基于案例推理的動態應急決策方法研究

張 愷

福建船政交通職業學院 信息工程系，福州 350007

基于案例推理的動態應急決策方法研究

張 愷

福建船政交通職業學院 信息工程系，福州 350007

1 引言

當突發事件發生時，決策者必須根據獲得的信息生成有效的應急方案來控制事態的惡化，以此來降低損失[1]。在突發事件響應過程中，由于其具有突發性、不確定性、演變性等特點，將會導致應急預案無法發揮作用。針對應急預案失效的情形，往往需要根據歷史經驗來生成有效的應急方案，因此基于案例推理的應急決策方法得到了廣泛的應用，如文獻[2-5]。但是，突發事件具有演變的不確定性，因此，需要考慮應急方案隨著突發事件的情景演變而進行調整的問題[6]。在突發事件發生初期，由于應急決策者對于決策信息掌握不完全、不準確，決策者只能做出初步的應急決策。當實施初步應急方案后，隨著時間的進展，突發事件的變化趨勢變得清晰，決策者所掌握的信息也不斷完善，那么，此時決策者需要根據新獲取的應急信息判斷初步方案是否能控制突發事件的發展，如若不能則需要對應急方案進行調整，保證應急處置取得良好的效果，從而更好地進行應急響應[7]。

關于動態應急決策的研究已經引起了國內外學者的關注。例如，姜艷萍等[8]根據調整方案對各級別突發事件的應急效果、損失和成本等因素對應急方案進行動態調整。王亮等[9]根據決策者動態調整的心理參考點與實時損失的比較來動態調整相應的應急方案。Yang等[10]在序貫動態博弈模型下根據突發事件的影響因素發生的時間順序進行動態博弈來做出有效的應急效應。姚杰等[11]在動態博弈模型的框架下根據“突發事件”和“決策者”之間的動態博弈生成預案。陳興等[12]根據事態的發展，部門子方案的改變而不斷修正應急決策。劉洋等[13]根據應急方案應對不同狀態的突發事件的損益，選擇綜合評價值最高的方案作為應急方案。從已有研究文獻來看，大多研究中突發事件的變化狀態已知且是通過比較應急方案所造成的損失與決策者心理參考點之間的差距來調整方案的變化，而很少考慮在突發事件的狀態隨機變化的情況下，如何根據突發事件的態勢變化進行應急方案的調整。本文針對動態應急決策中有效應急方案生成的問題，運用案例推理技術，分析在信息不斷完善和變化過程中，如何根據突發事件的變化趨勢，生成最有效的方案來控制突發事件的事態發展。

2 問題描述

考慮一個基于情景庫的動態應急決策問題，假設決策者在t1時刻接到某突發事件的報警，決策者根據報警人的描述初步估計目前突發事件的情景，搜索情景庫中的情景，依據最相似情景的執行方案進行應對；當專家及其救援力量到達現場并開始執行該方案到t1+Δt時刻時，決策者對突發事件的發展有了一定程度的掌握，可以預測t2時刻的情景。根據預測的情景搜索情景庫，得到與預測情景最相似的情景，并根據二次檢索結果判斷是否需要調整應急方案，從而更好地應對突發事件[14]。

