基于優(yōu)勢粗糙集構(gòu)建突發(fā)事件應(yīng)急通信分級模型

樊自甫，王麗花，孫 紅

（重慶郵電大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

我國是一個地域廣、突發(fā)事件發(fā)生頻率高、事后損失較為嚴(yán)重的國家。通信行業(yè)作為國民經(jīng)濟中舉足輕重的基礎(chǔ)性行業(yè)，直接關(guān)系到突發(fā)事件發(fā)生后的通信暢通，影響國家重要信息的及時傳遞，進而影響突發(fā)事件保障工作的順利進行，而應(yīng)急通信的級別的確定是應(yīng)急通信保障工作的重要前提，在突發(fā)事件應(yīng)急通信保障中尤為重要[1]。目前我國在應(yīng)急通信分類分級領(lǐng)域的定量研究較少，應(yīng)急通信保障預(yù)案[2]中的響應(yīng)等級是根據(jù)突發(fā)事件對通信基礎(chǔ)設(shè)施造成的影響程度來劃分，對不同類型、級別突發(fā)事件的主動應(yīng)對能力不強，需要從通信應(yīng)急保障視角對災(zāi)害事件進行性質(zhì)上分類、程度上分級，建立一套新的應(yīng)急通信定量分級標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇DRSA理論對突發(fā)自然災(zāi)害事件時應(yīng)急通信不完備數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)補齊、離散化及屬性約簡，并提取偏好決策規(guī)則，為優(yōu)化現(xiàn)有應(yīng)急通信保障預(yù)案體系和應(yīng)急管理部門科學(xué)確定應(yīng)急通信等級提供模型支撐。

1 優(yōu)勢粗糙集理論

優(yōu)勢粗糙集相關(guān)定義如下：

定義2：（優(yōu)勢關(guān)系）[4]令≥q為論域U上的弱偏序關(guān)系。y≥qz是指準(zhǔn)則q上y至少和z一樣好，如果對?q∈P都有 y≥qz，則y，z在準(zhǔn)則P∈C上的優(yōu)勢關(guān)系表示為yDPz。顯然，優(yōu)勢關(guān)系具有自反性和傳遞性。

定義3：（上并集和下并集）[5]假設(shè)決策屬性d將論域U分成有限的類集CL={Clt,t∈T}，T={1,2,…,n}，?y∈U 屬于且只屬于其中的一個分類Clt，且假設(shè)這種分類是有序的，即對所有的 i，j∈T，如果 j＞i，則 Clj中的任一對象優(yōu)于（或劣于）Cli中的對象。則上并集和下并集表示為：

存在邊界域問題，不一致優(yōu)勢粗糙集的分類質(zhì)量為：

其中，ci1,…,cip表示具有優(yōu)勢關(guān)系的條件屬性，ci（p+1）,…,ciz表示沒有優(yōu)勢關(guān)系的條件屬性，tij表示屬性cij的屬性值。

2 基于優(yōu)勢粗糙集應(yīng)急通信分級模型構(gòu)建

2.1 分級指標(biāo)體系設(shè)計

選擇什么樣的指標(biāo)作為研究變量，對模型的準(zhǔn)確性和可靠性有著較大影響。根據(jù)《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》和《國家通信保障應(yīng)急預(yù)案》，結(jié)合非常規(guī)突發(fā)事件下的應(yīng)急通信保障特性，最終將應(yīng)急通信分級指標(biāo)體系分為突發(fā)事件客觀因素、通信網(wǎng)絡(luò)受損、應(yīng)急通信資源、社會影響因素等4個維度，20個指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 應(yīng)急通信保障分級指標(biāo)

2.2 級別判別知識表達系統(tǒng)建立

假設(shè)應(yīng)急通信級別判別的知識表達系統(tǒng)為四元組S=＜U,A,V,f＞，其中，U為由多值屬性描述的應(yīng)急通信級別論域，A為屬性集合，由條件屬性C和決策屬性D組成，C={突發(fā)事件客觀因素、通信網(wǎng)絡(luò)受損、應(yīng)急通信資源、社會影響因素}，D={類別描述：1級，2級，3級，4級}，V為屬性對應(yīng)的值域，f:U×A→V是一個應(yīng)急通信分級信息函數(shù)，給每個分級對象屬性賦予一個信息值。

