化工园区多Agent协同应急智能决策体系

2021-08-21陈培珠陈国华周利兴门金坤

化工进展 2021年8期

陈培珠，陈国华，周利兴，门金坤

（1华南理工大学安全科学与工程研究所，广东广州 510640；2广东省安全生产科技协同创新中心，广东广州 510640）

科学的应急响应能够有效降低化工园区突发事故所带来的损失，这是一个多任务、多阶段的应急决策过程[1-2]。目前，针对化工园区突发事故应急决策的应急救援和应急疏散的优化模型、路径规划、应急平台开发等研究已经相对成熟，但这些研究通常侧重于单一应急响应阶段的特定决策内容，如应急救援仿真与物资调度[3-5]、应急疏散人员行为仿真及优化[6-9]、应急出救点与应急避难点选址[10-12]、应急决策优化算法[13-16]以及应急决策平台的软硬件开发[17-19]。然而园区应急响应过程涉及多部门、多Agent的协同，仅考虑单一Agent优化结果难以保障应急决策的科学性。2015年4月6日，漳州古雷港石化区发生爆炸事故，应急响应过程中发生道路拥堵，致使后续应急救援设备难以准时抵达现场[20]。2019年3月21日，江苏盐城响水化工厂发生爆炸事故，16h后现场应急救援车辆发生拥堵，消防车辆排起长队参与应急救援[21]。上述事故中均存在缺乏考虑应急救援、应急疏散等多Agent协同规划的问题。因而，有必要考虑应急响应全过程，研究园区多Agent协同应急智能决策模型及其生成技术。在前期提出的园区内部应急响应期的路径优化决策方法基础上[22]，从全过程理论角度构建化工园区三层多Agent协同应急决策体系，研究化工园区应急响应的时空变化关系，对化工园区企业应急响应期、园区内部应急响应期、园区内外协同应急响应期3个阶段的智能决策内容进行分层、分组研究，为完善化工园区应急决策体系，提高指挥决策的水平奠定基础。

1 化工园区应急响应全过程流程与时空特性

依据《中华人民共和国突发事件应对法》（中华人民共和国主席令第69号）、《生产安全事故应急条例》（中华人民共和国国务院令第708号）、《生产安全事故报告和调查处理条例》（中华人民共和国国务院令第493号），生产安全事故应急响应通常分为4个等级：Ⅰ级（特别重大）、Ⅱ级（重大）、Ⅲ级（较大）、Ⅳ级（一般）。不同的响应级别，其响应范围不同。Ⅰ级应急响应对应国家分级标准确定的特别重大安全生产事故，或超出省级行政区、跨领域的生产安全事故，由国务院安委会参与应急响应。Ⅱ级应急响应对应国家分级标准确定的重大生产安全事故，或超出市（地、州）应急处置能力的事故，由省政府参与应急响应。Ⅲ级应急响应对应较大生产安全事故，或超出县级（区级）应急处置能力，由市政府参与应急响应。Ⅳ级应急响应对县区级一般生产安全事故，超出街道或独立企业应急处置能力，由区级参与应急响应。

针对化工园区，生产安全事故应急响应最小一级的单位为园区内企业。为针对性地分析不同应急响应等级对应的园区应急决策内容，可将化工园区生产安全事故应急响应拓展为五个等级：Ⅰ级（特别重大）、Ⅱ级（重大）、Ⅲ级（较大）、Ⅳ级（一般）、Ⅳ级以下（企业内部）。其中，Ⅳ级以下指街道或企业内部可以自行应急处置的安全生产事故。根据分级，化工园区生产安全事故应急响应全过程流程如图1所示。

