煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)研究

□馮 珍 [山西財經(jīng)大學(xué) 太原 030006]

煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)研究

□馮 珍 [山西財經(jīng)大學(xué) 太原 030006]

為了有效利用煤礦事故應(yīng)急救援案例的知識資源，為迅速建立救援方案提供重要的決策參考，設(shè)計了煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)的工作流程，建立了案例的組織和表示方法，包括礦井概況表、應(yīng)急救援表和事故案例表。通過提取案例的特征信息，設(shè)計了案例檢索的算法，為了反映救援專家的主觀能動性，提出了帶反饋的案例檢索算法。

案例推理；相似度；應(yīng)急救援；煤礦事故

當(dāng)前，我國煤礦安全生產(chǎn)繼續(xù)保持總體穩(wěn)定、趨于好轉(zhuǎn)的發(fā)展態(tài)勢，但是，由于諸多原因，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然十分嚴(yán)峻，煤礦事故總量仍居高位。煤礦事故信息數(shù)據(jù)量大、內(nèi)容龐雜，為了高效利用煤礦事故案例資源，文獻(xiàn)[1,2]設(shè)計開發(fā)了煤礦事故案例管理系統(tǒng)，按照傳統(tǒng)的事故分析思路，主要注重事故的原因分析和經(jīng)濟(jì)損失計算，設(shè)計了煤礦事故案例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括礦井概況表和事故案例表。本文認(rèn)為煤礦事故發(fā)生后應(yīng)急救援的方案和措施，總結(jié)救援的成功要素和失敗教訓(xùn)也是煤礦事故案例分析的重點問題，當(dāng)新的事故發(fā)生后，能迅速檢索到已有救援經(jīng)驗的案例，修訂應(yīng)急救援預(yù)案，快速形成救援決策方案，是非常必要且重要的。因此本文對煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)的工作流程，案例的組織和表示，案例的匹配和檢索開展了研究。

一、煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)

案例推理（case-based reasoning，CBR）是根據(jù)目標(biāo)案例的信息，對源案例進(jìn)行初始索引，通過計算問題域在屬性空間中的距離，度量源案例與目標(biāo)案例的相似度，匹配的源案例的解決方案為目標(biāo)問題提供決策支持。CBR要建立一個基于已有經(jīng)驗的案例庫，根據(jù)具體領(lǐng)域或者具體提問的特點,每一條經(jīng)驗被表示成一個案例。一個案例包括對幾個已經(jīng)提取特征的描述,以及相應(yīng)案例的解決方案[3～6]。煤礦事故救援案例推理系統(tǒng)是為處理出現(xiàn)在煤礦中新的事故，設(shè)計救援方案提供重要依據(jù)和參考的案例推理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)知識和經(jīng)驗的再利用，快速、高效地化解各種危機(jī)。設(shè)計煤礦案例推理的工作流程如圖1所示：

圖1 煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)

1．案例表示。煤礦事故應(yīng)急救援案例主要包括礦井概況、事故案例和應(yīng)急救援三方面的信息，按照案例表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸入每個事故救援的信息，形成案例庫。

2．案例匹配與檢索。輸入當(dāng)前煤礦事故特征信息，調(diào)用相似度計算算法，訪問案例庫，逐個計算當(dāng)前事故和救援案例的相似度，輸出大于閾值的案例救援方案，若找到了滿意的案例，則進(jìn)入案例學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)；若沒有找到，則需要進(jìn)行案例調(diào)整。

3．案例調(diào)整。指定需要學(xué)習(xí)的事故案例和不需要的案例，進(jìn)行反饋檢索，直到檢索到滿意案例的救援方案。

4．決策方案生成。訪問救援知識庫, 學(xué)習(xí)知識庫中存儲的救援經(jīng)驗和教訓(xùn)，結(jié)合當(dāng)前發(fā)生的煤礦事故的特征和相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，形成決策方案。

