張 愷

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 信息工程系，福州 350007

基于案例推理的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策方法研究

張 愷

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 信息工程系，福州 350007

1 引言

當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，決策者必須根據(jù)獲得的信息生成有效的應(yīng)急方案來(lái)控制事態(tài)的惡化，以此來(lái)降低損失[1]。在突發(fā)事件響應(yīng)過(guò)程中，由于其具有突發(fā)性、不確定性、演變性等特點(diǎn)，將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)急預(yù)案無(wú)法發(fā)揮作用。針對(duì)應(yīng)急預(yù)案失效的情形，往往需要根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)生成有效的應(yīng)急方案，因此基于案例推理的應(yīng)急決策方法得到了廣泛的應(yīng)用，如文獻(xiàn)[2-5]。但是，突發(fā)事件具有演變的不確定性，因此，需要考慮應(yīng)急方案隨著突發(fā)事件的情景演變而進(jìn)行調(diào)整的問(wèn)題[6]。在突發(fā)事件發(fā)生初期，由于應(yīng)急決策者對(duì)于決策信息掌握不完全、不準(zhǔn)確，決策者只能做出初步的應(yīng)急決策。當(dāng)實(shí)施初步應(yīng)急方案后，隨著時(shí)間的進(jìn)展，突發(fā)事件的變化趨勢(shì)變得清晰，決策者所掌握的信息也不斷完善，那么，此時(shí)決策者需要根據(jù)新獲取的應(yīng)急信息判斷初步方案是否能控制突發(fā)事件的發(fā)展，如若不能則需要對(duì)應(yīng)急方案進(jìn)行調(diào)整，保證應(yīng)急處置取得良好的效果，從而更好地進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)[7]。

關(guān)于動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策的研究已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。例如，姜艷萍等[8]根據(jù)調(diào)整方案對(duì)各級(jí)別突發(fā)事件的應(yīng)急效果、損失和成本等因素對(duì)應(yīng)急方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。王亮等[9]根據(jù)決策者動(dòng)態(tài)調(diào)整的心理參考點(diǎn)與實(shí)時(shí)損失的比較來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整相應(yīng)的應(yīng)急方案。Yang等[10]在序貫動(dòng)態(tài)博弈模型下根據(jù)突發(fā)事件的影響因素發(fā)生的時(shí)間順序進(jìn)行動(dòng)態(tài)博弈來(lái)做出有效的應(yīng)急效應(yīng)。姚杰等[11]在動(dòng)態(tài)博弈模型的框架下根據(jù)“突發(fā)事件”和“決策者”之間的動(dòng)態(tài)博弈生成預(yù)案。陳興等[12]根據(jù)事態(tài)的發(fā)展，部門(mén)子方案的改變而不斷修正應(yīng)急決策。劉洋等[13]根據(jù)應(yīng)急方案應(yīng)對(duì)不同狀態(tài)的突發(fā)事件的損益，選擇綜合評(píng)價(jià)值最高的方案作為應(yīng)急方案。從已有研究文獻(xiàn)來(lái)看，大多研究中突發(fā)事件的變化狀態(tài)已知且是通過(guò)比較應(yīng)急方案所造成的損失與決策者心理參考點(diǎn)之間的差距來(lái)調(diào)整方案的變化，而很少考慮在突發(fā)事件的狀態(tài)隨機(jī)變化的情況下，如何根據(jù)突發(fā)事件的態(tài)勢(shì)變化進(jìn)行應(yīng)急方案的調(diào)整。本文針對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策中有效應(yīng)急方案生成的問(wèn)題，運(yùn)用案例推理技術(shù)，分析在信息不斷完善和變化過(guò)程中，如何根據(jù)突發(fā)事件的變化趨勢(shì)，生成最有效的方案來(lái)控制突發(fā)事件的事態(tài)發(fā)展。

