基于案例推理的动态应急决策方法研究

张 恺

福建船政交通职业学院 信息工程系，福州 350007

基于案例推理的动态应急决策方法研究

张 恺

福建船政交通职业学院 信息工程系，福州 350007

1 引言

当突发事件发生时，决策者必须根据获得的信息生成有效的应急方案来控制事态的恶化，以此来降低损失[1]。在突发事件响应过程中，由于其具有突发性、不确定性、演变性等特点，将会导致应急预案无法发挥作用。针对应急预案失效的情形，往往需要根据历史经验来生成有效的应急方案，因此基于案例推理的应急决策方法得到了广泛的应用，如文献[2-5]。但是，突发事件具有演变的不确定性，因此，需要考虑应急方案随着突发事件的情景演变而进行调整的问题[6]。在突发事件发生初期，由于应急决策者对于决策信息掌握不完全、不准确，决策者只能做出初步的应急决策。当实施初步应急方案后，随着时间的进展，突发事件的变化趋势变得清晰，决策者所掌握的信息也不断完善，那么，此时决策者需要根据新获取的应急信息判断初步方案是否能控制突发事件的发展，如若不能则需要对应急方案进行调整，保证应急处置取得良好的效果，从而更好地进行应急响应[7]。

关于动态应急决策的研究已经引起了国内外学者的关注。例如，姜艳萍等[8]根据调整方案对各级别突发事件的应急效果、损失和成本等因素对应急方案进行动态调整。王亮等[9]根据决策者动态调整的心理参考点与实时损失的比较来动态调整相应的应急方案。Yang等[10]在序贯动态博弈模型下根据突发事件的影响因素发生的时间顺序进行动态博弈来做出有效的应急效应。姚杰等[11]在动态博弈模型的框架下根据“突发事件”和“决策者”之间的动态博弈生成预案。陈兴等[12]根据事态的发展，部门子方案的改变而不断修正应急决策。刘洋等[13]根据应急方案应对不同状态的突发事件的损益，选择综合评价值最高的方案作为应急方案。从已有研究文献来看，大多研究中突发事件的变化状态已知且是通过比较应急方案所造成的损失与决策者心理参考点之间的差距来调整方案的变化，而很少考虑在突发事件的状态随机变化的情况下，如何根据突发事件的态势变化进行应急方案的调整。本文针对动态应急决策中有效应急方案生成的问题，运用案例推理技术，分析在信息不断完善和变化过程中，如何根据突发事件的变化趋势，生成最有效的方案来控制突发事件的事态发展。

2 问题描述

考虑一个基于情景库的动态应急决策问题，假设决策者在t1时刻接到某突发事件的报警，决策者根据报警人的描述初步估计目前突发事件的情景，搜索情景库中的情景，依据最相似情景的执行方案进行应对；当专家及其救援力量到达现场并开始执行该方案到t1+Δt时刻时，决策者对突发事件的发展有了一定程度的掌握，可以预测t2时刻的情景。根据预测的情景搜索情景库，得到与预测情景最相似的情景，并根据二次检索结果判断是否需要调整应急方案，从而更好地应对突发事件[14]。

为便于描述，下面的符号用来描述该突发事件应急决策问题中所涉及的集和量。

A={a1，a2，…，an}表示突发事件情景所包含的属性集合，其中aj表示第 j个属性，j∈N。如果突发事件情景的属性aj值缺失，则令aj=0。考虑属性值为精确数和

