方案制定决策问题是一类典型的复杂非结构化决策问题，涉及对多个缺乏合作经验的单位的应急领域知识进行选择和重组，采用数学建模和优化的方法难以进行求解。层次任务网络(HierarchyTaskNet,HTN)规划模型按照任务分解法方式搜索行动方案，与应急管理人员制定应急行动方案的思考过程相似，是建模和求解非结构化决策问题的一种有效手段。在将应急指挥中心团队在非常规突发事件应急响应过程中制定应急行动方案的决策过程作为研究对象的基础上，紧紧围绕该决策问题的建模和求解，以知识建模理论和智能规划技术为基础，研究基于HTN的非常规突发事件应急行动方案制定方法及技术，主要研究工作包括以下若干方面。分析非常规突发事件应急行动方案制定的决策主体、决策对象和决策环境及其特征，并从以上三个方面对研究对象进行科学界定。在此基础上，根据应急决策理论相关文献，提出了一种应急行动方案制定决策过程模型，用以描述应急指挥团队制定应急行动方案的决策过程及其行为特征。同时，对该决策过程涉及的相关概念进行形式化定义，为后续研究工作奠定基础。围绕对应急行动方案制定决策过程涉及的异类应急领域知识进行建模的问题，将应急预案文本作为建模对象，研究应急领域知识建模方法。目前，应急预案是分布华中科技大学博士学位论文II于多个单位的非结构化文档，缺乏统一的建模方法，造成对应急预案描述的领域知识进行表示和利用存在困难。根据对应急预案文本组成要素及其结构特征进行分析，在重用现有本体知识模型的基础上，提出了一种应急预案本体模型，并用于对某区域防汛应急预案进行知识建模，开展应用研究。围绕基于智能规划的非常规突发事件应急行动方案制定决策问题的求解，在分析应急响应过程特征的基础上，提出了应急领域HTN规划设计需求，并以此为参考框架分析现有智能规划模型存在的不足。在此基础上，本文设计了一种anytime时态HTN规划器，用以支持应急指挥团队制定应急行动方案。该规划器按照anytime原则展开搜索，能够在任意时刻中断并输出方案，且随着规划时间延长逐步改进方案质量。另外，该规划器是一种基于状态的前续HTN规划模型，按照非回溯的方式展开搜索过程，能够有效模拟应急管理人员制定应急行动方案的决策逻辑。同时，设计了一系列在规划过程中选择当前搜索节点的启发式算法，用以改进应急行动方案制定规划过程的效率。为解决HTN规划器应用于支持应急行动方案制定决策过程存在的领域知识难于建模的问题，提出了一种将应急预案本体模型转换为HTN规划器知识模型的转换算法。同时，设计某区域洪灾转移案例，并开展了一系列实验，用以评价该规划模型的有效性和实用性，实验结果证明：该HTN规划器能够满足本文提出的所有设计需求。昀后，基于应急领域HTN规划器，设计了一种应急行动方案制定决策模型，用以支持应急管理人员制定应急行动方案。该模型按照集成规划与执行的原则，在规划过程中对完成高优先等级事件目标的任务优先执行规划求精操作，并能够在规划过程产生完全行动方案前开始执行过程。同时，针对应急响应过程中事件目标动态识别等特征，提出了一种带优先级的异步事件目标处理算法，能够优先处理高优先等级事件目标，机会性处理低优先等级的事件目标。关键词：非常规突发事件；应急决策；应急行动方案；本体；知识建模；层次任务网络(HTN)规划；决策模型；异步事件目标华中科技大学博士学位论文IIIAbstractUnconventionaleventsareextremeeventswhichoursocietyhasneverorrarelyundergo,andlacktheknowledgeoftheevolutionallawanddisposalexperience.Theyoftenbreakoutsuddenly,causeormayresultseriousharmfulnessforoursociety.Therefore,itisneededtotakeactionsforhandlingthembythesocietyorganizations.Additionally,theychallengetheabilityofgovernmentsandoursocietyfortakingeffectiveemergencymanagementmethodsandmeasures.Inthecurrenttime,unconventionaleventshavebroughtsevereshocktoeconomyandsocietyofourcountry,leadtotremendouseconomiclosses,andcauseserioussocialissues.Meanwhile,theyhavebecomethehugehiddenriskstobuildaharmonioussocietyandimplementsustainabledevelopmentstrategyinourcountry.Unconventionaleventshavethepropertiesofwidespreadimpactingareasandhighintensity,andinvolvemultiplecouplingdisastersormultipleincidentswhichhappensimultaneously.Allofthemleadthatthenormalmethodsforpreventingandcontrollingincidentslosestheireffects.Additionally,theemergencyresponseprocesscannotbedeployedandimplementedaccordingtotheemergencyoperationplansofasingleagencyindependently.Itneedsmultiplegovernmentdepartmentsandsocialunitsfromdifferentareasandwithnocollaborationexperiencetoprovideemergencyservicesandscheduleemergencyresourcesforaccomplishingtheemergencyresponseworktogetherinthelimitedtime.Developingemergencyactionplansscientificallyandeffectivelyisthebasicmeanstocoordinateemergencyactionsofmultipleagenciesparticipatingintheemergencyresponseprocess.Itisthecentraldecisionprobleminunconventionaleventsemergencymanagement.Theessenceistodeveloptheemergencyactionplansforachievingtheidentifiedincidentobjectivesfacingthecomplexemergencysituations.However,unconventionaleventsemergencyresponseprocesshasthecommoncharacteristics,suchasdynamic,complexityandtimepresses.Allofthemchallengethedecisionmakingabilityofemergencymanagersfordevelopingemergencyactionplans.Additionally,theemergencyactionplandevelopingproblemsaretypicalcomplexandunstructureddecisionproblems.Theproblemsolvingprocessinvolvesselectingandrestructuringheterogeneousemergencydomainknowledgeofmultipleagencieswithnocollaborationexperience.Traditionalmathematicsmodelingandoptimizationmethodsarehardtohandlethem.Hierarchytasknetplanningparadigmsearchesactionplansbydecomposingtasks.Thatissimilartothethoughtprocessofemergencymanagerswhiledeveloping华中科技大学博士学位论文IV