為便于描述，下面的符號用來描述該突發事件應急決策問題中所涉及的集和量。

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

語言變量aIjI，其中語言變量采用三角模糊數表示，即

S={S1，S2，…，Sd} 表示突發事件情景集合，其中 Si表示同類突發事件第i個情景，i∈D。

X={X1，X2，…，Xd}表示這類突發事件的解決方案集合，其中 Xi表示在情景Si下的應對方案，i∈D。

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

E={E1，E2，…，Et}表示參與屬性變化趨勢評估的專家集合，其中Ek表示第k位專家，k∈T。

本文要解決的問題：在t1時刻做出應急決策的基礎上，如何根據屬性從t1時刻到t1+Δt時刻的變化趨勢來確定t2時刻是否需要執行新的方案來有效控制突發事件。

3 原理和方法介紹

3.1 計算目標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驗對當前問題進行決策的人工智能技術[15]，該方法適用于信息不完全且需要快速做出決策的應急決策領域，并取得了一定的成果，如文獻[2-5]。因此，引入案例推理進行突發事件的動態應急預測，不僅可以借鑒歷史情景的應對經驗來快速生成當前突發事件情景的有效應急方案，而且隨著情景庫中的應急情境的不斷增加，可以使決策者逐漸獲取更多的應急經驗，做出更有效的應急決策，提高應急效率。下面給出基于案例推理的動態應急決策方法的計算過程。

首先，計算目標情景S0與歷史情景Si的屬性相似度Simj(S0，Si)。

（1）當 aj為精確值時，相似度 Simj(S0，Si)的計算公式為：

進一步，通過各情景的屬性相似度Simj(S0，Si)計算目標情景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，表明當前情景S0的應急情況與歷史情景庫中的情景Si的相似度越高。

3.2 生成t2時刻的預測情景

假設某突發事件發生，決策者在t1時刻接到報警，根據報警人對當前事故現場的描述形成情景S'0，并立即搜索情景庫，找到最相似的情景Si，執行情景Si的解決方案 Xi。在t1+Δt時刻，救援力量和救援專家已經到達現場，并且方案 Xi已經執行，那么，可以根據從t1時刻到t1+Δt時刻屬性的變化趨勢和專家對屬性變化的判斷來生成t2時刻的情景，這樣既考慮到情景S'0在方案 Xi的執行下的客觀變化趨勢，也考慮到了主觀對情景變化趨勢的判斷。下面分析如何生成t2時刻的情景。

首先，計算從t1時刻到t1+Δt時刻的屬性aj的變化趨勢。

（1）當aj為精確值時，變化趨勢的計算公式為：

進一步地，計算專家對屬性aj從t1+Δt時刻t2時刻的預測。

目前，依據專家的經驗判斷狀態或者情景概率的研究已經得到國內外學者的重視和應用。采用專家群體主觀判斷進行線性加權集結的方法預測情景中每個屬性到t2時刻的信息量。由于專家對于情景屬性的判斷存在不確定性，因此，假設專家 Ek對t1+Δt時刻的情景屬性到t2時刻的預測為；如果專家對于t2時刻的預測值肯定，即BLjk=則專家專家對屬性從t+Δt時刻到t時刻的預測12值ZjR為：

3.3 t2時刻方案選擇

在預測得到t2時刻的情景之后，選擇方案過程見圖1，具體步驟如下。

步驟1計算t2時刻預測情景S0''與歷史情景庫中情景的相似度

步驟2搜索情景庫，選擇與情景S0''相似度最大的情景 Sk，k∈N 。

步驟3如果k=i，表明當前的方案 Xi能夠完全控制和應對t2時刻的情景，無需對情景庫進行重新檢索。如果 k≠i，且，表明決策者認為當前的方案在其可以接受范圍，對當前的情景依然有效。通常，δ的取值由決策者經驗，相似度取值范圍及其調整方案所需成本給定，δ越小，表明決策者對相似度的要求越高。如果k≠i，且表明依據決策者經驗，方案Xi無法控制當前的情景，停止目前的方案 Xi，執行與情景S''0最相似的情景Sk所對應的方案 Xk。

圖1 t2時刻應急方案選擇過程

4 案例分析

下面以某煤礦企業的瓦斯爆炸事故為例來說明基于案例推理的動態應急決策方法的潛在應用。設某煤礦企業發生瓦斯爆炸，井下被困人員數量50人，爆炸影響區域范圍14 m2，CO濃度為36%，CH4濃度為9%，爆炸后通風系統狀態一般（F）。瓦斯爆炸案例庫中同一類型的數據如表1所示，其中爆炸后通風系統狀態的語言評價等級為非常好（VG），好（G），一般（F），差（P），非常差（VF）；屬性權重為（0.25，0.25，0.15，0.2，0.15）。下面給出部分計算過程和結果。