语言变量aIjI，其中语言变量采用三角模糊数表示，即

S={S1，S2，…，Sd} 表示突发事件情景集合，其中 Si表示同类突发事件第i个情景，i∈D。

X={X1，X2，…，Xd}表示这类突发事件的解决方案集合，其中 Xi表示在情景Si下的应对方案，i∈D。

P={P1，P2，…，Pn}表示属性的变化趋势向量，其中Pj表示在执行方案的作用下，属性aj的变化趋势，Pj≥0，j∈ N 。

E={E1，E2，…，Et}表示参与属性变化趋势评估的专家集合，其中Ek表示第k位专家，k∈T。

本文要解决的问题：在t1时刻做出应急决策的基础上，如何根据属性从t1时刻到t1+Δt时刻的变化趋势来确定t2时刻是否需要执行新的方案来有效控制突发事件。

3 原理和方法介绍

3.1 计算目标案例与历史案例的相似度

案例推理是一种借鉴历史案例经验对当前问题进行决策的人工智能技术[15]，该方法适用于信息不完全且需要快速做出决策的应急决策领域，并取得了一定的成果，如文献[2-5]。因此，引入案例推理进行突发事件的动态应急预测，不仅可以借鉴历史情景的应对经验来快速生成当前突发事件情景的有效应急方案，而且随着情景库中的应急情境的不断增加，可以使决策者逐渐获取更多的应急经验，做出更有效的应急决策，提高应急效率。下面给出基于案例推理的动态应急决策方法的计算过程。

首先，计算目标情景S0与历史情景Si的属性相似度Simj(S0，Si)。

（1）当 aj为精确值时，相似度 Simj(S0，Si)的计算公式为：

进一步，通过各情景的属性相似度Simj(S0，Si)计算目标情景S0与历史情景Sj的相似度Sim(S0，Si)，即

显然，Sim(S0，Si)∈[0 ，1]，Sim(S0，Si)越大，表明当前情景S0的应急情况与历史情景库中的情景Si的相似度越高。

3.2 生成t2时刻的预测情景

假设某突发事件发生，决策者在t1时刻接到报警，根据报警人对当前事故现场的描述形成情景S'0，并立即搜索情景库，找到最相似的情景Si，执行情景Si的解决方案 Xi。在t1+Δt时刻，救援力量和救援专家已经到达现场，并且方案 Xi已经执行，那么，可以根据从t1时刻到t1+Δt时刻属性的变化趋势和专家对属性变化的判断来生成t2时刻的情景，这样既考虑到情景S'0在方案 Xi的执行下的客观变化趋势，也考虑到了主观对情景变化趋势的判断。下面分析如何生成t2时刻的情景。

首先，计算从t1时刻到t1+Δt时刻的属性aj的变化趋势。

（1）当aj为精确值时，变化趋势的计算公式为：

进一步地，计算专家对属性aj从t1+Δt时刻t2时刻的预测。

目前，依据专家的经验判断状态或者情景概率的研究已经得到国内外学者的重视和应用。采用专家群体主观判断进行线性加权集结的方法预测情景中每个属性到t2时刻的信息量。由于专家对于情景属性的判断存在不确定性，因此，假设专家 Ek对t1+Δt时刻的情景属性到t2时刻的预测为；如果专家对于t2时刻的预测值肯定，即BLjk=则专家专家对属性从t+Δt时刻到t时刻的预测12值ZjR为：

3.3 t2时刻方案选择

在预测得到t2时刻的情景之后，选择方案过程见图1，具体步骤如下。

步骤1计算t2时刻预测情景S0''与历史情景库中情景的相似度

步骤2搜索情景库，选择与情景S0''相似度最大的情景 Sk，k∈N 。

步骤3如果k=i，表明当前的方案 Xi能够完全控制和应对t2时刻的情景，无需对情景库进行重新检索。如果 k≠i，且，表明决策者认为当前的方案在其可以接受范围，对当前的情景依然有效。通常，δ的取值由决策者经验，相似度取值范围及其调整方案所需成本给定，δ越小，表明决策者对相似度的要求越高。如果k≠i，且表明依据决策者经验，方案Xi无法控制当前的情景，停止目前的方案 Xi，执行与情景S''0最相似的情景Sk所对应的方案 Xk。

图1 t2时刻应急方案选择过程

4 案例分析

下面以某煤矿企业的瓦斯爆炸事故为例来说明基于案例推理的动态应急决策方法的潜在应用。设某煤矿企业发生瓦斯爆炸，井下被困人员数量50人，爆炸影响区域范围14 m2，CO浓度为36%，CH4浓度为9%，爆炸后通风系统状态一般（F）。瓦斯爆炸案例库中同一类型的数据如表1所示，其中爆炸后通风系统状态的语言评价等级为非常好（VG），好（G），一般（F），差（P），非常差（VF）；属性权重为（0.25，0.25，0.15，0.2，0.15）。下面给出部分计算过程和结果。

