1、 28 CBR的应急案例通用表示与存储模式 张英菊，仲秋雁，叶 鑫，裘江南，曲晓飞 (大连理工大学管理学院，大连 116024) 摘 要： 针对目前基于案例推理的应急辅助决策研究中只能对某一特定类型应急案例进行案例表示和案例推理的局限，设计一种基于应急概念树 -突发事件本体模型 -事件元模型的三层架构的通用应急案例表示与存储模式，为 4 大类突发事件应急案例的表示、存储与推理提供一个通用的平台。通过原型系统的开发证明该通用模式的实用性。 关键词： 基于案例推理；案例表示；概念树；本体模型；元模型 Case-Based Reasoning Universal Mode of Representi
2、ng and Storing Emergency Cases ZHANG Ying-ju, ZHONG Qiu-yan, YE Xin, QIU Jiang-nan, QU Xiao-fei (School of Management, Dalian University of Technology, Dalian 116024) 【 Abstract】 This paper proposes an universal mode to represent and store emergency cases based on three-tier structure to avoid the l
3、imitation of presenting research that representing one kind of emergency cases at a time only. The mode is proved to be applicable by the development of Case-Based Reasoning(CBR) prototype system which thereby provides an universal platform of representing and storing emergency cases. 【 Key words】 C
4、ase-Based Reasoning(CBR); case representation; concept tree; ontology model; meta-event model 计 算 机 工 程 Computer Engineering第35卷 第17期 Vol.35 No.17 2009年9月September 2009博士论文 文章编号：1000 3428(2009)17 0028 03文献标识码：A 中图分类号：TP391近年来我国各种突发事件频发，它不仅严重威胁人们的生命、财产安全，而且危害经济 发展和社会稳定。对突发 事件的快速响应问题越来越受到人们的重视。突发事件发生后
5、参考历史相似案例的处置经验来应对当前发生的突发事件是一种直接而有效的方法。然而，目前历史案例的经验大多以文本案例的形式零散地存储在各级单位、部门中，缺乏一种通用的案例表示规范，检索相似案例的效率非常低下。因此，在突发事件发生后利用一定的智能化方法快速检索出相似历史案例进而辅助决策者参照历史经验快速制定应急方案对于在应急状态下节省宝贵的时间、最大程度地减少灾害带来的损失具有重要的意义。 1 案例推理引入应急辅助决策中的优势及难点 基于案例推理 (Case-Based Reasoning, CBR)是近年来人工智能领域新兴的推理方法，运用案例推理方法中的案例表示、案例组织与存储技术将应急案例以计算
6、机可以识别的方式进行存储、管理，通过设计案例检索算法快速找出与当前发生的突发事件最相似的历史案例。 CBR 的案例库中一个详细案例代表了专家对某一具体问题的经验积累，是在问题处理的行为上体现了专家的经验知识，而不是经验知识本身的表述，专家的丰富知识隐含在他们的行为中。因此，采用 CBR 方法以案例为载体对专家经验知识进行重用，可以避免基于传统知识库的推理机公认的知识获取难、知识表示难、不易对常识知识进行处理 3 大 瓶颈。 将案例推理应用到应急辅助决策中的一个最关键的问题就是应急案例的通用表示与存储问题。 从现有的研究文献来看，大多属于理论层面或者只是针对某一种类型突发事件案例的研究。如文献
7、1提出用框架表示法来表示应急案例，却未给出表示方法与存储模式之间的映射关系，缺乏应用层面的深入研究；文献 2认为一个应急案例由多个层次的属性组成，但是突发事件种类繁多，当突发事件类型改变时就要重新设计符合该类型突发事件的属性集合，具有一定的局限性。类似的研究还有文献 3等。 本文提出一种基于三层架构的应急案例通用表示与存储模式，可以用一种通用的方式将 涉及自然灾害、事故灾难、社会安全、 公共卫生 4 大类的突发事件进行统一表示与存储，具有一定的灵活性和较好的适应性，并且文中还给出表示层与存储层之间的映射关系以便于该模式的具体实现，对 CBR在应急领域的实用化具有重要意义。 2 基于案例推理的应
