張茉莉，袁鵬，宋永會*，張慧良，姜詩慧

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京　100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京　100012

基于案例推理的突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理案例庫構(gòu)建技術(shù)研究

張茉莉1,2，袁鵬1,2，宋永會1,2*，張慧良2，姜詩慧1,2

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京100012

摘要：近年來，我國突發(fā)環(huán)境污染事件事故頻發(fā)，給經(jīng)濟社會發(fā)展造成巨大危害。通過基于案例推理的結(jié)構(gòu)化層次存儲和搜索技術(shù)，構(gòu)建應(yīng)用管理案例庫，通過快速搜索查找匹配歷史案例，可為決策者提供相對優(yōu)化的解決方案工具。探討了基于案例推理檢索技術(shù)的信息數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)途徑，研究了案例庫內(nèi)容，進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)，建立了基于Web技術(shù)的環(huán)境污染事故案例檢索查詢系統(tǒng)，收集整理500余件事故案例系統(tǒng)采用最近相鄰法在案例庫中檢索相似案例，具有檢索、修正和學(xué)習(xí)，以及統(tǒng)計分析等功能，可為新的突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)提供參考。

關(guān)鍵詞：突發(fā)環(huán)境事件；案例推理；案例庫；構(gòu)建技術(shù)

Development of Establishing Technology of Abrupt Environment Accident

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境污染事故的發(fā)生也日趨頻繁。以2005年松花江水污染事件為分水嶺，我國已進入突發(fā)環(huán)境事故高發(fā)階段，重特大污染事故逐年攀升，給人民的生產(chǎn)生活造成了巨大影響，對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。據(jù)不完全統(tǒng)計，2000年以來，我國每年僅重大環(huán)境污染事故帶來的經(jīng)濟損失多在數(shù)千萬元以上，這對我國經(jīng)濟發(fā)展也構(gòu)成了較大威脅。環(huán)境問題越來越成為公眾關(guān)注的熱點，我國政府也加強展開了對環(huán)境事件應(yīng)急體系的建設(shè)。

在環(huán)境事件應(yīng)急系統(tǒng)的研究方面，許建等[1]探討了GISES技術(shù)在突發(fā)事故應(yīng)急響應(yīng)與管理中的優(yōu)越性與途徑；魏科技等[2]歸納總結(jié)了國內(nèi)外最新應(yīng)急處理處置技術(shù)；曾明榮等[3]研究了化工園區(qū)應(yīng)急管理與應(yīng)急體系的建設(shè)；余游[4]研究了將12369投訴熱線系統(tǒng)與環(huán)境應(yīng)急指揮系統(tǒng)結(jié)合的污染應(yīng)急管理系統(tǒng)的構(gòu)架；王波等[5]提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)環(huán)境事故應(yīng)急系統(tǒng)。目前我國現(xiàn)有的突發(fā)環(huán)境污染事故應(yīng)急管理系統(tǒng)一般可分為3類：即基于GIS的系統(tǒng)、基于人工智能的系統(tǒng)和基于模型的系統(tǒng)。但大多數(shù)系統(tǒng)只是針對某種特定類型的突發(fā)事故，不能滿足所有的突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急要求，且由于管理部門眾多，信息資源分散，容易造成基礎(chǔ)信息缺乏[6]。因此筆者對大量環(huán)境污染事件數(shù)據(jù)進行調(diào)查分析，開發(fā)了基于案例推理與案例相鄰查詢的檢索技術(shù)，構(gòu)建污染事件案例信息庫，以期為我國環(huán)境事件的應(yīng)急管理提供幫助。

1基于案例的推理技術(shù)

