基于信息熵的森林火灾应急指挥信息传递分析_李华.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：李华，郭皓杰，谢辉，等 基于信息熵的森林火灾应急指挥信息传递分析中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：基于信息熵的森林火灾应急指挥信息传递分析李 华副教授，郭皓杰，谢 辉，蔺 鹏（西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安；特变电工新疆新能源股份有限公司，陕西 西安；陕西省应急管理厅 应急指挥中心，陕西 西安）中图分类号：.文献标志码：.资助项目：陕西省社科界重大理论与现实问题研究联合项目（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：【摘 要】为提升森林火灾应急指挥协同能力，剖析指挥过程中要素之间的影响关系，首先基于系统理论事故模型与过程分析法（）的思想，明确事故近因事件链，辨识相关的控制组件，构建森林火灾应急指挥控制结构；然后根据复杂网络理论建立森林火灾应急指挥信息流动的有权无项网络，对实时、阶段和固定 类信息的信息量进行建模计算，从而确定信息熵；同时建立边载权重计算模型，用以描述不同信息传递路径的重要度。结果表明：前线指挥部在应急指挥扑火过程中重要性最大，且与联合指挥部的信息传递密集程度最大；扑火组和专业扑火队之间信息总量和信息熵最大，分别为 和.，指挥中需保证人员部署的准确性；专家研判和气象信息在一定程度上会影响扑火过程中的指挥决策，应重点监控这 方面的信息传递路径，保证传输通畅性。【关键词】信息熵；森林火灾；应急指挥；信息传递；系统理论事故模型与过程分析法（），（，；，；，）：，第 期李华等：基于信息熵的森林火灾应急指挥信息传递分析 ，.：；（）引 言 森林火灾严重破坏了森林资源、威胁人员生命和财产安全。一旦突发森林火灾，响应的迅速性、扑救的及时性、方案的科学性对避免或控制事态进一步升级显得尤为关键。但是我国应急管理工作存在指挥协调机制不完善、应急专家（组）和应急科技决策支撑体制不健全、部分地区和部门的管理人员应急指挥能力较薄弱等问题。因此，开展指挥过程中各要素之间的信息传递分析，对提升应急指挥协同能力具有重要意义。目前，国内外有关应急指挥信息的研究主要有信息采集与分类、信息传输、应急指挥信息系统（平台）等。信息采集与分类研究方面，高玉坤等将风险信息分为固有信息和动态信息，并建立了风险信息采集传输系统，通过实例验证了系统的实用性。信息传输研究方面，王炜等分析了灾害风险传递系统中要素的关联性和信息感知的非线性特性可能产生风险的传递性，指出灾害风险的传递性主要存在于信息缺乏和应急知识不成熟的灾害应急网络体系中，同时利用信息熵的方法表述信息在传递中的损失情况。郑万波等通过分析我国矿山应急救援体系的运行机制和救援指挥的基本程序，建立了矿山应急救援通信系统关键节点及环形应急信息传输模型。应急指挥信息系统（平台）研究方面，等借助地理信息系统改进了森林火灾应急系统，显著降低了森林火灾的发生率。上述研究未对灾情和指挥信息进行分类梳理，且未考虑信息传递中产生的阶段性信息；此外，有关森林火灾应急指挥的研究更多是结合信息技术优化应急指挥系统（平台），仍缺乏信息传递的理论分析和传输模型研究。鉴于此，笔者将以森林火灾事故为切入点，针对扑救过程中应急指挥信息传递的协同高效性问题，基于系统理论事故模型与过程分析法（，）的思想，构建森林火灾应急指挥控制结构，结合信息熵和复杂网络理论，辨识影响信息传递效率的关键部门和重点控制的传输路径，以期为增强应急指挥组织结构的稳定性和快速反应性提供支持。研究基础.森林火灾事故应急指挥内涵界定 根据中华人民共和国突发事件应对法、公共安全应急管理突发事件响应要求和国家省市地方应急预案等可知：森林火灾事故应急指挥是指发生森林火灾后，有关应急指挥组织机构及人员，根据相关法律法规、标准和预案开展的信息收集、组织协调、态势评估等指挥行动。.