海洋交通風(fēng)險應(yīng)急決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

汪靖，林植，靳焰

（1.武漢工業(yè)學(xué)院計算機與信息工程系，湖北 武漢 430023；2.武漢通信指揮學(xué)院一系，湖北 武漢 430010）

海洋交通風(fēng)險應(yīng)急決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

汪靖1，林植2，靳焰2

（1.武漢工業(yè)學(xué)院計算機與信息工程系，湖北 武漢 430023；2.武漢通信指揮學(xué)院一系，湖北 武漢 430010）

針對海洋交通風(fēng)險事故的特點，采用基于分層推理思想設(shè)計了海洋交通風(fēng)險應(yīng)急決策處理模型。在模型中提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識規(guī)則描述方法。以該模型為基礎(chǔ)給出了系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。通過將海洋交通風(fēng)險事故分解為事務(wù)級、情況級和執(zhí)行級三級處理，使系統(tǒng)能綜合應(yīng)用海洋交通事務(wù)各種信息進行有效決策，提高了海洋交通事務(wù)風(fēng)險控制能力。系統(tǒng)的實現(xiàn)對于促進海洋交通風(fēng)險控制的智能化水平，深化海事管理信息化平臺建設(shè)具有現(xiàn)實意義。

海洋交通風(fēng)險；應(yīng)急決策；分層推理

1 概 述

海洋交通事務(wù)風(fēng)險管理主要處理自然因素和人為因素等諸多方面造成的海上交通安全問題。從對象上看，海洋交通事務(wù)風(fēng)險管理涉及風(fēng)險的預(yù)控和風(fēng)險監(jiān)管兩大方面，相關(guān)單位有各地方的海事局、海事局下屬的支局和分支單位、以及港口碼頭橋梁和船泊公司等[1]。由于海洋交通風(fēng)險控制涉及人員、單位眾多，地域廣，相互關(guān)系復(fù)雜，如何有效的組織各種信息，形成綜合化的決策控制資源是實現(xiàn)海洋交通事務(wù)風(fēng)險決策控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

現(xiàn)在，海洋交通事務(wù)風(fēng)險管理信息化建設(shè)不是很完善。國內(nèi)許多單位都開始研究電子海圖顯示與信息系統(tǒng) (ECDIS)[2]。但這些系統(tǒng)大多側(cè)重于研究電子海圖本身的處理，對風(fēng)險控制智能化研究并不深入，沒有提出較好的風(fēng)險管理和控制方法[3]。針對這種現(xiàn)狀，本文提出了基于分層推理的風(fēng)險控制應(yīng)急決策模型。此外，考慮到國內(nèi)外在決策分析中對推理的知識規(guī)則描述方法一般采用描述性語言管理或程序邏輯控制[4,5]，兩種方案中前者可計算性差，而后者實現(xiàn)復(fù)雜。針對這個問題，本文在模型中提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識規(guī)則描述方法，較好的解決了知識規(guī)則的描述問題。

本文采用分層推理的思想給出了海洋交通事務(wù)的應(yīng)急決策模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了海洋交通事務(wù)風(fēng)險決策控制系統(tǒng)，并給出了最終的實現(xiàn)方案。該方案對于提高海洋交通風(fēng)險控制的智能化水平，深化海事管理的信息化建設(shè)具有重要的促進作用。

2 應(yīng)急決策分層推理模型

應(yīng)急決策分層推理模型以分層管理為基礎(chǔ)，逐級求精分析推理。在具體的應(yīng)急決策過程中，以行為和狀態(tài)為核心描述管理知識規(guī)則，每一層的推理均以狀態(tài)為條件，力求推理出在不同抽象層次上應(yīng)采用的行為動作。

2.1 風(fēng)險事故處理的層次化描述

基于分層推理的思想主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全策略的邏輯推理和分析[6,7]，這一理論在海洋交通風(fēng)險控制方面的應(yīng)用并不多見。但是，考慮到海洋交通風(fēng)險控制涉及要素眾多，相互間關(guān)系復(fù)雜，采用分層推理的思想能使系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用人員理清思路，有效綜合各種信息；同時也能簡化風(fēng)險控制的系統(tǒng)實現(xiàn)。

風(fēng)險管理分為事務(wù)級、情況級和執(zhí)行級。在每一級都有前提條件、監(jiān)管措施、預(yù)控措施；監(jiān)管和預(yù)控措施進一步細分為管理級、支持級、操作級措施。其中，事務(wù)級主要有臺風(fēng)事務(wù)、碰撞事務(wù)、污染事務(wù)、自沉事務(wù)、擱淺事務(wù)、違規(guī)航行事務(wù)等。情況級主要涉及針對不同事務(wù)要采用的基本預(yù)控和監(jiān)管措施，要求具體到相關(guān)單位，確定要預(yù)控或監(jiān)管的人或事的基本類型等信息。執(zhí)行級描述風(fēng)險控制具體的人員、物資、設(shè)備，要求能基本量化，確定相關(guān)時限等要求。