二、煤礦事故應(yīng)急救援案例的表示

煤礦事故應(yīng)急救援案例是案例推理系統(tǒng)的主要管理對象，對案例進(jìn)行有效管理前須將案例以計算機(jī)易于識別處理的方式進(jìn)行存儲。經(jīng)過文獻(xiàn)查閱，大量研究煤礦事故應(yīng)急救援案例和專家深度訪談，建立了三個表來說明應(yīng)急救援案例的特征，分別為礦井概況表、應(yīng)急救援表和事故案例表[1,2]。

1．礦井概況表。該表是對煤礦整體情況的描述，包括字段煤礦名稱、煤礦地域、礦井類型、持證情況、瓦斯等級、煤塵爆炸指數(shù)、供電方式（是否雙回路）、礦井通風(fēng)方式、下井最多人數(shù)、煤礦在地域的地震（最大）等級、礦井的核定生產(chǎn)能力、礦井的實際生產(chǎn)能力（最大）。

2．應(yīng)急救援表。該表是對應(yīng)急救援方案和救援效果的描述。包括字段應(yīng)急機(jī)構(gòu)、決策指揮人、救援專家、救援隊伍、被困工人素質(zhì)、應(yīng)急救援裝備、技術(shù)救援資料、監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備、救援時間、救出人數(shù)、救援具體措施、救援成功關(guān)鍵因素、救援失敗關(guān)鍵因素。

3．事故案例表。該表是對事故救援后的評估和總結(jié)。包括字段案例名稱、日期、時間、礦井名稱、發(fā)生地點、發(fā)生場所、事故等級、事故類型、死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、輕傷人數(shù)、起因物、直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失、直接原因、間接原因、事故教訓(xùn)、預(yù)防措施。

三、煤礦事故應(yīng)急救援案例的匹配與檢索

為了方便案例的匹配和檢索，需要提取案例的特征信息，按照案例的特征信息檢索到滿意案例?；诿旱V事故應(yīng)急救援案例表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可使用四元組表達(dá)式的形式對案例進(jìn)行描述，該四元組可歸納為：案例=<特征屬性，主題屬性，救援方案，事故總結(jié)>，可簡化成一個表達(dá)式:

其中，X1是表示案例的特征信息，由事故案例表中日期、時間、死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、輕傷人數(shù)、發(fā)生場所、事故類型和起因物字段信息構(gòu)成，共8個屬性。字段日期、時間的數(shù)據(jù)類型為日期/時間型，死亡人數(shù)、重傷人數(shù)和輕傷人數(shù)為數(shù)字型，發(fā)生場所、事故類型和起因物為文本型。

X2是指煤礦案例的主題屬性，由礦井概況表中的所有字段構(gòu)成。

X3是指案例的救援方案的描述和評估，由應(yīng)急救援表中的所有字段構(gòu)成。

X4是指對事故的總結(jié)，由事故案例表中案例名稱、礦井名稱、發(fā)生地點、直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失、直接原因、間接原因、事故教訓(xùn)、預(yù)防措施字段信息構(gòu)成。

為減少不同數(shù)量級引起的偏差，對于案例fi的日期/時間型和數(shù)字型的屬性值進(jìn)行模糊規(guī)范化到0到1之間[5]，得到標(biāo)準(zhǔn)屬性值集為{xi1,xi2,…,xi5}，i表示1到n個案例。

設(shè)新問題為f0，屬性3-5為估計死亡人數(shù)、估計重傷人數(shù)和估計輕傷人數(shù),其日期/時間型和數(shù)字型的標(biāo)準(zhǔn)屬性值集為{x1,x2,…,x5}。為了保證關(guān)鍵屬性的匹配，設(shè)定所有特征屬性權(quán)重集為{w1,w2,…,w8}。采用下面的加權(quán)歐氏距離法求得新問題f0和案例fi關(guān)于屬性1-5的相似度。

發(fā)生場所、事故類型和起因物為無序枚舉型值屬性，一致時相似度即為1，不一致相似度就為0，相似度可表示為:

