基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應急指揮數(shù)據(jù)集成與挖掘研究

秦衛(wèi)江

(中國科學院 研究生院，北京100080)

1 引言

自然災害是指發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)中的自然過程，它可以導致社會經(jīng)濟系統(tǒng)失衡，使社會財產(chǎn)產(chǎn)生損失，導致社會資源出現(xiàn)嚴重的供需不平衡［1］。大型自然災害具有突發(fā)性、損害大的特點，大型自然災害的搶險救援具有時間緊迫、易受自然物資條件約束、社會輿論關(guān)注度高特點。因此，當大型自然災害發(fā)生時，就需要軍隊等對災區(qū)進行資源的緊急調(diào)度與分配。為實現(xiàn)應急指揮，需要將相關(guān)區(qū)域內(nèi)的救災物資、避難設(shè)施、道路通訊等數(shù)據(jù)一同集成至數(shù)據(jù)庫，以供決策和指揮者直接查看以及物資調(diào)度問題。

2 應急指揮數(shù)據(jù)庫設(shè)計

在應急指揮過程中，信息和數(shù)據(jù)作用巨大，可以提供給決策者直接參考，也可進行事后數(shù)據(jù)分析。同時，應急指揮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫也是各級部門開展工作的基礎(chǔ)，是應急指揮的基本保障。不論是應急指揮還是作戰(zhàn)指揮，從數(shù)據(jù)層面來看沒有本質(zhì)的區(qū)別，從數(shù)據(jù)獲取方式來看，都是基于網(wǎng)絡(luò)的開放性;從數(shù)據(jù)對決策的影響看，城市應急更多的是基于平時可獲取數(shù)據(jù)的積累和更新，作戰(zhàn)指揮除了與其相同的共性外，對由不同對手在不同環(huán)境下所帶來的、與具體作戰(zhàn)行動聯(lián)系緊密的未知數(shù)據(jù)的獲取，以及主要由戰(zhàn)場的變動性和不確定性所帶來的屬性數(shù)據(jù)的高刷新率，有特殊的要求。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，正是利用其開放性、連通性、快捷性才可能形成對決策的支撐，將分布在不同地域、不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)按照應急指揮需求處理后，形成決策優(yōu)勢。

美國軍方利用先進的分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各相關(guān)部門分別管理、更新各自領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫，利用網(wǎng)絡(luò)開放性和超級用戶特權(quán)可以隨時查詢和調(diào)閱相關(guān)數(shù)據(jù)，可以避免數(shù)據(jù)庫重復建設(shè)，數(shù)據(jù)可以在各部門得到及時更新，隨著分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴大，數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量也會逐漸擴大。日本的應急指揮數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括地理數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)、生命線數(shù)據(jù)、避難場所信息、道路數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)物資倉庫信息等多種專項數(shù)據(jù)［2］。同發(fā)達國家相比，我國應急指揮數(shù)據(jù)庫的建設(shè)還處于起步階段，在數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)等多方面與其有著較大的差距，特別是在數(shù)據(jù)的獲取、建設(shè)資金等方面存在較大的困難。雖然作戰(zhàn)的數(shù)字化與信息化建設(shè)已經(jīng)有了較為長足的發(fā)展，但現(xiàn)在各部門仍然沒有建成統(tǒng)一的管理平臺和數(shù)據(jù)存儲標準，各地的數(shù)據(jù)存儲有著不同的規(guī)范，一些資料仍以紙質(zhì)形式存在［3］。

根據(jù)應急指揮的特點，信息與數(shù)據(jù)應包含五類:一是地圖類數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理圖，基礎(chǔ)地貌圖，行政區(qū)劃圖，縣市全圖，大型企業(yè)和工廠、礦山圖等;二是社會經(jīng)濟統(tǒng)計類數(shù)據(jù)，應包括部隊行動區(qū)域的人口、房屋、經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各村鎮(zhèn)的村縣資料，各地少數(shù)民族數(shù)據(jù)，貧困地區(qū)分布數(shù)據(jù)，風俗習慣等，數(shù)據(jù)庫以自然村或行政村為統(tǒng)計單元;三是應急指揮的類別資料類，包括各類應急指揮的特征屬性、典型案例、應急預案、作戰(zhàn)知識、決策信息等數(shù)據(jù);四是作戰(zhàn)力量類，包括作戰(zhàn)參與人員的級別裝備和詳細信息、國家與地方的各類救援隊、軍隊與武警部隊、消防力量、醫(yī)療救護力量、物資儲備中心的分布、數(shù)量、構(gòu)成等數(shù)據(jù);五是緊急聯(lián)動聯(lián)絡(luò)類，包括應急指揮過程中的管理部門、各作戰(zhàn)部隊、各級政府及有關(guān)職能部門的聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)。