2.2 決策知識規(guī)則的可計算化描述

由于決策知識規(guī)則的抽象性，可計算性差。當(dāng)前國內(nèi)外對決策分析中的知識規(guī)則一般采用專用的描述性語言或程序邏輯控制。由于描述性語言一般針對特定的對象或應(yīng)用條件制定，不具有通用性；程序邏輯控制實現(xiàn)很復(fù)雜，也不具有通用性。針對這個問題，模型提出了以行為和狀態(tài)為核心的知識規(guī)則描述方法。

從基本計算原理來看，有限狀態(tài)自動機模型是計算系統(tǒng)的典型模型[8]。以此為參考，本文借助有限狀態(tài)自動機的兩個基本要素：行為和狀態(tài)作為知識規(guī)則描述的核心。具體而言，針對決策規(guī)則中的條件，模型以狀態(tài)描述；對于應(yīng)急處理的方案措施則最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的行為描述。

考慮到當(dāng)前主流的軟件系統(tǒng)即面向?qū)ο筌浖袪顟B(tài)體現(xiàn)為對象的狀態(tài)，并最終由對象的變量描述，因此知識規(guī)則中的條件（狀態(tài)）最終由一系列變量描述。這樣，在模型中只需定義一系列相關(guān)基礎(chǔ)變量，而決策推的條件狀態(tài)則由不同的變量組合和變量的不同取值實現(xiàn)不同的狀態(tài)描述，從而解決了狀態(tài)的可計算性問題。具體描述形式為：

state((variablei, valuei)| 0 ≤i≤n, n表示狀態(tài)中的變量個數(shù))。

從一般的特性看，行為的執(zhí)行有一些基本要素：行為執(zhí)行的主體、行為的作用對象（即客體）、行為執(zhí)行的動作、行為執(zhí)行條件等因素。根據(jù)這一特點，模型將應(yīng)急決策處理的措施和方案統(tǒng)一為主體對客體在某條件下的動作。具體描述形式為：

behavior(subject, target, action, constraint) ：表示subject對target在constraint下執(zhí)行action。其中subject表示行為的主體；target表示行為的作用客體；action表示行為的執(zhí)行動作；constraint表示行為的執(zhí)行條件。其中constraint表示主體執(zhí)行動作時的進一步特征，如時間，數(shù)量等約束要求。constraint進一步描述為：

constraint{(variablei, valuei)| 0 ≤i≤n, n表示約束中的變量個數(shù)}。

2.3 模型的推理過程

風(fēng)險決策的基本推理過程是：首先進行事務(wù)級推理，要求輸入事務(wù)類型，并檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論。事務(wù)級推理主要判斷風(fēng)險事故類型，針對不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。在情況級推理中，進一步輸入情況級前提條件，檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論。情況級處理針對事故的時間、地點、風(fēng)險等級等條件給出具體的監(jiān)管和預(yù)控措施，確定具體要落實的事情或行動的時限、負(fù)責(zé)的單位、或針對具體事務(wù)的進一步處理人員或物質(zhì)的初步量化。最后在執(zhí)行級推理中，輸入執(zhí)行級前提條件，檢索規(guī)則，得出相應(yīng)的結(jié)論，最后綜合結(jié)果。執(zhí)行級推理涉及具體人和具體的現(xiàn)場環(huán)境條件。

推理過程以知識規(guī)則為依據(jù)。規(guī)則的基本描述方式為：“if condition then behavior”，其中condition和behavior按2.2節(jié)所述的狀態(tài)和行為描述方式進一步規(guī)范。需要說明的是：推理過程就是對應(yīng)急處理方案的條件和措施的不斷精確化的過程。由于所有的條件最終都采用變量描述，因此推理條件具有較好的計算判定能力。此外，由于所有的措施都采用主體、客體、動作和條件描述，使最終的應(yīng)急決策措施更明確，具有較強的可操作性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

海洋交通風(fēng)險決策系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、海洋交通風(fēng)險源知識庫管理模塊、應(yīng)急處理規(guī)則庫管理模塊和推理機管理模塊等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

圖 1 決策基本流程Fig.1 Flow chart of decision-making

3.1.1 海洋交通風(fēng)險事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)對風(fēng)險事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理；同時管理海洋交通風(fēng)險源數(shù)據(jù)。

3.1.2 推理機管理模塊 推理機以知識規(guī)則庫為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對給定海洋交通事務(wù)危險的逐級推理，給出相應(yīng)的預(yù)控和監(jiān)管措施建議方案。

