基于案例推理的地震應(yīng)急救援決策方法*

張國軍 ，李 浩 ，凌云翔 ，3

（1.駐成都鐵路局軍代處，成都 610000；2.武警警官學(xué)院，成都 610213；3.國防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院，長沙 410073）

0 引言

目前，破壞性地震造成的損失與日俱增，如何為決策者提供智能化輔助決策工具，實現(xiàn)有效、高效的地震應(yīng)急救援決策成為當前地震應(yīng)急救援研究的迫切問題。

在救援實踐中，決策者在決策過程中積累了大量的應(yīng)急救援決策經(jīng)驗并體現(xiàn)在應(yīng)急救援方案設(shè)定中。案例推理是通過借鑒歷史案例的經(jīng)驗，與當前事件進行推理比較，利用歷史案例的成功救援經(jīng)驗提高處理當前事件的能力［1］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已就地震決策進行了許多研究［2-3］。地理信息系統(tǒng)（GIS）由于有強大的信息處理能力，而被廣泛應(yīng)用于地震分析預(yù)報、地震災(zāi)害預(yù)測和輔助決策［4-7］。王建勛等［1］討論了應(yīng)用GIS構(gòu)建地震應(yīng)急決策系統(tǒng)；常勇等［8］闡述了基于GIS的地震應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計原理和基本思路。李永義等［9］把雙層規(guī)劃方法、隨機模擬方法以及模糊決策方法引入到震后交通應(yīng)急調(diào)配決策分析。目前，我國在地震災(zāi)害應(yīng)急決策領(lǐng)域的理論研究還不夠廣泛，因此，本文將案例推理理論應(yīng)用于地震應(yīng)急救援決策，為地震應(yīng)急救援決策提供一種新思路和新方法。

1 基于框架的地震應(yīng)急案例表示方法

案例推理是由目標案例的提示而得到歷史記憶中的源案例，并由源案例指導(dǎo)目標案例求解的一種策略。將該理論用于地震應(yīng)急救援決策時，決策者通過輸入當前案例的特征值，生成最相似的案例并獲得相應(yīng)的成功救援方案，以供決策者對人員、物資、裝備進行調(diào)運，組織多部門聯(lián)動實施救援，保證最大限度減少資源損耗。因此，基于案例推理的地震應(yīng)急救援決策主要包含兩個模塊:案例表示和案例檢索（推理機制）。這里提出基于框架的地震應(yīng)急救援案例表示方法。

由于地震應(yīng)急救援案例結(jié)構(gòu)性差和推理結(jié)果的定量化需求，因此，案例推理的前提是將非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的問題。而框架表示方法既能將應(yīng)急救援案例結(jié)構(gòu)化表示出來，又能滿足案例適配的定量化決策，因此，它是地震應(yīng)急救援案例表示的最佳方法?？蚣鼙硎痉椒蓪咐硎緸?部分:地震應(yīng)急案例情景特征、地震應(yīng)急救援方案和地震應(yīng)急救援效果。如表1所示。

表1 地震案例框架表示

2 案例推理檢索算法

案例推理檢索包括兩個部分:一是各項相似度的計算；二是各項屬性權(quán)重的確定。案例推理檢索算法的設(shè)計主要滿足:一是檢索出的案例越少越好；二是檢索出的案例與目標問題越相似越好。

2.1 屬性相似度算法

基于地震案例特點，本文利用最近相鄰法進行屬性相似度的計算。由于地震發(fā)生初期的地震情況無法快速獲得，地震部門在初期將開展地震災(zāi)情初判，利用地理信息系統(tǒng)和防震減災(zāi)綜合數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合圓模型進行衰減計算，初步得到大致數(shù)據(jù)，如地震影響范圍，傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失，查明震中人口密度、海拔、地形等精確數(shù)據(jù)，并及時通知有關(guān)應(yīng)急救援部門。

案例檢索過程涉及的屬性主要有4種類型:

1）確定符號屬性。確定符號屬性值為簡單枚舉值，它列舉了該屬性所有可能的取值，屬性值之間不存在實際意義的量的關(guān)系，如震區(qū)主要的房屋結(jié)構(gòu)，相似度計算式為