應急指揮所需的數(shù)據(jù)來源包括:一是負責各種應急指揮專屬系統(tǒng)的既有數(shù)據(jù)，如各級指戰(zhàn)員詳細信息數(shù)據(jù)、軍事演習經(jīng)驗數(shù)據(jù)等。二是各級政府的數(shù)據(jù)，包括政府各部門聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)、各地經(jīng)濟和人口狀況、村鎮(zhèn)地圖、應急預案、物資儲備、重要目標、救災隊伍、生命線工程資料等。三是相關(guān)部門和單位所持有的數(shù)據(jù)，如電子地圖、基礎(chǔ)地理地貌電子版圖、水庫資料、氣象資料、橋梁隧道資料等。四是網(wǎng)絡(luò)渠道等部分公開發(fā)布的數(shù)據(jù)。五是對于應急指揮的無即成數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)項，進行有針對性的偵察、調(diào)查和分析處理后得到的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述分析，應急指揮數(shù)據(jù)庫分為三個子庫:作戰(zhàn)類型、作戰(zhàn)調(diào)度、作戰(zhàn)輔助。

作戰(zhàn)類型庫首先需要記錄作戰(zhàn)本身的信息，包括:編號、作戰(zhàn)類別、作戰(zhàn)名稱、作戰(zhàn)時間、作戰(zhàn)地點(經(jīng)度、緯度)、作戰(zhàn)等級、一級類型、二級類型、三級類型、預案編號、案例編號、醫(yī)療單位編號、消防單位編號、公安單位編號、交管單位編號、安監(jiān)部門編號、救援物資庫編號、專業(yè)救援隊編號、作戰(zhàn)部門與人員編號、作戰(zhàn)狀態(tài)、報警電話、作戰(zhàn)命令時間、接報人、作戰(zhàn)描述等，作戰(zhàn)類型表與作戰(zhàn)調(diào)度中的作戰(zhàn)隊伍、物資信息、預案信息、典型案例等表都有關(guān)聯(lián)。

作戰(zhàn)調(diào)度庫包括各種參與隊伍及物資信息和預案及典型案例。參與隊伍包括:作戰(zhàn)部門與人員、醫(yī)療單位信息、消防單位信息、公安部門信息、交管部門信息、安監(jiān)部門信息、專業(yè)救援隊信息和作戰(zhàn)物資信息等。其中作戰(zhàn)部門與人員、醫(yī)療單位信息、消防單位信息、公安部門信息、交管部門信息、安監(jiān)部門信息分別存儲了編號、單位名稱、地址、聯(lián)系人、手機、電話、傳真、空間定位、所屬區(qū)域、專用運輸工具種類和數(shù)量、作戰(zhàn)人員數(shù)量等基本信息。專業(yè)救援隊伍信息存儲了編號、隊伍名稱、類別、隊伍規(guī)模、主管部門、部署地點、聯(lián)系人、手機、電話、傳真、隊伍職責等信息，同時還要與專門的軍隊數(shù)據(jù)庫進行關(guān)聯(lián)。作戰(zhàn)物資信息存儲了編號、類別、儲備庫、名稱、主管單位、儲備物品、儲備規(guī)模、儲備地點、聯(lián)系人、手機、電話、傳真等信息。預案內(nèi)容包括:編號、預案名稱、預案等級、制定時間、制定人、制定單位、是否為總體預案、適用范圍、一級類型、二級類型、三級類型、受災面積、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、作戰(zhàn)隊伍、戰(zhàn)備物資、作戰(zhàn)方案等。典型案例內(nèi)容包括:編號、案例名稱、發(fā)生時間、編寫人、編寫單位、采用預案名稱、采用預案編號、一級類型、二級類型、三級類型、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、作戰(zhàn)隊伍、戰(zhàn)備物資、作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)總結(jié)等。預案與典型案例中用一個表將兩表關(guān)聯(lián)起來，方便同時查找。

