基于CBR和GIS的海上溢油應急資源配置方案研究

基于CBR和GIS的海上溢油應急資源配置方案研究

李紅清1，萬劍華1，趙宇鵬2

(1.中國石油大學(華東)，山東青島266580；2.中海石油環保服務(天津)有限公司博士后科研工作站，天津266061)

摘要：傳統溢油應急資源配置方案的制定主要依靠現場工作人員的經驗，存在很大的主觀性，方案制定缺乏科學理論支持。將CBR(案例推理技術)以及GIS技術引入到溢油應急資源配置方案的制定中，解決應急資源配置方案制定過程中資源種類、數量確定以及海陸資源運輸等問題。對CBR涉及的案例表示、案例檢索、案例調整和案例學習等核心問題進行系統研究，綜合考慮GIS技術支持下的陸海一體化資源運輸，建立溢油應急資源配置專家系統。研究表明，該系統能幫助現場工作人員快速制定溢油應急資源配置方案，為溢油應急提供科學合理建議。

關鍵詞：溢油應急;CBR;GIS;資源配置;路線規劃

中圖分類號：P208

收稿日期：2014-12-10

基金項目：海洋工程裝備科研項目(201212)

作者簡介：李紅清(1988-)男，碩士研究生.

通訊作者2)投稿時登錄或注冊的作者被系統視為,有關稿件事宜將與其聯系。

The research of oil spill response for the allocation of resource plan based-on CBR and GISLI Hong-qing1, WAN Jian-hua1, ZHAO Yu-peng2

(1.China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2.CNOOC Environmental Services (Tianjin) Co., Ltd. Tianjin 266061， China)

Abstract：Traditional oil spill response for the allocation of resources plan is mainly developed from the experience of field staff, so there are some issues such as subjectivity, lack of scientific theories. In this paper, case-based reasoning technology and GIS technology are introduced into the development of the allocation of resources plan to address the problems of resource types, the amount of resources and land-sea transportation. Studying of the CBR involved case representation, case retrieve, case revise and case retain, and considering land-sea transportation based on GIS, the oil spill response for the allocation of resources plan expert system are built. Studies show that the system can help field staff to develop the plan of oil spill response for the allocation of resources quickly, and provide scientific and reasonable suggestions for oil spill response.

Key words：oil spill response; CBR; GIS; allocation of resources; path planning

隨著海洋石油勘探開發與海上石油運輸規模不斷擴大，發生溢油事故的可能性不斷增加。海上溢油事故會對社會經濟和海洋生態環境造成重大損失和破壞。為了將溢油事故的危害降到最低，需要快速科學地制定溢油應急資源配置方案，將溢油應急資源盡快投放到事故現場，把溢油事故控制在初發階段。傳統的溢油應急資源配置方案的制定主要依靠現場工作人員的經驗，由于溢油事故具有突發性、大規模的特點，工作人員很難在沒有借鑒以往溢油事故的案例情況下，在短時間內復雜環境下做出科學、有效的最佳決策。為了解決上述問題，本文將案例推理人工智能技術和GIS技術引入到溢油應急配置方案的制定中，為方案的制定提供科學依據，提高方案制定的快速性和有效性。

許多研究工作者對將案例推理技術和GIS技術應用在事故應急領域做了很多有益的嘗試。例如馬安安等人在系統歸納總結以往重大環境污染事故應急響應案例的經驗教訓的基礎上，建立重大環境污染事故案例庫，研究基于案例的重大環境污染事故應急響應策略篩選方法[1-3]。本文將案例推理技術和GIS技術應用到溢油應急資源配置方案的研究中，解決方案制定過程中應急資源種類和數量的確定，以及海陸一體的應急資源運輸問題。

