面向城市消防領(lǐng)域的智能決策系統(tǒng)的研究

那孜古力·斯拉木

摘 ?要： 針對已有的面向城市消防領(lǐng)域的決策系統(tǒng)在不確定性信息表征和邏輯推演方面存在的問題，提出一種基于非公理邏輯的多種推演模型，進而以之為核心設(shè)計并實現(xiàn)一種面向城市消防領(lǐng)域的智能決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含5個功能模塊：知識管理機制、領(lǐng)域知識庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、推演機、用戶接口。含有多重不確定性信息的火災(zāi)特征由輸入部件獲取后存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，而后依據(jù)多種推演模型推演出城市消防救援方案。該系統(tǒng)已成功進行了實例驗證并可為應(yīng)急決策智能系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞： 城市消防; 智能決策系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 數(shù)據(jù)傳輸; 演繹推演; 實例驗證

中圖分類號： TN911.2?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0161?04

Abstract： As the existing decision?support systems for urban firefighting field has some problems in the uncertainty information representation and logical deduction， a multi?inference model based on the non axiomatic logic is proposed， and then the intelligent decision?support system for urban firefighting field is designed and implemented by taking this model as the core. The system contains five functional modules： knowledge management mechanism， domain knowledge base， dynamic database， inference engine and user interface. The fire features with multiple uncertainty information are acquired by the input component and stored in a dynamic database， and then the urban fire rescue scheme is derived on the basis of the multiple deduction models. The system has been successfully verified by an example and can provide a reference for the emergency decision intelligence system.

Keywords： urban firefighting; intelligent decision?support system; system design; data transmission; deductive inference; example verification

0 ?引 ?言

在理想情況下，火災(zāi)報警人可以直接陳述發(fā)生火災(zāi)的具體方位及其類型和大致等級等情況，而系統(tǒng)則可依據(jù)其所陳述的信息確定準(zhǔn)確方案以資救援。但現(xiàn)實中，由于心理過于緊張、經(jīng)驗有限、判斷力不足等原因，報警人往往難以準(zhǔn)確描述災(zāi)情。這就要求系統(tǒng)在專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，首先對火災(zāi)事故的類型和等級予以設(shè)定并據(jù)此決定派遣方案，為及時有效的火災(zāi)撲救提供依據(jù)。因此，設(shè)計和實現(xiàn)一個面向城市消防的智能決策支持系統(tǒng)的研究十分重要。

針對城市消防智能決策系統(tǒng)的研究方向，部分研究者從理論方面開展了工作[1?3]。文獻[1]結(jié)合協(xié)同理論和模糊數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建了消防安全隱患治理方案的多因素決策模型。文獻[2]將本體技術(shù)和全局數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型引入到了消防應(yīng)急決策過程中。文獻[3]實現(xiàn)了基于決策樹的消防火災(zāi)等級模型。近幾年大部分研究工作集中在決策信息系統(tǒng)的構(gòu)建方面[4?8]。文獻[4]借助公安消防部隊現(xiàn)有的信息化建設(shè)的成果來實現(xiàn)一套調(diào)度輔助決策系統(tǒng)。文獻[5?6]基于GIS 開發(fā)了消防隊伍快速出警的消防應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)。文獻[7]建設(shè)集移動通信指揮監(jiān)控和消防水源采集為一體的移動智能終端系統(tǒng)。文獻[8]構(gòu)建一種通過巡查填表、指派填表等方式獲取消防信息，實現(xiàn)城市消防信息與輔助滅火決策系統(tǒng)。

然而，現(xiàn)有工作存在兩方面不足：一是系統(tǒng)在對不確定信息的表征方面存在不足，由于心理過于緊張、經(jīng)驗有限、判斷力不足等原因，報警人往往難以準(zhǔn)確描述災(zāi)情，以致所描述的信息存在多重不確定性（模糊性、隨機性、不一致性），然而現(xiàn)有系統(tǒng)未能充分考慮上述問題;二是現(xiàn)有研究在系統(tǒng)相對忽視對模擬專家推演過程等系統(tǒng)認知（邏輯推演）層面的研究。

針對上述問題，本文首先提出了一種基于非公理邏輯多策略推演模型[9]，該算法不僅可以接受具有多重不確定性的數(shù)據(jù)，亦可通過演繹、修正和選擇規(guī)則實現(xiàn)邏輯推演功能。之后以此算法為核心設(shè)計并實現(xiàn)了一個消防智能輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含5個功能模塊：知識管理機制、領(lǐng)域知識庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、推演機、用戶接口?；馂?zāi)特征由輸入部件獲取后被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)（經(jīng)驗）并存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中，而后通過具有證據(jù)合并推演能力的向前推演算法的規(guī)則推演出消防救援方案。