作戰(zhàn)輔助庫包括軍事專家信息、危險品、大型危險源等數(shù)據(jù)表。

3 應急指揮數(shù)據(jù)集成與分析

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應急指揮系統(tǒng)可以將各級部門的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、辦公自動化(OA)數(shù)據(jù)集成起來，集成異構(gòu)數(shù)據(jù)可以把各部門內(nèi)部及外部的各種相關(guān)數(shù)據(jù)資源整合，為信息資源規(guī)劃提供了可能。微軟的SQL Server 2010中的數(shù)據(jù)整合服務(wù)(Integration Services，SSIS)提供了一系列支持業(yè)務(wù)應用程序開發(fā)的內(nèi)置任務(wù)、容器、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)適配器。我們采用SSIS進行了二次開發(fā)，將數(shù)據(jù)加載到平面文件、原始文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫時所用的目標，填充數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)集市，實現(xiàn)了清除數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)標準化任務(wù)，將商業(yè)智能置入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程，使管理功能和數(shù)據(jù)加載自動化［4］。

應急指揮數(shù)據(jù)來源不一致，需要對數(shù)據(jù)進行抽取轉(zhuǎn)換裝載(ETL)［5］。實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的遷移，需要三個步驟:①設(shè)計源表，建立目的表和字段映射關(guān)系;②確定數(shù)據(jù)庫字段的計算法則;③實現(xiàn)數(shù)據(jù)流任務(wù)設(shè)計。建立源到目標庫的映射規(guī)則，包括映射關(guān)系和運算法則。根據(jù)應急指揮的特點，映射關(guān)系采用表映射的多對一映射和字段映射的外鍵映射，運算法則采用了字段類型轉(zhuǎn)換、拆分、合并等技術(shù)。因為應急指揮的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源有不確定性，源數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也不太固定，因此還需要對不同的系統(tǒng)分別建立連接。連接管理器采用了ODBC、ADO.Net、平面文件等多種形式的數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)了各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的需要。平面文件主要針對沒有存儲在數(shù)據(jù)庫中的各種文檔，但需要具備一定固定的格式，可在平面文件數(shù)據(jù)源的設(shè)置中設(shè)置分隔符、列標、行標等。

應急指揮數(shù)據(jù)ETL工具的工作流程如下:①在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下獲取源數(shù)據(jù)表，通過填寫源服務(wù)器的IP和數(shù)據(jù)庫名，可以連接到該服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，然后選擇需要數(shù)據(jù)遷移的表名。②選擇目標數(shù)據(jù)表，同樣通過填寫目標服務(wù)器的IP和數(shù)據(jù)庫名，連接到該服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，然后選擇數(shù)據(jù)遷移的目標表名。③進行列對應。列對應的目的在于解決不同系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題。首先模塊會獲取目標數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)類型，然后根據(jù)用戶所做的列對應，將源數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)類型進行轉(zhuǎn)換，拋棄源數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)類型。④生成可運行和部署的包文件。

應急指揮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)除為作戰(zhàn)管理平臺做數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以供決策人員瀏覽查詢之外，還可以作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，如數(shù)據(jù)的聯(lián)機在線分析(OLAP)和數(shù)據(jù)挖掘。SQL Server 2010提供了數(shù)據(jù)分析服務(wù)(SSAS)工具，在應急指揮OLAP立方體設(shè)計中，我們建立了時間維度、地理維度、作戰(zhàn)類型、傷亡分析、戰(zhàn)備物資分析等五個維度，建立了應急指揮系統(tǒng)的人員配備分析、作戰(zhàn)效果分析、作戰(zhàn)環(huán)境分析等多個立方體，并可以根據(jù)實際的情況進行自定義立方體分析所需主題和維度。