3.1.3 規(guī)則庫管理模塊 庫管理模塊按逐級推理的思路建立推理規(guī)則庫。

3.1.4 風(fēng)險源知識庫管理模塊 風(fēng)險源知識庫管理當(dāng)前海上交通風(fēng)險源知識。

3.2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.2.1 風(fēng)險事務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計 海洋交通事務(wù)數(shù)據(jù)表采用分級的方式進行設(shè)計。具體分為三類，分別是海洋交通事務(wù)元數(shù)據(jù)表、海洋交通事務(wù)總表、海洋交通事務(wù)業(yè)務(wù)分類表。元數(shù)據(jù)描述交通風(fēng)險相關(guān)元信息，如風(fēng)險事故類型、船只類型、所涉及的碼頭信息、轄區(qū)信息等。海洋交通事務(wù)總表記錄海洋交通事務(wù)的概要信息，如事故的時間、地域、事故類型、損失程度等。分類表描述針對每類事故的具體信息，如針對碰撞的船只大小信息、船只安檢信息、船只貨物類型數(shù)據(jù)信息等。總表和分類表采用事故編號關(guān)聯(lián)。

3.2.2 風(fēng)險源知識庫設(shè)計 風(fēng)險源知識庫按海洋交通事務(wù)類型的不同，給出不同的風(fēng)險源知識信息。風(fēng)險源知識庫主要記錄當(dāng)前風(fēng)險事務(wù)類型、發(fā)生的時間、地點、損失程度等信息。同時，針對每類風(fēng)險事故，還要給出相應(yīng)事故的特征信息。

3.2.3 風(fēng)險應(yīng)急處理規(guī)則庫設(shè)計 風(fēng)險事故應(yīng)急處理規(guī)則庫主要保存針對不同的海洋交通事故應(yīng)采取的應(yīng)急處理措施信息。與分級推理模型相適應(yīng)，規(guī)則庫分為三級，分別為事務(wù)級應(yīng)急處理規(guī)則、情況級應(yīng)急處理規(guī)則和執(zhí)行級應(yīng)急處理規(guī)則。每一級規(guī)則包含存在的條件及在預(yù)控和監(jiān)管方面的措施。具體的措施又進一步可分為管理級、操作級和支持級措施。

3.2.4 推理機設(shè)計 推理機按三級推理的方式進行。在事務(wù)級推理主要是確定針對事務(wù)應(yīng)采用的基本處理方式和方法。事務(wù)級推理基本方式是判斷風(fēng)險事故類型，針對不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。同時，針對監(jiān)管和預(yù)控措施，還要給出管理級、支持級和操作級的具體舉措。

在情況級推理中，主要確定采取行為的時限、責(zé)任單位及基本行動的量化處理。例如，針對地域，取得相應(yīng)的轄區(qū)信息，上級單位，下級單位等。情況級推理方式是：由風(fēng)險事故的時間、地點、風(fēng)險等級等條件給出具體的監(jiān)管和預(yù)控措施。確定具體要落實的事情或行動的時限、負(fù)責(zé)的單位、或針對具體事務(wù)的進一步處理人員或物質(zhì)的初步量化。

執(zhí)行級根據(jù)具體事務(wù)針對情況級的處理結(jié)果作進一步處理。其推理方式是針對具體的條件限制，給出采用監(jiān)管和預(yù)控的措施的時限要求、執(zhí)行地域要求、人員和物資準(zhǔn)備要求等。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

海洋交通事務(wù)風(fēng)險控制系統(tǒng)在windows環(huán)境下采用 .NET平臺開發(fā)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用oracle 10 g和XML進行管理。在系統(tǒng)實現(xiàn)中，難點在于風(fēng)險源數(shù)據(jù)描述、應(yīng)急處理規(guī)則庫的管理。

4.1 風(fēng)險源數(shù)據(jù)描述

風(fēng)險源是對給定狀態(tài)條件下的風(fēng)險判斷，由風(fēng)險源及其存在的條件構(gòu)成，其中條件由一系列變量構(gòu)成?？紤]到每一類風(fēng)險源事務(wù)的條件各不相同，如使用數(shù)據(jù)庫管理則對于添加、刪除、修改和查詢等都必須建立大量的數(shù)據(jù)字典，使用極不方便；而且可能一個表只有一條記錄，資源浪費。同時，風(fēng)險源的條件特征是一個不斷完善的過程，不同時間可能存在不同的認(rèn)識，有新的判斷要即時更新，這樣就要新建表和數(shù)據(jù)字典?；谶@個特點，系統(tǒng)使用XML對風(fēng)險源進行管理。

