基于案例推理的应急辅助决策方法研究
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Ab stra ct: Th is paper app lied the m ethod of case2based reason ing to em ergency a id decision2m aking in order to provide a kind of e fficien t and app licab le m ethod to em ergency dec is ion2m ak ing. P roposed a un iversa l me thod for descr ib ing and organ izing em ergency cases based on three2tier arch itecture at firs,t then designed a k ind of smi ilarity a lgor ithm based on two2layer struc2 ture accord ing to attr ibute features of eme rgency cases, to avoid the defec t of traditiona l nearest ne ighbor algorithm. F inally, proposed the m ethod in the proved to be app licab le by the examp le in the CBR prototype system. K ey wor ds: case2based reasoning( CBR ); em ergency a id dec ision2m ak ing; ontology mode;l m eta2even tm ode l
第 4期
张英菊, 等: 案例推理的应急辅助决策方法研究
# 1413#
表达和存储方式。为此, 总结应急案例的特征如下: a)应急案例涉及的领域 多。根据国 家总体 预案中 对突发
公共事件的分类, 突发事件可以分为四大类, 即自然灾害类、事 故灾难类、公共卫生类、社会 安全类。每 一类又 具体包 括很多 类别, 如自然灾害类包 括台风、暴雨、地震 等。可见, 应急 事件 涉及很多专业领域, 而每个专业领域的知识体系具有很大的差 异, 因而很难充分完整地描述出应急事件问题的所有描述属性 集合。虽然不同类型的应急事 件包含的属性内容不同, 但是经 过分析发现, 根据应急案例中属性所含信息量和信息类型的不 同, 应急案例中的属性主要 可以归 并为四 大类型的 属性值, 分 别为确定数字属性值 ( cr isp num er ic, CN) , 如 风速; 确 定符号属 性值 ( cr isp symbolic, CS ), 如移 向; 模 糊概 念属 性值 ( fuzzy lin2 gu istic, FL), 如温度变化 的取值 ( 大、较大、中、较小、小 ); 模糊 数或模糊区 间属性 值 ( fuzzy num eric, fuzzy interva,l FN I), 模糊 数属性如持续时间约为 4天, 模糊区间属性如受灾范围为北纬 30b45c~ 31b43c、东经 102b51c ~ 103b44c。
11 2 应急案例的通用描述与组织
根据上面的分析 , 需要设计出一种可以覆盖四大类突发事 件及完整描述应急案 例多个元事 件及状 态信息 的通用 的案例 描述与组织方 法, 同时 还要 解决 由于 目前 应急 案例 的非 结构 化、非规范化带来的概念 名称不 统一的 问题。为此, 本 文设计 了基于三层架构的应 急案例描述与组织模式, 即全局概念树 ) 突发事件本体 模型 ) 事 件 元模 型。首先 参照 5中国 分类 主题 词表 6建立了突发 事件 的全局 概念 树体 系。概 念树 是一 个分 类和 主题 一体化 的词 表, 通过 分类、统一、规 范应 急领域 的概 念、名称, 给案例推理 提供规 范化、通用的 数据环 境。此外, 基 于概念树统一平台, 根据突发事件的共性特征建立起了突发事 件的本体模型 (所有的突发事件共 有的、不随着 突发事 件的种 类变化的 属性 构成 的 描述 集合 称 为突 发 事件 的 本 体模 型 )。 突发事件除了共有特 征外不同种 类的突 发事件 还有很 多个性 特征。因此, 根据不同种类突发事件的个性特征建立起突发事 件元模型 (描述某一 类特 定的 突发事 件的 共性 知识 的本 体模 型 ), 即事件元模型中继承了突发 事件本 体模型 的共性 特征外 还包括事件个性特征 , 如地震元模型中既包括突发事件本体模 型中的案例名称、发生地点等突发事件共性特征, 还包括震级、 震中等地震案例个性 特征。本体 模型和 元模型 都是基 于突发 事件概念树来 建立 的, 实现 了案 例描 述的 概念 规范 化和 通用 化。当要描述某一具 体应急事 件时, 调用 相应的事 件元模 型, 基于案例的不同元事 件、不同状态输入应急事件的各个元事件 及状态下的属性值即 可完成对某 一个具 有多个 元事件 及状态 的应急事件的规范化 描述。