2.3 樣本選取及數(shù)據(jù)收集

本文的樣本為2008～2013年之間發(fā)生并啟動應(yīng)急通信保障的60條突發(fā)事件案例。由于現(xiàn)階段我國應(yīng)急通信保障缺少專業(yè)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[6]，數(shù)據(jù)獲取途徑為國內(nèi)通信行業(yè)網(wǎng)站中的新聞報道和部分國內(nèi)外災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，其中，通信網(wǎng)絡(luò)受損、應(yīng)急通信資源和跨部門協(xié)調(diào)因素三類指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于工業(yè)和信息化部官網(wǎng)中的應(yīng)急通信報道和中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)中的《自然災(zāi)害應(yīng)急通信保障追蹤報道》專題；突發(fā)事件客觀因素和社會影響因素兩類指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)外的相關(guān)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，包括EM-DAT數(shù)據(jù)庫、USGS地震數(shù)據(jù)庫、中國海洋災(zāi)害公報和中國地震臺網(wǎng)中心地震數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)等。

劉老師的父親，曾在國民黨軍隊中任職，從五十年代初期起，這就成為罩在他頭上的陰影，對他的命運發(fā)生了深遠(yuǎn)的影響，他一直是按照自己對于國家政策的理解、認(rèn)識來行事，很理性地對待。近年，確認(rèn)他父親作為國民政府遠(yuǎn)征軍的一名高級軍官，在中緬邊境抗擊日寇立下戰(zhàn)功，他十分興奮，寫下《往事歷歷記心頭》，把父親生命中光榮的一頁公之于世，同時，仍然冷靜地表達全面認(rèn)識這種問題的意向。本書把此事前前后后的情況和他在不同時期的想法真實呈現(xiàn)，對許多遭遇坎坷的人，是一種有益的參照。

2.4 初始應(yīng)急通信分級決策表建立

樣本獲取后，建立初始決策表。表中的每一行代表樣本突發(fā)事件，每一列代表一個屬性的描述，屬性分為條件屬性和決策屬性（自然災(zāi)害事件造成應(yīng)急通信的不同級別）。其中，條件屬性又分為具有偏好關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)和不具有偏好的常規(guī)屬性。數(shù)據(jù)關(guān)系表的建立收集各災(zāi)害事件發(fā)生的各屬性值而成[7]。將新聞報道和國內(nèi)外災(zāi)害數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行事件匹配，構(gòu)建二維決策表，形成如表1所示的不完備決策信息表（篇幅所限，只顯示一部分）。

表1 原始決策信息表

2.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

優(yōu)勢粗糙集處理對象的主要是數(shù)據(jù)，而在應(yīng)急通信分級指標(biāo)中，存在定性指標(biāo)，因此需要對定性指標(biāo)進行屬性賦值。如表1中的A1話務(wù)擁塞情況，話務(wù)量明顯增加賦值為1，話務(wù)量平穩(wěn)如賦值0。同時，對于實際數(shù)據(jù)收集中存在的數(shù)據(jù)缺失（如表1中*），應(yīng)用Mean/mode法進行數(shù)據(jù)補缺，進而得到完備的數(shù)據(jù)關(guān)系表。

2.6 屬性約簡，規(guī)則生成

Greco等提出了DOMLEM算法[8]，該算法使用迭代方法不斷從訓(xùn)練集中提取規(guī)則,最終從學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集中提取出一個規(guī)則數(shù)相對較少,完備且非冗余的決策規(guī)則集。目前DOMLEM算法已被集成到JMAF（波蘭科學(xué)院Slowinski院士團隊開發(fā)的基于優(yōu)勢關(guān)系粗糙集的智能決策分析系統(tǒng)）中。因此，本文在使用JMAF軟件進行屬性約簡后采用該算法提取規(guī)則，再根據(jù)支持度對規(guī)則進行選擇和過濾，最終得到應(yīng)急通信級別偏好規(guī)則庫。

2.7 檢驗級別確定精度

根據(jù)規(guī)則庫，對樣本進行再次分級，檢驗該模型精度。

最后，應(yīng)急管理部門或?qū)＜腋鶕?jù)識別規(guī)則庫里的偏好決策規(guī)則，確定最終的應(yīng)急通信級別，整體流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通信分級模型

3 結(jié)果分析

3.1 近似質(zhì)量

將原始決策信息表利用Mean/mode法進行數(shù)據(jù)補齊，得到完備二維決策表，根據(jù)優(yōu)勢粗糙集定義，得到各個聯(lián)合類的近似質(zhì)量為：，近似質(zhì)量都較高，整體質(zhì)量水平為96.7%。說明所選取的條件屬性較為全面，能夠得到比較精確的分級結(jié)果。

表2 規(guī)則庫

3.2 屬性約簡結(jié)果

3.3 識別規(guī)則庫形成

采用DOMLEM算法提取得到44條確定性規(guī)則，由于規(guī)則數(shù)量較多，本文選取支持度高于5的29條確定性規(guī)則形成判別規(guī)則庫，如表2所示：

