汪靖，林植，靳焰

（1.武漢工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系，湖北 武漢 430023；2.武漢通信指揮學(xué)院一系，湖北 武漢 430010）

海洋交通風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪靖1，林植2，靳焰2

（1.武漢工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系，湖北 武漢 430023；2.武漢通信指揮學(xué)院一系，湖北 武漢 430010）

針對(duì)海洋交通風(fēng)險(xiǎn)事故的特點(diǎn)，采用基于分層推理思想設(shè)計(jì)了海洋交通風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急決策處理模型。在模型中提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識(shí)規(guī)則描述方法。以該模型為基礎(chǔ)給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過將海洋交通風(fēng)險(xiǎn)事故分解為事務(wù)級(jí)、情況級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)處理，使系統(tǒng)能綜合應(yīng)用海洋交通事務(wù)各種信息進(jìn)行有效決策，提高了海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)控制能力。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于促進(jìn)海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制的智能化水平，深化海事管理信息化平臺(tái)建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)意義。

海洋交通風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)急決策；分層推理

1 概 述

海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理主要處理自然因素和人為因素等諸多方面造成的海上交通安全問題。從對(duì)象上看，海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理涉及風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管兩大方面，相關(guān)單位有各地方的海事局、海事局下屬的支局和分支單位、以及港口碼頭橋梁和船泊公司等[1]。由于海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制涉及人員、單位眾多，地域廣，相互關(guān)系復(fù)雜，如何有效的組織各種信息，形成綜合化的決策控制資源是實(shí)現(xiàn)海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)決策控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

現(xiàn)在，海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理信息化建設(shè)不是很完善。國內(nèi)許多單位都開始研究電子海圖顯示與信息系統(tǒng) (ECDIS)[2]。但這些系統(tǒng)大多側(cè)重于研究電子海圖本身的處理，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制智能化研究并不深入，沒有提出較好的風(fēng)險(xiǎn)管理和控制方法[3]。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文提出了基于分層推理的風(fēng)險(xiǎn)控制應(yīng)急決策模型。此外，考慮到國內(nèi)外在決策分析中對(duì)推理的知識(shí)規(guī)則描述方法一般采用描述性語言管理或程序邏輯控制[4,5]，兩種方案中前者可計(jì)算性差，而后者實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。針對(duì)這個(gè)問題，本文在模型中提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識(shí)規(guī)則描述方法，較好的解決了知識(shí)規(guī)則的描述問題。

本文采用分層推理的思想給出了海洋交通事務(wù)的應(yīng)急決策模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)決策控制系統(tǒng)，并給出了最終的實(shí)現(xiàn)方案。該方案對(duì)于提高海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制的智能化水平，深化海事管理的信息化建設(shè)具有重要的促進(jìn)作用。

2 應(yīng)急決策分層推理模型

應(yīng)急決策分層推理模型以分層管理為基礎(chǔ)，逐級(jí)求精分析推理。在具體的應(yīng)急決策過程中，以行為和狀態(tài)為核心描述管理知識(shí)規(guī)則，每一層的推理均以狀態(tài)為條件，力求推理出在不同抽象層次上應(yīng)采用的行為動(dòng)作。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)事故處理的層次化描述

基于分層推理的思想主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全策略的邏輯推理和分析[6,7]，這一理論在海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制方面的應(yīng)用并不多見。但是，考慮到海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制涉及要素眾多，相互間關(guān)系復(fù)雜，采用分層推理的思想能使系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用人員理清思路，有效綜合各種信息；同時(shí)也能簡化風(fēng)險(xiǎn)控制的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)險(xiǎn)管理分為事務(wù)級(jí)、情況級(jí)和執(zhí)行級(jí)。在每一級(jí)都有前提條件、監(jiān)管措施、預(yù)控措施；監(jiān)管和預(yù)控措施進(jìn)一步細(xì)分為管理級(jí)、支持級(jí)、操作級(jí)措施。其中，事務(wù)級(jí)主要有臺(tái)風(fēng)事務(wù)、碰撞事務(wù)、污染事務(wù)、自沉事務(wù)、擱淺事務(wù)、違規(guī)航行事務(wù)等。情況級(jí)主要涉及針對(duì)不同事務(wù)要采用的基本預(yù)控和監(jiān)管措施，要求具體到相關(guān)單位，確定要預(yù)控或監(jiān)管的人或事的基本類型等信息。執(zhí)行級(jí)描述風(fēng)險(xiǎn)控制具體的人員、物資、設(shè)備，要求能基本量化，確定相關(guān)時(shí)限等要求。

2.2 決策知識(shí)規(guī)則的可計(jì)算化描述

由于決策知識(shí)規(guī)則的抽象性，可計(jì)算性差。當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)決策分析中的知識(shí)規(guī)則一般采用專用的描述性語言或程序邏輯控制。由于描述性語言一般針對(duì)特定的對(duì)象或應(yīng)用條件制定，不具有通用性；程序邏輯控制實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜，也不具有通用性。針對(duì)這個(gè)問題，模型提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識(shí)規(guī)則描述方法。