基于案例推理(case-based reasoning, CBR)是近年來人工智能研究領(lǐng)域中廣泛研究的一項重要推理技術(shù)。關(guān)于CBR的思想最早由耶魯大學(xué)的Schank于1981年提出，1988年以來，美國國防部高級研究工程機構(gòu)(DAPPA)資助國際研究界多次召開CBR研討會[7]。CBR是通過訪問案例庫中的源案例(舊案例)求解，從而獲得目標(biāo)案例(新案例)的解決方法。目前，基于案例推理技術(shù)越來越受到研究界的重視，已被廣泛應(yīng)用于人工智能、專家系統(tǒng)等領(lǐng)域，成為一種極具生命力的推理技術(shù)。

案例推理實質(zhì)上是一種類比推理，其基于過去存在的問題解決方案對當(dāng)前問題求解。當(dāng)系統(tǒng)被輸入一個新問題時，會根據(jù)該問題的若干關(guān)鍵特征在初始案例庫中進行檢索，并返回一個或幾個與新問題最近似的源案例，復(fù)用源案例的解決方法。如果源案例給出的解決方法不適用，可對其進行修改以適應(yīng)新問題，并將修改后的案例作為一個新案例保存在初始案例庫中，以便下次遇到類似問題時作為解決方法。其基本流程如圖1所示。

圖1　CBR基本流程Fig.1　The basic flow chart of CBR

突發(fā)環(huán)境事件往往因為缺少事先征兆而突然發(fā)生，導(dǎo)致管理者在應(yīng)對過程中準(zhǔn)備不足。事件發(fā)生之后通過搜集相關(guān)信息做出決策，所需時間非常短，因此會導(dǎo)致管理及處置者難以獲取足夠的信息，從而難以在短時間內(nèi)做出有效決策。而CBR系統(tǒng)則可以在緊急決策的情況下提供更好的參考，因為突發(fā)環(huán)境事件雖然具有突發(fā)性，但有一定的規(guī)律可循，那么完全可以制定成熟的預(yù)警機制和應(yīng)急預(yù)案，以盡可能早地知道事件發(fā)生的時間和嚴重程度，并采取合理的措施。通過CBR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化層次存儲和搜索技術(shù)，可以把原本缺少規(guī)律的事件有條理有系統(tǒng)地組織起來，并通過快速搜索找到匹配歷史案例，為決策者制定相對優(yōu)化的解決方案提供有力的工具。

2案例庫結(jié)構(gòu)及內(nèi)容設(shè)計

2.1系統(tǒng)需求

案例支持系統(tǒng)的目的是能總結(jié)分析已發(fā)生的環(huán)境污染事件各因子，當(dāng)對系統(tǒng)進行檢索時能快速判定最相似案例，為處理當(dāng)前案例提供決策時的參考。其需要實現(xiàn)以下功能：

(1)案例簡介。出現(xiàn)在系統(tǒng)首頁，介紹案例發(fā)生的時間、地點、事故等級、污染物、引發(fā)原因。對每個案例提供單獨鏈接，可具體顯示案例詳細情況、應(yīng)急處置手段與應(yīng)急監(jiān)測情況。

(2)數(shù)據(jù)管理。進行新案例輸入、已有案例編輯以及系統(tǒng)各文本信息的維護。其基礎(chǔ)功能包含信息的增加、刪除、修改、保存，以及導(dǎo)入與導(dǎo)出。

(3)檢索查詢。根據(jù)不同檢索需求，提供條件查詢、模糊查詢等。直接從數(shù)據(jù)庫中獲得數(shù)據(jù)，可供查詢的因素有時間、地點、污染物、事故原因、事故類型等。查詢結(jié)果在現(xiàn)實中可提供相似度比較。

(4)統(tǒng)計分析。對檢索結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以圖表化的形式表現(xiàn)污染事件案例的各方面概率。

(5)系統(tǒng)設(shè)置。提供對檢索系統(tǒng)權(quán)重值的權(quán)限，系統(tǒng)用戶權(quán)限的管理，個人信息維護等功能，能夠設(shè)置登錄用戶角色。

2.2系統(tǒng)總體構(gòu)架

圖2　突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理案例庫系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)示意Fig.2　The hierarchical structure diagram of abrupt environmentaccident database for emergency management