1溢油應急資源配置中的案例推理方法研究

基于案例推理的方法最早由耶魯大學Schank教授在1982年出版的專著Dynamic Memory：A Theory of Reminding and Learning in Computers and People 中提出，是人工智能領域一項重要的推理方法[4]。案例推理技術符合人類的認知習慣，當人們遇到問題時會根據記憶搜尋以往發生過的類似的事情，根據是否符合現在的場景來決定是否直接采用或者對以前的經驗進行調整后采用，待事情處理完之后總結經驗存放在記憶中，以備下次借鑒。案例推理技術是一種重要的機器學習方法，它將目前面臨的新問題稱之為目標案例，將過去解決過的問根稱為源案例[5]。基于案例推理就是根據目標案例的特征檢索獲得數據庫中的源案例，并由源案例來指導目標案例求解的一種策略。其求解過程可以總結歸納為4個主要過程：案例檢索(Retrieve)、案例重用(Reuse)、案例修正(Revise)和案例保存(Retain)，因此案例推理亦稱為4R，其工作過程如圖1所示。

圖1　案例推理技術原理

1.1案例表示

針對以往發生的溢油事故專家制定的溢油應急資源配置方案是主要的研究管理對象。對案例進行有效的組織和表示是后續案例檢索和重用的基礎。對案例進行表示的過程就是將案例轉化成計算機易于識別和管理的數據結構。通過查閱文獻以及請教溢油應急處置領域的相關專家，本文將案例表示為兩部分，對溢油情況的描述和資源配置方案的描述：

<溢油情況描述，資源配置方案描述>。

案例中溢油情況的描述包括溢油發生的時間、地點、事故源、溢油種類、溢油面積、溢油噸數、相對岸線位置以及風場和流場等信息。資源配置方案描述的內容包括應對此次事故需要的應急資源種類及各種資源的數量，應急資源種類包括吸油氈紙、分散劑、圍油欄、撇油器、應急船舶以及應急人員等。除種類和數量外，配置方案還包括資源配置方案的效果及改進建議等內容。案例在數據庫中用3個數據表表示(數據為示例數據)，如表1～表3所示。

表1　溢油情況描述表

表2　應急資源種類數量表

表3　應急效果評價表

1.2案例檢索

溢油應急資源配置方案的案例檢索是指從案例庫中找到與當前溢油事故最匹配的一個或多個相似案例。案例推理技術中的案例庫與以前專家系統中的規則庫不同，規則庫是專家制定的解決某類問題的通用規則，根據規則推斷出新的知識，案例庫中的每一個案例包含歷史問題的情景描述以及該案例的解決方法。當利用案例推理技術處理一個新事故時，CBR利用案例檢索算法搜索到與當前問題相關的最佳案例作為解決新事故的依據，檢索到的案例直接影響新案例解決的效果，因此案例檢索在案例推理中十分重要。

常用的案例檢索方法有近鄰法、歸納法和模板檢索三種。近鄰法是指根據案例屬性的特征值計算案例之間的相似程度，它將目標案例看作空間中的一個點，利用距離公式求得與該目標點距離最近的案例。歸納法是根據最能將案例區分開來的屬性對案例進行分類。模板檢索是根據輸入的檢索條件，返回滿足參數的所有案例。隨著案例數據庫中案例的增多，以上檢索方法的效率都會降低。本文根據溢油案例的特點采用歸納法與近鄰法相結合的方法進行案例檢索，可以提高檢索的效率。其檢索流程如圖2所示，當遇到新的事故時，根據溢油量劃分溢油等級，在這個等級下利用近鄰法找到最相似案例。

圖2　案例檢索流程

1.3案例的調整和修改

利用案例檢索方法獲得與目標案例最相似的案例往往不能直接應用于新案例的解決，因為兩個案例并不是完全相同，需要對細節進行調整和修改，直到得到應急專家滿意的方案。對案例的調整和修改不僅僅局限于對一個相似案例進行修改，也可以對多個相似案例進行調整和修改得到最佳解決方案。案例調整和修改分為用戶和系統兩個層次，首先是系統根據預設的規則進行調整和修改，系統將調修后的方案提交給應急專家，應急專家再根據實際情況進行微調得到最終方案。案例的調整和修改是保障解決方案有效的重要措施。

1.4案例學習

案例學習是保證案例數據庫質量的重要環節。它主要包含兩方面的內容，即數據庫的維護和案例的評價。數據庫的維護主要是指將檢索得到的案例經過調整和修改之后應用于新問題形成的解決方案作為新的案例添加到案例數據庫中以及對數據庫中原有案例的刪除或者修改。案例評價是判斷一個案例是否添加到數據庫的重要前提，如果案例評價好則將其存放到數據庫中，如果解決方案效果不好，則舍棄新的案例或為其尋找新的替代解決方案，再將方案保存到數據庫中。案例學習是數據庫擴展和更新的重要手段，是保證案例推理技術具有解決新問題能力的關鍵。