從基本計(jì)算原理來看，有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)模型是計(jì)算系統(tǒng)的典型模型[8]。以此為參考，本文借助有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的兩個(gè)基本要素：行為和狀態(tài)作為知識(shí)規(guī)則描述的核心。具體而言，針對(duì)決策規(guī)則中的條件，模型以狀態(tài)描述；對(duì)于應(yīng)急處理的方案措施則最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的行為描述。

考慮到當(dāng)前主流的軟件系統(tǒng)即面向?qū)ο筌浖袪顟B(tài)體現(xiàn)為對(duì)象的狀態(tài)，并最終由對(duì)象的變量描述，因此知識(shí)規(guī)則中的條件（狀態(tài)）最終由一系列變量描述。這樣，在模型中只需定義一系列相關(guān)基礎(chǔ)變量，而決策推的條件狀態(tài)則由不同的變量組合和變量的不同取值實(shí)現(xiàn)不同的狀態(tài)描述，從而解決了狀態(tài)的可計(jì)算性問題。具體描述形式為：

state((variablei, valuei)| 0 ≤i≤n, n表示狀態(tài)中的變量個(gè)數(shù))。

從一般的特性看，行為的執(zhí)行有一些基本要素：行為執(zhí)行的主體、行為的作用對(duì)象（即客體）、行為執(zhí)行的動(dòng)作、行為執(zhí)行條件等因素。根據(jù)這一特點(diǎn)，模型將應(yīng)急決策處理的措施和方案統(tǒng)一為主體對(duì)客體在某條件下的動(dòng)作。具體描述形式為：

behavior(subject, target, action, constraint) ：表示subject對(duì)target在constraint下執(zhí)行action。其中subject表示行為的主體；target表示行為的作用客體；action表示行為的執(zhí)行動(dòng)作；constraint表示行為的執(zhí)行條件。其中constraint表示主體執(zhí)行動(dòng)作時(shí)的進(jìn)一步特征，如時(shí)間，數(shù)量等約束要求。constraint進(jìn)一步描述為：

constraint{(variablei, valuei)| 0 ≤i≤n, n表示約束中的變量個(gè)數(shù)}。

2.3 模型的推理過程

風(fēng)險(xiǎn)決策的基本推理過程是：首先進(jìn)行事務(wù)級(jí)推理，要求輸入事務(wù)類型，并檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論。事務(wù)級(jí)推理主要判斷風(fēng)險(xiǎn)事故類型，針對(duì)不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。在情況級(jí)推理中，進(jìn)一步輸入情況級(jí)前提條件，檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論。情況級(jí)處理針對(duì)事故的時(shí)間、地點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等條件給出具體的監(jiān)管和預(yù)控措施，確定具體要落實(shí)的事情或行動(dòng)的時(shí)限、負(fù)責(zé)的單位、或針對(duì)具體事務(wù)的進(jìn)一步處理人員或物質(zhì)的初步量化。最后在執(zhí)行級(jí)推理中，輸入執(zhí)行級(jí)前提條件，檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論，最后綜合結(jié)果。執(zhí)行級(jí)推理涉及具體人和具體的現(xiàn)場環(huán)境條件。

推理過程以知識(shí)規(guī)則為依據(jù)。規(guī)則的基本描述方式為：“if condition then behavior”，其中condition和behavior按2.2節(jié)所述的狀態(tài)和行為描述方式進(jìn)一步規(guī)范。需要說明的是：推理過程就是對(duì)應(yīng)急處理方案的條件和措施的不斷精確化的過程。由于所有的條件最終都采用變量描述，因此推理?xiàng)l件具有較好的計(jì)算判定能力。此外，由于所有的措施都采用主體、客體、動(dòng)作和條件描述，使最終的應(yīng)急決策措施更明確，具有較強(qiáng)的可操作性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋交通風(fēng)險(xiǎn)決策系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、海洋交通風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫管理模塊、應(yīng)急處理規(guī)則庫管理模塊和推理機(jī)管理模塊等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

圖 1 決策基本流程Fig.1 Flow chart of decision-making

3.1.1 海洋交通風(fēng)險(xiǎn)事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理；同時(shí)管理海洋交通風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)。

3.1.2 推理機(jī)管理模塊 推理機(jī)以知識(shí)規(guī)則庫為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定海洋交通事務(wù)危險(xiǎn)的逐級(jí)推理，給出相應(yīng)的預(yù)控和監(jiān)管措施建議方案。

3.1.3 規(guī)則庫管理模塊 庫管理模塊按逐級(jí)推理的思路建立推理規(guī)則庫。

3.1.4 風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫管理模塊 風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫管理當(dāng)前海上交通風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)。