c)每个应急案例 往往 耦合有 多个 不可再 分 的事 件 ( 称为 元事件 ) , 如一个地震案例可 能包括 暴雨、泥石流、瘟疫 等多个 元事件; 每个元事件又包 含有多 个变化 状态。因此, 目 前的应 急案例大多是以突发 事件的多个 不同元 事件的 状态来 记录突 发事件从发生到处置 完毕的整个过程。
0 引言
突发事件的发生 往往出乎人们意料, 它不仅严重威胁人民 的生命安全, 而且危害经济发展 和社会 稳定。尤其 在 / 9# 110 及 / 非典 0发生后, 突 发事 件的及 时应 对与高 效处 置越来 越受 到人们的重视。如何依 靠智能化 的工具 和方法 来辅助 处于一 定的时间约束和心理 压力之下的 应急决 策者进 行高效 的应急 决策已经成为人们日 益关注并且迫切希望得到解决的问题。
2 应急案例相似度算法设计
案例推理方 法的核心是 案例相似 度算法 的设计。最 近相 邻算 法 ( nearest ne ighbor algor ithm )是 CBR 检索 算法中 最常用 的算法之一 [ 7] 。应 用传 统最 近相 邻算 法时, 首 先计 算出 案例 属性相似度, 然后 根据 属性 的权 值计 算案 例之 间的 加权 相似 度, 这就要求案例的属性值不能为空。由于应急案例属性复杂 而繁多, 存在历史案例信息的不完备或者决策者对案例的描述 不完备的情况, 应急案例相 似度检 索算法 需要解 决两个 难点: 如何解决应急案 例属性值缺失问题; 如何根据应急案例属性复 杂而繁多的特征 设计应急案例属性相似度算法。为此, 本文在 传统的最近邻算 法基础上提出 一种基于 结构相 似度和 属性相 似度的双层结构 的案例相似度计算方法, 可以避免传统最近相 邻算法的属性 值缺 失问 题; 另一 方面 根据 应急 案例 特征 的分 析, 为应急案例四大类型的属性分别设计了不同的相似度计算 算法。
第 26卷第 4期 2009年 4月
计算机 应用研究 Application R esearch ofComputers
V o.l 26 N o. 4 A pr. 2009
基于案例推理的应急辅助决策方法研究*
张英菊, 仲秋雁, 叶 鑫, 曲晓飞
(大连理工大学 管理学院, 辽宁 大连 116024)
摘 要: 将案例推理的方法应用到应急决策中, 为应急决策提供了一种实用的环 境、面 临很大 心理压 力的决 策者, 参照相似历史案例对当前的应急事件进行决策都具有十 分重大的意义。
目前国内外 学者对基于案 例推理的 应急辅 助决策 方法进 行了一定的研究 。例如汪 季玉等人 [ 3]给出了一 个基于 CBR 的 应急决策支持系 统的理论体系框架; Zhang等人 [4] 给出 了一个 集成了 CRB推 理方法的灾难救助辅助决策支持的理 论知识管 理框架; F. R icci等人 [5] 从如何利用案例 推理的方法 制定森林 火灾救援计划的 角度进行 了研究; 刘 烯 [ 6] 把 CBR 方法应 用到 城市火灾事故的 决策指挥中 进行了 探讨。通过 分析这 些文献 发现, 他们或是从理论探 讨的角 度给 出一 个 CBR 在应急 辅助 决策领域应用的 理论框架, 或是只针对某一类特定的突发事件 来进行研究, 而从通用于所有类型的突发事件以及从实际的应 急工程项目应用的角度探 讨 CBR 方法如何在应急辅 助决策中 进行应用的研究 很少。本 文依托实际工程项目应用背景, 研究 了基于案例推理 的应急辅助决策方法, 同时更注重了方法的实 际应用。
b)应急案例 的结 构性 差、概念 不规 范。实 现应 急案 例推 理的前提是把历史上 的典型应急 案例按 照结构 化的形 式进行 表达和存储。而现存的 应急案例 一般多 是基于 文本的 非结构 化形式的案例, 需要把这种结构化很差且概念不规范的应急案 例表达为统一格式的 规范化案 例, 以便于 计算机 的统一存 储、 识别与检索。
1 应急案例的特点及通用描述方法
11 1 应急案例的特点
要把发生过 的应急案例表 达为计算 机可以 识别的 形式以 便于推理并辅助 应急决策, 就需要采用适合于应急案例特点的
收稿日期: 20082062 20; 修回日期: 2008209230 基金项目: 国家 / 十一五 0科技支撑计划资助项目 作者简介: 张英菊 ( 19822 ), 女, 内蒙古海拉尔人, 博士研究生, 主要研究方向为应急管理、信息管 理、决策支持系统 ( zhangyingju25@ 163. com ); 仲秋雁 ( 19632 ), 女, 教授, 博导, 主要研究方向为信息系统分析与设计、电子商务应用; 叶鑫 ( 19772 ), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向 为电子政务、复 杂信息系统、应急管理; 曲晓飞 ( 19562 ), 男, 教授, 博导, 主要研究方向为多目标决策问题.
