李曉亞

（中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院 應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，北京100190）

0 引言

現(xiàn)代文明是由人類與自然組成的耦合系統(tǒng)，呈現(xiàn)出復(fù)雜巨系統(tǒng)的典型特征，越復(fù)雜的系統(tǒng)往往越脆弱，近年來頻發(fā)的突發(fā)事件，不斷凸顯出現(xiàn)代社會對科學(xué)的應(yīng)急管理的迫切需求.在中國建設(shè)和諧社會的目標(biāo)下，社會安全是經(jīng)濟(jì)社會良性發(fā)展和政府管理正常運行的重要前提，應(yīng)急管理則是實現(xiàn)社會安全和穩(wěn)定的必要保障.利用科學(xué)的方法應(yīng)對突發(fā)事件可以降低可能產(chǎn)生的巨大社會經(jīng)濟(jì)損失，減小決策的隨機(jī)性和風(fēng)險程度，避免出現(xiàn)重大的決策失誤，縮小給社會造成的直接和潛在的不良影響.科學(xué)地研究突發(fā)事件的基礎(chǔ)性內(nèi)在演化規(guī)律，有助于政府有準(zhǔn)備地組織各類社會資源科學(xué)地應(yīng)對突發(fā)事件，有助于更加科學(xué)地制訂法律法規(guī)輔助政府進(jìn)行決策，從而提高政府依法行政水平和宏觀管理能力[1].

突發(fā)事件應(yīng)急決策，以多種重大突發(fā)事件為對象，研究利用現(xiàn)代高新技術(shù)手段使重大突發(fā)事件的預(yù)測、預(yù)警、決策、管理工作的系統(tǒng)化、規(guī)律化、實用化、高效化，令其具有高度的適應(yīng)性、靈活性和可操作性，在空間分布廣、涉及部門多、動態(tài)及時間緊迫性強的環(huán)境下，形成突發(fā)事件的預(yù)警、決策、管理平臺.

1 突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的特點

突發(fā)事件發(fā)生前，面對開放環(huán)境下的海量信息，如何快速有效地獲取有用知識，以支持預(yù)警決策？在開放環(huán)境下，隨著突發(fā)事件的發(fā)展，什么樣的預(yù)測或風(fēng)險分析可以未雨綢繆，從而降低不必要的損失？不同主體或潛在受災(zāi)區(qū)域受同一突發(fā)事件的影響程度是不一樣的，并且隨著時間的推進(jìn)，同一主體的受災(zāi)程度也在發(fā)生演變.那么風(fēng)險程度演變的方式是否遵從一定的規(guī)律呢，如何化解其中的不確定性？當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生后，面對不同地區(qū)的救援需求，如何整合規(guī)劃當(dāng)前資源，實現(xiàn)救災(zāi)資源的合理分配？當(dāng)決策者面對某一救援需求，卻發(fā)現(xiàn)面臨的問題本身具有高度復(fù)雜性，很難快速有效地進(jìn)行求解，實現(xiàn)救援服務(wù).這種情況下，如何制定合適的算法策略，來支持決策者的實時決策？

雖然以上這些疑問針對突發(fā)事件中的不同方面的問題，但是它們卻具有驚人的相似性:每個問題都涉及在復(fù)雜和不確定的條件下對一類優(yōu)化問題的求解.而問題本身的復(fù)雜性使得最優(yōu)解的發(fā)現(xiàn)成為一個長期的且有可能永遠(yuǎn)完成不了的過程，這就需要在每一步都盡可能地尋找最好解的過程中，探索有效的算法策略.另一方面，還必須快速降低不確定性，以能夠很快地積累關(guān)于可用的候選方案的知識.

通過以上分析，透過突發(fā)事件的表象，探求突發(fā)事件應(yīng)急決策的難點，即優(yōu)化過程中的復(fù)雜性本質(zhì).以下闡述基于突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)主要具備的四個特點.

1）開放性:開放性是突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的一個重要特點.在信息網(wǎng)絡(luò)時代，突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)不再是一個封閉環(huán)境下的系統(tǒng)，系統(tǒng)面臨的信息平臺是開放的[2].信息服務(wù)平臺要綜合考慮來自遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)與衛(wèi)星通訊技術(shù)、還包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供的各種信息[3].在此基礎(chǔ)上，應(yīng)急決策的制定過程必然要考慮開放環(huán)境下的各種因素參數(shù).