3.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 海洋交通事務(wù)數(shù)據(jù)表采用分級(jí)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體分為三類，分別是海洋交通事務(wù)元數(shù)據(jù)表、海洋交通事務(wù)總表、海洋交通事務(wù)業(yè)務(wù)分類表。元數(shù)據(jù)描述交通風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)元信息，如風(fēng)險(xiǎn)事故類型、船只類型、所涉及的碼頭信息、轄區(qū)信息等。海洋交通事務(wù)總表記錄海洋交通事務(wù)的概要信息，如事故的時(shí)間、地域、事故類型、損失程度等。分類表描述針對(duì)每類事故的具體信息，如針對(duì)碰撞的船只大小信息、船只安檢信息、船只貨物類型數(shù)據(jù)信息等?？偙砗头诸惐聿捎檬鹿示幪?hào)關(guān)聯(lián)。

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫設(shè)計(jì) 風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫按海洋交通事務(wù)類型的不同，給出不同的風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)信息。風(fēng)險(xiǎn)源知識(shí)庫主要記錄當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)事務(wù)類型、發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、損失程度等信息。同時(shí)，針對(duì)每類風(fēng)險(xiǎn)事故，還要給出相應(yīng)事故的特征信息。

3.2.3 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理規(guī)則庫設(shè)計(jì) 風(fēng)險(xiǎn)事故應(yīng)急處理規(guī)則庫主要保存針對(duì)不同的海洋交通事故應(yīng)采取的應(yīng)急處理措施信息。與分級(jí)推理模型相適應(yīng)，規(guī)則庫分為三級(jí)，分別為事務(wù)級(jí)應(yīng)急處理規(guī)則、情況級(jí)應(yīng)急處理規(guī)則和執(zhí)行級(jí)應(yīng)急處理規(guī)則。每一級(jí)規(guī)則包含存在的條件及在預(yù)控和監(jiān)管方面的措施。具體的措施又進(jìn)一步可分為管理級(jí)、操作級(jí)和支持級(jí)措施。

3.2.4 推理機(jī)設(shè)計(jì) 推理機(jī)按三級(jí)推理的方式進(jìn)行。在事務(wù)級(jí)推理主要是確定針對(duì)事務(wù)應(yīng)采用的基本處理方式和方法。事務(wù)級(jí)推理基本方式是判斷風(fēng)險(xiǎn)事故類型，針對(duì)不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。同時(shí)，針對(duì)監(jiān)管和預(yù)控措施，還要給出管理級(jí)、支持級(jí)和操作級(jí)的具體舉措。

在情況級(jí)推理中，主要確定采取行為的時(shí)限、責(zé)任單位及基本行動(dòng)的量化處理。例如，針對(duì)地域，取得相應(yīng)的轄區(qū)信息，上級(jí)單位，下級(jí)單位等。情況級(jí)推理方式是：由風(fēng)險(xiǎn)事故的時(shí)間、地點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等條件給出具體的監(jiān)管和預(yù)控措施。確定具體要落實(shí)的事情或行動(dòng)的時(shí)限、負(fù)責(zé)的單位、或針對(duì)具體事務(wù)的進(jìn)一步處理人員或物質(zhì)的初步量化。

執(zhí)行級(jí)根據(jù)具體事務(wù)針對(duì)情況級(jí)的處理結(jié)果作進(jìn)一步處理。其推理方式是針對(duì)具體的條件限制，給出采用監(jiān)管和預(yù)控的措施的時(shí)限要求、執(zhí)行地域要求、人員和物資準(zhǔn)備要求等。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng)在windows環(huán)境下采用 .NET平臺(tái)開發(fā)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用oracle 10 g和XML進(jìn)行管理。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，難點(diǎn)在于風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)描述、應(yīng)急處理規(guī)則庫的管理。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)描述

風(fēng)險(xiǎn)源是對(duì)給定狀態(tài)條件下的風(fēng)險(xiǎn)判斷，由風(fēng)險(xiǎn)源及其存在的條件構(gòu)成，其中條件由一系列變量構(gòu)成?？紤]到每一類風(fēng)險(xiǎn)源事務(wù)的條件各不相同，如使用數(shù)據(jù)庫管理則對(duì)于添加、刪除、修改和查詢等都必須建立大量的數(shù)據(jù)字典，使用極不方便；而且可能一個(gè)表只有一條記錄，資源浪費(fèi)。同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)源的條件特征是一個(gè)不斷完善的過程，不同時(shí)間可能存在不同的認(rèn)識(shí)，有新的判斷要即時(shí)更新，這樣就要新建表和數(shù)據(jù)字典?；谶@個(gè)特點(diǎn)，系統(tǒng)使用XML對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行管理。

以臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)源事例，對(duì)每年9月1日到10月30日福州可能存在的臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)源表述為：

4.2 應(yīng)急處理規(guī)則管理

與風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)描述知識(shí)規(guī)則一樣，考慮到其數(shù)據(jù)表述類型各不相同，每類數(shù)據(jù)總量相對(duì)較少的特點(diǎn)。應(yīng)急處理規(guī)則庫采用XML描述。采用與三級(jí)推理相適應(yīng)的形式描述規(guī)則。

事務(wù)級(jí)規(guī)則主要用于判斷風(fēng)險(xiǎn)事故類型，針對(duì)不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。同時(shí)，針對(duì)監(jiān)管和預(yù)控措施，還要分別給出管理級(jí)、支持級(jí)和操作級(jí)的具體舉措。因此，事務(wù)級(jí)規(guī)則由事務(wù)規(guī)則存在條件和當(dāng)前條件下的預(yù)控措施及監(jiān)管措施構(gòu)成，其中預(yù)控措施和監(jiān)管措施中都包含有管理級(jí)、執(zhí)行級(jí)和操作級(jí)應(yīng)對(duì)方案信息。具體的XML描述示例如下：

與事務(wù)級(jí)規(guī)則相似，情況級(jí)和執(zhí)行級(jí)的規(guī)則描述也由條件、預(yù)控措施和監(jiān)管措施組成，其內(nèi)部也都包含有管理級(jí)、執(zhí)行級(jí)和操作級(jí)應(yīng)對(duì)方案信息。

4.3 推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)

4.4 性能分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，本文給出了一系列歷史的海洋交通風(fēng)險(xiǎn)事務(wù)作為風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行模擬運(yùn)行。每類事故中，以狀態(tài)為核心，輸入相應(yīng)的條件變量，并給定相應(yīng)的值。系統(tǒng)通過分層推理，給出最終的結(jié)果。例如，針對(duì)臺(tái)風(fēng)事故，輸入的條件有：“事故類型”、“臺(tái)風(fēng)等級(jí)”、“中心氣壓”等。輸出的結(jié)果有：“海事局應(yīng)在某時(shí)間發(fā)布警報(bào)”、“碼頭管理處理應(yīng)在某時(shí)間停航”等。

系統(tǒng)推理出的結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)源當(dāng)時(shí)所采用的應(yīng)急處理措施進(jìn)行對(duì)比，最終的結(jié)果如表1所示。

表 1 海洋交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)Tab.1 Risk evaluation test for maritime traffic

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)急推理結(jié)果中臺(tái)風(fēng)的處理方案與實(shí)際的處理方案匹配效果最好，而碰撞效果最差。分析影響推理效果的原因，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的應(yīng)急處理規(guī)則管理中，臺(tái)風(fēng)規(guī)則最詳細(xì)，應(yīng)急處理方案最成熟；相反，受船只本身性能、船上貨物特征、船員操控和反應(yīng)水平以及海上天氣情況等眾多因素的影響，很難針對(duì)具體的碰撞給出深入詳細(xì)的規(guī)則。

5 總 結(jié)

本文給出了基于分層推理的海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理決策模型，并詳細(xì)給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與已有的研究相比，本文首次將分層推理的思想應(yīng)用于海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制實(shí)踐中。該方法能針對(duì)海洋交通事務(wù)涉及面廣，信息處理復(fù)雜的特點(diǎn)，通過逐級(jí)分層推理，較好的解決了風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急決策問題，提高了海洋交通事務(wù)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理的信息化水平。特別是在當(dāng)前國內(nèi)海洋交通管理信息平臺(tái)建設(shè)基本完成的條件下，本方法對(duì)深化海洋交通風(fēng)險(xiǎn)控制，提高海洋交通風(fēng)險(xiǎn)管理智能化水平，建立高效的海事管理具有重要的促進(jìn)作用。

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Design and implementation of emergency decision-making system for maritime traffic risk

WANG Jing1, LIN Zhi2, JIN Yan2

(1.Department of Computer and Information, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.First Department, Wuhan Commanding Communications Academy, Wuhan 430010, China

In view of the characteristic of maritime traffic risk, an emergency decision-making model is proposed using hierarchy reasoning for reference.A description method for knowledge rules based on behavior and state is provided.On the basis of this model, we provide the design and implementation of risk decision system.By dividing maritime traffic into three classes as business, situation and enforcement, the system can make effective decision.The model can improve the control ability of maritime traffic risk.At the same time, the system will be of benefit to the improvement of artificial intelligence of maritime traffic risk control, and maritime information platform construction.

risk of maritime traffic; emergency decision; hierarchy reasoning

U698.6

A

1001-6932(2010)01-0101-06

2009-03-25；

2009-06-29

汪靖(1977－)，女，湖北武漢人，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。電子郵箱：geo-zhang@163.com