基于CBR和GIS的海上溢油應(yīng)急資源配置方案研究

基于CBR和GIS的海上溢油應(yīng)急資源配置方案研究

李紅清1，萬劍華1，趙宇鵬2

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東青島266580；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司博士后科研工作站，天津266061)

摘要：傳統(tǒng)溢油應(yīng)急資源配置方案的制定主要依靠現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗(yàn)，存在很大的主觀性，方案制定缺乏科學(xué)理論支持。將CBR(案例推理技術(shù))以及GIS技術(shù)引入到溢油應(yīng)急資源配置方案的制定中，解決應(yīng)急資源配置方案制定過程中資源種類、數(shù)量確定以及海陸資源運(yùn)輸?shù)葐栴}。對CBR涉及的案例表示、案例檢索、案例調(diào)整和案例學(xué)習(xí)等核心問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，綜合考慮GIS技術(shù)支持下的陸海一體化資源運(yùn)輸，建立溢油應(yīng)急資源配置專家系統(tǒng)。研究表明，該系統(tǒng)能幫助現(xiàn)場工作人員快速制定溢油應(yīng)急資源配置方案，為溢油應(yīng)急提供科學(xué)合理建議。

關(guān)鍵詞：溢油應(yīng)急;CBR;GIS;資源配置;路線規(guī)劃

中圖分類號：P208

收稿日期：2014-12-10

基金項(xiàng)目：海洋工程裝備科研項(xiàng)目(201212)

作者簡介：李紅清(1988-)男，碩士研究生.

通訊作者2)投稿時(shí)登錄或注冊的作者被系統(tǒng)視為,有關(guān)稿件事宜將與其聯(lián)系。

The research of oil spill response for the allocation of resource plan based-on CBR and GISLI Hong-qing1, WAN Jian-hua1, ZHAO Yu-peng2

(1.China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2.CNOOC Environmental Services (Tianjin) Co., Ltd. Tianjin 266061， China)

Abstract：Traditional oil spill response for the allocation of resources plan is mainly developed from the experience of field staff, so there are some issues such as subjectivity, lack of scientific theories. In this paper, case-based reasoning technology and GIS technology are introduced into the development of the allocation of resources plan to address the problems of resource types, the amount of resources and land-sea transportation. Studying of the CBR involved case representation, case retrieve, case revise and case retain, and considering land-sea transportation based on GIS, the oil spill response for the allocation of resources plan expert system are built. Studies show that the system can help field staff to develop the plan of oil spill response for the allocation of resources quickly, and provide scientific and reasonable suggestions for oil spill response.

Key words：oil spill response; CBR; GIS; allocation of resources; path planning

隨著海洋石油勘探開發(fā)與海上石油運(yùn)輸規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)生溢油事故的可能性不斷增加。海上溢油事故會對社會經(jīng)濟(jì)和海洋生態(tài)環(huán)境造成重大損失和破壞。為了將溢油事故的危害降到最低，需要快速科學(xué)地制定溢油應(yīng)急資源配置方案，將溢油應(yīng)急資源盡快投放到事故現(xiàn)場，把溢油事故控制在初發(fā)階段。傳統(tǒng)的溢油應(yīng)急資源配置方案的制定主要依靠現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗(yàn)，由于溢油事故具有突發(fā)性、大規(guī)模的特點(diǎn)，工作人員很難在沒有借鑒以往溢油事故的案例情況下，在短時(shí)間內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下做出科學(xué)、有效的最佳決策。為了解決上述問題，本文將案例推理人工智能技術(shù)和GIS技術(shù)引入到溢油應(yīng)急配置方案的制定中，為方案的制定提供科學(xué)依據(jù)，提高方案制定的快速性和有效性。

許多研究工作者對將案例推理技術(shù)和GIS技術(shù)應(yīng)用在事故應(yīng)急領(lǐng)域做了很多有益的嘗試。例如馬安安等人在系統(tǒng)歸納總結(jié)以往重大環(huán)境污染事故應(yīng)急響應(yīng)案例的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，建立重大環(huán)境污染事故案例庫，研究基于案例的重大環(huán)境污染事故應(yīng)急響應(yīng)策略篩選方法[1-3]。本文將案例推理技術(shù)和GIS技術(shù)應(yīng)用到溢油應(yīng)急資源配置方案的研究中，解決方案制定過程中應(yīng)急資源種類和數(shù)量的確定，以及海陸一體的應(yīng)急資源運(yùn)輸問題。