2）實時性:開放的信息平臺要處理海量數(shù)據(jù)的分析、處理、共享與互操作功能.海量數(shù)據(jù)的實時處理，信息的實時更新發(fā)布，是實現(xiàn)連續(xù)決策的基礎(chǔ).應(yīng)急決策支持系統(tǒng)在制定決策時必然要根據(jù)信息數(shù)據(jù)的實時更新，實現(xiàn)決策支持系統(tǒng)中模型與算法的實時計算與決策支持.

3）不確定性:突發(fā)事件應(yīng)急系統(tǒng)不同于其他信息系統(tǒng)，它含有很多不確定性.這種不確定性一是由于系統(tǒng)本身的開放性；二是因為處理突發(fā)事件沒有很成熟的歷史數(shù)據(jù)或者經(jīng)驗來借鑒.另一方面，即使有大量的數(shù)據(jù)或模型來參考輔助決策，仍然要面臨各種可能性與隨機(jī)事件的發(fā)生.

4）連續(xù)決策:突發(fā)事件應(yīng)急決策系統(tǒng)的一個重要目標(biāo)是要實現(xiàn)連續(xù)決策.連續(xù)決策涵蓋了連續(xù)管理[4]、序貫決策[5]以及不斷修正[6]的思想.

在突發(fā)事件應(yīng)急系統(tǒng)中，平衡各種不確定性、可能性和開放信息，來實現(xiàn)實時連續(xù)的決策支持.

2 按需最優(yōu)計算理念的提出

設(shè)計快速有效的算法策略的初衷，是為了提高解決實際問題的效率.當(dāng)然其中要面臨的一個主要障礙是，目前從理論上還沒有一個廣泛的通用的架構(gòu)可以分析這種復(fù)雜性本質(zhì).從突發(fā)事件的決策過程可以看出，不論是“情景－分析”模式、災(zāi)害程度預(yù)警預(yù)報，還是災(zāi)后救災(zāi)資源的調(diào)度協(xié)調(diào)等等，不同的問題都具有不同的結(jié)構(gòu)，因此很多有用的建設(shè)性結(jié)論或模型仍然處于分離的狀態(tài).如何把這些問題的數(shù)據(jù)和解釋協(xié)調(diào)地整合起來，并提供滿足用戶需求實際需求的最優(yōu)算法和策略，實現(xiàn)控制和預(yù)測，在應(yīng)對突發(fā)事件中具有重要的意義.

基于突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)提出“按需最優(yōu)計算”理論.該理論面向突發(fā)事件應(yīng)急決策系統(tǒng)中的開放性、復(fù)雜的、不確定性信息，以提供一種動態(tài)的、實時的、具有按需計算和連續(xù)管理特點的決策支持服務(wù).該理論框架綜合了運籌學(xué)、按需計算、連續(xù)管理、復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)理論:

1）回顧信息技術(shù)發(fā)展的4個階段（數(shù)據(jù)－信息－知識－思想），可以發(fā)現(xiàn)運籌學(xué)在其發(fā)展過程中起到了不可或缺的重要作用，運籌學(xué)不只是數(shù)學(xué)的應(yīng)用，它更是一個卓越的創(chuàng)造，其卓越之處在于人的思維能力，它能就復(fù)雜而看似神秘的自然現(xiàn)象建立起可被理解的模型，從而給人以啟迪與力量.

2）具有按需應(yīng)變能力的網(wǎng)格時代將要成為信息技術(shù)的下一個主流，而網(wǎng)格技術(shù)的精髓就是IBM公司在2002年首次提出的“按需計算”概念[7].在信息技術(shù)行業(yè)，“按需計算”指根據(jù)用戶的需求，動態(tài)地提供相應(yīng)的IT資源.這種按需服務(wù)具有兩種特點:動態(tài)和適量.動態(tài)表示隨時汲取，適量表示不會因買多了而產(chǎn)生不必要的浪費.盡管這一設(shè)想非常有誘惑力，但至今沒有一家IT公司的軟件產(chǎn)品可以真正實現(xiàn)這種按需計算服務(wù).盡管如此，按需計算仍然是信息時代一個不變的理想[8].

