煤矿事故应急救援案例推理系统研究

□冯 珍 [山西财经大学 太原 030006]

煤矿事故应急救援案例推理系统研究

□冯 珍 [山西财经大学 太原 030006]

为了有效利用煤矿事故应急救援案例的知识资源，为迅速建立救援方案提供重要的决策参考，设计了煤矿事故应急救援案例推理系统的工作流程，建立了案例的组织和表示方法，包括矿井概况表、应急救援表和事故案例表。通过提取案例的特征信息，设计了案例检索的算法，为了反映救援专家的主观能动性，提出了带反馈的案例检索算法。

案例推理；相似度；应急救援；煤矿事故

当前，我国煤矿安全生产继续保持总体稳定、趋于好转的发展态势，但是，由于诸多原因，我国煤矿安全生产形势依然十分严峻，煤矿事故总量仍居高位。煤矿事故信息数据量大、内容庞杂，为了高效利用煤矿事故案例资源，文献[1,2]设计开发了煤矿事故案例管理系统，按照传统的事故分析思路，主要注重事故的原因分析和经济损失计算，设计了煤矿事故案例的数据结构，包括矿井概况表和事故案例表。本文认为煤矿事故发生后应急救援的方案和措施，总结救援的成功要素和失败教训也是煤矿事故案例分析的重点问题，当新的事故发生后，能迅速检索到已有救援经验的案例，修订应急救援预案，快速形成救援决策方案，是非常必要且重要的。因此本文对煤矿事故应急救援案例推理系统的工作流程，案例的组织和表示，案例的匹配和检索开展了研究。

一、煤矿事故应急救援案例推理系统

案例推理（case-based reasoning，CBR）是根据目标案例的信息，对源案例进行初始索引，通过计算问题域在属性空间中的距离，度量源案例与目标案例的相似度，匹配的源案例的解决方案为目标问题提供决策支持。CBR要建立一个基于已有经验的案例库，根据具体领域或者具体提问的特点,每一条经验被表示成一个案例。一个案例包括对几个已经提取特征的描述,以及相应案例的解决方案[3～6]。煤矿事故救援案例推理系统是为处理出现在煤矿中新的事故，设计救援方案提供重要依据和参考的案例推理系统，可以实现知识和经验的再利用，快速、高效地化解各种危机。设计煤矿案例推理的工作流程如图1所示：

图1 煤矿事故应急救援案例推理系统

1．案例表示。煤矿事故应急救援案例主要包括矿井概况、事故案例和应急救援三方面的信息，按照案例表示的数据结构输入每个事故救援的信息，形成案例库。

2．案例匹配与检索。输入当前煤矿事故特征信息，调用相似度计算算法，访问案例库，逐个计算当前事故和救援案例的相似度，输出大于阈值的案例救援方案，若找到了满意的案例，则进入案例学习的环节；若没有找到，则需要进行案例调整。

3．案例调整。指定需要学习的事故案例和不需要的案例，进行反馈检索，直到检索到满意案例的救援方案。

4．决策方案生成。访问救援知识库, 学习知识库中存储的救援经验和教训，结合当前发生的煤矿事故的特征和相应的应急预案，形成决策方案。

二、煤矿事故应急救援案例的表示

煤矿事故应急救援案例是案例推理系统的主要管理对象，对案例进行有效管理前须将案例以计算机易于识别处理的方式进行存储。经过文献查阅，大量研究煤矿事故应急救援案例和专家深度访谈，建立了三个表来说明应急救援案例的特征，分别为矿井概况表、应急救援表和事故案例表[1,2]。

1．矿井概况表。该表是对煤矿整体情况的描述，包括字段煤矿名称、煤矿地域、矿井类型、持证情况、瓦斯等级、煤尘爆炸指数、供电方式（是否双回路）、矿井通风方式、下井最多人数、煤矿在地域的地震（最大）等级、矿井的核定生产能力、矿井的实际生产能力（最大）。

2．应急救援表。该表是对应急救援方案和救援效果的描述。包括字段应急机构、决策指挥人、救援专家、救援队伍、被困工人素质、应急救援装备、技术救援资料、监测监控设备、救援时间、救出人数、救援具体措施、救援成功关键因素、救援失败关键因素。

3．事故案例表。该表是对事故救援后的评估和总结。包括字段案例名称、日期、时间、矿井名称、发生地点、发生场所、事故等级、事故类型、死亡人数、重伤人数、轻伤人数、起因物、直接经济损失、间接经济损失、直接原因、间接原因、事故教训、预防措施。

三、煤矿事故应急救援案例的匹配与检索

为了方便案例的匹配和检索，需要提取案例的特征信息，按照案例的特征信息检索到满意案例。基于煤矿事故应急救援案例表示的数据结构，可使用四元组表达式的形式对案例进行描述，该四元组可归纳为：案例=<特征属性，主题属性，救援方案，事故总结>，可简化成一个表达式:

其中，X1是表示案例的特征信息，由事故案例表中日期、时间、死亡人数、重伤人数、轻伤人数、发生场所、事故类型和起因物字段信息构成，共8个属性。字段日期、时间的数据类型为日期/时间型，死亡人数、重伤人数和轻伤人数为数字型，发生场所、事故类型和起因物为文本型。