由图1可知，化工园区应急响应在时空方面存在动态性与层次性的特点。由于园区事故的不确定性，化工园区应急响应等级可能动态从企业内部应急响应扩展至园区内部应急响应，甚至升级为园区内外协同应急响应。在发生生产安全事故时，企业人员首先启动企业内部应急响应，在判断事故无法由企业自行处置时再将信息通过专用通信网络发送至园区管委会，由其判断是否继续上报，并启动相应等级的应急预案。若为Ⅳ级以下应急响应等级，由企业自行组织应急响应，其应急决策包括：应急救援以及将人员疏散至企业集结点。若为Ⅳ级的应急响应等级，由园区管委会指挥部门根据应急预案迅速组织企业集结点人员进行应急疏散，同时调度园区内消防、维修、环境监测、交通管制等部门进行应急响应，并根据事故发展动态实时对应急预案进行修正，提高应急响应的有效性，尽可能降低事故损失。若为Ⅳ级及以上应急响应等级，则涉及内外协同决策，由园区管委会配合上级领导进行应急响应。这其中，化工园区每一个等级的响应过程，都有相关应急部门进行统筹负责，形成信息和任务的上传下达效果。在化工园区应急响应过程中，上级部门与下级为发布任务、收集信息关系，同级内部不同救援任务的部门之间为平等、协同关系。

图1 化工园区生产安全事故应急响应全过程流程

此外，化工园区应急响应在空间发展方面还存在冲突性与协同性。应急救援与应急疏散是化工园区内部应急响应阶段与园区内外协同应急响应阶段的主要应急决策。在同一化工园区应急响应阶段中，应急救援与应急疏散工作往往不相互独立，而是同步进行。在应急响应阶段的应急救援与应急疏散行为追求的是系统应急决策的目标达到最优。如总的疏散与救援路径最短、疏散救援加权时间最短等，二者都是在同一个协同优化目标之下开展各自的工作，通过系统协调达到最优。在实际的模型构建过程中，要充分考虑二者对于目标的协同性，要在模型中将二者统一联系起来考虑。

2 化工园区多Agent协同应急智能决策体系构建

2.1 化工园区多Agent协同应急智能决策体系构建思路

首先对多Agent系统（multi-agent system，MAS）3种结构的分析，构建基于混合式多Agent的化工园区应急智能决策体系架构。其次，将化工园区应急响应过程中各个应急响应阶段分解为不同的Agent组别，并定义每个组别内的任务Agent。再次，结合应急响应多Agent要素，对园区企业内部应急响应期、园区内部应急响应期、园区内外协同应急响应期3个阶段内不同组别、不同任务的Agent所组成化工园区应急智能决策的MAS系统进行要素分析。最后，对园区应急响应多Agent信息流动与共享关系进行梳理，建立基于应急响应全过程的化工园区应急智能决策模型多Agent协同模式。

2.2 基于混合式的多Agent化工园区应急智能决策体系框架

2.2.1 体系架构

MAS是由多种Agent形成的松散耦合的网络系统，这些Agent通过信息共享与数据协同最终完成任务。与常规系统相比，MAS具备自主性、分布性和协调性等优势，并能够进行自主学习，通过案例或逻辑推理实现计算结果的优化，实现智能决策[23]。在MAS内，所有Agent之间是独立、平等、互联互通、互相协作的。依照协同机制，MAS主要包括分布式、分层式、混合式3类组成形式[24]。混合式中，融合了分布与分层两种结构，将MAS分为多个组，但底层Agent之间存在数据的信息沟通，可以自行进行资源的调取与决策，提高了系统的自主性。使用MAS构建化工园区应急智能决策机制具有一定的可行性，应结合园区应急响应动态性、层次性、冲突性与协同性的特点，选择混合式MAS结构，构建多Agent化工园区应急智能决策体系。其体系架构如图2所示。

图2 混合式MAS结构

2.2.2 多Agent构成要素

（1）多Agent要素分层分析根据MAS系统原理，按照化工园区应急响应的层次性将决策模型设计为3层的逻辑架构，即应急指挥层、应急任务层、应急任务执行层。所构建化工园区三层多Agent应急智能决策模型具体结构如图3所示。

图3 化工园区三层多Agent应急决策模型

根据应急任务内容，决策模型又分为多个任务小组，每个任务组由1个决策Agent、1个任务Agent与多个执行Agent组成。在底层执行Agent中存在组内与组间的信息共享与任务协同。受化工园区应急响应动态性的影响，模型内各Agent要素也在动态变化。化工园区三层多Agent应急决策分层见表1。