2 問(wèn)題描述

考慮一個(gè)基于情景庫(kù)的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策問(wèn)題，假設(shè)決策者在t1時(shí)刻接到某突發(fā)事件的報(bào)警，決策者根據(jù)報(bào)警人的描述初步估計(jì)目前突發(fā)事件的情景，搜索情景庫(kù)中的情景，依據(jù)最相似情景的執(zhí)行方案進(jìn)行應(yīng)對(duì)；當(dāng)專(zhuān)家及其救援力量到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并開(kāi)始執(zhí)行該方案到t1+Δt時(shí)刻時(shí)，決策者對(duì)突發(fā)事件的發(fā)展有了一定程度的掌握，可以預(yù)測(cè)t2時(shí)刻的情景。根據(jù)預(yù)測(cè)的情景搜索情景庫(kù)，得到與預(yù)測(cè)情景最相似的情景，并根據(jù)二次檢索結(jié)果判斷是否需要調(diào)整應(yīng)急方案，從而更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件[14]。

為便于描述，下面的符號(hào)用來(lái)描述該突發(fā)事件應(yīng)急決策問(wèn)題中所涉及的集和量。

A={a1，a2，…，an}表示突發(fā)事件情景所包含的屬性集合，其中aj表示第 j個(gè)屬性，j∈N。如果突發(fā)事件情景的屬性aj值缺失，則令aj=0。考慮屬性值為精確數(shù)和

語(yǔ)言變量aIjI，其中語(yǔ)言變量采用三角模糊數(shù)表示，即

S={S1，S2，…，Sd} 表示突發(fā)事件情景集合，其中 Si表示同類(lèi)突發(fā)事件第i個(gè)情景，i∈D。

X={X1，X2，…，Xd}表示這類(lèi)突發(fā)事件的解決方案集合，其中 Xi表示在情景Si下的應(yīng)對(duì)方案，i∈D。

P={P1，P2，…，Pn}表示屬性的變化趨勢(shì)向量，其中Pj表示在執(zhí)行方案的作用下，屬性aj的變化趨勢(shì)，Pj≥0，j∈ N 。

E={E1，E2，…，Et}表示參與屬性變化趨勢(shì)評(píng)估的專(zhuān)家集合，其中Ek表示第k位專(zhuān)家，k∈T。

本文要解決的問(wèn)題：在t1時(shí)刻做出應(yīng)急決策的基礎(chǔ)上，如何根據(jù)屬性從t1時(shí)刻到t1+Δt時(shí)刻的變化趨勢(shì)來(lái)確定t2時(shí)刻是否需要執(zhí)行新的方案來(lái)有效控制突發(fā)事件。

3 原理和方法介紹

3.1 計(jì)算目標(biāo)案例與歷史案例的相似度

案例推理是一種借鑒歷史案例經(jīng)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前問(wèn)題進(jìn)行決策的人工智能技術(shù)[15]，該方法適用于信息不完全且需要快速做出決策的應(yīng)急決策領(lǐng)域，并取得了一定的成果，如文獻(xiàn)[2-5]。因此，引入案例推理進(jìn)行突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)應(yīng)急預(yù)測(cè)，不僅可以借鑒歷史情景的應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)快速生成當(dāng)前突發(fā)事件情景的有效應(yīng)急方案，而且隨著情景庫(kù)中的應(yīng)急情境的不斷增加，可以使決策者逐漸獲取更多的應(yīng)急經(jīng)驗(yàn)，做出更有效的應(yīng)急決策，提高應(yīng)急效率。下面給出基于案例推理的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策方法的計(jì)算過(guò)程。

首先，計(jì)算目標(biāo)情景S0與歷史情景Si的屬性相似度Simj(S0，Si)。

（1）當(dāng) aj為精確值時(shí)，相似度 Simj(S0，Si)的計(jì)算公式為：

進(jìn)一步，通過(guò)各情景的屬性相似度Simj(S0，Si)計(jì)算目標(biāo)情景S0與歷史情景Sj的相似度Sim(S0，Si)，即

顯然，Sim(S0，Si)∈[0 ，1]，Sim(S0，Si)越大，表明當(dāng)前情景S0的應(yīng)急情況與歷史情景庫(kù)中的情景Si的相似度越高。

3.2 生成t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)情景

假設(shè)某突發(fā)事件發(fā)生，決策者在t1時(shí)刻接到報(bào)警，根據(jù)報(bào)警人對(duì)當(dāng)前事故現(xiàn)場(chǎng)的描述形成情景S'0，并立即搜索情景庫(kù)，找到最相似的情景Si，執(zhí)行情景Si的解決方案 Xi。在t1+Δt時(shí)刻，救援力量和救援專(zhuān)家已經(jīng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，并且方案 Xi已經(jīng)執(zhí)行，那么，可以根據(jù)從t1時(shí)刻到t1+Δt時(shí)刻屬性的變化趨勢(shì)和專(zhuān)家對(duì)屬性變化的判斷來(lái)生成t2時(shí)刻的情景，這樣既考慮到情景S'0在方案 Xi的執(zhí)行下的客觀變化趨勢(shì)，也考慮到了主觀對(duì)情景變化趨勢(shì)的判斷。下面分析如何生成t2時(shí)刻的情景。