3）業(yè)務(wù)連續(xù)性管理（Business Continuity Management，簡稱BCM），是一項綜合管理流程，它使企業(yè)認(rèn)識到潛在的危機(jī)和相關(guān)影響，制訂響應(yīng)、業(yè)務(wù)和連續(xù)性的恢復(fù)計劃，其總體目標(biāo)是為了提高企業(yè)的風(fēng)險防范能力，以有效地響應(yīng)非計劃的業(yè)務(wù)破壞并降低不良影響.相比按需計算概念，連續(xù)管理的提出要更加具體一些，它是企業(yè)管理業(yè)務(wù)過程中針對災(zāi)難性事件所作的一種類似“預(yù)案－反應(yīng)”的管理模式.

4）復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)（Complex Adaptive System，簡稱CAS）理論是遺傳算法之父Holland提出來的.其理念在于提出具有適應(yīng)能力的、主動的個體，可以根據(jù)環(huán)境的變化改變自己的行為規(guī)則，以求生存和發(fā)展.這一理論在自然科學(xué)和社會科學(xué)的多個領(lǐng)域得到巨大反響，推動著各學(xué)科從不同方面對復(fù)雜系統(tǒng)演化過程的仿真，以及規(guī)律的深度探索[9].這里的每一個獨立的個體在系統(tǒng)中都在探索一種個體最優(yōu)的策略，從系統(tǒng)整體的角度，如何設(shè)計競爭規(guī)則，使每個獨立體的最優(yōu)選擇的結(jié)果“加和”，得到對整體優(yōu)化更好的策略.

3 基于突發(fā)事件的按需最優(yōu)計算體系架構(gòu)

基于突發(fā)事件的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，必須依托信息服務(wù)系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)與信息支持.其中，信息服務(wù)系統(tǒng)平臺包含開放環(huán)境下的海量信息存儲與數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)模塊.當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時，信息服務(wù)平臺要完成數(shù)據(jù)、信息資源的查詢計算以及信息資源封裝，以提供給決策支持系統(tǒng).應(yīng)急決策支持系統(tǒng)自身包含數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫以及模型管理庫，在響應(yīng)用戶需求時，通過平衡用戶需求以及系統(tǒng)資源，實現(xiàn)預(yù)警、評估、資源分配等任務(wù)，隨時提供任務(wù)所需要的資源.

3.1 基于突發(fā)事件的按需最優(yōu)計算體系結(jié)構(gòu)

按需最優(yōu)計算的思想部分來源于網(wǎng)格計算中的按需計算（On－Demand Computing），參照網(wǎng)格計算中的五層沙漏體系結(jié)構(gòu)[10]，以下給出基于突發(fā)事件應(yīng)急決策的按需最優(yōu)計算體系的組織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包含以下3層，具體可參見圖1.

1）資源構(gòu)造層（Fabric）:應(yīng)急決策支持系統(tǒng)實時響應(yīng)用戶需求，計算分析在制定決策以滿足需求時要利用到的數(shù)據(jù)或信息資源.資源構(gòu)造層組件的功能受用戶需求影響，基本功能包括資源查詢和資源管理的需求響應(yīng)保證.

2）資源服務(wù)層（Resource）:共享并協(xié)調(diào)由信息服務(wù)平臺提供以及決策支持系統(tǒng)自身具備的各種資源.該層將資源構(gòu)造層提交的受控資源匯集在一起，完成數(shù)據(jù)、信息資源的處理與集成，提交給高層用戶，供高層的應(yīng)用服務(wù)程序共享和調(diào)用.該層組件可以實現(xiàn)各種共享行為，包括目錄服務(wù)、資源協(xié)同、資源監(jiān)測診斷、數(shù)據(jù)復(fù)制、負(fù)荷控制、賬戶管理等功能.

3）應(yīng)用服務(wù)層（Application）:為滿足用戶的服務(wù)需求提供合適的服務(wù)方案.應(yīng)用服務(wù)層是在虛擬組織環(huán)境中存在的.應(yīng)用程序通過各層的應(yīng)用程序編程接口調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)，再通過服務(wù)調(diào)動前兩層的資源來完成任務(wù).