2.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)需求分析，突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理案例系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)包括案例基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、污染物數(shù)據(jù)庫、案例策略數(shù)據(jù)庫。

案例基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，應(yīng)包含案例的編號、事件名稱、事件發(fā)生的時間地點、事件嚴重等級、事故的過程描述、事故類型、事故發(fā)生原因及行業(yè)分類、風(fēng)險源類型、主要污染物和數(shù)量、污染范圍描述。其中事故等級分為一般、較大、重大、特大，將主要污染物分為化學(xué)品、廢水、廢物及其他4類進行詳細說明。

污染物數(shù)據(jù)樣表和案例策略數(shù)據(jù)樣表見表1和表2。

表1　污染物數(shù)據(jù)樣表

表2　案例策略樣表

3系統(tǒng)開發(fā)與模塊

3.1案例表現(xiàn)方法

圖3　歷史污染數(shù)據(jù)模塊Fig.3　Historical pollution data show

圖4　案例基本信息表界面Fig.4　Case instance of basic information table

案例表現(xiàn)部分包括歷史案例的大數(shù)據(jù)信息查詢和具體案例描述。歷史案例研究的部分數(shù)據(jù)來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》，涵蓋了1992—2008年間全國發(fā)生的各類污染事件的數(shù)目及地域分布、經(jīng)濟損失等內(nèi)容。該模塊可按年份與省份統(tǒng)計不同的污染事件數(shù)據(jù)，利用flash即時生成統(tǒng)計圖，可直觀按年度顯示我國污染事件的發(fā)生數(shù)目、事故類型、經(jīng)濟損失，按行政區(qū)劃顯示各省級行政區(qū)內(nèi)的事件數(shù)目。同時該模塊也有數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，方便此后導(dǎo)入新年份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。歷史污染數(shù)據(jù)模塊界面如圖3所示，案例描述界面如圖4。在具體案例描述中將對已有案例進行編碼，以使檢索系統(tǒng)能夠高效迅速地檢索。包含事件名稱、事故類型、行業(yè)分類、事故等級、發(fā)生事件、發(fā)生地點、引發(fā)原因、風(fēng)險源類型、直接誘發(fā)因素、污染物、污染受體、污染范圍、水源地情況、派出工作組情況、傷亡人數(shù)、環(huán)境影響、經(jīng)濟損失、污染事故罰款、污染事故賠償、信息來源等(圖4)。總結(jié)起來的問題線路為：問題描述(problem)、癥狀描述(symptom)、解決方案描述(solution)中的全部或部分內(nèi)容?？梢孕问交乇硎緸椋篶ase= or case=< problem, symptom, solution>。

該模塊將查詢的案例基本信息列表結(jié)果集讀取到CaseInfo進行顯示。同時模塊還具有案例的編輯、添加、刪除及導(dǎo)入與導(dǎo)出功能，可對已有案例進行編輯，輸入新案例，以及不同系統(tǒng)間同規(guī)格案例信息的打包處理。

3.2案例檢索

CBR的核心是案例的檢索系統(tǒng)。將案例檢索功能分為2種：1)通過對案例的主要信息(如事件發(fā)生地點、發(fā)生時間、事件等級、污染物等)進行單項或多項混合查詢，輸出匹配的查詢結(jié)果；2)采用相似度檢索(KNN)的方式得出與目標(biāo)案例最為接近的案例。

圖5　搜索界面Fig.5　Search interface

在案例的直接查詢中，使用Import語句導(dǎo)入CaseLib和Search包中文件，用String語句創(chuàng)建搜尋對象。搜尋界面如圖5所示。搜索結(jié)果顯示界面與案例模塊基本相同，在每個案例后面都有“相似案例”鏈接，且多了“傷亡人數(shù)”、“信息來源”的內(nèi)容。點擊“相似案例”檢索出與該案例的情況描述最接近的20個相似案例。案例之間的相似性根據(jù)屬性間的相似來度量，其包括局部相似與總體相似。該系統(tǒng)所指的案例相似指案例的總體相似，但總體相似由局部相似性疊加而得。