模型 融合了系统理论和控制理论，将突发事件视为一个系统，认为安全是复杂系统的涌现特征，为了达到安全就必须做好控制，其理论模型如图 所示。图 模型 该模型由分层控制结构、过程模型和安全约束 个基本要素构成。分层控制结构将整个系统视为中国安全科学学报第卷年一种分层结构，上层对下层的有效控制作为目标安全的判定准则；过程模型是上层给下层施加安全约束，并根据下层的实施结果反馈给上层，以更新控制动作。目前，模型已被广泛应用于致因分析、安全性分析和安全系统设计等方面。.信息熵 熵最早起源于热力学系统，被应用于信息论中，而后逐渐形成了信息熵的概念。它被用来研究信息量的不确定性和随机性，即通过量化数据所包含的信息，将信息熵作为度量平均信息量的指标。根据信息熵的表述，设 种独立结果的事件，每个结果 的 出 现 概 率 为（），（），（），且 （），信息熵为（）。森林火灾事故应急指挥控制结构.森林火灾事故近因事件链 以凉山州西昌市“”森林火灾事故为例分析应急指挥过程，根据事故调查组现场勘查和事故调查报告可知：）年 月 日 时 分，四川凉山州西昌市皮家山山脊处一电线杆的电线预留引流线与横担支撑架抱匝搭接，造成电线接地放电故障，电线起火燃烧，引燃周边的杂草。因天气高温干燥、风力较大，致使迅速蔓延成灾。）当日 时 分，林场瞭望人员发现火情后向上级汇报，西昌市启动级应急响应，随后成立联合指挥部，调集森防、消防和专业扑火队等增援力量，对火灾蔓延地区展开扑救工作，保护重点设施，并疏散周边群众，研究制定次日扑救方案。）当日 时 分，指挥部协调宁南县专业扑火队增援扑火任务，经指挥部相关领导决议安排扑火队员到柳树桩村进行扑火作业。当晚，在当地向导的引领下，扑火队员沿小路徒步进入林区上山。）月 日 时，林区附近风向由西南风转为东北风，风力陡增，林火迅速从山背后翻过山顶，直逼扑火队员。扑火队员原路撤回过程中，山下来路起火，扑火队员现场自救失败，扑火队伍基本被火包围。在突围过程中，大火先后吞噬了 名救援人员。）该事故最终造成 名救援人员死亡、人受伤，直接经济损失 .万元。.森林火灾事故应急指挥控制结构 事故应急指挥控制结构包含所有应急指挥参与人员的指挥内容和信息交流内容，反映了指挥过程的控制动作及反馈过程。应急响应期间，往往根据不同类型的突发事件和参与单位设立相应的应急指挥控制结构，文中在分析森林火灾事故近因事件链的基础上，基于 模型的思想和应急指挥组织结构的研究构建森林火灾事故应急指挥控制结构，如图 所示。图 森林火灾事故应急指挥控制结构 第 期李华等：基于信息熵的森林火灾应急指挥信息传递分析 森林火灾事故应急指挥控制结构由森林草原防灭火联合指挥部、现场指挥部和其他应急救援相关部门构成。其中，森林草原防灭火联合指挥部由各级人民政府、应急管理部门组成；现场指挥部由事发地人民政府、应急管理部门组成；应急救援相关部门包括专业扑火队、消防部门、武警部门、公安部门、医疗卫生部门、水利部门、电力部门、新闻媒体部门、气象部门、环境部门和技术专家等，应急救援相关部门可根据事态的变化对参与部门进行相应增减。联合指挥部与现场指挥部的分组是依据中华人民共和国突发事件应对法、各级政府应急预案和应急指挥相关规范标准等相关文件确定的，联合指挥部对现场指挥部及其分组实施指挥，同时根据指挥效果向上级反馈以更新指挥决策。在突发事件应急响应过程中，森林草原防灭火联合指挥部、现场指挥部的组织结构与外部应急态势环境相互作用，应急态势环境受火情、风速、风向等外部动态因素影响，进而影响应急响应级别的调整和应急目标的变化，从而改变指挥部的指挥结构。森林火灾事故应急指挥信息流分析 突发事件指挥命令信息和专家建议等信息的扁平化管理对推动信息传递的高效畅通至关重要。森林火灾信息的流动情况通常先由事发地所属的企业或个人将火灾发生的时间、地点、发生原因、伤亡情况和现场处置过程等信息向行政地区应急管理部门报告，各级应急管理部门在规定时间向上级有关部门报告。在应急响应期间，各级应急管理部门在应急指挥中心的协调下同公安、医疗卫生等部门开展救援、各类资源保障、警戒疏散和医疗救助等工作。