策原型系统的开发使设计方法得以实现, 证明了该方法具有较好的实用性。
关键词: 案例推理; 应急辅助决策; 本体模型; 事件元模型
中图分类号: TP39
文献标志码: A
文章编号: 100123695( 2009) 0421412204
R esearch on method of em ergency aid dec is ion2mak ing based on CBR
例特征的基础上设计了一种基于概念树 ) 突发事件本体模型 ) 事件元模型三层架构的应急案例通用的案例描
述与组织方法; 根据应急案例属性复杂及属性值缺失的问题设计了基于结构相似度和属性相似度双层结构的案
例全局相似度计算算法, 避免了传统最近相邻算法中的属性值缺失问题; 最后通过基于案例推理的应急辅助决
案例推理 ( case2basedreasoning, CBR )是 目前人工智能中一 种新兴的推理方法 [ 1], 最早起源于美 国耶鲁大 学 R oger Schank 教授 [ 2] 在其 1982年的 著作 5 Dynam ic M em ory6中所 作的描 述。 它是一种模仿人类推 理和思考过程的方法论, 也是一种构建智 能计算机系统 的方 法论。 CBR 来 源于 人的 认知 心理 活动: 人 们在面临一个新问题 时, 往往把以前使用过的与该问题类似的 案例联系起来, 运用过去解决该事例的经验和方法来解决当前 问题。联想到突发事件的辅助 决策问题笔者得到启发: 突发事 件频频发生, 虽然突发事件的种类繁多、处置方法不尽相同, 但 是针对当前发生的某 个突发事件而言, 历史上一般都或多或少 地存在比较相近的案 例, 那么用何种方法能够快速检索出这些 相似案例, 并且如何界定案例的相似程度以便于把最相似案例 的解决方案提供给决 策者辅助他 们对当 前的突 发事件 进行决 策呢? 这恰恰符合了 CBR 方法解决问题的思路。本文将 CBR 方法引入到应急辅助 决策问题中, 无论是对于处理低水平的危
ZHANG Y ing2ju, ZHONG Q iu2yan, YE X in, QU X iao2fe i ( School ofM anag em ent, Dalian University of T echnology, Da lian L iaon ing 116024, Ch ina )
第 4期
张英菊, 等: 案例推理的应急辅助决策方法研究
# 1413#
表达和存储方式。为此, 总结应急案例的特征如下: a)应急案例涉及的领域 多。根据国 家总体 预案中 对突发
公共事件的分类, 突发事件可以分为四大类, 即自然灾害类、事 故灾难类、公共卫生类、社会 安全类。每 一类又 具体包 括很多 类别, 如自然灾害类包 括台风、暴雨、地震 等。可见, 应急 事件 涉及很多专业领域, 而每个专业领域的知识体系具有很大的差 异, 因而很难充分完整地描述出应急事件问题的所有描述属性 集合。虽然不同类型的应急事 件包含的属性内容不同, 但是经 过分析发现, 根据应急案例中属性所含信息量和信息类型的不 同, 应急案例中的属性主要 可以归 并为四 大类型的 属性值, 分 别为确定数字属性值 ( cr isp num er ic, CN) , 如 风速; 确 定符号属 性值 ( cr isp symbolic, CS ), 如移 向; 模 糊概 念属 性值 ( fuzzy lin2 gu istic, FL), 如温度变化 的取值 ( 大、较大、中、较小、小 ); 模糊 数或模糊区 间属性 值 ( fuzzy num eric, fuzzy interva,l FN I), 模糊 数属性如持续时间约为 4天, 模糊区间属性如受灾范围为北纬 30b45c~ 31b43c、东经 102b51c ~ 103b44c。
11 2 应急案例的通用描述与组织
