楊 夢，周恩波

(1.中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083；2.北京大學遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871)

煤礦應急預案是為了規(guī)范煤礦事故應急管理和應急響應程序，建立健全的應急救援機制，及時、科學、有效地指揮和協(xié)調(diào)應急救援工作而制定的一套事故處置經(jīng)驗和處置方式，以最大限度地降低事故災難造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡為目的，是確保救援工作安全有序開展的重要保障。國內(nèi)現(xiàn)有的研究主要集中在提高預案的完善性與可操作性以及自動生成，以提高應急預案編制工作的有效性[1-6]。但是這些研究沒有考慮事故的動態(tài)變化性和隨機性，不能有效地對突發(fā)狀況進行應急響應，且應急響應主要憑借指揮人員的知識經(jīng)驗，無法有效學習或借鑒歷史事故案例中的經(jīng)驗知識，在實際應用中具有很大的局限性，因此，動態(tài)生成符合當前事故特征的現(xiàn)場處置方案對事故應急救援意義重大。

專家系統(tǒng)是一個由計算機程序組成的智能系統(tǒng)，是人工智能應用中最活躍和最廣泛的研究課題之一。系統(tǒng)利用解決專業(yè)問題的大量領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識和經(jīng)驗，模擬人類專家解決問題的方法處理領(lǐng)域問題[7]。目前專家系統(tǒng)已被廣泛應用于各個領(lǐng)域，特別是礦山安全生產(chǎn)和應急救援中。李白思雨[8]利用專家系統(tǒng)，建立了鐵路應急救援決策推理模型；王東明等[9]基于磚混結(jié)構(gòu)廢墟救援特點，對其安全評估專家系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)界面進行了設(shè)計，較好地協(xié)助地震應急救援工作；張東旭[10]提出將專家系統(tǒng)與應急指揮系統(tǒng)相結(jié)合思想，將專家系統(tǒng)的功能進行模塊化，有機的嵌入到應急指揮系統(tǒng)中，并通過GIS技術(shù)來設(shè)計實現(xiàn)油田生產(chǎn)應急指揮系統(tǒng)；管鎮(zhèn)銘[11]結(jié)合分布式處理、云計算、神經(jīng)網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)通信與工業(yè)自動化等技術(shù)，構(gòu)建一個多層次煤礦安全生產(chǎn)專家系統(tǒng)，實現(xiàn)多級多業(yè)務多部門在同一平臺上的協(xié)同工作與監(jiān)管；唐善成[12]為克服現(xiàn)有煤礦專家系統(tǒng)信息共享困難，推理能力有限等缺點，提出了基于Web Service的煤礦安全生產(chǎn)專家系統(tǒng)；楊丹丹[13]通過集成灰色關(guān)聯(lián)度分析模型、貝葉斯模型以及模糊綜合評判模型中的模糊超標法等防治水措施輔助決策模型，設(shè)計開發(fā)了基于GIS的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了礦井突水水源判別、水害預防措施輔助決策等功能，具有一定的實際價值。

本文基于專家系統(tǒng)構(gòu)建了一個現(xiàn)場處置方案自動生成系統(tǒng)，系統(tǒng)整合了多源的信息和知識資料，包括歷史事故案例、大量的應急預案和領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗知識，使得應急救援過程依據(jù)科學理論指導并有充足的信息支撐。在發(fā)生事故后，系統(tǒng)可以根據(jù)礦井實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和事故動態(tài)信息，判斷出需要采取的相應救援措施，指揮人員還可以通過輸入查詢信息，獲得與當前事故特性最相似的歷史事故案例，提供真實救援經(jīng)驗。

1 現(xiàn)場處置方案自動生成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦事故具有突發(fā)性，在事故發(fā)生后往往由指揮人員根據(jù)獲取的信息確定事故處置方法，這種方式具有速度慢，信息獲取不全，無法參照以往信息等缺點?？紤]到應急救援的緊迫性和依循應急預案和安全規(guī)章的性質(zhì)，系統(tǒng)采用了專家系統(tǒng)中的規(guī)則推理方法并結(jié)合了搜索引擎技術(shù)來實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾部分組成：