首先，計(jì)算從t1時(shí)刻到t1+Δt時(shí)刻的屬性aj的變化趨勢(shì)。

（1）當(dāng)aj為精確值時(shí)，變化趨勢(shì)的計(jì)算公式為：

進(jìn)一步地，計(jì)算專(zhuān)家對(duì)屬性aj從t1+Δt時(shí)刻t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)。

目前，依據(jù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)判斷狀態(tài)或者情景概率的研究已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視和應(yīng)用。采用專(zhuān)家群體主觀判斷進(jìn)行線(xiàn)性加權(quán)集結(jié)的方法預(yù)測(cè)情景中每個(gè)屬性到t2時(shí)刻的信息量。由于專(zhuān)家對(duì)于情景屬性的判斷存在不確定性，因此，假設(shè)專(zhuān)家 Ek對(duì)t1+Δt時(shí)刻的情景屬性到t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)為；如果專(zhuān)家對(duì)于t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)值肯定，即BLjk=則專(zhuān)家專(zhuān)家對(duì)屬性從t+Δt時(shí)刻到t時(shí)刻的預(yù)測(cè)12值ZjR為：

3.3 t2時(shí)刻方案選擇

在預(yù)測(cè)得到t2時(shí)刻的情景之后，選擇方案過(guò)程見(jiàn)圖1，具體步驟如下。

步驟1計(jì)算t2時(shí)刻預(yù)測(cè)情景S0''與歷史情景庫(kù)中情景的相似度

步驟2搜索情景庫(kù)，選擇與情景S0''相似度最大的情景 Sk，k∈N 。

步驟3如果k=i，表明當(dāng)前的方案 Xi能夠完全控制和應(yīng)對(duì)t2時(shí)刻的情景，無(wú)需對(duì)情景庫(kù)進(jìn)行重新檢索。如果 k≠i，且，表明決策者認(rèn)為當(dāng)前的方案在其可以接受范圍，對(duì)當(dāng)前的情景依然有效。通常，δ的取值由決策者經(jīng)驗(yàn)，相似度取值范圍及其調(diào)整方案所需成本給定，δ越小，表明決策者對(duì)相似度的要求越高。如果k≠i，且表明依據(jù)決策者經(jīng)驗(yàn)，方案Xi無(wú)法控制當(dāng)前的情景，停止目前的方案 Xi，執(zhí)行與情景S''0最相似的情景Sk所對(duì)應(yīng)的方案 Xk。

圖1 t2時(shí)刻應(yīng)急方案選擇過(guò)程

4 案例分析

下面以某煤礦企業(yè)的瓦斯爆炸事故為例來(lái)說(shuō)明基于案例推理的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策方法的潛在應(yīng)用。設(shè)某煤礦企業(yè)發(fā)生瓦斯爆炸，井下被困人員數(shù)量50人，爆炸影響區(qū)域范圍14 m2，CO濃度為36%，CH4濃度為9%，爆炸后通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)一般（F）。瓦斯爆炸案例庫(kù)中同一類(lèi)型的數(shù)據(jù)如表1所示，其中爆炸后通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)的語(yǔ)言評(píng)價(jià)等級(jí)為非常好（VG），好（G），一般（F），差（P），非常差（VF）；屬性權(quán)重為（0.25，0.25，0.15，0.2，0.15）。下面給出部分計(jì)算過(guò)程和結(jié)果。