以臺風(fēng)風(fēng)險源事例，對每年9月1日到10月30日福州可能存在的臺風(fēng)風(fēng)險源表述為：

4.2 應(yīng)急處理規(guī)則管理

與風(fēng)險源數(shù)據(jù)描述知識規(guī)則一樣，考慮到其數(shù)據(jù)表述類型各不相同，每類數(shù)據(jù)總量相對較少的特點。應(yīng)急處理規(guī)則庫采用XML描述。采用與三級推理相適應(yīng)的形式描述規(guī)則。

事務(wù)級規(guī)則主要用于判斷風(fēng)險事故類型，針對不同類型給出總體的監(jiān)管措施和預(yù)控措施。同時，針對監(jiān)管和預(yù)控措施，還要分別給出管理級、支持級和操作級的具體舉措。因此，事務(wù)級規(guī)則由事務(wù)規(guī)則存在條件和當(dāng)前條件下的預(yù)控措施及監(jiān)管措施構(gòu)成，其中預(yù)控措施和監(jiān)管措施中都包含有管理級、執(zhí)行級和操作級應(yīng)對方案信息。具體的XML描述示例如下：

與事務(wù)級規(guī)則相似，情況級和執(zhí)行級的規(guī)則描述也由條件、預(yù)控措施和監(jiān)管措施組成，其內(nèi)部也都包含有管理級、執(zhí)行級和操作級應(yīng)對方案信息。

4.3 推理機的實現(xiàn)

4.4 性能分析

為了驗證系統(tǒng)的有效性，本文給出了一系列歷史的海洋交通風(fēng)險事務(wù)作為風(fēng)險源進行模擬運行。每類事故中，以狀態(tài)為核心，輸入相應(yīng)的條件變量，并給定相應(yīng)的值。系統(tǒng)通過分層推理，給出最終的結(jié)果。例如，針對臺風(fēng)事故，輸入的條件有：“事故類型”、“臺風(fēng)等級”、“中心氣壓”等。輸出的結(jié)果有：“海事局應(yīng)在某時間發(fā)布警報”、“碼頭管理處理應(yīng)在某時間停航”等。

系統(tǒng)推理出的結(jié)果與風(fēng)險源當(dāng)時所采用的應(yīng)急處理措施進行對比，最終的結(jié)果如表1所示。

表 1 海洋交通風(fēng)險評估實驗Tab.1 Risk evaluation test for maritime traffic

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)急推理結(jié)果中臺風(fēng)的處理方案與實際的處理方案匹配效果最好，而碰撞效果最差。分析影響推理效果的原因，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的應(yīng)急處理規(guī)則管理中，臺風(fēng)規(guī)則最詳細，應(yīng)急處理方案最成熟；相反，受船只本身性能、船上貨物特征、船員操控和反應(yīng)水平以及海上天氣情況等眾多因素的影響，很難針對具體的碰撞給出深入詳細的規(guī)則。

5 總 結(jié)

本文給出了基于分層推理的海洋交通事務(wù)風(fēng)險應(yīng)急處理決策模型，并詳細給出了系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。與已有的研究相比，本文首次將分層推理的思想應(yīng)用于海洋交通風(fēng)險控制實踐中。該方法能針對海洋交通事務(wù)涉及面廣，信息處理復(fù)雜的特點，通過逐級分層推理，較好的解決了風(fēng)險應(yīng)急決策問題，提高了海洋交通事務(wù)風(fēng)險應(yīng)急處理的信息化水平。特別是在當(dāng)前國內(nèi)海洋交通管理信息平臺建設(shè)基本完成的條件下，本方法對深化海洋交通風(fēng)險控制，提高海洋交通風(fēng)險管理智能化水平，建立高效的海事管理具有重要的促進作用。

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Design and implementation of emergency decision-making system for maritime traffic risk

WANG Jing1, LIN Zhi2, JIN Yan2

(1.Department of Computer and Information, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.First Department, Wuhan Commanding Communications Academy, Wuhan 430010, China

In view of the characteristic of maritime traffic risk, an emergency decision-making model is proposed using hierarchy reasoning for reference.A description method for knowledge rules based on behavior and state is provided.On the basis of this model, we provide the design and implementation of risk decision system.By dividing maritime traffic into three classes as business, situation and enforcement, the system can make effective decision.The model can improve the control ability of maritime traffic risk.At the same time, the system will be of benefit to the improvement of artificial intelligence of maritime traffic risk control, and maritime information platform construction.

risk of maritime traffic; emergency decision; hierarchy reasoning

U698.6

A

1001-6932(2010)01-0101-06

2009-03-25；

2009-06-29

汪靖(1977－)，女，湖北武漢人，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。電子郵箱：geo-zhang@163.com