圖1 基于突發(fā)事件處理流程的按需最優(yōu)計算體系結(jié)構(gòu)

在以上3層中，按需最優(yōu)計算的特色主要體現(xiàn)在應(yīng)用服務(wù)層的設(shè)計上.基于突發(fā)事件的按需最優(yōu)計算，以為突發(fā)事件的應(yīng)急決策提供實時“服務(wù)”為核心，在此框架下，應(yīng)用系統(tǒng)可以迅速響應(yīng)用戶需求，及時獲取到信息服務(wù)平臺提供的數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確處理、集成支持突發(fā)事件管理決策的服務(wù)資源.通過優(yōu)化組合決策支持系統(tǒng)中的邏輯鏈條，實現(xiàn)高層用戶提出的任務(wù)需求.在基于信息服務(wù)平臺的突發(fā)事件按需最優(yōu)計算體系中，信息服務(wù)系統(tǒng)描述、生成、執(zhí)行、管理運行中所要完成的工作:當(dāng)用戶提交一個任務(wù)時（或事件發(fā)生時），該系統(tǒng)首先分析完成該任務(wù)（或解決該事件）所需要的計算機(jī)資源、數(shù)據(jù)資源和模型資源.然后，找到這些數(shù)據(jù)或信息資源進(jìn)行封裝，分配給決策支持系統(tǒng).同樣地，決策支持系統(tǒng)通過調(diào)用自身的數(shù)據(jù)庫和模型庫，結(jié)合信息服務(wù)平臺提供的實時封裝資源，檢索（挖掘、發(fā)現(xiàn)）并運行認(rèn)為所需要的數(shù)據(jù)和相關(guān)模型.

3.2 基于突發(fā)事件的按需最優(yōu)計算理論框架

按需最優(yōu)計算的提出綜合了“運籌學(xué)”、“按需計算”、“復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)”以及“連續(xù)管理”中的關(guān)鍵技術(shù)及理念.這些理念對于按需最優(yōu)計算的影響可以形象地比喻為:按需計算是按需最優(yōu)計算體現(xiàn)的骨架，連續(xù)管理是按需最優(yōu)計算的外形，復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)是按需最優(yōu)計算的心臟，運籌學(xué)理論及最優(yōu)化方法是按需最優(yōu)計算的靈魂.按需最優(yōu)計算理論框架如圖2所示.

圖2 基于突發(fā)事件應(yīng)急決策的按需最優(yōu)計算理論框架示意圖

3.3 基于突發(fā)事件的按需最優(yōu)計算概念模型

決策過程是一個復(fù)雜、動態(tài)的過程.其中除了要面對數(shù)學(xué)優(yōu)化問題以外，還要面對系統(tǒng)的復(fù)雜性，處理系統(tǒng)中隨時存在或可能出現(xiàn)的不確定因素，降低決策風(fēng)險，提高決策質(zhì)量.要處理這種帶有突發(fā)性和不確定性的事件，尋找有效的算法是必須的.雖然在摩爾定律的作用下，計算機(jī)的計算性能每年都在飛快增長，但另一方面，需要處理的信息量更是呈指數(shù)級的增長.隨著研究手段的進(jìn)步，數(shù)據(jù)量更是達(dá)到了前所未有的程度.可以說，在網(wǎng)絡(luò)時代，越來越多的挑戰(zhàn)需要靠卓越的算法策略來解決.這種對算法策略的迫切需求在應(yīng)急管理系統(tǒng)中尤其重要.前國際運籌聯(lián)合會主席Larson曾命名運籌學(xué)為“Science of better”，即通過運用先進(jìn)的分析方法來更好地制定決策.從兩方面來理解運籌學(xué)的這一定義:第一，要求解的問題和采用的方法都是新穎的，或者是具有重要的理論價值，或者具有突出的應(yīng)用價值.如果選擇了一個老問題，卻可以用新穎的方法更好地解決它，也是可以接受的，因為從折衷的角度考慮，這種情況至少比用一個老方法解決一個老問題要有意義的多.第二，從“Science of better”的說法可以看出，研究的目的是為了做出更好的決策.實際上，實踐中的很多問題都是NP難或NP完全的，這就意味著尋找它們的最優(yōu)解的過程可能是一個難以實現(xiàn)的過程.面臨這種復(fù)雜情況，如何做出更好的決策呢？

一個可行的方法是在考慮計算資源和計算性能的基礎(chǔ)上，尋找最合適的次優(yōu)解或近似解.例如在城市應(yīng)急事件發(fā)生時，城市應(yīng)急管理決策支持系統(tǒng)需能迅速做出反應(yīng).在應(yīng)急決策過程中，系統(tǒng)需要具備:分析任務(wù)的能力，隨時掌握信息服務(wù)系統(tǒng)中各種資源的能力，執(zhí)行任務(wù)程序的能力并做出決策支持的能力，隨時提供任務(wù)所需要的資源的能力，任意傳輸數(shù)據(jù)的能力，判定和保障服務(wù)質(zhì)量的能力，從錯誤中恢復(fù)的能力，記錄出錯情況的能力，等等.系統(tǒng)在處理這些問題時，要應(yīng)用大量的模型和算法.如圖3所示，按需最優(yōu)計算的特點在于有效快速地選擇合適的算法，支持系統(tǒng)做出“更好的決策".