（1）依據(jù)式（1）和（3）計(jì)算目標(biāo)情景與歷史情景的屬性相似度，結(jié)果如表2所示。

（2）依據(jù)式（4）計(jì)算目標(biāo)情景與歷史情景的相似度，結(jié)果如表2所示。

從表2可知，與當(dāng)前情景最相似的歷史情景是S3。

表2 t1時(shí)刻目標(biāo)情景與歷史情景的屬性相似度

（3）在救援力量和救援專(zhuān)家到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施歷史情景S3所對(duì)應(yīng)的方案 X3Δt時(shí)間后，觀察到t1+Δt的情景為井下被困人員數(shù)量40人，爆炸影響區(qū)域范圍18 m2，CO濃度為33%，CH4濃度7%，爆炸后通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)一般（G）。依據(jù)式（5）和（6）計(jì)算情景屬性從 t1時(shí)刻到t1+Δt時(shí)刻的變化趨勢(shì)為 P1=0.8，P2=1.285 8，P3= 0.916 7，P4=0.777 8，P5=1.2 。

（4）參照t1時(shí)刻到t1+Δt時(shí)刻的變化趨勢(shì)，依據(jù)式（7）預(yù)測(cè)情景屬性ai在t2時(shí)刻的屬性值，計(jì)算結(jié)果為：(0.7，0.85，1)。

（5）專(zhuān)家在t1+Δt時(shí)刻對(duì)當(dāng)前情景發(fā)展到t2時(shí)刻的屬性值進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表3所示。專(zhuān)家的權(quán)重向量為(0.25，0.4，0.35)，依據(jù)式（9）得到 t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)屬性值為：

（6）依據(jù)式（10）計(jì)算t2時(shí)刻的綜合預(yù)測(cè)屬性值，取α=0.3，β=0.7，計(jì)算結(jié)果為：

（7）依據(jù)式（1），（3），（4）計(jì)算 t2時(shí)刻的預(yù)測(cè)情景 S''0與歷史情境的相似度，計(jì)算結(jié)果為：

由此可知，與預(yù)測(cè)情景S0''最相似的歷史情境為S1，與t1時(shí)刻情景最相似的情景S3不同。取δ=0.05，則，那么專(zhuān)家認(rèn)為當(dāng)前的方案不適合t2時(shí)刻的情景，需要調(diào)整應(yīng)急方案。專(zhuān)家將根據(jù)情景S1對(duì)應(yīng)的方案調(diào)整當(dāng)前的方案使其更適合突發(fā)事件的發(fā)展。

表1 煤礦瓦斯爆炸事故目標(biāo)案例與歷史案例數(shù)據(jù)

表3 專(zhuān)家預(yù)測(cè)t2時(shí)刻的屬性值

5 結(jié)論

在應(yīng)急管理中，應(yīng)急決策的動(dòng)態(tài)問(wèn)題是最為關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容之一。本文運(yùn)用案例推理的方法，對(duì)具有可變性的突發(fā)事件的應(yīng)急方案生成問(wèn)題進(jìn)行探討。綜合考慮應(yīng)急情景的變化趨勢(shì)和專(zhuān)家對(duì)未來(lái)時(shí)刻的預(yù)測(cè)，生成未來(lái)時(shí)刻的情景，借助案例推理搜索情景庫(kù)得到未來(lái)情景的最相似案例，在此基礎(chǔ)上，判斷初步方案是否能控制未來(lái)的情景，給出應(yīng)急決策的方案。所提出的基于案例推理的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策方法的實(shí)踐意義在于：（1）決策者根據(jù)不斷完善的信息及其變化趨勢(shì)及時(shí)對(duì)應(yīng)急方案進(jìn)行調(diào)整，保證了在應(yīng)急救援過(guò)程中能取得最佳的應(yīng)急處置效果，從而更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。（2）根據(jù)屬性客觀變化趨勢(shì)和專(zhuān)家主觀預(yù)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的情景，使得情景預(yù)測(cè)能更加準(zhǔn)確，從而能更好地提前做好應(yīng)急響應(yīng)，同時(shí)，彌補(bǔ)了以往研究中情景狀態(tài)已知及其依據(jù)決策者的心理參考點(diǎn)來(lái)調(diào)整方案的不足。（3）案例推理技術(shù)的自動(dòng)學(xué)習(xí)能力可以有效提高應(yīng)急救援的效率。

[1]曾偉，周劍嵐，王紅衛(wèi).應(yīng)急決策的理論與方法探討[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（3）：172-176.

[2]Fan Z P，Li Y H，Wang X，et al.Hybrid similarity measure for case retrieval in CBR and its application to emergency response towards gas explosion[J].Expert Systems with Applications，2014，41（5）：2526-2534.

[3]Liu W，Hu G，Li J.Emergency resources demand prediction using case-based reasoning[J].Safety Science，2012，50（3）：530-534.