2基于GIS的海陸一體溢油應急資源路線規劃

應急資源的運輸包括兩個階段：第一個階段是從陸上救援物資倉庫將應急物資運到港口碼頭；第二階段是從將物資裝船從港口碼頭運到溢油事故點。以最短路徑為主的最優路徑問題一直是地理信息科學學科的一個研究熱點[6]。近年來，國內外研究學者對陸上應急資源的調度問題做了大量深入的研究，但是對海上應急資源的調度鮮有涉及，由于海上交通的特殊，陸上運輸的路線規劃方法不完全適用于海上運輸。針對應急資源運輸的特點，本文綜合考慮陸上和海上運輸的因素，設計以時間為目標的陸海一體化應急物資路線規劃算法。

陸海一體化應急物資路線規劃算法分兩個步驟：第一個步驟是利用海上路線規劃算法求得距事故點最近的港口碼頭；第二個步驟是根據陸上路徑分析算法求得距港口最近的應急資源倉庫，最終得到完整的從陸上倉庫到海上事故點的路線規劃。下面將分別討論兩個步驟中涉及的路線規劃算法。

2.1海上路線規劃算法

1)在海圖上，將研究區域的障礙物用多邊形標記出來，并給障礙物多邊形定義唯一的識別號，同時繪制障礙物多邊形的外切圓。

2)將溢油事故點與港口碼頭連線，并以該線作為矩形的對角線繪制矩形，檢測矩形和海圖上障礙物的空間關系，并將該矩形包含(包括與矩形相交)的障礙物圖形儲存到集合C中。以溢油事故點作為起點，港口碼頭作為終點。

3)選擇集合C中離起點最近的一個點，以起點向該點作兩條切線，并求出切點坐標。

4)從兩個切點出發，分別與終點進行連線，統計與每條線相交的多邊形數量。選取相交多邊形少的切點作為路徑的中間節點，并將其定義為新的起點，存放在集合D中。

5)重復2)～4)，直到4)中相交多邊形數量為0。

6)連接溢油事故點，集合D中的點及終點，得到海上運輸最佳路徑。

中央政府和地方政府具有不同的政策偏好，這源于中央和地方在政策目標和利益取向上的不同，一項科技創新政策在不同層級的政府眼中所發揮的作用是不盡相同的。牛忠志認為由于地方政府的科技創新政策能夠直接作用于當地的企業，目標比較明確，反映更加迅速，手段也更加直接，從而在推動科技發展方面與中央科技創新政策相比能夠取得更加有效的效果。也有學者持完全相反的觀點，李建民、陳敏認為地方政府在政績考核的壓力下，往往會以GDP總量為主要追求目標，而在此背景下，地方政府對科技投入的熱情并不高，這就造成了科技創新政策在地方的實施效果大打折扣，在科技創新政策的制定上也遠遠落后于中央政府。

通過上述算法步驟，可得到如圖3所示的海上路徑規劃結果。

圖3　海上路線規劃算法結果圖

2.2陸上路線規劃算法

陸上常用的路徑分析算法有Dijkstra算法、A*算法和Floyd-Warshall算法等。本文采用的是路徑分析算法中經典的Dijkstra算法。Dijkstra算法解決的是有向圖中的最短路徑問題，其算法主要特點是以起始點為中心向周邊進行擴展，直到找到最佳解。其缺點是當路網中的頂點數量較多時，此算法的效率會降低。根據路網的特點，本文采用改進的Dijkstra算法，初始搜尋時，根據出發點和目的點的位置選定一個方向范圍，僅搜尋選定方向范圍內的頂點。

首先，將道路運輸網簡化為有向圖，以港口碼頭為起點，以倉庫為終點，路口作為頂點存放在集合V中，并將V分為S和T兩組，其中S是指滿足條件的頂點的集合(初始時只含有源點V0)，T是尚未計算的頂點集合。