2）枚舉屬性。該屬性主要是用于計算一組特定屬性分類，屬性值之間存在一定的等級關(guān)系，如地震響應(yīng)等級，計算式為

3）精確數(shù)屬性。這類屬性用數(shù)值表示，如地震深度、震中烈度、人口密度。

相似度方法為

4）精確數(shù)與模糊區(qū)間屬性值。此類屬性中的模糊數(shù)為大致區(qū)間數(shù)據(jù)，如受傷人數(shù)、死亡人數(shù)、直接經(jīng)濟損失，相似度計算方法為

式中，ci表示第i個檢索特征屬性的取值范圍。

2.2 權(quán)重獲取算法

本文利用主客觀權(quán)重相結(jié)合的方法獲取權(quán)重屬性，主觀權(quán)重由地震專家根據(jù)層次分析法獲得，客觀權(quán)重根據(jù)歷史數(shù)據(jù)由標準離差賦權(quán)法得到。

由于一部分歷史數(shù)據(jù)極端值影響屬性的分配，因此，在進行客觀權(quán)重計算前，首先要對歷史數(shù)據(jù)進行歸一化，本文選用文獻［10］的歸一化方法，將不同量綱上的屬性值歸一化到［-1，1］上，避免屬性值對權(quán)重分配的影響。

綜合權(quán)重采用公式:

根據(jù)現(xiàn)實情況的需要也可手動對權(quán)重進行調(diào)整。

2.3 成效排序

目標案例與歷史案例的相似度的計算公式為:

設(shè)置篩選閾值:

當滿足SIM（Z*，Z）i≥δ時，歷史案例將被提取。根據(jù)文獻［11］提出的方法，利用成本和效果數(shù)據(jù)，采取合適權(quán)重對被提取的案例重新排序，獲取與決策者決策偏好契合度最高的最優(yōu)歷史案例。

3 案例分析

這里利用案例來驗證基于案例推理的地震應(yīng)急救援決策方法的有效性。

收集9個地震案例作為源案例，以云南省昭通市魯?shù)椤?·03”地震為目標案例，篩選震級為6.0級，如下頁表2所示。按照本文計算方法，權(quán)重向量為 wi=（0.137，0.075，0.036，0.155，0.182，0.004，0.36，0.051），進而計算案例相似度。

有效歷史案例集的應(yīng)急效果和應(yīng)急成本如表3所示。

利用一次線性方程計算成本和效果的效用值，當效果因子a和成本因子b取不同值時，可以得到不同排序，如表4所示。

取a=0.8，b=0.2，從案例庫提取的案例為2013年4月20日發(fā)生的四川蘆山地震。兩次地震情景比較如表5所示。

于決策者而言，地震初期震區(qū)救援力量的分配極為重要。蘆山地震發(fā)生時間為2013年4月20日8時02分，截至當日15時40分許，解放軍和武警部隊共投入雅安震區(qū)第一線的救援兵力已達XXX人，成都軍區(qū)和武警部隊還有XXX兵力隨時可以增援。相比較而言，魯?shù)榈卣鸢l(fā)生的時間為2014年8月3日16時30分，截止2015年8月5日1時，

來自成都軍區(qū)、北京軍區(qū)、空軍、二炮、武警部隊的XXX名官兵已全部到達13個重災(zāi)縣和13個重災(zāi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，兩地震在救援兵力的組成和數(shù)量上大致相同。因此，選擇蘆山地震作為參考案例，在自然特征上和社會屬性特征上具有很高的相似性，在地震初期應(yīng)急救援方案制定上也具有非常高的相似性。

表2 案例收集

表3 案例成本效果

表4 案例排序

表5 地震情景比較

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)地震應(yīng)急救援決策的需要，根據(jù)地震應(yīng)急救援案例特點，提出框架表示方法，根據(jù)案例的不同特征屬性，設(shè)計相應(yīng)的相似度計算方法，解決了傳統(tǒng)最近相鄰算法屬性值缺失的問題，設(shè)計了綜合權(quán)重的獲取方法，并利用決策者心里偏好對案例重新排序。該方法在時間緊迫、震區(qū)情況尚未明朗的情況下，針對地震應(yīng)急救援進行輔助決策具有良好的應(yīng)用前景。