（1）依據式（1）和（3）計算目標情景與歷史情景的屬性相似度，結果如表2所示。

（2）依據式（4）計算目標情景與歷史情景的相似度，結果如表2所示。

從表2可知，與當前情景最相似的歷史情景是S3。

表2 t1時刻目標情景與歷史情景的屬性相似度

（3）在救援力量和救援專家到達現場，實施歷史情景S3所對應的方案 X3Δt時間后，觀察到t1+Δt的情景為井下被困人員數量40人，爆炸影響區域范圍18 m2，CO濃度為33%，CH4濃度7%，爆炸后通風系統狀態一般（G）。依據式（5）和（6）計算情景屬性從 t1時刻到t1+Δt時刻的變化趨勢為 P1=0.8，P2=1.285 8，P3= 0.916 7，P4=0.777 8，P5=1.2 。

（4）參照t1時刻到t1+Δt時刻的變化趨勢，依據式（7）預測情景屬性ai在t2時刻的屬性值，計算結果為：(0.7，0.85，1)。

（5）專家在t1+Δt時刻對當前情景發展到t2時刻的屬性值進行預測，結果如表3所示。專家的權重向量為(0.25，0.4，0.35)，依據式（9）得到 t2時刻的預測屬性值為：

（6）依據式（10）計算t2時刻的綜合預測屬性值，取α=0.3，β=0.7，計算結果為：

（7）依據式（1），（3），（4）計算 t2時刻的預測情景 S''0與歷史情境的相似度，計算結果為：

由此可知，與預測情景S0''最相似的歷史情境為S1，與t1時刻情景最相似的情景S3不同。取δ=0.05，則，那么專家認為當前的方案不適合t2時刻的情景，需要調整應急方案。專家將根據情景S1對應的方案調整當前的方案使其更適合突發事件的發展。

表1 煤礦瓦斯爆炸事故目標案例與歷史案例數據

表3 專家預測t2時刻的屬性值

5 結論

在應急管理中，應急決策的動態問題是最為關鍵的研究內容之一。本文運用案例推理的方法，對具有可變性的突發事件的應急方案生成問題進行探討。綜合考慮應急情景的變化趨勢和專家對未來時刻的預測，生成未來時刻的情景，借助案例推理搜索情景庫得到未來情景的最相似案例，在此基礎上，判斷初步方案是否能控制未來的情景，給出應急決策的方案。所提出的基于案例推理的動態應急決策方法的實踐意義在于：（1）決策者根據不斷完善的信息及其變化趨勢及時對應急方案進行調整，保證了在應急救援過程中能取得最佳的應急處置效果，從而更好地應對突發事件。（2）根據屬性客觀變化趨勢和專家主觀預測來預測下一時刻的情景，使得情景預測能更加準確，從而能更好地提前做好應急響應，同時，彌補了以往研究中情景狀態已知及其依據決策者的心理參考點來調整方案的不足。（3）案例推理技術的自動學習能力可以有效提高應急救援的效率。

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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

針對突發事件中情景動態變化的問題，提出了一種基于案例推理的動態應急決策方法。根據初期獲取的應急信息檢索情景庫，生成初步應急方案；通過綜合考慮情景屬性的變化趨勢和專家的預測來生成下一時刻的情景；在該基礎上，利用預測情景與歷史情景的相似度測算結果來選擇與下一時刻預測情景最相似的情景，并通過情景相似度比較進行方案選擇，給出應急決策方案的動態調整方法；通過算例說明了該方法的有效性和可行性。

案例推理；相似度；動態應急決策；情景；應急方案

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.

國家自然科學基金（No.30671680）；國家科技型中小企業技術創新基金（No.11C26213502126）；福建省交通運輸廳科技發展項目（No.201319）。

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

2014-06-27

2014-08-04

1002-8331（2014）23-0056-05

CNKI網絡優先出版：2014-09-15,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1406-0387.html