8、急辅助决策过程 应急辅助决策中的案例推理过程如下： 应急决策人员首先基于 CBR 设计的系统对当前发生的突发事件进行特征描述，系统根据描述信息建立检索约束条件，通过检索算法到应急案例库中检索到与当前发生的突发事件最相似的历史案例，调出相似案例的应急处置方案提供给决策者，决策者结合应急领域知识对应急处置方案进行适当的修改，形成当前突发事件的处置方案，从而快速对突发事件进行应对和处置。 3 应急案例的通用表示与存储 3.1 应急案例的特征分析 要把发生过的应急案例表达为计算机可以识别的形式便于推理并辅助应急决策，就需要采用适合于应急案例的表达基金项目： 国家“十一五”应急平台建设重大科技基金资助项
9、目 作者简介： 张英菊 (1982 )，女，博士研究生，主研方向：应急管理，决策支持系统，案例推理；仲秋雁，教授、博士生导师；叶 鑫，讲师；裘江南，副教授；曲晓飞，教授、博士生导师 收稿日期： 2009-03-13 E-mail： 29和存储方式。为此，本文总结应急案例的特征如下： (1)应急案例的结构性差、概念不规范、不一致。实现应急案例的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示和存储，而现存的应急案例一般都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结构化形式的规范化案例，以便于计算机的存储、识别与检索。 (2)应急案例涉及的领域繁多
10、。根据国家突发事件总体应急预案中对突发公共事件的分类，应急事件可以分为 4 大类，即自然灾害类、事故灾害类、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，应急案例涉及很多专业领域，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。 (3)每个应急案例往往又包含多个耦合事件 (称为元事件 )，如地震案例可能包含暴 雨、滑坡、瘟 疫等几个元事件。每个元事件又包含有多个状态。突发事件发生后，总是根据其自身的发展、演进规律在不断的变化。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的从
11、发生到处置完毕的整个过程。 3.2 应急概念树的建立 为了设计通用的应急案例的表示与存储模式，首先要解决应急案例特征 (1)中分析的概念不规范、不一致的问题。为此参照中国分类主题词表在 “工程技术”下，建立一个“应急管理突发 公共事件”二级类目的概念树，每一类都参考 Smith 的“事物-种类-部分-成分-性质-过程-操作-施动者或工具”分面方法4，向下依次按照类别枚举概念。限于篇幅，本文未详细列举应急概念树的具体层次。可见，概念树是一个分类和主题一体化的词表，概念树的作用如下： (1)建立分类。 (2)统一、规范系统中的概念名称，供模型等引用。 (3)建立概念间的关系。 3.3 突发事件本体
12、模型 根据应急案例特征 (2)可知，应急案例涉及的领域繁多。经过仔细分析发现：虽然每 一类、每一个应 急案例都千差万别，但如果把一个应急案例作为一个系统，那么这个系统可以抽取出很多共性特征。为此，本文构建了突发事件的本体模型来描述各种类别的应急案例的共性特征。根据本体(ontology)最著名并被引用得最为广泛的定义“本体是共享的概念模型的形式化规范说明”5，对突发事件本体模型做如下定义：所有突发事件共 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。突发事件的本体模型是一个基类。它抽象了整个应急领域事件的共性要素，并提取了每个要素的共性属性列表。通过对突发事件的深
13、入分析，本文采用系统论的方法将事件的本体定义为下列的集合结构： E= 其中， E 表示事件的本体； X 表示输入集，代表系统界面的一部分，外部环境通过它作用于系统， X 可进一步定义为诱因输入、自然环境诱因输入、社会环境诱因输入、人为控制输入； S 表示在 t 时刻事件的状态集合，事件的状态可以是表征事件的特征向量，包括事件的空间信息、资源消耗、相关的技术参数等； Y 表示输出集，具体指由状态变化所引起的另一个事件，或事件的另一种状态。 Y 包含于 S，是 S 中与事件外界 (或环境 )存在相互作用的状态的集合。 突发事件本体模型中的属性包括事件名称、事件类型、事件级别、事件处置状态、发生时间