這里的按需最優(yōu)計算，簡單的理解是指:用對策論的思想來設(shè)計算法，輔助決策支持系統(tǒng)設(shè)計最優(yōu)算法策略以滿足用戶需求.決策支持系統(tǒng)的按需最優(yōu)計算理念包含:對策－＞模型－＞算法，通過平衡突發(fā)事件中的用戶需求（例如響應(yīng)時間、計算精度等）以及信息服務(wù)平臺所具備的數(shù)據(jù)資源（客觀條件、數(shù)據(jù)資源、計算性能等），實現(xiàn)按需服務(wù)以及決策支持系統(tǒng)的最優(yōu)計算.

3.4 基于突發(fā)事件應(yīng)急決策的按需最優(yōu)計算功能結(jié)構(gòu)

具體到突發(fā)事件的應(yīng)急決策過程中，按需最優(yōu)計算理論框架主要體現(xiàn)在針對突發(fā)事件處理流程中的三個階段:事前處理階段、事件發(fā)生及處理階段（事中階段）、事后評估恢復(fù)階段，搭建資源構(gòu)造層、資源服務(wù)層、以及應(yīng)用服務(wù)層體系，完成突發(fā)事件各個階段中提出的任務(wù)需求以及資源有效配置.

圖3 基于突發(fā)事件驅(qū)動的按需最優(yōu)計算概念示意圖

突發(fā)事件各個階段所要完成的任務(wù)如下列出.

事前處理階段:突發(fā)事件應(yīng)急管理處理預(yù)案制定及管理

事件觀測、預(yù)測、預(yù)警、預(yù)報及發(fā)布

突發(fā)事件教育（培訓(xùn)）、模擬、演練

突發(fā)事件防范、處置的組織、協(xié)調(diào)和管理

突發(fā)事件通信、聯(lián)絡(luò)和發(fā)布

預(yù)案制定及管理

事中處理階段:這個階段突發(fā)事件應(yīng)急管理信息系統(tǒng)應(yīng)用按需最優(yōu)計算技術(shù)支持下列應(yīng)急計算和評估:

識別和確認(rèn)突發(fā)事件的基本特征

評估突發(fā)事件的影響、損害范圍與程度

預(yù)測突發(fā)事件的發(fā)展趨勢

分配突發(fā)事件應(yīng)急資源

確定突發(fā)事件處理預(yù)案的實施方案

執(zhí)行突發(fā)事件處理預(yù)案

收集反饋突發(fā)事件處理過程信息

事后處理階段:這時突發(fā)事件應(yīng)急管理信息系統(tǒng)需幫助完成:

突發(fā)事件影響波及范圍評估

突發(fā)事件損害程度分析與定量計算

資源消耗計算

突發(fā)事件信息的收集、整理、編碼及知識挖掘

突發(fā)事件數(shù)據(jù)庫、知識庫的修改

突發(fā)事件處理預(yù)案、有效性評估及修改

4 小結(jié)

本文的研究立足于突發(fā)事件的應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，提出按需最優(yōu)計算的理念并搭建其體系架構(gòu).文中首先提出突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)具有的四個主要特點，在此基礎(chǔ)上，提出按需最優(yōu)計算理念，通過分析給出按需最優(yōu)計算的基本的理論框架、概念模型、功能結(jié)構(gòu)模型.不論是基于突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，還是基于某一給定的NP難問題，在設(shè)計按需最優(yōu)計算體系以及策略之前都無疑要考慮設(shè)計理念依據(jù)什么，設(shè)計過程中所面臨的功能框架如何組合，實時數(shù)據(jù)的如何處理更新，以及實時決策支持服務(wù)如何實現(xiàn)等問題.本文的研究工作即是從一般性的角度出發(fā)，結(jié)合運籌學(xué)、管理科學(xué)、信息科學(xué)、復(fù)雜系統(tǒng)等學(xué)科，綜合運用博弈論、決策分析、優(yōu)化理論、評價方法、風(fēng)險分析、預(yù)測理論等研究方法，探討基于突發(fā)事件應(yīng)急決策支持系統(tǒng)的按需最優(yōu)計算體系的設(shè)計理念以及應(yīng)用模式.

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