1溢油應(yīng)急資源配置中的案例推理方法研究

基于案例推理的方法最早由耶魯大學(xué)Schank教授在1982年出版的專著Dynamic Memory：A Theory of Reminding and Learning in Computers and People 中提出，是人工智能領(lǐng)域一項(xiàng)重要的推理方法[4]。案例推理技術(shù)符合人類的認(rèn)知習(xí)慣，當(dāng)人們遇到問題時(shí)會根據(jù)記憶搜尋以往發(fā)生過的類似的事情，根據(jù)是否符合現(xiàn)在的場景來決定是否直接采用或者對以前的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整后采用，待事情處理完之后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)存放在記憶中，以備下次借鑒。案例推理技術(shù)是一種重要的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它將目前面臨的新問題稱之為目標(biāo)案例，將過去解決過的問根稱為源案例[5]。基于案例推理就是根據(jù)目標(biāo)案例的特征檢索獲得數(shù)據(jù)庫中的源案例，并由源案例來指導(dǎo)目標(biāo)案例求解的一種策略。其求解過程可以總結(jié)歸納為4個(gè)主要過程：案例檢索(Retrieve)、案例重用(Reuse)、案例修正(Revise)和案例保存(Retain)，因此案例推理亦稱為4R，其工作過程如圖1所示。

圖1　案例推理技術(shù)原理

1.1案例表示

針對以往發(fā)生的溢油事故專家制定的溢油應(yīng)急資源配置方案是主要的研究管理對象。對案例進(jìn)行有效的組織和表示是后續(xù)案例檢索和重用的基礎(chǔ)。對案例進(jìn)行表示的過程就是將案例轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)易于識別和管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過查閱文獻(xiàn)以及請教溢油應(yīng)急處置領(lǐng)域的相關(guān)專家，本文將案例表示為兩部分，對溢油情況的描述和資源配置方案的描述：

<溢油情況描述，資源配置方案描述>。

案例中溢油情況的描述包括溢油發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、事故源、溢油種類、溢油面積、溢油噸數(shù)、相對岸線位置以及風(fēng)場和流場等信息。資源配置方案描述的內(nèi)容包括應(yīng)對此次事故需要的應(yīng)急資源種類及各種資源的數(shù)量，應(yīng)急資源種類包括吸油氈紙、分散劑、圍油欄、撇油器、應(yīng)急船舶以及應(yīng)急人員等。除種類和數(shù)量外，配置方案還包括資源配置方案的效果及改進(jìn)建議等內(nèi)容。案例在數(shù)據(jù)庫中用3個(gè)數(shù)據(jù)表表示(數(shù)據(jù)為示例數(shù)據(jù))，如表1～表3所示。

表1　溢油情況描述表

表2　應(yīng)急資源種類數(shù)量表

表3　應(yīng)急效果評價(jià)表

1.2案例檢索

溢油應(yīng)急資源配置方案的案例檢索是指從案例庫中找到與當(dāng)前溢油事故最匹配的一個(gè)或多個(gè)相似案例。案例推理技術(shù)中的案例庫與以前專家系統(tǒng)中的規(guī)則庫不同，規(guī)則庫是專家制定的解決某類問題的通用規(guī)則，根據(jù)規(guī)則推斷出新的知識，案例庫中的每一個(gè)案例包含歷史問題的情景描述以及該案例的解決方法。當(dāng)利用案例推理技術(shù)處理一個(gè)新事故時(shí)，CBR利用案例檢索算法搜索到與當(dāng)前問題相關(guān)的最佳案例作為解決新事故的依據(jù)，檢索到的案例直接影響新案例解決的效果，因此案例檢索在案例推理中十分重要。