表1 化工园区三层多Agent应急决策分层

（2）多Agent要素分组分析园区应急响应的企业内部应急响应、园区内部应急响应、园区内外协同应急响应3个等级具有动态时间规律。对于Ⅲ级及以上的化工园区应急响应，均需按照时间顺序经历这3个阶段。为此，应用混合式MAS系统的分组理念，将化工园区多Agent应急智能决策模型中的应急任务层分为3组，组内应急决策Agent及对应的多Agent要素如图4所示。

图4 化工园区应急智能决策MAS系统分组情况

结合分层与分组分析，对化工园区多Agent协同决策的具体要素进行分析，如下所示。

（1）应急指挥层园区企业内部应急响应等级的应急指挥层为企业安全管理负责人，反映到可操作上为园区企业应急预案；园区内部应急响应的应急指挥层为化工园区应急管理的决策者，反映到可操作上为应急决策系统；园区内外协同应急响应的应急指挥层为国务院、省、市各级政府相关负责人，反映到可操作上为各级政府应急平台。通过应急指挥层，将应急响应目标任务分解为不同的应急子任务集合，对应不同的应急任务，选取最优解。以天津港“8·12”爆炸事故为例，结合现场处置需求，将现场救援分为灭火、现场勘查、人员搜救等子任务。以园区内部应急响应为例，在园区内包括应急救援与疏散路径规划、资源调度等子任务。

（2）应急任务层应急响应子任务分为简单任务（不可分解）、复合任务（可分解），反映到可操作上是各个应急响应任务的优化目标。以化工园区内部应急响应为例，主要包括应急出救点、应急避难点选址模型、路径优化模型、双向应急救援与应急疏散模型应急救援资源入园模型等。

（3）应急任务执行层执行层的多Agent部门，是化工园区三层多Agent应急智能决策模型的底层Agent单元。化工园区生产安全事故3个应急响应阶段内，应急任务执行层在园区企业内部应急响应期的Agent为企业内员工（EP）Agent。在园区路网中存在4类Agent：在园区内部应急响应期，包括园区内的应急救援（ERB）Agent和应急疏散（EE）Agent，其分别代表应急救援车辆及人员与应急疏散人员；在园区内外协同应急响应期，包括园区外的应急救援Agent进入园区（OERE）和园区内的应急救援Agent离开园区（ERBL）。

2.3 基于应急响应全过程的多Agent应急智能决策体系内容

突发事件发生发展的时间和空间因素信息是应急智能决策体系的关键参数，根据化工园区三层多Agent应急决策模型，分析基于应急响应全过程的化工园区多Agent应急决策时空变化关系，如图5所示。以化工园区事故后果P、事故发生时间t、应急响应范围S为三个维度。定义f(P,S,t)函数表征化工园区多Agent的应急响应阶段，如式(1)。

图5 基于应急响应全过程的化工园区多Agent应急决策时空变化关系

式中，S(ti)为ti时刻的应急响应范围；f1为企业内部应急响应阶段；f2为园区内部应急响应阶段；f3为园区内外协同应急响应阶段。S1为企业内部；S2为化工园区内部；S3为化工园区内外。

对应急响应阶段进行取整设计，在图5中，由S(ti)、P(ti)、ti三个参数确定的f(P,S,t)位于某个三维空间内，均可取整为该响应阶段的值。即，在事故后果P(ti)随时间ti变化的过程中可能对应一种或多种应急响应等级。

