基于案例推理的燃气突发事件应急决策方法研究

董银杏，王怀秀，王亚慧

（北京建筑大学，北京 100044）

0 引 言

燃气作为清洁能源给人们的生产生活带来了极大的便利，同时也带来了安全问题，国内外燃气事故屡屡发生。当燃气事故发生时，需要迅速做出决策，及时、正确地进行应急处置。然而目前，应急抢修工作采用分级指挥的工作模式，同时对于各级应急指挥员来说，也存在着决策压力大，决策主要依靠现场抢修人员的经验等问题。而快速决策、熟练处置是挽救生命财产损失的迫切需求。因此，研究燃气突发事件应急管理先进辅助决策技术和理论方法，促进燃气应急决策智能化发展成为亟待解决的问题。本文提出将案例推理技术（Casebased Reasoning，CBR）应用于燃气突发事件应急决策中，目前，案例推理技术在突发事件应急决策中应用广泛，但在燃气突发事件应急决策中从未应用。

1 基于案例推理的燃气应急决策

人类在认识新事物时，总会习惯将新事物与以往类似事物进行类比，通过比较来不断认识新事物，在决策过程中也存在这样的现象。案例推理技术是人工智能领域中的一种知识推理方法，即把当前所面临的问题或情况称为目标案例，而把记忆的问题或情况称为源案例，基于案例推理就是由目标案例的提示获得记忆中的源案例，并由源案例指导目标案例求解的一种策略[1]。本文首先提取燃气事故案例特征属性，描述燃气事故特征属性主要有三个方面：事故基本信息，包括响应等级、事故类型、现象等；环境状况，包括事发位置、周边是否聚居民、周边是否有公共建筑物等；故障点信息，包括部位、原防腐层类型、管材等。决策者将目标案例与源案例的特征属性相匹配并进行相似度计算，选取最相似案例作为目标案例的参考案例制定决策方案。

2 燃气突发事件案例表示

案例表示就是将以往的案例以有结构、有组织、方便检索的形式存储在数据库中。对案例的表示其实就是对知识的表示。知识表示方法中，目前使用较多的有框架表示法、产生式表示法、状态空间表示法、一阶谓词逻辑表示法、语义网络表示法和面向对象表示法[2]。本文采用框架表示法，框架表示法是以框架理论为基础的，将陈述性和过程性知识相结合的一种结构化的知识表示方法。它通常由若干个槽组成，一个槽用于描述一个属性，由一个槽值或若干个侧面组成，一个侧面可以包含若干个侧面值。案例主要由描述性知识构成，因此可以采用框架表示案例结构[3]。

案例表示一般有3 个主要组成部分：

1）问题或情景描述，即案例发生时要解决的问题及周围世界的状态特征；

2）解决方案，即对问题的解决方案；

3）结果，即执行解决方案后导致的结果[4]。

通过归纳总结对燃气事故案例的问题或情景描述，应用框架表示法表示如表1 所示。

表1 燃气事故案例表示模型Table 1 Representation model of gas accident case

3 燃气突发事件案例检索

当燃气事故发生时，通过提取当前事故案例即目标案例的特征属性，在案例库中查找与目标案例最相似的源案例，从而将源案例的决策方案作为当前案例的参考方案，即燃气突发事件案例检索。案例检索包括各特征属性的权重计算和各特征属性的相似度计算两个关键问题。

3.1 权重计算

根据上述对案例属性体系的描述可知，燃气事故案例由多种特征属性构成，然而各特征属性对燃气事故处置的影响程度不同，因此需要确定各特征属性的权重，本文采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[5]计算特征属性权重。

层次分析法确定属性权重计算步骤如下：

1）建立层次结构模型

以燃气突发事件为例，建立层次结构模型如图1所示。

图1 燃气突发事件层次结构模型Fig.1 Hierarchical structure model of gas emergency

2）构造判断矩阵

根据每个特征属性的相对重要程度确定判断矩阵A，判断矩阵形式如下：

式中aij表示两因素Pi与Pj比较而得到的相对重要程度，其值由标度表2 确定。

表2 重要程度标度表Table 2 Scales of importance degree

根据图1 所示的层次结构模型，通过调查问卷专家打分的方法得出各判断矩阵。以描述燃气突发事件的3 个一级特征属性，即事故基本信息、环境状况、故障点信息为例，列出判断矩阵A。

3）计算权重

①将判断矩阵A每行各数值相乘，即：

②计算每行开n次方根的值，即：

4）进行一致性检验

①计算判断矩阵A的最大特征值，即：

其中，(AW)i为AW中的第i个元素，进而求得最大特征值λmax，即：

②计算一致性指标CI，即：

进而查表得平均一致性随机指标值RI，并计算一致性比例CR，即：

③进行一致性判断。当n=1 或2 时，判断总具有一致性，不必检验；当n=3，4，…时，CR ＜0.1 时，可以认定指标权重符合一致性要求；当CR ≥0.1 时，则指标权重不满足一致性要求，应予以调整或舍弃。