常用的案例檢索方法有近鄰法、歸納法和模板檢索三種。近鄰法是指根據(jù)案例屬性的特征值計(jì)算案例之間的相似程度，它將目標(biāo)案例看作空間中的一個(gè)點(diǎn)，利用距離公式求得與該目標(biāo)點(diǎn)距離最近的案例。歸納法是根據(jù)最能將案例區(qū)分開來的屬性對案例進(jìn)行分類。模板檢索是根據(jù)輸入的檢索條件，返回滿足參數(shù)的所有案例。隨著案例數(shù)據(jù)庫中案例的增多，以上檢索方法的效率都會降低。本文根據(jù)溢油案例的特點(diǎn)采用歸納法與近鄰法相結(jié)合的方法進(jìn)行案例檢索，可以提高檢索的效率。其檢索流程如圖2所示，當(dāng)遇到新的事故時(shí)，根據(jù)溢油量劃分溢油等級，在這個(gè)等級下利用近鄰法找到最相似案例。

圖2　案例檢索流程

1.3案例的調(diào)整和修改

利用案例檢索方法獲得與目標(biāo)案例最相似的案例往往不能直接應(yīng)用于新案例的解決，因?yàn)閮蓚€(gè)案例并不是完全相同，需要對細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整和修改，直到得到應(yīng)急專家滿意的方案。對案例的調(diào)整和修改不僅僅局限于對一個(gè)相似案例進(jìn)行修改，也可以對多個(gè)相似案例進(jìn)行調(diào)整和修改得到最佳解決方案。案例調(diào)整和修改分為用戶和系統(tǒng)兩個(gè)層次，首先是系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行調(diào)整和修改，系統(tǒng)將調(diào)修后的方案提交給應(yīng)急專家，應(yīng)急專家再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)得到最終方案。案例的調(diào)整和修改是保障解決方案有效的重要措施。

1.4案例學(xué)習(xí)

案例學(xué)習(xí)是保證案例數(shù)據(jù)庫質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。它主要包含兩方面的內(nèi)容，即數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和案例的評價(jià)。數(shù)據(jù)庫的維護(hù)主要是指將檢索得到的案例經(jīng)過調(diào)整和修改之后應(yīng)用于新問題形成的解決方案作為新的案例添加到案例數(shù)據(jù)庫中以及對數(shù)據(jù)庫中原有案例的刪除或者修改。案例評價(jià)是判斷一個(gè)案例是否添加到數(shù)據(jù)庫的重要前提，如果案例評價(jià)好則將其存放到數(shù)據(jù)庫中，如果解決方案效果不好，則舍棄新的案例或?yàn)槠鋵ふ倚碌奶娲鉀Q方案，再將方案保存到數(shù)據(jù)庫中。案例學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展和更新的重要手段，是保證案例推理技術(shù)具有解決新問題能力的關(guān)鍵。

2基于GIS的海陸一體溢油應(yīng)急資源路線規(guī)劃

應(yīng)急資源的運(yùn)輸包括兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是從陸上救援物資倉庫將應(yīng)急物資運(yùn)到港口碼頭；第二階段是從將物資裝船從港口碼頭運(yùn)到溢油事故點(diǎn)。以最短路徑為主的最優(yōu)路徑問題一直是地理信息科學(xué)學(xué)科的一個(gè)研究熱點(diǎn)[6]。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對陸上應(yīng)急資源的調(diào)度問題做了大量深入的研究，但是對海上應(yīng)急資源的調(diào)度鮮有涉及，由于海上交通的特殊，陸上運(yùn)輸?shù)穆肪€規(guī)劃方法不完全適用于海上運(yùn)輸。針對應(yīng)急資源運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，本文綜合考慮陸上和海上運(yùn)輸?shù)囊蛩?，設(shè)計(jì)以時(shí)間為目標(biāo)的陸海一體化應(yīng)急物資路線規(guī)劃算法。

陸海一體化應(yīng)急物資路線規(guī)劃算法分兩個(gè)步驟：第一個(gè)步驟是利用海上路線規(guī)劃算法求得距事故點(diǎn)最近的港口碼頭；第二個(gè)步驟是根據(jù)陸上路徑分析算法求得距港口最近的應(yīng)急資源倉庫，最終得到完整的從陸上倉庫到海上事故點(diǎn)的路線規(guī)劃。下面將分別討論兩個(gè)步驟中涉及的路線規(guī)劃算法。