（1）依据式（1）和（3）计算目标情景与历史情景的属性相似度，结果如表2所示。

（2）依据式（4）计算目标情景与历史情景的相似度，结果如表2所示。

从表2可知，与当前情景最相似的历史情景是S3。

表2 t1时刻目标情景与历史情景的属性相似度

（3）在救援力量和救援专家到达现场，实施历史情景S3所对应的方案 X3Δt时间后，观察到t1+Δt的情景为井下被困人员数量40人，爆炸影响区域范围18 m2，CO浓度为33%，CH4浓度7%，爆炸后通风系统状态一般（G）。依据式（5）和（6）计算情景属性从 t1时刻到t1+Δt时刻的变化趋势为 P1=0.8，P2=1.285 8，P3= 0.916 7，P4=0.777 8，P5=1.2 。

（4）参照t1时刻到t1+Δt时刻的变化趋势，依据式（7）预测情景属性ai在t2时刻的属性值，计算结果为：(0.7，0.85，1)。

（5）专家在t1+Δt时刻对当前情景发展到t2时刻的属性值进行预测，结果如表3所示。专家的权重向量为(0.25，0.4，0.35)，依据式（9）得到 t2时刻的预测属性值为：

（6）依据式（10）计算t2时刻的综合预测属性值，取α=0.3，β=0.7，计算结果为：

（7）依据式（1），（3），（4）计算 t2时刻的预测情景 S''0与历史情境的相似度，计算结果为：

由此可知，与预测情景S0''最相似的历史情境为S1，与t1时刻情景最相似的情景S3不同。取δ=0.05，则，那么专家认为当前的方案不适合t2时刻的情景，需要调整应急方案。专家将根据情景S1对应的方案调整当前的方案使其更适合突发事件的发展。

表1 煤矿瓦斯爆炸事故目标案例与历史案例数据

表3 专家预测t2时刻的属性值

5 结论

在应急管理中，应急决策的动态问题是最为关键的研究内容之一。本文运用案例推理的方法，对具有可变性的突发事件的应急方案生成问题进行探讨。综合考虑应急情景的变化趋势和专家对未来时刻的预测，生成未来时刻的情景，借助案例推理搜索情景库得到未来情景的最相似案例，在此基础上，判断初步方案是否能控制未来的情景，给出应急决策的方案。所提出的基于案例推理的动态应急决策方法的实践意义在于：（1）决策者根据不断完善的信息及其变化趋势及时对应急方案进行调整，保证了在应急救援过程中能取得最佳的应急处置效果，从而更好地应对突发事件。（2）根据属性客观变化趋势和专家主观预测来预测下一时刻的情景，使得情景预测能更加准确，从而能更好地提前做好应急响应，同时，弥补了以往研究中情景状态已知及其依据决策者的心理参考点来调整方案的不足。（3）案例推理技术的自动学习能力可以有效提高应急救援的效率。

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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

针对突发事件中情景动态变化的问题，提出了一种基于案例推理的动态应急决策方法。根据初期获取的应急信息检索情景库，生成初步应急方案；通过综合考虑情景属性的变化趋势和专家的预测来生成下一时刻的情景；在该基础上，利用预测情景与历史情景的相似度测算结果来选择与下一时刻预测情景最相似的情景，并通过情景相似度比较进行方案选择，给出应急决策方案的动态调整方法；通过算例说明了该方法的有效性和可行性。

案例推理；相似度；动态应急决策；情景；应急方案

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.

国家自然科学基金（No.30671680）；国家科技型中小企业技术创新基金（No.11C26213502126）；福建省交通运输厅科技发展项目（No.201319）。

张恺（1979—），男，讲师，研究方向：信息管理与数据挖掘。E-mail：19263902@qq.com

2014-06-27

2014-08-04

1002-8331（2014）23-0056-05

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