1 ?不確定性度量及多種推演模型

1.1 ?二維的不確定性度量方法

該方法通過非公理邏輯（Non?Axiomatic Logic， NAL）的不確定性度量方法，表示帶有一種或多種不確定性（指模糊性、隨機性、不一致性或其疊加）的火災(zāi)信息。NAL二維不確定性的度量方式由一對實數(shù)頻率和可信度組成，即。其中，f表示系統(tǒng)獲得的正面證據(jù)在所有證據(jù)中的頻率。

根據(jù)上述推演規(guī)則所提出算法的流程如圖1所示，包括以下兩方面：

1） 演繹推演功能。模型根據(jù)獲得火災(zāi)特征查找知識庫中所有和動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實相匹配的規(guī)則，并對規(guī)則中與事實相匹配的變量進行匹配。該項功能經(jīng)由上述演繹規(guī)則來完成，并通過其真值函數(shù)求得結(jié)論的真值。

2） 本地推演功能。與傳統(tǒng)的向前推演算法不同，該算法可通過修正規(guī)則和選擇規(guī)則來實現(xiàn)本地推演。在進行推演時，如果出現(xiàn)命題相同而真值相異的情形，則可通過對規(guī)則予以修正以實現(xiàn)對相關(guān)命題的合并，并根據(jù)其真值函數(shù)計算合并后命題的真值。另一方面，在推演過程中，如果出現(xiàn)相互矛盾的命題，則先對規(guī)則加以選擇，對矛盾命題的期望值予以計算并選取期望值較高的命題即可。

1.3 ?應(yīng)用實例

以一個城市火災(zāi)案例為應(yīng)用實例介紹系統(tǒng)的推演過程。對于火災(zāi)案例的情報要素[10]的描述如表1所示。

與自然語言中的模糊詞“可能”“大概”“確定”對應(yīng)的NAL二維真值分別為<0.6，0.5><0.8，0.7><1.0，0.9>。

系統(tǒng)以獲取的數(shù)據(jù)為依據(jù)完成以下事項。

1） 對火災(zāi)的類型和等級的判定。接警人員根據(jù)報警人員提供的火災(zāi)信息為模型提供輸入值及其不確定性真值。之后依據(jù)演繹規(guī)則與附錄中的城市火災(zāi)類別和級別判定規(guī)則得出如表2所示的結(jié)論。根據(jù)表2中的推演結(jié)果可知，該火災(zāi)的類別為一般性建筑火災(zāi)，其真值為（1.0，0.81）。有8個結(jié)論認為該火災(zāi)的等級是5級，而有3個結(jié)論為該火災(zāi)為4級。通過修正規(guī)則合并火災(zāi)等級為5級的火災(zāi)信息，其真值為<0.93，0.91>，而為4級火災(zāi)的真值為<0.98，0.90>。之后根據(jù)選擇規(guī)則計算5級火災(zāi)和5級火災(zāi)的期望值，分別為e5 = 0.89，e4 = 0.93。

2） 生成派遣方案。根據(jù)上述推演出的火災(zāi)類型以及火災(zāi)等級為依據(jù)判定派遣方案。根據(jù)火災(zāi)類型為普通建筑物火災(zāi)、等級為4級的結(jié)論，根據(jù)演繹規(guī)則進行推演，進而輸出了向火場派遣12輛水罐消防車、2輛搶險救援車以及450名消防救援人員的救援方案，其真值為<0.98，0.58>。

2 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

2.1 ?城市消防工作流程概述

城市消防決策支持系統(tǒng)的工作流程無疑與城市消防的實際過程密切相關(guān)。而城市消防過程則牽涉到報警人、消防接警人、消防輔助決策支持系統(tǒng)、決策者以及消防救援隊伍等人員、組織和系統(tǒng)。其運作流程可見圖2。

1） 報警人發(fā)現(xiàn)火險并向消防指揮中心報告災(zāi)情。

2） 消防指揮中心接警并咨詢與發(fā)生火災(zāi)相關(guān)的信息，包括火災(zāi)地理位置、火災(zāi)類型、火場基本情況（發(fā)生時間、火勢、蔓延情況、面積、容積等）。

3） 消防中心以步驟2）所提供的信息為依據(jù)，派遣第一支消防救援隊伍并要求其在途中隨時向指揮中心報告最新情況。

4） 第一支消防救援隊伍到達火災(zāi)現(xiàn)場，指揮員向指揮中心報告現(xiàn)場信息，指揮中心據(jù)此依次派遣第二、三支隊伍。

5） 消防救援隊伍現(xiàn)場指揮員繼續(xù)偵查火情并向指揮中心報告。消防中心根據(jù)需要繼續(xù)派遣隊伍并通過電話等通信手段持續(xù)獲取火災(zāi)現(xiàn)場信息。與此同時，以火情變化為依據(jù)，考慮協(xié)調(diào)調(diào)度特種應(yīng)急車輛及社會力量資源，必要時亦可協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)伛v軍消防車輛參與救援。