2.1海上路線規(guī)劃算法

1)在海圖上，將研究區(qū)域的障礙物用多邊形標(biāo)記出來，并給障礙物多邊形定義唯一的識別號，同時(shí)繪制障礙物多邊形的外切圓。

2)將溢油事故點(diǎn)與港口碼頭連線，并以該線作為矩形的對角線繪制矩形，檢測矩形和海圖上障礙物的空間關(guān)系，并將該矩形包含(包括與矩形相交)的障礙物圖形儲存到集合C中。以溢油事故點(diǎn)作為起點(diǎn)，港口碼頭作為終點(diǎn)。

3)選擇集合C中離起點(diǎn)最近的一個(gè)點(diǎn)，以起點(diǎn)向該點(diǎn)作兩條切線，并求出切點(diǎn)坐標(biāo)。

4)從兩個(gè)切點(diǎn)出發(fā)，分別與終點(diǎn)進(jìn)行連線，統(tǒng)計(jì)與每條線相交的多邊形數(shù)量。選取相交多邊形少的切點(diǎn)作為路徑的中間節(jié)點(diǎn)，并將其定義為新的起點(diǎn)，存放在集合D中。

5)重復(fù)2)～4)，直到4)中相交多邊形數(shù)量為0。

6)連接溢油事故點(diǎn)，集合D中的點(diǎn)及終點(diǎn)，得到海上運(yùn)輸最佳路徑。

中央政府和地方政府具有不同的政策偏好，這源于中央和地方在政策目標(biāo)和利益取向上的不同，一項(xiàng)科技創(chuàng)新政策在不同層級的政府眼中所發(fā)揮的作用是不盡相同的。牛忠志認(rèn)為由于地方政府的科技創(chuàng)新政策能夠直接作用于當(dāng)?shù)氐钠髽I(yè)，目標(biāo)比較明確，反映更加迅速，手段也更加直接，從而在推動(dòng)科技發(fā)展方面與中央科技創(chuàng)新政策相比能夠取得更加有效的效果。也有學(xué)者持完全相反的觀點(diǎn)，李建民、陳敏認(rèn)為地方政府在政績考核的壓力下，往往會以GDP總量為主要追求目標(biāo)，而在此背景下，地方政府對科技投入的熱情并不高，這就造成了科技創(chuàng)新政策在地方的實(shí)施效果大打折扣，在科技創(chuàng)新政策的制定上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中央政府。

通過上述算法步驟，可得到如圖3所示的海上路徑規(guī)劃結(jié)果。

圖3　海上路線規(guī)劃算法結(jié)果圖

2.2陸上路線規(guī)劃算法

陸上常用的路徑分析算法有Dijkstra算法、A*算法和Floyd-Warshall算法等。本文采用的是路徑分析算法中經(jīng)典的Dijkstra算法。Dijkstra算法解決的是有向圖中的最短路徑問題，其算法主要特點(diǎn)是以起始點(diǎn)為中心向周邊進(jìn)行擴(kuò)展，直到找到最佳解。其缺點(diǎn)是當(dāng)路網(wǎng)中的頂點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，此算法的效率會降低。根據(jù)路網(wǎng)的特點(diǎn)，本文采用改進(jìn)的Dijkstra算法，初始搜尋時(shí)，根據(jù)出發(fā)點(diǎn)和目的點(diǎn)的位置選定一個(gè)方向范圍，僅搜尋選定方向范圍內(nèi)的頂點(diǎn)。

首先，將道路運(yùn)輸網(wǎng)簡化為有向圖，以港口碼頭為起點(diǎn)，以倉庫為終點(diǎn)，路口作為頂點(diǎn)存放在集合V中，并將V分為S和T兩組，其中S是指滿足條件的頂點(diǎn)的集合(初始時(shí)只含有源點(diǎn)V0)，T是尚未計(jì)算的頂點(diǎn)集合。