相似度檢索則采用最近相鄰策略(KNN)，其首先為案例的每個特征屬性指定一個權(quán)值，在案例的檢索過程中依據(jù)各屬性的權(quán)值及匹配度來求得權(quán)值的和，再據(jù)此組織案例進行檢索。針對不同屬性，采用精確匹配和歐式距離2種相似度計算方法。

其中，針對引發(fā)事故原因、所屬行業(yè)分類、引發(fā)事故的風(fēng)險源類型、直接誘發(fā)因素采用精確匹配公式：

(1)

式中：sim(xi，yi)為2個案例特征屬性的相似性；i代表特征屬性類型；xi，yi分別為這2個案例的i特征屬性的值。2個案例的特征屬性完全匹配得1分，不匹配得0分。如當(dāng)2個案例均為固定風(fēng)險源類型時，則這2個案例在風(fēng)險源類型這個特征屬性上完全匹配，得1分。

針對事故等級采用歐式距離匹配公式：

(2)

式中：maxi為該屬性的最大取值；mini為該屬性的最小取值。系統(tǒng)內(nèi)各特征屬性采用的相似算法具體如表3所示。

表3　特征屬性相似度計算法

污染物相似度優(yōu)先采用精確匹配，當(dāng)比較案例的污染物匹配，則相似度為1；不匹配時，則比較污染物的特征屬性，污染物各特征屬性的相似度之和即為污染物的相似性。

系統(tǒng)特征屬性的權(quán)值采用層次分析法(AHP)和專家打分制。層次分析法的作用是從備選方案中選擇較優(yōu)者。將一個復(fù)雜的目標(biāo)決策問題作為一個系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多指標(biāo)的若干層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)值)和總排序，以作為目標(biāo)、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。將待解決的問題輸入系統(tǒng)，在已有的案例庫中進行案例的檢索匹配，獲取相似案例，結(jié)合已有的應(yīng)急處理知識及原有經(jīng)驗，對現(xiàn)有的案例提出解決方法，通過判斷矩陣計算及一致性校驗得出權(quán)值。專家賦權(quán)值見表4。

表4　特征屬性權(quán)值

其中污染物的權(quán)值又分為易燃易爆、持續(xù)富集、毒性、氣味和類別5種，見表5。

表5　污染物特征屬性權(quán)值

在得出各特征屬性的相似性后，根據(jù)所賦予的權(quán)值，案例的相似性計算公式可表示為：

式中：ω為該特征屬性的權(quán)值；n為案例特征屬性的數(shù)目。

3.3案例修改與學(xué)習(xí)

案例修改操作的主要作用是適當(dāng)調(diào)整在檢索操作中獲得的最佳案例的求解方案，使之適用于當(dāng)前問題。隨著新的案例不斷增加，如果不采取適當(dāng)?shù)男薷拇胧?，將會?dǎo)致案例庫的無限龐大，推理效率也會隨之降低，為了使案例庫控制在一定的最優(yōu)范圍內(nèi)，則必須加入案例的學(xué)習(xí)功能。

案例系統(tǒng)采取自學(xué)習(xí)功能，對于新加入的案例，計算其與案例庫中存儲的原有案例的相似度，新案例與所有案例的相似度S={S1，S2，…，Sm}，m為原有的案例數(shù)。如果所有的相似度均為0，說明案例庫中沒有與新問題匹配的案例，則需要加入該新案例；若存在一個案例的相似度為1，則表明該案例與新案例完全匹配，新案例將被拋棄；若所有的相似度均大于某個閾值，則應(yīng)改寫最大相似度的舊案例，并重新存入案例庫；若所有的相似度均小于某個閾值，則加入新案例。其中閾值由專家指定。采取這樣的自學(xué)習(xí)功能可以避免案例無限膨脹，并可維持案例的及時更新。