2.2 ?系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)以多種推演模型為核心來設(shè)計。經(jīng)由輸入部件獲取火災(zāi)案例的特征之后，并將其存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫之中，而后以多種推演模型為核心的推理機推演出消防派遣方案。

如上文所述，該系統(tǒng)由5個功能模塊：知識管理機制、領(lǐng)域知識庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、推演機、用戶接口，如圖3所示。用戶接口承擔(dān)與外部環(huán)境交互的功能，火災(zāi)相關(guān)數(shù)據(jù)被獲取后將存儲于綜合數(shù)據(jù)庫中，進而推演機將依據(jù)多種推演模型得出相應(yīng)的派遣方案，并輸出至用戶界面。

1） 用戶接口。該組件采用圖形化界面實現(xiàn)對用戶所提供數(shù)據(jù)的接收。V={v1，v2，…，vi，…，vm}。其中，V被用以表示當(dāng)前火災(zāi)事件的特征集合，vi被用以表示其中第i個火災(zāi)所具有的特征，i=1，2，…，m。用戶接口能夠接收通過模糊語言形式表達的觀察信息并以 “確定”“大概”“可能”等模糊詞來描述火災(zāi)的特征真值。圖形用戶界面如圖4所示。

2） 知識管理模塊。該模塊旨在向用戶提供增加、維護以及查詢（已被存儲于知識庫中）知識的功能。

3） 被存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)內(nèi)容包含由用戶所提供的關(guān)于火災(zāi)的特征以及系統(tǒng)在相關(guān)推演過程中所產(chǎn)生的結(jié)論（中間結(jié)論以及最終結(jié)論）。

4） 知識庫。該組件包括關(guān)于城市消防的105條規(guī)則。R={r1，r2，…，ri，…，rm}，i=1，2，…，m。其中，R表示規(guī)則集，而ri則表示某種火災(zāi)特征的判定規(guī)則。根據(jù)內(nèi)容，可將上述規(guī)則分成三組，分別是關(guān)于火災(zāi)等級、火災(zāi)類別以及火災(zāi)救援方案的判定規(guī)則。

5） 推理機。以提出多種推演模型為核心實現(xiàn)推理。當(dāng)某一火災(zāi)的相關(guān)特征被輸入接口獲取后，相關(guān)數(shù)據(jù)將被推理機存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中;而后系統(tǒng)以多種推演模型為依據(jù)推理出相應(yīng)火災(zāi)類別、級別以及救援方案;進而將結(jié)論存儲于動態(tài)數(shù)據(jù)庫中并向用戶輸出。

6） 地理信息模塊。旨在實現(xiàn)派遣調(diào)度功能的模塊（包括向用戶顯示地理信息系統(tǒng)的界面），可以依據(jù)決策方案以及消防中心的相關(guān)配置數(shù)據(jù)，就近從消防中心向火場派遣人員及設(shè)備，并提供最優(yōu)的調(diào)度方案;依據(jù)實際情況配置各個消防中心的人員、設(shè)備的種類和數(shù)量。

2.2.2 ?數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包含以下類別的表以及存儲過程：

1） 與知識庫相關(guān)的表格：該類表格包括t_level， t_dispatch， t_type。數(shù)據(jù)庫中的t_level存儲了能夠判斷火災(zāi)等級屬性的外鍵，這些外鍵分別被存儲在t_area，t_trapped，t_death，t_spreading，t_danger，t_stage，t_injured等表格中。t_type表格存儲了能夠判斷火災(zāi)類別的規(guī)則，t?dispatch表格存儲了有關(guān)派遣方案的規(guī)則。

2） 動態(tài)數(shù)據(jù)存儲表格： 該類表格用以存儲系統(tǒng)在推導(dǎo)派遣方案時所產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)，包括t_input，t_similarity，t_conclusion，t_similarity。

3） 與存儲過程相關(guān)的表格：該類表格旨在使對輔助決策數(shù)據(jù)的操作更為迅捷，兩個存儲過程——clear_Conclusion（可用以清空模型與數(shù)據(jù)庫交互所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)）和find_Max（可用以尋求最大值）的建立將為利用本數(shù)據(jù)庫提供便利。

3 ?結(jié) ?語

本文構(gòu)建一個面向城市消防的智能決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人機交互進行分析、比較和判斷，進而向消防救援決策者提供相關(guān)數(shù)據(jù)以及備選方案并輔助決策者做出正確的決策，能夠提高消防決策的實時性和科學(xué)性。將來的研究工作將集中在推演模型的優(yōu)化方面。

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