1)人機接口：用戶與專家系統(tǒng)進行交流的界面。用戶輸入數(shù)據(jù)和信息，系統(tǒng)將結(jié)果予以顯示。

2)知識庫：用于存放相關(guān)應急救援處置相關(guān)知識，包括事故案例經(jīng)驗知識，應急預案知識，專家知識等。

3)推理機：用于存放可以采用的推理策略。利用知識庫進行推理得出結(jié)論。

4)搜索引擎：根據(jù)用戶輸入的查詢信息，匹配符合查詢條件且與當前事故最相似的歷史事故案例。

圖1 基于規(guī)則推理的處置方法處置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 知識表示與知識庫的建立

知識表示指的是系統(tǒng)中知識的組織形式，知識表示與問題的性質(zhì)和推理控制策略有密切的關(guān)系。目前知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡、狀態(tài)空間、與或圖、謂詞邏輯、框架、劇本、本體等[14]。本系統(tǒng)儲存兩類知識，分別為：①事故案例中提取出的案例知識，如事故的基本信息，發(fā)生原因，救援過程等的文字描述；②處置方案生成相關(guān)知識，即處置方案生成規(guī)則。

2.1 事故案例知識表示

煤礦事故案例包含事故中的基本信息要素，記錄了事故發(fā)生的時間和地點，引發(fā)事故的直接、間接原因，事故經(jīng)過、后果等，目前案例多以非結(jié)構(gòu)化文本的形式存儲，不能對其進行深層次的加工利用，如果能有效地把事故案例描述的信息抽取出來，并進行合理的組織、管理和存儲，將對應急救援和決策產(chǎn)生積極的輔助作用?？蚣鼙硎痉ㄊ且钥蚣芾碚摓榛A(chǔ)，能將陳述性和過程性知識相結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)化知識表示方式[15]，既可用于存儲事故的各屬性值，也可表示事故原因、救援、處置過程等描述性知識?？蚣苁且环N存儲以往經(jīng)驗和信息的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一種結(jié)構(gòu)化表示方式?？蚣芡ǔ２捎谩皞?cè)面-槽-值”表示結(jié)構(gòu)，也就是說，框架由描述事物的各個方面的若干側(cè)面組成，每個側(cè)面有若干槽，每個槽有若干值?？蚣苤械母郊舆^程用系統(tǒng)中已有的信息解釋或計算新的信息。

在綜合分析煤礦事故案例特點之后，本文將事故案例以六元組形式描述進行插槽式表示。采用框架技術(shù)的案例表示結(jié)構(gòu)見表1。

表1 事故案例的表示結(jié)構(gòu)

2.2 處置方案知識表示

處置方案的生成是在結(jié)合現(xiàn)場事故的基礎(chǔ)上，遵循相關(guān)規(guī)章制度，安全規(guī)程以及應急預案，當現(xiàn)場情況滿足一定條件時出發(fā)相應規(guī)則。事故的處置方案生成屬于專家系統(tǒng)的精確推理過程，即推理中的條件和結(jié)論的因果關(guān)系是必然的，由前提開始推理到結(jié)論，可以得到結(jié)論 是正確的或者錯誤的，一個明確的答案。進行精確推理時，當一條規(guī)則的前項條件為真時，才會觸發(fā)規(guī)則。本文采用產(chǎn)生式規(guī)則表示處置方案知識，知識來源主要通過對相關(guān)安全規(guī)程的閱讀，以及與安全專家的溝通，最后收集到的內(nèi)容加以歸納規(guī)范總結(jié)提取。