3.4統(tǒng)計分析

對案例進行統(tǒng)計與分析是該系統(tǒng)的一個重要需求，該模塊針對案例的事故等級、事故類型、原因、行業(yè)及污染物進行了統(tǒng)計分析，并利用flash即時生成直觀圖形。對事故等級的統(tǒng)計如圖6所示。

圖6　事故等級統(tǒng)計Fig.6　The statistic figure of accident level

圖7　污染物統(tǒng)計分析界面Fig.7　Pollutants statistical analysis interface diagram

其中對污染物的統(tǒng)計分析界面如圖7所示，軟件可對污染物進行全部或分類的統(tǒng)計，顯示其所有案例的數(shù)量，并生成污染物統(tǒng)計圖。對污染物歷史的統(tǒng)計分析，點擊每個污染物名稱，即可對其進行檢索查詢，系統(tǒng)會自動顯示查詢結(jié)果，并顯示出所有涉及該污染物的歷史突發(fā)環(huán)境污染事件，如圖8所示。

圖8　污染物歷史查詢界面Fig.8　Pollutants historical search interface

4結(jié)論

針對當(dāng)前環(huán)境事故應(yīng)急中的弊端和不足，結(jié)合基于案例的推理技術(shù)，開發(fā)了突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理案例庫系統(tǒng)。建立該案例庫可以為更多的突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急處理提供參考，有利于提高我國突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急處置的水平。而案例庫內(nèi)的案例信息不是一成不變的，為了保證案例庫的質(zhì)量，案例庫將會圍繞建庫對象以及用戶需求維護和再建設(shè)，定時和不定時增加新案例，剔除已經(jīng)沒有使用價值的案例，保持其一定的使用率。目前我國各地環(huán)境污染事故眾多，對污染事故的信息公開將會對該研究提供較大的幫助。

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Case Library for Emergency Management Based on Case-based Reasoning

ZHANG Mo-li1,2, YUAN Peng1,2, SONG Yong-hui1,2, ZHANG Hui-liang1,2JIANG Shi-hui1,2

1. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,

Beijing 100012, China

2. Department of Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Abstract:In recent years, abrupt environmental pollution accidents occurred frequently in China, having resulted in huge hazards on socio-economic development. Through structured hierarchical storage and searching technology based on case reasoning, the emergency management application case library can be established, with which historical matching cases can be found by quick search, and then relatively optimal solution tools can be provided for the policy makers. The realization approaches of information database based on case-reasoning retrieval technology were explored. The contents of the case library were researched, the structure was designed and the system developed. Finally the case retrieval system of abrupt environmental pollution accidents based on Web technology was established, which included more than 500 cases. The system takes the nearest neighbor decoding to search similar fitting cases, possessing retrieving, correcting, studying and statistical analysis functions and so on. It can provide references for the emergency response to the newly happened abrupt environmental accidents.

Key words:abrupt environmental case; case-based reasoning; case library; establishing technology

中圖分類號:X507

文章編號:1674-991X(2015)05-0386-07

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2015.05.061

作者簡介:張茉莉(1987—)，女，碩士，主要從事環(huán)境風(fēng)險評價工作，wickerfly@126.com*責(zé)任作者:宋永會(1967—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制與水環(huán)境管理技術(shù)研究，songyh@craes.org.cn

基金項目:國家科技支撐計劃項目(2015BAK16B04)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2008AA06A404)

收稿日期:2015-02-02

張茉莉，袁鵬，宋永會，等.基于案例推理的突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理案例庫構(gòu)建技術(shù)研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2015,5(5):386-392.

ZHANG M L, YUAN P, SONG Y H, et al.Development of establishing technology of abrupt environment accident case library for emergency management based on case-based reasoning[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2015,5(5):386-392.