根据上面的分析 , 需要设计出一种可以覆盖四大类突发事 件及完整描述应急案 例多个元事 件及状 态信息 的通用 的案例 描述与组织方 法, 同时 还要 解决 由于 目前 应急 案例 的非 结构 化、非规范化带来的概念 名称不 统一的 问题。为此, 本 文设计 了基于三层架构的应 急案例描述与组织模式, 即全局概念树 ) 突发事件本体 模型 ) 事 件 元模 型。首先 参照 5中国 分类 主题 词表 6建立了突发 事件 的全局 概念 树体 系。概 念树 是一 个分 类和 主题 一体化 的词 表, 通过 分类、统一、规 范应 急领域 的概 念、名称, 给案例推理 提供规 范化、通用的 数据环 境。此外, 基 于概念树统一平台, 根据突发事件的共性特征建立起了突发事 件的本体模型 (所有的突发事件共 有的、不随着 突发事 件的种 类变化的 属性 构成 的 描述 集合 称 为突 发 事件 的 本 体模 型 )。 突发事件除了共有特 征外不同种 类的突 发事件 还有很 多个性 特征。因此, 根据不同种类突发事件的个性特征建立起突发事 件元模型 (描述某一 类特 定的 突发事 件的 共性 知识 的本 体模 型 ), 即事件元模型中继承了突发 事件本 体模型 的共性 特征外 还包括事件个性特征 , 如地震元模型中既包括突发事件本体模 型中的案例名称、发生地点等突发事件共性特征, 还包括震级、 震中等地震案例个性 特征。本体 模型和 元模型 都是基 于突发 事件概念树来 建立 的, 实现 了案 例描 述的 概念 规范 化和 通用 化。当要描述某一具 体应急事 件时, 调用 相应的事 件元模 型, 基于案例的不同元事 件、不同状态输入应急事件的各个元事件 及状态下的属性值即 可完成对某 一个具 有多个 元事件 及状态 的应急事件的规范化 描述。
c)每个应急案例 往往 耦合有 多个 不可再 分 的事 件 ( 称为 元事件 ) , 如一个地震案例可 能包括 暴雨、泥石流、瘟疫 等多个 元事件; 每个元事件又包 含有多 个变化 状态。因此, 目 前的应 急案例大多是以突发 事件的多个 不同元 事件的 状态来 记录突 发事件从发生到处置 完毕的整个过程。
0 引言
突发事件的发生 往往出乎人们意料, 它不仅严重威胁人民 的生命安全, 而且危害经济发展 和社会 稳定。尤其 在 / 9# 110 及 / 非典 0发生后, 突 发事 件的及 时应 对与高 效处 置越来 越受 到人们的重视。如何依 靠智能化 的工具 和方法 来辅助 处于一 定的时间约束和心理 压力之下的 应急决 策者进 行高效 的应急 决策已经成为人们日 益关注并且迫切希望得到解决的问题。
2 应急案例相似度算法设计
案例推理方 法的核心是 案例相似 度算法 的设计。最 近相 邻算 法 ( nearest ne ighbor algor ithm )是 CBR 检索 算法中 最常用 的算法之一 [ 7] 。应 用传 统最 近相 邻算 法时, 首 先计 算出 案例 属性相似度, 然后 根据 属性 的权 值计 算案 例之 间的 加权 相似 度, 这就要求案例的属性值不能为空。由于应急案例属性复杂 而繁多, 存在历史案例信息的不完备或者决策者对案例的描述 不完备的情况, 应急案例相 似度检 索算法 需要解 决两个 难点: 如何解决应急案 例属性值缺失问题; 如何根据应急案例属性复 杂而繁多的特征 设计应急案例属性相似度算法。为此, 本文在 传统的最近邻算 法基础上提出 一种基于 结构相 似度和 属性相 似度的双层结构 的案例相似度计算方法, 可以避免传统最近相 邻算法的属性 值缺 失问 题; 另一 方面 根据 应急 案例 特征 的分 析, 为应急案例四大类型的属性分别设计了不同的相似度计算 算法。
第 26卷第 4期 2009年 4月
计算机 应用研究 Application R esearch ofComputers
V o.l 26 N o. 4 A pr. 2009
基于案例推理的应急辅助决策方法研究*
张英菊, 仲秋雁, 叶 鑫, 曲晓飞
(大连理工大学 管理学院, 辽宁 大连 116024)
摘 要: 将案例推理的方法应用到应急决策中, 为应急决策提供了一种实用的环 境、面 临很大 心理压 力的决 策者, 参照相似历史案例对当前的应急事件进行决策都具有十 分重大的意义。