X2是指煤矿案例的主题属性，由矿井概况表中的所有字段构成。

X3是指案例的救援方案的描述和评估，由应急救援表中的所有字段构成。

X4是指对事故的总结，由事故案例表中案例名称、矿井名称、发生地点、直接经济损失、间接经济损失、直接原因、间接原因、事故教训、预防措施字段信息构成。

为减少不同数量级引起的偏差，对于案例fi的日期/时间型和数字型的属性值进行模糊规范化到0到1之间[5]，得到标准属性值集为{xi1,xi2,…,xi5}，i表示1到n个案例。

设新问题为f0，属性3-5为估计死亡人数、估计重伤人数和估计轻伤人数,其日期/时间型和数字型的标准属性值集为{x1,x2,…,x5}。为了保证关键属性的匹配，设定所有特征属性权重集为{w1,w2,…,w8}。采用下面的加权欧氏距离法求得新问题f0和案例fi关于属性1-5的相似度。

发生场所、事故类型和起因物为无序枚举型值属性，一致时相似度即为1，不一致相似度就为0，相似度可表示为:

因此新问题f0和案例fi的相似度为

设置阈值λ，如果si≥λ，则有M个案例与f0相似，如果si<λ,则案例库中没有与f0相似的实例。

以上案例检索相似性度量方法解决了定量、定性属性案例检索的问题，但不足之处在于仅为一次性检索，救援专家的只能通过确定阈值决定检索到的与新问题相似的案例个数，检索到什么样的案例由软件系统一次性决定。这样的检索方法不能反映应急救援者的主观能动性，不利于救援方案的设计，针对这些问题，提出带反馈的实例检索相似性度量方法。

四、带反馈的案例检索相似性度量方法

在第一次检索到与新问题相似的煤矿事故救援案例后，一般都有救援专家认为较满意的案例，称之为正例，和不满意的方案，称之为反例，因此带反馈的案例检索相似性度量方法允许救援人员在检索到的案例中选择Q个正例和P个反例，然后再检索与正例接近而与远离反例的案例，可重复多次直到检索到救援专家满意的方案，具体的检索算法为：

1．算案例fi与各个正例fq+的相似度s，选择其最大者,记为Sl+，即

2．算案例fi与各个反例fp+的相似度s，选择其最大者，记为Sl−，即

3．算案例fi的相对相似度，即

当Sl+≥λ时，案例fi被检索。煤矿事故应急救援案例检索算法，步骤如下：step 1：对新问题f0的属性1-5的值集模糊规范化为{x1,x2,…,x5}；

step 2：根据新问题对不同属性的重要度，设定权重集{w1,w2,…,w8}，并设置阈值λ；

step 3：按式（1）～式（3）求新问题与案例库中案例的相似度Si，取出Si≥λ的M个案例；

step 4：如找到满意方案则停止反馈，否则设计者指定M个案例中的Q个正例和P个反例，按式（4）～式（6）计算S1+，取出S1+≥λ的M1个实例；

step 5：救援专家如果还没有得到满意的实例，则重复步骤4，进入下一次反馈。

五、结论

建立煤矿事故应急救援案例推理系统，可有效利用大量的煤矿应急救援案例信息，为组建应急救援体系、应急预案的编制和组织合理有效地救援工作等提供知识经验和有效对策。建立了煤矿事故应急救援案例的组织和表示方法，提出了煤矿事故应急救援案例检索可采用带反馈的案例检索相似性度量方法，按照新事故的特征属性值和救援专家的主观愿望找到满意的事故救援案例，参考其应急救援方案、救援经验、汲取教训，修改应急救援预案，快速形成决策方案。

[1]叶青, 罗新荣, 贾真真, 等. 煤矿事故管理系统的设计与开发[J]. 中国安全科学学报，2008,18(4)：132-133.

[2]王雁飞, 王秀义. 基于 SSH框架的煤矿事故管理系统的设计与实现[J]. 现代计算机，2010,(10)：83-85.

[3]肖磊, 张志英, 漆春. 基于社会网络的突发事件企业应急管理主体构建[J]. 电子科技大学学报（社科版），2011,13(6)：31-34.

[4]季文韬, 陈汶滨, 张平. 基于案例模糊的无人机故障诊断系统[J]. 计算机系统应用，2011,20(1)：32-35.

[5]武民民, 宋良图, 黄伟等. 基于替代算法的案例推理灾害救助系统[J]. 计算机系统应用, 2009,18(4)：11-13.

[6]BERGMANN R, KOLODNER J, PLAZA E.Representation in Case-based Rasoning[J]. Knowledge Engineering Review, 2005, 20(3):209-213.

On Case-based Reasoning System of Coal Mine Accident Emergency Relief

FENG Zhen
（Shanxi University of Finance & Economic Taiyuan 030006 China）

In order to effectively use the knowledge resources on coal mine accident emergency relief cases,and provide the important decision references for the rapid rescue plan, the case-based reasoning system work flow of coal mine accident emergency relief is designed. The organization and express methods are established including mine situation table, emergency table and accident cases table. By extracting the characteristic information of the cases, the case retrieval algorithm is designed. The case retrieval algorithm with feedback is put forward to reflect the subjective initiative of relief experts.

case-based reasoning; similarity; emergency relief; coal mine accident

C931

A

1008-8105(2012)02-0035-03

2012 − 01 − 15

国家人事部归国留学人员科技活动项目煤矿应急事件救援案例管理系统研究（晋人社厅函[2010]449号）.

冯珍（1971 − ）女，博士，山西财经大学管理科学与工程学院教授.

编辑 何 婧