基于案例推理的地震應急救援決策方法*

張國軍 ，李 浩 ，凌云翔 ，3

（1.駐成都鐵路局軍代處，成都 610000；2.武警警官學院，成都 610213；3.國防科技大學系統工程學院，長沙 410073）

0 引言

目前，破壞性地震造成的損失與日俱增，如何為決策者提供智能化輔助決策工具，實現有效、高效的地震應急救援決策成為當前地震應急救援研究的迫切問題。

在救援實踐中，決策者在決策過程中積累了大量的應急救援決策經驗并體現在應急救援方案設定中。案例推理是通過借鑒歷史案例的經驗，與當前事件進行推理比較，利用歷史案例的成功救援經驗提高處理當前事件的能力［1］。近年來，國內外學者已就地震決策進行了許多研究［2-3］。地理信息系統（GIS）由于有強大的信息處理能力，而被廣泛應用于地震分析預報、地震災害預測和輔助決策［4-7］。王建勛等［1］討論了應用GIS構建地震應急決策系統；常勇等［8］闡述了基于GIS的地震應急輔助決策系統的設計原理和基本思路。李永義等［9］把雙層規劃方法、隨機模擬方法以及模糊決策方法引入到震后交通應急調配決策分析。目前，我國在地震災害應急決策領域的理論研究還不夠廣泛，因此，本文將案例推理理論應用于地震應急救援決策，為地震應急救援決策提供一種新思路和新方法。

1 基于框架的地震應急案例表示方法

案例推理是由目標案例的提示而得到歷史記憶中的源案例，并由源案例指導目標案例求解的一種策略。將該理論用于地震應急救援決策時，決策者通過輸入當前案例的特征值，生成最相似的案例并獲得相應的成功救援方案，以供決策者對人員、物資、裝備進行調運，組織多部門聯動實施救援，保證最大限度減少資源損耗。因此，基于案例推理的地震應急救援決策主要包含兩個模塊:案例表示和案例檢索（推理機制）。這里提出基于框架的地震應急救援案例表示方法。

由于地震應急救援案例結構性差和推理結果的定量化需求，因此，案例推理的前提是將非結構化或半結構化的問題轉化為結構化的問題。而框架表示方法既能將應急救援案例結構化表示出來，又能滿足案例適配的定量化決策，因此，它是地震應急救援案例表示的最佳方法。框架表示方法可將案例表示為3部分:地震應急案例情景特征、地震應急救援方案和地震應急救援效果。如表1所示。

表1 地震案例框架表示

2 案例推理檢索算法

案例推理檢索包括兩個部分:一是各項相似度的計算；二是各項屬性權重的確定。案例推理檢索算法的設計主要滿足:一是檢索出的案例越少越好；二是檢索出的案例與目標問題越相似越好。

2.1 屬性相似度算法

基于地震案例特點，本文利用最近相鄰法進行屬性相似度的計算。由于地震發生初期的地震情況無法快速獲得，地震部門在初期將開展地震災情初判，利用地理信息系統和防震減災綜合數據庫，并結合圓模型進行衰減計算，初步得到大致數據，如地震影響范圍，傷亡人數及經濟損失，查明震中人口密度、海拔、地形等精確數據，并及時通知有關應急救援部門。

案例檢索過程涉及的屬性主要有4種類型:

1）確定符號屬性。確定符號屬性值為簡單枚舉值，它列舉了該屬性所有可能的取值，屬性值之間不存在實際意義的量的關系，如震區主要的房屋結構，相似度計算式為

2）枚舉屬性。該屬性主要是用于計算一組特定屬性分類，屬性值之間存在一定的等級關系，如地震響應等級，計算式為

3）精確數屬性。這類屬性用數值表示，如地震深度、震中烈度、人口密度。

相似度方法為

4）精確數與模糊區間屬性值。此類屬性中的模糊數為大致區間數據，如受傷人數、死亡人數、直接經濟損失，相似度計算方法為

式中，ci表示第i個檢索特征屬性的取值范圍。

2.2 權重獲取算法

本文利用主客觀權重相結合的方法獲取權重屬性，主觀權重由地震專家根據層次分析法獲得，客觀權重根據歷史數據由標準離差賦權法得到。

由于一部分歷史數據極端值影響屬性的分配，因此，在進行客觀權重計算前，首先要對歷史數據進行歸一化，本文選用文獻［10］的歸一化方法，將不同量綱上的屬性值歸一化到［-1，1］上，避免屬性值對權重分配的影響。

綜合權重采用公式:

根據現實情況的需要也可手動對權重進行調整。

2.3 成效排序

目標案例與歷史案例的相似度的計算公式為:

設置篩選閾值:

當滿足SIM（Z*，Z）i≥δ時，歷史案例將被提取。根據文獻［11］提出的方法，利用成本和效果數據，采取合適權重對被提取的案例重新排序，獲取與決策者決策偏好契合度最高的最優歷史案例。

3 案例分析

這里利用案例來驗證基于案例推理的地震應急救援決策方法的有效性。

收集9個地震案例作為源案例，以云南省昭通市魯甸“8·03”地震為目標案例，篩選震級為6.0級，如下頁表2所示。按照本文計算方法，權重向量為 wi=（0.137，0.075，0.036，0.155，0.182，0.004，0.36，0.051），進而計算案例相似度。

有效歷史案例集的應急效果和應急成本如表3所示。

利用一次線性方程計算成本和效果的效用值，當效果因子a和成本因子b取不同值時，可以得到不同排序，如表4所示。

取a=0.8，b=0.2，從案例庫提取的案例為2013年4月20日發生的四川蘆山地震。兩次地震情景比較如表5所示。

于決策者而言，地震初期震區救援力量的分配極為重要。蘆山地震發生時間為2013年4月20日8時02分，截至當日15時40分許，解放軍和武警部隊共投入雅安震區第一線的救援兵力已達XXX人，成都軍區和武警部隊還有XXX兵力隨時可以增援。相比較而言，魯甸地震發生的時間為2014年8月3日16時30分，截止2015年8月5日1時，

來自成都軍區、北京軍區、空軍、二炮、武警部隊的XXX名官兵已全部到達13個重災縣和13個重災鄉鎮，兩地震在救援兵力的組成和數量上大致相同。因此，選擇蘆山地震作為參考案例，在自然特征上和社會屬性特征上具有很高的相似性，在地震初期應急救援方案制定上也具有非常高的相似性。

表2 案例收集

表3 案例成本效果

表4 案例排序

表5 地震情景比較

4 結論

為了實現地震應急救援決策的需要，根據地震應急救援案例特點，提出框架表示方法，根據案例的不同特征屬性，設計相應的相似度計算方法，解決了傳統最近相鄰算法屬性值缺失的問題，設計了綜合權重的獲取方法，并利用決策者心里偏好對案例重新排序。該方法在時間緊迫、震區情況尚未明朗的情況下，針對地震應急救援進行輔助決策具有良好的應用前景。