產(chǎn)生式規(guī)則的基本思想是模式匹配，它從初始事實出發(fā)，用模式匹配的方式查找匹配的產(chǎn)生式規(guī)則。如果已知事實能夠使規(guī)則前提為真，則該規(guī)則被激活，推出新的事實；否則，查找下一條規(guī)則，以此類推，直到得到結(jié)論為止。產(chǎn)生式規(guī)則的最大的優(yōu)點是知識模塊化、一致性和自然性較好，知識易于理解，便于知識庫維護，方便操作。例如判斷瓦斯爆炸的知識可以產(chǎn)生式規(guī)則表達為：

IF

瓦斯?jié)舛冗_到5%～16%

存在火源

環(huán)境氧氣含量不低于12%

THEN

發(fā)生瓦斯爆炸事故

此外，產(chǎn)生式規(guī)則前件可以動態(tài)變化或者是多個條件的組合。如果產(chǎn)生式規(guī)則的前件是動態(tài)變化，與時間或者其他動態(tài)因素有關(guān)，可以在產(chǎn)生式前件處加入時間變量，動態(tài)決定推理路徑。如果產(chǎn)生式前件需要對多個條件進行判斷，可以聯(lián)合不同規(guī)則綜合起來進行判斷。

本系統(tǒng)利用開源規(guī)則業(yè)務引擎Drools工具構(gòu)建知識庫，規(guī)則定義使用原生規(guī)則語言，并存儲在規(guī)則文件DRL中。根據(jù)不同煤礦事故類型，知識庫可以分成八大類知識，分別是瓦斯事故知識庫、機電事故知識庫、運輸事故知識庫、火災事故知識庫、頂板事故知識庫、水害事故知識庫、放炮事故知識庫和其他事故知識庫，每類知識庫利用一個DRL文件存儲。每條知識分成前件(知識的前提)和后件(知識推理結(jié)果)。

3 規(guī)則推理

產(chǎn)生式推理系統(tǒng)一般使用前向鎖鏈推理，即從待處理的數(shù)據(jù)出發(fā)，通過匹配規(guī)則庫中規(guī)則的前件，得到初步推理結(jié)果，再將初步結(jié)果匹配其他規(guī)則前件，直到?jīng)]有可以匹配的規(guī)則為止。推理機的效率和效果取決于推理引擎中的模式匹配器，即事實與規(guī)則前件匹配的組件。本文采用經(jīng)典的模式匹配Rete算法，通過構(gòu)建一個網(wǎng)絡進行匹配[14]。

4 搜索引擎

搜索引擎的目的是從煤礦事故案例庫中提取出相似案例，本系統(tǒng)利用搜索引擎中倒排索引技術(shù)對案例非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行檢索，同時針對目標案例固有特性利用傳統(tǒng)基于屬性的相似度計算方式對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行自動匹配，最后，將兩者結(jié)果進行綜合，從而在應急狀態(tài)下，依據(jù)指揮人員意愿進行有側(cè)重、有傾向的半自動化相似案例檢索輔助決策支持。

在案例檢索前，首先需要基于案例庫建立用于支持關(guān)鍵詞檢索算法的倒排索引。倒排索引核心思想是構(gòu)造一種能夠?qū)⒃~映射到文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而方便人們通過少許關(guān)鍵詞來對復雜文檔進行有效檢索[16]。

在應急狀態(tài)下，系統(tǒng)依據(jù)當前目標案例(事故區(qū))屬性信息以及決策者輸入的檢索關(guān)鍵短語信息觸發(fā)一次檢索行為的整個過程。在該過程中，檢索系統(tǒng)會進行以下步驟：

1)粗略召回：粗略召回是指系統(tǒng)基于輸入的關(guān)鍵短語信息，利用倒排索引從案例庫中召回全部相關(guān)案例的過程。本文首先對關(guān)鍵短語進行細致化分詞，將關(guān)鍵短語分解為一個或多個關(guān)鍵詞，之后，通過倒排索引，檢索出每個關(guān)鍵詞所對應的全部文檔，這些文檔至少包含一個或多個上述關(guān)鍵詞。