改進(jìn)的Dijkstra算法步驟如下：

1)連接起點(diǎn)S和終點(diǎn)E，過起點(diǎn)S向E方向作SP射線，與SE之間的夾角為λ，在SE的另一側(cè)同理作SQ射線。以SE線段距離作圓形，與SP和SQ射線分別相交于M，N兩點(diǎn)，形成SMN封閉的扇形。

2)計(jì)算SMN扇形與集合T中頂點(diǎn)的位置關(guān)系，如果頂點(diǎn)在SMN扇形之外則將點(diǎn)刪除，剩下的點(diǎn)仍保存在T中。

3)令S={V0}，T={扇形內(nèi)頂點(diǎn)}，若V0與Vi連通，則對應(yīng)的弧上的權(quán)值為dist(V0,Vi)，若V0與Vi不連通，則dist(V0,Vi)為無窮大，用∞表示。

4)從集合T中選取一個(gè)距離值最小的頂點(diǎn)w，若頂點(diǎn)w不在S中，則將其加入集合S中。

5)對其余T中頂點(diǎn)的權(quán)重值進(jìn)行修改，若加進(jìn)w作中間頂點(diǎn)，從V0到Vi的距離值縮短，則修改此值。

6)重復(fù)上述步驟4、5，直到S中包含所有頂點(diǎn)，即w=E為止。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，當(dāng)λ取值60的時(shí)候，算法執(zhí)行效果較好，可以有效縮減算法的搜尋范圍，快速得到建議路徑。

3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溢油應(yīng)急資源配置專家系統(tǒng)選擇的開發(fā)語言為CJHJ，借助ArcEngine類庫實(shí)現(xiàn)，主要包含案例輸入、案例檢索、案例調(diào)整與修改、數(shù)據(jù)庫維護(hù)、路徑分析以及方案輸出等功能。

案例輸入時(shí)指將新的溢油事故的屬性特征輸入到系統(tǒng)中，需要輸入的內(nèi)容包括發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、事故源、溢油種類、溢油面積、溢油噸數(shù)、相對岸線位置以及風(fēng)場和流場等信息，程序界面如圖4所示。

圖4　案例輸入界面

案例檢索是利用歸納法和近鄰法得到與目標(biāo)案例最匹配的相似案例。案例調(diào)整與修改是對檢索返回的案例根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，包括系統(tǒng)級調(diào)整和用戶級調(diào)整，系統(tǒng)級調(diào)整是系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則對方案進(jìn)行修改，用戶級調(diào)整是應(yīng)急專家根據(jù)事故情況進(jìn)行方案的調(diào)整和修改，得到最佳解決方案。

數(shù)據(jù)庫維護(hù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，包括案例的增加、刪除和修改等功能。路徑分析是根據(jù)倉庫位置、路網(wǎng)圖、事故點(diǎn)，利用最短路徑算法得到最佳路徑，顯示在地圖中，作為建議路徑提供給用戶。方案輸出功能是綜合案例推理技術(shù)得到的溢油應(yīng)急種類和數(shù)量以及GIS技術(shù)得到的最佳路徑生成溢油應(yīng)急資源配置方案，如圖5所示，并利用報(bào)表形式輸出給用戶。

圖5　應(yīng)急資源配置方案界面

4結(jié)論

本文將案例推理技術(shù)和GIS技術(shù)應(yīng)用到溢油應(yīng)急資源配置方案的研究中，解決溢油應(yīng)急資源配置方案制定中遇到的應(yīng)急資源種類和數(shù)量的確定以及應(yīng)急資源運(yùn)輸?shù)葐栴}，并對案例推理中溢油應(yīng)急資源配置方案案例的表示、案例檢索、案例的調(diào)整與修改以及案例的學(xué)習(xí)進(jìn)行研究。利用C#語言和Arc Engine類庫開發(fā)溢油應(yīng)急資源配置方案制定的專家系統(tǒng)，可以快速有效的生成溢油應(yīng)急資源配置方案，可以對溢油應(yīng)急決策制定提供支持，具有一定實(shí)際意義。本文中涉及的GIS路徑分析未考慮復(fù)雜路況情況下的運(yùn)輸，這是本系統(tǒng)以后改進(jìn)的方向。

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