[4]李永海，樊治平，袁媛.考慮應(yīng)急方案實(shí)施效果的突發(fā)事件應(yīng)急方案生成方法[J].控制與決策，2014，29（2）：275-280.

[5]張英菊，仲秋雁，葉鑫，等.基于案例推理的應(yīng)急輔助決策方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26（4）：1412-1415.

[6]張?jiān)讫?，劉?應(yīng)急救援中的應(yīng)急決策[J].中國(guó)公共安全：學(xué)術(shù)版，2009（1）：66-69.

[7]吳廣謀，趙偉川，江億平.城市重特大事故情景再現(xiàn)與態(tài)勢(shì)推演決策模型研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，2011，13（1）：18-23.

[8]姜艷萍，樊治平，蘇明明.應(yīng)急決策方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法研究[J].中國(guó)管理科學(xué)，2011，19（5）：104-108.

[9]王亮，王應(yīng)明.基于前景理論的動(dòng)態(tài)參考點(diǎn)應(yīng)急決策方法研究[C]//兩型社會(huì)”建設(shè)與管理創(chuàng)新——第十五屆中國(guó)管理科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（上），2013.

[10]Yang J，Xu C.Emergency decision engineering model based on sequential games[J].Systems Engineering Procedia，2012，5：276-282.

[11]姚杰，計(jì)雷，池宏.突發(fā)事件應(yīng)急管理中的動(dòng)態(tài)博弈分析[J].管理評(píng)論，2005，17（3）：46-50.

[12]陳興，王勇，吳凌云，等.多階段多目標(biāo)多部門(mén)應(yīng)急決策模型[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2010（11）：1977-1985.

[13]劉洋，樊治平，袁媛.突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)的多屬性風(fēng)險(xiǎn)決策方法研究[J].運(yùn)籌與管理，2013（1）：23-28.

[14]Altay N，Green III W G.OR/MS research in disaster operationsmanagement[J].European JournalofOperational Research，2006，175（1）：475-493.

[15]Mille A.From case-based reasoning to traces-based reasoning[J].Annual Reviews in Control，2006，30（2）：223-232.

ZHANG Kai

Department of Information Engineering,Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007,China

With respect to the problem of the emergency scenario changing dynamically,a method of dynamic emergency decision based on case-based reasoning is proposed.The preliminary emergency alternative is generated according to the initial emergency information.The next moment scenario is predicted through considering the variation tendency of the scenario attribute and the prediction of experts.Furthermore,the most similar scenario with the next moment scenario is extracted by using the similarity computation results between the predicted scenario and the historical scenario,and the alternative of dynamic emergency decision is provided through the comparison of the similarity degree of scenario.An example is given to show the validity and feasibility of the proposed method.

case-based reasoning;similarity degree;dynamic emergency decision-making;scenario;emergency alternative

針對(duì)突發(fā)事件中情景動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題，提出了一種基于案例推理的動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策方法。根據(jù)初期獲取的應(yīng)急信息檢索情景庫(kù)，生成初步應(yīng)急方案；通過(guò)綜合考慮情景屬性的變化趨勢(shì)和專(zhuān)家的預(yù)測(cè)來(lái)生成下一時(shí)刻的情景；在該基礎(chǔ)上，利用預(yù)測(cè)情景與歷史情景的相似度測(cè)算結(jié)果來(lái)選擇與下一時(shí)刻預(yù)測(cè)情景最相似的情景，并通過(guò)情景相似度比較進(jìn)行方案選擇，給出應(yīng)急決策方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法；通過(guò)算例說(shuō)明了該方法的有效性和可行性。

案例推理；相似度；動(dòng)態(tài)應(yīng)急決策；情景；應(yīng)急方案

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1406-0387

ZHANG Kai.Research on dynamic emergency decision method based on case-based reasoning.Computer Engineering and Applications,2014,50（23）：56-60.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.30671680）；國(guó)家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（No.11C26213502126）；福建省交通運(yùn)輸廳科技發(fā)展項(xiàng)目（No.201319）。

張愷（1979—），男，講師，研究方向：信息管理與數(shù)據(jù)挖掘。E-mail：19263902@qq.com

2014-06-27

2014-08-04

1002-8331（2014）23-0056-05

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2014-09-15,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1406-0387.html