4 應急指揮數(shù)據(jù)挖掘模型

決策樹算法［6］是一個重要的數(shù)據(jù)挖掘分類模型，在應急指揮案例推理中有重要作用，但樣本數(shù)據(jù)的豐富程度對于決策樹的構(gòu)建起著很大的影響，在樹的葉結(jié)點上如果沒有對應的實際案例，會造成系統(tǒng)的經(jīng)驗不足，在案例檢索與匹配中可能會出現(xiàn)找不到合適案例的情況。因此一方面應構(gòu)建豐富的案例庫，另一方面仍需考慮保留人工分層檢索預案的方法。決策樹是一種類似于流程圖的樹結(jié)構(gòu)，采用自頂向下的遞歸方式，在決策樹的內(nèi)部節(jié)點進行屬性值的比較，并根據(jù)不同的屬性值從節(jié)點向下分支，葉節(jié)點是要學習劃分的類。從根到葉節(jié)點的一條路徑就對應著一條合取規(guī)則，整個決策樹對應著一組析取表達式的規(guī)則。

下面利用決策樹算法來說明一個尋找作戰(zhàn)匹配案例的過程。

(1)案例的組織與存儲。案例以四元組的形式存儲，其描述信息是一個非空有限集合。對于不同的典型案例，使用的預警級別是不同的，對應的預案也有所不同。對于預案響應級別有重要影響的屬性有作戰(zhàn)級別、死亡人數(shù)、作戰(zhàn)區(qū)域人口密集程度、經(jīng)濟損失等，將這些作為作戰(zhàn)案例樣本的考察屬性。

(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與計算。為了方便分類，要將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化。根據(jù)作戰(zhàn)級別劃分為四類，特大、較大、大、普通;死亡人數(shù)是以數(shù)字計算的，要將數(shù)字概化為四類:眾多、較多、多、少;人口密集程度按照地理分隔線分為高、低兩類;經(jīng)濟損失分為高、中、低三類;使用預案分為I級，II級，III級和IV級。計算時，可將樣本按照預案編號分成四類，然后根據(jù)決策樹算法公式計算作戰(zhàn)級別、死亡人數(shù)、作戰(zhàn)區(qū)域人口密集程度、經(jīng)濟損失，將最大值設(shè)為決策樹根節(jié)點，然后遞歸計算可得最終決策樹。

(3)案例檢索與匹配。構(gòu)造決策樹的過程實際上是建立索引的過程，比較與分層選擇，它可以遍歷所有的案例，具有較大的完善性。

應急指揮過程中存在著不同于隨機信息和模糊信息的另一種不確定性信息，它的不確定性主要是由于決策者對事物認識不清，造成純主觀認識的不確定性，稱之為“未確知信息”。在選取應急指揮物資調(diào)度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)路徑中的最小風險路徑時，經(jīng)驗值有時未必是精準值。在現(xiàn)實作戰(zhàn)過程中，行軍道路可能有各式的障礙。而專家組可以根據(jù)專業(yè)的知識和相關(guān)的歷史經(jīng)驗來對時間進行估計，不同的專家也存在不同的可信度。因此將專家的經(jīng)驗用未確知數(shù)表示，來獲取路徑的期望值。

在應急指揮網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，通常會規(guī)定一個限制期。現(xiàn)在將該網(wǎng)絡(luò)抽象為賦權(quán)圖，對每一條邊，有一個經(jīng)驗的權(quán)值。現(xiàn)有多名專家，分別對該邊有不同的評價，且多名專家因認識上的局限性，可信度亦有不同。我們采用未確知數(shù)理論構(gòu)建了未確知優(yōu)化數(shù)學模型，對專家組意見對可信度進行了修正。實踐結(jié)果表明模型具有較好的應急指揮決策輔助支持作用。

5 結(jié)束語

針對作戰(zhàn)決策需要，構(gòu)建了村鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應急指揮系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系，并通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成，進行了ETL工具研發(fā)和OLAP分析實現(xiàn)。將數(shù)據(jù)挖掘模型與算法(決策樹與不確定優(yōu)化理論)應用于應急指揮決策分析，可以實現(xiàn)決策的科學化和智能化，面對應急指揮中可能出現(xiàn)的不確定因素，系統(tǒng)可以自動地進行調(diào)整戰(zhàn)略實現(xiàn)智能決策支持。

進一步的研究將基于本體論和云計算理論，研究與開發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的“智慧”作戰(zhàn)決策系統(tǒng)，實現(xiàn)無線傳感與人工智能的有機結(jié)合，為精準化軍隊作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。

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