改進的Dijkstra算法步驟如下：

1)連接起點S和終點E，過起點S向E方向作SP射線，與SE之間的夾角為λ，在SE的另一側同理作SQ射線。以SE線段距離作圓形，與SP和SQ射線分別相交于M，N兩點，形成SMN封閉的扇形。

2)計算SMN扇形與集合T中頂點的位置關系，如果頂點在SMN扇形之外則將點刪除，剩下的點仍保存在T中。

3)令S={V0}，T={扇形內頂點}，若V0與Vi連通，則對應的弧上的權值為dist(V0,Vi)，若V0與Vi不連通，則dist(V0,Vi)為無窮大，用∞表示。

4)從集合T中選取一個距離值最小的頂點w，若頂點w不在S中，則將其加入集合S中。

5)對其余T中頂點的權重值進行修改，若加進w作中間頂點，從V0到Vi的距離值縮短，則修改此值。

6)重復上述步驟4、5，直到S中包含所有頂點，即w=E為止。

經過試驗證明，當λ取值60的時候，算法執行效果較好，可以有效縮減算法的搜尋范圍，快速得到建議路徑。

3系統的設計與實現

溢油應急資源配置專家系統選擇的開發語言為CJHJ，借助ArcEngine類庫實現，主要包含案例輸入、案例檢索、案例調整與修改、數據庫維護、路徑分析以及方案輸出等功能。

案例輸入時指將新的溢油事故的屬性特征輸入到系統中，需要輸入的內容包括發生的時間、地點、事故源、溢油種類、溢油面積、溢油噸數、相對岸線位置以及風場和流場等信息，程序界面如圖4所示。

圖4　案例輸入界面

案例檢索是利用歸納法和近鄰法得到與目標案例最匹配的相似案例。案例調整與修改是對檢索返回的案例根據實際情況進行調整，包括系統級調整和用戶級調整，系統級調整是系統根據預設的規則對方案進行修改，用戶級調整是應急專家根據事故情況進行方案的調整和修改，得到最佳解決方案。

數據庫維護是系統的關鍵功能，包括案例的增加、刪除和修改等功能。路徑分析是根據倉庫位置、路網圖、事故點，利用最短路徑算法得到最佳路徑，顯示在地圖中，作為建議路徑提供給用戶。方案輸出功能是綜合案例推理技術得到的溢油應急種類和數量以及GIS技術得到的最佳路徑生成溢油應急資源配置方案，如圖5所示，并利用報表形式輸出給用戶。

圖5　應急資源配置方案界面

4結論

本文將案例推理技術和GIS技術應用到溢油應急資源配置方案的研究中，解決溢油應急資源配置方案制定中遇到的應急資源種類和數量的確定以及應急資源運輸等問題，并對案例推理中溢油應急資源配置方案案例的表示、案例檢索、案例的調整與修改以及案例的學習進行研究。利用C#語言和Arc Engine類庫開發溢油應急資源配置方案制定的專家系統，可以快速有效的生成溢油應急資源配置方案，可以對溢油應急決策制定提供支持，具有一定實際意義。本文中涉及的GIS路徑分析未考慮復雜路況情況下的運輸，這是本系統以后改進的方向。

參考文獻：

[1]馬安安, 曾維華, 王妍.基于案例推理的重大環境污染事故應急響應策略篩選專家系統研究[J]. 2010 International Conference on Broadcast Technology and Multimedia Communication, 2010, 295-300.

[2]孫殿閣, 孫佳, 曹婧華, 等. 基于案例推理的城市典型災害應急處置專家系統構建研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2012(2):55-60.

[3]寇苗, 賈永剛, 劉文全. 基于GIS的渤海石油平臺溢油應急物資調運系統的研究[J]. 環境工程, 2010(S1):356-359.

[4]WATSON D,ABDULLAH S. Developing case-based reasoningSystems:a case study in diagnosing building defects [C].In:Proceedings of the IEE Colloquium on Case-based Reasoning:Prospects for Applications Digest.1994, 57: 1-3.

[5]侯玉梅,許成媛. 基于案例推理法研究綜述[J]. 燕山大學學報:哲學社會科學版, 2011(12):102-108.

[6]陳述彭,魯學軍, 周成虎. 地理信息系統導論[M]. 北京: 科學出版社, 1999.

[責任編輯：張德福]

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