目前国内外 学者对基于案 例推理的 应急辅 助决策 方法进 行了一定的研究 。例如汪 季玉等人 [ 3]给出了一 个基于 CBR 的 应急决策支持系 统的理论体系框架; Zhang等人 [4] 给出 了一个 集成了 CRB推 理方法的灾难救助辅助决策支持的理 论知识管 理框架; F. R icci等人 [5] 从如何利用案例 推理的方法 制定森林 火灾救援计划的 角度进行 了研究; 刘 烯 [ 6] 把 CBR 方法应 用到 城市火灾事故的 决策指挥中 进行了 探讨。通过 分析这 些文献 发现, 他们或是从理论探 讨的角 度给 出一 个 CBR 在应急 辅助 决策领域应用的 理论框架, 或是只针对某一类特定的突发事件 来进行研究, 而从通用于所有类型的突发事件以及从实际的应 急工程项目应用的角度探 讨 CBR 方法如何在应急辅 助决策中 进行应用的研究 很少。本 文依托实际工程项目应用背景, 研究 了基于案例推理 的应急辅助决策方法, 同时更注重了方法的实 际应用。
b)应急案例 的结 构性 差、概念 不规 范。实 现应 急案 例推 理的前提是把历史上 的典型应急 案例按 照结构 化的形 式进行 表达和存储。而现存的 应急案例 一般多 是基于 文本的 非结构 化形式的案例, 需要把这种结构化很差且概念不规范的应急案 例表达为统一格式的 规范化案 例, 以便于 计算机 的统一存 储、 识别与检索。
1 应急案例的特点及通用描述方法
11 1 应急案例的特点
要把发生过 的应急案例表 达为计算 机可以 识别的 形式以 便于推理并辅助 应急决策, 就需要采用适合于应急案例特点的
收稿日期: 20082062 20; 修回日期: 2008209230 基金项目: 国家 / 十一五 0科技支撑计划资助项目 作者简介: 张英菊 ( 19822 ), 女, 内蒙古海拉尔人, 博士研究生, 主要研究方向为应急管理、信息管 理、决策支持系统 ( zhangyingju25@ 163. com ); 仲秋雁 ( 19632 ), 女, 教授, 博导, 主要研究方向为信息系统分析与设计、电子商务应用; 叶鑫 ( 19772 ), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向 为电子政务、复 杂信息系统、应急管理; 曲晓飞 ( 19562 ), 男, 教授, 博导, 主要研究方向为多目标决策问题.
策原型系统的开发使设计方法得以实现, 证明了该方法具有较好的实用性。
关键词: 案例推理; 应急辅助决策; 本体模型; 事件元模型
中图分类号: TP39
文献标志码: A
文章编号: 100123695( 2009) 0421412204
R esearch on method of em ergency aid dec is ion2mak ing based on CBR
例特征的基础上设计了一种基于概念树 ) 突发事件本体模型 ) 事件元模型三层架构的应急案例通用的案例描
述与组织方法; 根据应急案例属性复杂及属性值缺失的问题设计了基于结构相似度和属性相似度双层结构的案
例全局相似度计算算法, 避免了传统最近相邻算法中的属性值缺失问题; 最后通过基于案例推理的应急辅助决
案例推理 ( case2basedreasoning, CBR )是 目前人工智能中一 种新兴的推理方法 [ 1], 最早起源于美 国耶鲁大 学 R oger Schank 教授 [ 2] 在其 1982年的 著作 5 Dynam ic M em ory6中所 作的描 述。 它是一种模仿人类推 理和思考过程的方法论, 也是一种构建智 能计算机系统 的方 法论。 CBR 来 源于 人的 认知 心理 活动: 人 们在面临一个新问题 时, 往往把以前使用过的与该问题类似的 案例联系起来, 运用过去解决该事例的经验和方法来解决当前 问题。联想到突发事件的辅助 决策问题笔者得到启发: 突发事 件频频发生, 虽然突发事件的种类繁多、处置方法不尽相同, 但 是针对当前发生的某 个突发事件而言, 历史上一般都或多或少 地存在比较相近的案 例, 那么用何种方法能够快速检索出这些 相似案例, 并且如何界定案例的相似程度以便于把最相似案例 的解决方案提供给决 策者辅助他 们对当 前的突 发事件 进行决 策呢? 这恰恰符合了 CBR 方法解决问题的思路。本文将 CBR 方法引入到应急辅助 决策问题中, 无论是对于处理低水平的危
ZHANG Y ing2ju, ZHONG Q iu2yan, YE X in, QU X iao2fe i ( School ofM anag em ent, Dalian University of T echnology, Da lian L iaon ing 116024, Ch ina )