应急指挥过程中人物环之间会周期性、离散或实时地接发信息，应急指挥相关部门（机构）对信息加工处理后作出决策并反馈，此过程中存在着大量的信息传递过程。此次森林火灾事故扑救过程中，指挥信息传递走样、火情风向等信息未及时上报、没有召集气象专家征求意见等原因影响了信息流传递的高效性和准确性。.应急指挥信息网络拓扑结构 为厘清应急指挥过程中各部门（机构）信息传递的接收对象，直观地展现各部门接收信息的顺序，文中基于复杂网络理论，以此次森林火灾事故扑救过程应急指挥的信息传递过程为研究对象，构建森林火灾应急指挥信息流动的有权无项网络，该网络包括节点、边、边载信息和边载权重，用 （，）表示。通过整合分析事故调查报告可知：应急指挥信息网络 包含森林火情发生信息上报、政府部门的响应、火灾救援人员部署、扑救安排等信息传递过程。为了直观展现，文中基于图论，将上述过程中应急指挥有关部门和相关社会机构机构抽象为节点，并结合应急指挥控制结构分析与事故原因通报，将技术专家的建议与气象部门的实时监控加入信息传递网络。用 （，）表示节点的集合，用数字对各节点进行编号，节点对应编号见表。表 应急指挥信息流节点 编号节点名称编号节点名称宁南县林草局省委省政府工作组宁南县森林草原防火专业扑火队应急管理部工作组经久乡森林草原防灭火指挥部值班室省州市联合指挥部凉山州森林草原防灭火指挥部值班室西昌市泸山国有林场西昌市森林草原防灭火指挥部值班室西昌市林草局西昌市前线指挥部扑火组凉山州西昌市联合指挥部会商组森林消防气象部门消防救援技术专家地方专业扑火队西昌市委、市政府应急民兵凉山州委、州政府 将部门及机构之间传递的信息抽象为连接节点的边 ，用 （）表示，其中，当 时，节点 与 之间有联系，节点 与 之间无联系（）运用 软件绘制应急指挥信息流网络拓扑结构，如图 所示。.应急指挥信息量及信息熵计算分析 多部门协同的应急指挥系统，各节点不仅需要中国安全科学学报第卷年图 应急指挥信息流网络拓扑结构 核实并处理收到的信息，还需要把处理后的信息传递到各作用节点。为探究森林火灾事故响应中信息交换的重要部门及单位、明确各个节点的重要顺序、保障信息传递高效准确性，需要对应急指挥信息网络信息量进行建模计算。应急指挥信息网络 中，为边载信息，用（）表示，其中，为节点 与 之间边上的信息集合，若 ，则；当 时，信息集合可表示为：（，）（）式中、分别为实时传递、阶段性传递和固定传递 类信息的种类。其中，风向、风速、林火蔓延范围和速度等为实时信息；扑救过程的工作布署、任务安排等为阶段性传送信息；火灾范围、投入的救援人员数量、设备设施等为每日固定传送的信息。设边 上的信息总量为，信息种类数为，则有：（）（）式中、和 分别为实时、阶段和固定传递的信息频率。由于应急指挥信息传递是随机事件，且传递的信息量为离散型随机变量，故采用概率统计的数学方法，将信息熵作为不确定性信息进行衡量，在任一时刻各边上存在的信息种类具有随机性，设在各边上各种信息出现的概率分布为 （，），它们满足 （，），且 。因此，各边 上的信息熵为：（）（，）（）由式（）式（）可知：若边上的信息总量越大，则说明该边上承载的信息越多，节点之间传递各类信息的数量越多，信息熵越大则反映各种信息的种类越多，传递过程中信息的不确定性越大。根据各种信息出现的频率，可推出实时、阶段和固定信息出现的概率为：，实时传递，阶段传递，固定传递（）根据事故调查报告统计分析，首先，对事故责任人按其所属的部门及机构进行分类；其次，将各节点（部门及机构）涉及到的责任人所传递的信息进行分类，得到扑救过程中应急指挥信息产生点、接收对象、接报流程、发送时间和频率，构建应急指挥信息集合。分析各节点间的指挥信息传递过程，整理得到 种信息，包括火情接收与上报、救援设备协调、各类扑救人员调配、火灾波及范围信息、气象预警、技术支持、方案部署、人员安排、目标方针、资源保障等实时、阶段及固定等方面的信息。根据信息对扑救过程的影响程度、单位时间内产生的信息数量，利用统计分析和专家评价法，对实时、阶段和固定信息进行赋值