根据上述步骤计算得各权重系数如表3 所示，一级属性CR=0.007 9 ＜0.1，二级属性CR 依次为0.045 4，0.026 7，0.049 7，均小于0.1，认定指标权重均符合一致性要求。

3.2 相似度计算

本文采用最近邻法进行案例检索，即求得目标案例与源案例的各个特征属性匹配程度，进而从案例库中找出与目标案例距离最近的案例方法。通过计算目标案例与源案例的相似度找出与目标案例距离最近的源案例，为了使相似度计算更加准确，本文分为三步计算案例的相似度：首先，计算局部特征属性相似度；其次，计算案例间结构相似度；最后，综合两者的计算结果得出全局相似度。

根据上述对案例属性体系的描述可知，案例属性具有4 种类型，即数值型、有序枚举型、无序枚举型以及模糊型。因此，对不同类型的属性值需采用不同的相似度计算方法。

1）局部相似度计算

①数值型。这类属性运用加权的Hamming 距离反函数方法来计算，具体公式如下：

式中：sim(Xi,Yi) 表示目标案例X和源案例Y的第i个属性的相似度；Xi，Yi分别表示案例X和Y的第i个属性的值；max(i)和min(i)分别表示第i个属性的最大值和最小值。

②有序枚举型。该类属性具有一定的排列等级，如响应等级。采用如下相似度计算式：

式中g为属性i取值的等级个数。

③无序枚举型。该类属性在无排序的属性集合中取值，应用Jaccard 相似系数计算相似度[6]，计算公式为：

式中分子和分母分别为Xi，Yi交集和并集的个数。

④模糊型。对于模糊型属性采用三角模糊数[7]表示，采用Wasserstein 距离式[8]演化的方法计算属性间相似度，如式（11）所示：

定义1：设语言集I={I0,I1,…,Ik,…,It}为一组有序的语言评价值，则其中Ik的三角模糊数表示为特别地[9]，当k=0 时，I0=当k=t时

根据定义1 可知，语言集可表示为：

2）结构相似度计算

在案例相似度计算过程中，目标案例X与源案例Y属性值可能存在空值情况，可以计算两者的结构相似度[10]。计算过程如下：

①集合M={X中属性值不为空的属性指标}；

②集合N={Y中属性值不为空的属性指标}；

③集合P=M⋂N，集合Q=M⋃N（其中X集合的元素个数为m，Y集合的元素个数为n）；

3）全局相似度计算

通过以上方法分别求出两个案例的局部相似度和结构相似度S，在此基础上可以计算全局相似度，计算式如下：

式中：sim(X,Y) 为目标案例X和源案例Y的全局相似度；S为结构相似度；sim(Xij,Yij) 为目标案例X一级属性i下二级属性第j指标与源案例Y一级属性i下二级属性第j指标的局部相似度；wi为第i个属性的权重；wij为属性i下j指标权重；n为一级属性的个数；m为一级属性i的二级属性个数。

4 案例分析

以真实燃气事故案例为例，下面案例C1、案例C2、案例C3作为源案例，案例D 为目标案例，各案例属性值如表3 所示。根据上述局部相似度计算方法，计算属性值不为空的目标案例与各源案例局部相似度，如表4 所示。经计算目标案例与各源案例的结构相似度和全局相似度计算结果如表5 所示。

由表4 可知，目标案例D 与源案例C2在事故类型、现象、死亡人数、受伤人数、事发位置、周边是否聚居民、周边是否有公共建筑物、用户类型、压力级制、管材、原防腐层类型多达11 项属性上完全相同。而与案例C3有7 项，与案例C1只有4 项相同。只在个别属性上案例C1和案例C3的相似度大于案例C2，因此案例C2更相近于目标案例，实际情况与计算结果相符。因此，可将案例C2的应急决策方案作为目标案例的应急决策参考方案。

由表5 可知，sim(D,C2)＞sim(D,C3)＞sim(D,C1)，故目标案例D 与源案例C2问题或情景描述最相似，因此可用案例C2的应急决策方案作为目标案例D 的应急决策参考方案。

根据案例表示和案例检索方法，为了便于计算和决策，以Pycharm 为开发平台，设计一个相似度计算的图形化信息系统，输入各特征属性，可计算得出目标案例与源案例的相似度，其操作简单，计算快速准确。界面展示如图2 所示。

表3 案例属性值Table 3 Case attribute values

表4 目标案例与源案例局部相似度Table 4 Local similarity of target case and source case

表5 目标案例与源案例各相似度Table 5 Similarity of target case and source case

图2 图形化界面Fig.2 Graphic interface

5 结 语

针对燃气突发事件应急决策的实际需求，本文将案例推理技术应用于燃气突发事件应急决策中。提取燃气事故案例特征属性，研究层次分析法、相似度计算模型等，建立了基于CBR 方法的燃气突发事件应急决策方法。并通过实际案例分析，证明该方法可行有效。这种基于案例相似度计算的方法全面考虑了燃气事故的特征属性，分析影响燃气应急决策的关键因素，针对新的燃气突发事件，可从既有的应急处置预案中得到当前应急决策所需的有利方案。该方法在燃气突发事件应急决策应用方面具有实际意义。