2)計算檢索指數(shù)：對已經(jīng)粗略召回的案例數(shù)據(jù)依據(jù)輸入的關(guān)鍵短語信息計算對應的檢索指數(shù)，其中檢索指數(shù)越大，說明該案例與輸入短語越契合。

3)計算相似指數(shù)：對粗略召回的案例數(shù)據(jù)計算與目標案例間的相似指數(shù)，相似指數(shù)越大，表示該案例與目標案例在給定屬性范圍內(nèi)相似性越高。

4)綜合排序：步驟2獲得的檢索指數(shù)體現(xiàn)了決策者主動檢索需求，步驟3獲得的相似指數(shù)表達了案例與當前事故的發(fā)生環(huán)境相似程度，通過對檢索指數(shù)和相似指數(shù)計算線性加權(quán)和求得綜合指數(shù)，綜合指數(shù)較大的案例相比于候選案例更加滿足與目標案例的相似性以及決策者主動檢索的傾向性。

5)輸出結(jié)果：召回的案例通過利用綜合指數(shù)從大到小進行排序，并將結(jié)果進行輸出。

5 處置方案生成實現(xiàn)

5.1 基于規(guī)則的應急處置方案生成

當煤礦事故發(fā)生后，應急指揮人員在系統(tǒng)頁面中輸出事故相關(guān)信息，同時礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠可視化的展示在頁面上。系統(tǒng)后臺程序根據(jù)事故基本特征和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)生成事故的處置措施，如圖2所示。

圖2 規(guī)則推理信息輸入

5.2 案例檢索

案例檢索功能頁面被劃分為三個區(qū)域，分別為搜索區(qū)、當前事故環(huán)境信息區(qū)以及檢索結(jié)果區(qū)。在搜索區(qū)內(nèi)，用戶可以輸入搜索內(nèi)容。當前事故環(huán)境信息區(qū)顯示了當前發(fā)生事故或災害的工作面以及對應礦井信息。檢索出的案例展示在檢索結(jié)果區(qū)，每一個條目表示一個案例，多個案例按照綜合指數(shù)從大到小順次顯示。每個檢索結(jié)果的顯示包括案例標題、案例內(nèi)容、案例元信息以及案例與目標案例的相似標簽，如圖3所示。檢索結(jié)果標題包括案例發(fā)生時間、地點以及事故類型，案例內(nèi)容以用戶檢索為基礎(chǔ)，快速截取出包含用戶檢索信息的部分內(nèi)容。案例元信息則主要指案例的排序指標，即檢索指數(shù)、相似指數(shù)以及綜合指數(shù)的大小，方便用戶快速分析該案例可能的使用效果。案例與目標案例間的相似標簽則展示了改案例在不同屬性維度上與目標案例的契合程度，方便用戶進行快速篩選。

圖3 檢索單個案例內(nèi)容顯示

6 結(jié) 語

煤礦應急處置方案是開展救援工作的重要保障，為了能應對事件發(fā)生的實時狀態(tài)，有效地對事故突發(fā)狀況進行應急響應，本文構(gòu)建一個基于專家系統(tǒng)的現(xiàn)場處置方案自動生成系統(tǒng)。系統(tǒng)整合了來自歷史事故案例、應急預案和領(lǐng)域?qū)＜业木仍R，為救援過程提供充足的信息支撐和科學依據(jù)。當發(fā)生煤礦事故，系統(tǒng)根據(jù)從應急救援偵查人員和傳感器處獲取的事故相關(guān)信息，結(jié)合礦井地質(zhì)、水文等自然信息，利用推理引擎匹配規(guī)則庫中的專家經(jīng)驗和應急救援知識，得到相關(guān)事故處置辦法，并根據(jù)指揮人員輸入的查詢信息，檢索出符合查詢條件并與當前事故特性最相似的歷史事故案例，為救援提供有現(xiàn)勢性和高可用性的現(xiàn)場處置方案和相關(guān)真實救援經(jīng)驗。