因此新問題f0和案例fi的相似度為

設(shè)置閾值λ，如果si≥λ，則有M個案例與f0相似，如果si<λ,則案例庫中沒有與f0相似的實例。

以上案例檢索相似性度量方法解決了定量、定性屬性案例檢索的問題，但不足之處在于僅為一次性檢索，救援專家的只能通過確定閾值決定檢索到的與新問題相似的案例個數(shù)，檢索到什么樣的案例由軟件系統(tǒng)一次性決定。這樣的檢索方法不能反映應(yīng)急救援者的主觀能動性，不利于救援方案的設(shè)計，針對這些問題，提出帶反饋的實例檢索相似性度量方法。

四、帶反饋的案例檢索相似性度量方法

在第一次檢索到與新問題相似的煤礦事故救援案例后，一般都有救援專家認(rèn)為較滿意的案例，稱之為正例，和不滿意的方案，稱之為反例，因此帶反饋的案例檢索相似性度量方法允許救援人員在檢索到的案例中選擇Q個正例和P個反例，然后再檢索與正例接近而與遠(yuǎn)離反例的案例，可重復(fù)多次直到檢索到救援專家滿意的方案，具體的檢索算法為：

1．算案例fi與各個正例fq+的相似度s，選擇其最大者,記為Sl+，即

2．算案例fi與各個反例fp+的相似度s，選擇其最大者，記為Sl?，即

3．算案例fi的相對相似度，即

當(dāng)Sl+≥λ時，案例fi被檢索。煤礦事故應(yīng)急救援案例檢索算法，步驟如下：step 1：對新問題f0的屬性1-5的值集模糊規(guī)范化為{x1,x2,…,x5}；

step 2：根據(jù)新問題對不同屬性的重要度，設(shè)定權(quán)重集{w1,w2,…,w8}，并設(shè)置閾值λ；

step 3：按式（1）～式（3）求新問題與案例庫中案例的相似度Si，取出Si≥λ的M個案例；

step 4：如找到滿意方案則停止反饋，否則設(shè)計者指定M個案例中的Q個正例和P個反例，按式（4）～式（6）計算S1+，取出S1+≥λ的M1個實例；

step 5：救援專家如果還沒有得到滿意的實例，則重復(fù)步驟4，進(jìn)入下一次反饋。

五、結(jié)論

建立煤礦事故應(yīng)急救援案例推理系統(tǒng)，可有效利用大量的煤礦應(yīng)急救援案例信息，為組建應(yīng)急救援體系、應(yīng)急預(yù)案的編制和組織合理有效地救援工作等提供知識經(jīng)驗和有效對策。建立了煤礦事故應(yīng)急救援案例的組織和表示方法，提出了煤礦事故應(yīng)急救援案例檢索可采用帶反饋的案例檢索相似性度量方法，按照新事故的特征屬性值和救援專家的主觀愿望找到滿意的事故救援案例，參考其應(yīng)急救援方案、救援經(jīng)驗、汲取教訓(xùn)，修改應(yīng)急救援預(yù)案，快速形成決策方案。

[1]葉青, 羅新榮, 賈真真, 等. 煤礦事故管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報，2008,18(4)：132-133.

[2]王雁飛, 王秀義. 基于 SSH框架的煤礦事故管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代計算機(jī)，2010,(10)：83-85.

[3]肖磊, 張志英, 漆春. 基于社會網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)事件企業(yè)應(yīng)急管理主體構(gòu)建[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報（社科版），2011,13(6)：31-34.

[4]季文韜, 陳汶濱, 張平. 基于案例模糊的無人機(jī)故障診斷系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011,20(1)：32-35.

[5]武民民, 宋良圖, 黃偉等. 基于替代算法的案例推理災(zāi)害救助系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)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

國家人事部歸國留學(xué)人員科技活動項目煤礦應(yīng)急事件救援案例管理系統(tǒng)研究（晉人社廳函[2010]449號）.

馮珍（1971 ? ）女，博士，山西財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院教授.

編輯 何 婧