根据事故发展规律可知，S(t)与P(t)随时间变化的过程属于正向互相关关系。结合互相关函数定义，定义RPS(τ)为互相关函数，如式(2)[25]。

式中，T为两个时间的长度；τ为时间间隔。

结合时空变化关系，梳理3个应急响应生命周期内的多Agent应急决策内容，如图6～图8所示。

图6 园区企业内部应急响应期三层多Agent应急决策内容

图7 园区内部应急响应期三层多Agent应急决策内容

图8 园区内外协同应急响应期三层多Agent应急决策内容

3 化工园区多Agent应急智能决策体系的信息共享与协同

3.1 多Agent信息共享关系

三层应急决策体系中多Agent的关系为信息的供需求关系，多Agent在应急决策过程中的信息请求，委托执行的双向关系，如图9所示。

图9 化工园区多Agent应急决策信息关系

图9中各个流程中的信息是流通的，由平台收集事故信息与多Agent部门反馈的应急响应现状信息，再进行协同决策。所给出的动态应急协同决策方案，由不同应急响应期决策模型进行任务分解。采取通用的黑板系统进行多Agent之间的通信，如图10所示。不同应急响应期的组间应急决策Agent进行通信时，需将数据写入黑板，再由另一个应急响应期应急决策Agent读取数据，不同层间的任务执行Agent则向组内读取信息。

图10 黑板系统多Agent信息共享通信方式

3.2 多Agent协同模式

结合化工园区多Agent应急智能决策模型中多Agent的信息共享通信方式，构建园区3个应急响应阶段全过程的多Agent系统结构，如图11所示。

图11 化工园区应急响应全过程多Agent的系统结构

依据协同学理论，多Agent的协同模式是通过作用范围内信息逻辑关系自组织形成的[26]。多Agent行为采用离散事件状态模型（discrete event state model，DESM）进行协同[27]。结合图9的任务分解关系，将构建的园区应急智能决策模型中的多Agent协同模型定义为一个五元组［式(3)］。

式中，D为应急决策Agent，负责决定应急决策方案；Fn为一个映射，指代企业内部f1、园区内部f2、园区内外f3三个多Agent组别的应急响应任务；M为应急智能决策多Agent模型集；A为执行任务层Agent；R为应急决策方案集，与应急响应任务相对应。则有式(4)。

根据式(4)，分析3个应急响应期组别之间的协同关系，如图12所示。

图12 化工园区应急响应全过程多Agent的信息共享与协同关系

由图11与图12可知，在化工园区应急响应全过程中，各个Agent通过信息共享的方式获取上一级的信息，用以计算自己的决策方案，并将其传递给下一级。在单一应急响应期内，多Agent的信息共享与协同关系如图13～图15所示。其中，园区企业内部应急响应期的多Agent协同为事故发生点向企业疏散集结点、企业救援集结点向事故发生点的流动。园区内部应急响应期的多Agent协同，为多个园区应急出救点向多个企业救援集结点、多个企业疏散集结点向多个园区应急避难点的流动。园区内外应急响应期的多Agent协同，为多个园区外救援力量点向多个园区内企业救援集结点、多个企业疏散集结点向多个园区外应急救援撤离点的流动。

图13 园区企业内部应急响应期多Agent信息共享与协同关系

图15 园区内外协同应急响应期多Agent信息共享与协同关系

基于混合式多Agent结构，每个Agent均包含感知、任务分解、建模、通信与决策生成的模块[28]。通过感知模块对黑板系统请求信息，并对事故信息Agent及模型所需要的其他Agent信息进行抽象处理，将共享信息输入不同组别的多Agent应急决策模型，生成协同决策，再进行任务分配，通过多Agent通信传送至执行任务层Agent。

园区应急任务层的3个应急响应期组别之间及组别之内均存在信息的共享与协同，投射到执行层的应急响应全过程多Agent作用范围内的5类Agent分别为EP、ERB、EE、OERE、ERBL。对作用范围内5类Agent的信息协同进行分析，构建应急智能决策模型多Agent协同模式如图16所示。

图16 化工园区应急智能决策模型中多Agent协同模式

事故演化是一个动态变化的过程，随着事故后果的动态扩展，化工园区应急决策需求也从企业内向园区内，再向园区内外协同升级，形成应急响应多Agent的动态协同与联动机制。园区应急响应过程为多方救援力量协同参战，涉及园区企业内部救援人员、园区内救援部门、疏散调度部门、园区外应急救援力量、园区内外应急决策部门等。本文结合园区应急响应动态性、层次性、冲突性与协同性的特点，使用MAS构建的化工园区应急智能决策模型多Agent协同体系，使得化工园区每一个等级的响应过程，都有相关应急部门进行统筹，达到信息和任务的共享与协同的效果。