其中，判斷級別為1級的應(yīng)急通信級別規(guī)則是4條，7條規(guī)則至少為2級，8條規(guī)則為至多2級，6條規(guī)則至少為3級，3條規(guī)則至多為3級，1條規(guī)則為4級。

由以上規(guī)則可以得到以下結(jié)論：

（1）突發(fā)事件影響范圍對應(yīng)急通信等級的決定作用較大，例如，突發(fā)事件造成通信網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量急劇上升，且需要設(shè)立多個部、省聯(lián)合指揮部來應(yīng)對該突發(fā)事件，應(yīng)急通信等級為1級（規(guī)則3）；話務(wù)量沒有急增，設(shè)立單一部委、省級指揮部及以下且最終的經(jīng)濟損失不超過1614億元的，該級別最多設(shè)定為2級（規(guī)則27）；影響范圍為多個市且派遣出應(yīng)急通信保障人員超過150000，則應(yīng)急通信的級別至少為3級（規(guī)則13）；當(dāng)突發(fā)事件的影響范圍僅是一個縣級以內(nèi)的，設(shè)立省級以下的指揮層級，且受損局點、桿路數(shù)少于13400的，僅啟動4級響應(yīng)（規(guī)則18）。

（2）突發(fā)事件對通信基礎(chǔ)設(shè)施造成的損害程度對應(yīng)急通信等級影響較大，例如，突發(fā)事件發(fā)生時，設(shè)立單一部委、省級指揮部及以下的，且受損局點、桿路數(shù)至多為43900處，則該應(yīng)急級別設(shè)定至多為2級（規(guī)則24）；當(dāng)受損基站數(shù)小于等于13400個，派遣應(yīng)急通信保障人員少于42700個，且設(shè)立單一部委、省級指揮部及以下的指揮部，則至多設(shè)定為3級（規(guī)則20）。

（3）應(yīng)急通信資源保障對應(yīng)急通信等級的設(shè)定起到一定作用，例如，如果需要設(shè)立多個部、省聯(lián)合指揮部，且啟用的衛(wèi)星電話至少為2000部，應(yīng)急通信等級至少2級（規(guī)則6）；多個市受災(zāi)且啟用的應(yīng)急通信車至少為1600輛，派遣出應(yīng)急通信保障人員超過43600輛，規(guī)定應(yīng)急通信級別至少為3級（規(guī)則15）。

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，應(yīng)急通信管理部門或?qū)＜铱梢詤⒖荚撃Ｐ椭械囊?guī)則庫偏好決策規(guī)則，重點考慮11個核心影響因素，最終確立應(yīng)急通信等級。上述結(jié)論同時驗證了國家通信保障應(yīng)急預(yù)案從不同行政范圍的通信大面積中斷和需提供的通信保障來劃分等級的合理性，并可以根據(jù)規(guī)則中的通信基礎(chǔ)設(shè)施損毀以及通信資源保障情況的定量數(shù)據(jù)對等級進行劃分，進一步明確了國家通信保障應(yīng)急預(yù)案中大面積中斷的模糊概念。

3.4 模型精度檢驗

將60個案例使用該分級規(guī)則進行再次分級時發(fā)現(xiàn)，原來4個級別3被誤判成級別2，1個級別2被誤判成級別3，1個級別1被誤判為級別2，模型整體精度為90%。說明該模型學(xué)習(xí)能力較強，能夠較為準(zhǔn)確地判別出應(yīng)急通信保障級別。

4 結(jié)論

本文將優(yōu)勢粗糙集模型應(yīng)用到應(yīng)急通信分級研究中，利用優(yōu)勢粗糙集理論的屬性約簡能力，從大量的原始數(shù)據(jù)中挖掘出關(guān)鍵屬性，采用DOMLEM算法，得出應(yīng)急通信4個級別的相應(yīng)判定規(guī)則。應(yīng)急通信管理部門可以根據(jù)此判定規(guī)則中的級別決策范圍，并結(jié)合關(guān)鍵屬性，最后確定應(yīng)急通信級別。該模型避免了應(yīng)急通信級別確定的主觀臆斷性，且精度高達90%，具有良好的應(yīng)急通信等級劃分能力。

應(yīng)急等級劃分貫穿于整個突發(fā)事件始終，包括事情監(jiān)測、預(yù)防預(yù)警、事中應(yīng)急響應(yīng)處置和事后分級評估等幾個部分。本文提出的基于優(yōu)勢粗糙集的應(yīng)急通信分級模型，雖然可以提高應(yīng)急通信等級劃分的準(zhǔn)確性和合理性，但主要針對的是突發(fā)事件發(fā)生后的應(yīng)急通信分級評估問題。未來可以就整個事件的動態(tài)級別劃分問題，使用系統(tǒng)方法提出一套基于過程的應(yīng)急通信動態(tài)分級模型。

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