14、、发生地点、发生单位名称、信息来源等。 3.4 突发事件元模型研究 根据应急案例特征 (3)分析得知，每个应急案例大多耦合有多个元事件。因此，除用本体模型描述案例的共性信息外，还要建立事件元模型来描述案例中的元事件。每个事件元模型都是在突发事件本体模型的基础上，继承了本体模型中的共性属性后加入该元事件领域的个性化属性而得到的。所有的元事件将覆盖应急案例的整个领域。每个事件元模型在继承了本体模型中的共有属性外也是通过输入、输出、状态三元组来表示的。例如，以台风为例，本文建立的台风元模型如图 1 所示。 台风元模型输入状态输出中心气压移速风力风速图 1 台风元模型示例 台风元模型中包括状态、输出和
15、输入。例如其中的状态中既包括从突发事件本体模型中继承的共性特征如发生时间、地点 等，还包括台风的个性特征，如中心气压 、移速、风力等。 3.5 应急案例的层次表示 根据应急案例特征 (3)，将应急案例的组织形式设计为：案例基本信息 -元事件 -状态 -属性，如图 2 所示。应急案例的层次结构可以比较全面地描述应急案例的全部信息。 应急案例案例基本信息 元事件列表元事件 1 元事件 n状态 1 状态 n 状态 1 状态 n属性列表 属性列表 属性列表 属性列表图 2 应急案例的层次表示 3.6 应急案例的通用表示与存储模式 3.6.1 基于关系数据库的应急案例库的构造 案例库的构造与案例的表示形
16、式有关，基于本文采用的30 案例 -元事件 -状态 -属性的层次表示形式，以关系数据库来构造案例库以对应急案例进行组织和存储。采用关系数据库来组织和存储案例有如下优势： 当案例库中的案例数目不多时，其组织可以是相对松散的，但当案例库中的案例数量大量增加时，就必须避免这种松散、无序的情况，而采用数据库的组织形式， 就可以利用数据库系统中的现有机制来进行管理。 3.6.2 基于三层架构的应急案例表示与存储模式 基于三层架构的应急案例表示与存储模式如图 3 所示。关系数据库系统中表 1 是案例 -元事件关系表，表明案例与元事件之间的关系；表 2 是案例基本信息表；表 3 是元事件表；表 4 是元事件
17、状态表；表 5 是元模型表；表 6 是突发事件本体模型表；表 7 是概念树表。 以上数据库表通过一定的关联关系组成关系型数据库的存储结构。案例表示层中基于概念树、突发事件本体模型和突发事件元模型的三层架构描述了应急案例的基于案例 -元事件 -状态 -属性的层次关系。关系数据库存储层和案例表示层之间的虚线表明了案例表示和数据库存储之间的映射 关系。 关系数据库存储层案例表示层应急案例案例基本信息 元事件列表元事件 1 元事件 n状态 1 状态 n 状态 1 状态 n元事件 1的属性列表 元事件 n的属性列表表1表7表6表5表4表3表2元模型 1 元模型 n突发事件本体模型概念树特征 2特征 3特
18、征 1元模型层本体模型层概念树层三层架构图 3 基于三层架构的应急案例表示与存储模式 4 实例 为了验证本文提出的基于三层架构的应急案例表示与存储模式的实用性，笔者基于三层架构的应急案例表示与存储模式的设计方案，以 Java Script 作为前台开发工具，后台用 SQL Server 数据库服务器，建立了应急辅助决策中的案例推理原型系统，实现了应急案例在计算机内的通用的表示与存 储，如图 4 所示为根据本文设计的基于三层架构的应急案例表示与存储模式开发的原型系统的案例信息展示。窗口左面是概念树、突发事件本体模型、突发事件元模型的调用接口。当要对当前发生的某个应急事件进行案例推理时，首先根据突
19、发事件包含的元事件的类型调用左侧对应的事件元模型，通过案例基本信息 -元事件信息 -状态 (元事件模型中的属性 )信息的顺序输入对应的信息即可完成对任何一种类别的应急 案例的描述。如窗口右侧所显示的，每个应急案例均通过案例基本信息 -元事件 -状态信息来展现。本文设计的应急案例的通用化表示与存储模式的计算机实现为应急辅助决策中案例推理的实现奠定了坚实的基础。 概念树接口本体模型接口元模型接口案例信息展示基本信息 元事件 状态案例 1案例 2案例 3案例 n元事件列表元事件列表元事件列表元事件列表状态列表状态列表状态列表状态列表调 用 接 口图 4 基于案例推理的应急辅助决策原型系统案例信息展示
20、 5 结束语 本文在分析应急案例特征的基础上提出基于三层架构的应急案例通用的表示与存储模式，相对于以往只针对某一特定类型的应急案例的表示与存储方式的研究，该模式具有一定的通用性和灵活性；通过应急辅助决策中的案例推理原型系统的开发证明了该模式的实用性，为实现应急辅助决策中的应急案例表示、存储与案例推理提供了一个通用的平台。 参考文献 1 郭泳亨 , 卢兴华 , 刘 云 . 基于案例库的应急决策支持系统研 究 J. 微计算机信息 , 2006, 22(8): 148-150. 2 汪季玉 , 王金桃 . 基于案例推理的应急决策支持系统研究 J. 管理科学 , 2003, 16(6): 46-51.
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