李慧敏，孫佳斌，李 鋒，汪倫焰，袁晨暉

（華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046，E-mail：lifeng9406@126.com）

跨流域調(diào)水工程是解決缺水地區(qū)水資源緊缺問題的有效途徑，工程本身具有運(yùn)輸線路長(zhǎng)、跨越地域廣、工程復(fù)雜等特點(diǎn)；一旦發(fā)生險(xiǎn)情事故，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全影響巨大。當(dāng)前，大多數(shù)調(diào)水工程都采用了明渠輸水，以南水北調(diào)中線工程為例，全長(zhǎng) 1276.41km，其中明渠工程 1102.94km，約占整個(gè)調(diào)水工程的86%，因此明渠工程事故的快速處置決策對(duì)保障調(diào)水工程的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

案例推理（Case-based Reasoning）的核心思想是依據(jù)目標(biāo)案例（當(dāng)前事故）情景和案例庫(kù)中源案例情景的映射關(guān)系，篩選出與目標(biāo)案例較為接近的源案例，并參照源案例的處置方案為當(dāng)前事故的應(yīng)急決策提供支持[1]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)工程事故的應(yīng)急決策方法進(jìn)行了相當(dāng)多的研究。李鋒剛[2]從不同維度研究了案例相似性的度量，提出了一種多策略相似性檢索技術(shù)。Fan等[3]通過構(gòu)造新型的混合相似性度量方法，為瓦斯爆炸的應(yīng)急決策提供幫助。Liao等[4]以案例推理（CBR）技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了有效處理突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急方案生成方法。靖可等[5]通過分析基于案例推理的應(yīng)急救援決策機(jī)理，結(jié)合整體優(yōu)勢(shì)度對(duì)決策方案進(jìn)行調(diào)整和學(xué)習(xí)。王興鵬等[6]借助CBR理論構(gòu)建地鐵工程事故的案例表示模型，并利用兩級(jí)檢索策略來提高案例檢索的效率。李磊等[7]通過引入CBR技術(shù)，提出了鐵路行車事故屬性缺失時(shí)的全局相似度計(jì)算模型。董銀杏等[8]通過構(gòu)造全局相似度計(jì)算模型建立了基于案例推理的燃?xì)馔话l(fā)事件應(yīng)急決策方法。

當(dāng)前，研究人員主要對(duì)跨流域調(diào)水工程的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、預(yù)防開展了研究[9，10]。而對(duì)調(diào)水工程事故發(fā)生后的及時(shí)響應(yīng)、快速處置的應(yīng)急決策研究相對(duì)較少。因此，本文以跨流域調(diào)水明渠工程事故的應(yīng)急決策為研究對(duì)象，結(jié)合案例推理技術(shù)，為此類事故的應(yīng)急決策提供一種新思路、新方法。

1 跨流域調(diào)水明渠工程事故特征描述

在對(duì)多個(gè)調(diào)水工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)跨流域調(diào)水明渠工程事故的特點(diǎn)，將描述此類事故狀態(tài)的特征屬性分為4部分：

（1）事故特征信息。包含事故類型和險(xiǎn)情部位兩類屬性。

（2）氣象條件。包含天氣、溫度、風(fēng)向、風(fēng)力以及能見度。

（3）故障點(diǎn)信息。包含發(fā)生時(shí)間、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、損壞程度、受影響渠段的長(zhǎng)度、輸水運(yùn)行狀況等具體信息。

（4）周邊環(huán)境狀況。包含渠段特性、搶險(xiǎn)道路狀況、與居民區(qū)距離、附近居民人數(shù)、次生災(zāi)害情況、有無公共建筑物等信息。

2 明渠工程事故案例表示方法

案例推理技術(shù)的應(yīng)用是在案例合理表示的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，案例表示是否能夠準(zhǔn)確、精煉地表達(dá)事故的信息，將會(huì)對(duì)案例檢索的效率和品質(zhì)產(chǎn)生影響。案例表示法主要分為框架表示法[11]、XML表示法[12]、本體表示法[13]等。本文應(yīng)用框架表示法對(duì)明渠工程事故進(jìn)行表述?？蚣鼙硎痉ㄊ且詳?shù)據(jù)框架的形式對(duì)案例進(jìn)行表述，一個(gè)框架由多個(gè)槽組成，而槽可由槽名及槽值構(gòu)成，或者由多個(gè)側(cè)面組成，每個(gè)側(cè)面又包含側(cè)面名稱和側(cè)面值?？缌饔蛘{(diào)水明渠工程事故案例表示可分為3個(gè)框架：

（1）案例（事故）情景特征表示框架（見表1）。

表1 跨流域調(diào)水明渠工程事故案例情景表示框架

（2）應(yīng)急救援方案表示框架（見表2）。

表2 跨流域調(diào)水明渠工程事故案例應(yīng)急救援方案表示框架

（3）應(yīng)急救援方案處置效果表示框架（見表3）。

表3 跨流域調(diào)水明渠工程事故救援方案處置效果表示框架

3 明渠工程事故案例檢索

案例檢索環(huán)節(jié)在案例推理理論中至關(guān)重要，一般由屬性相似度和結(jié)構(gòu)相似度兩部分組成。隨著系統(tǒng)中案例數(shù)量的增長(zhǎng)，僅憑案例間的屬性相似度和結(jié)構(gòu)相似度來計(jì)算案例間的整體相似度，將會(huì)導(dǎo)致檢索的速率和準(zhǔn)確性下降，因此需要通過改善檢索策略來提升案例檢索的效率和實(shí)用性[6]。

3.1 檢索策略

由于跨流域調(diào)水明渠工程事故的特征屬性類別和數(shù)量比較繁雜，從存儲(chǔ)大量源案例的案例庫(kù)中逐個(gè)計(jì)算相似度會(huì)降低檢索算法的時(shí)效性，因此通過構(gòu)造兩級(jí)檢索策略來提高案例檢索的效率，該檢索流程如圖1所示。

圖1 案例檢索流程

（1）一級(jí)檢索：快速檢索。挑選具備高辨識(shí)度的特征屬性作為一級(jí)檢索屬性，據(jù)此篩選出符合條件的源案例，并將源案例整合為案例集。本文選擇事故類型和險(xiǎn)情部位作為一級(jí)檢索屬性。

（2）二級(jí)檢索：模糊匹配。將通過一級(jí)檢索獲取的源案例與目標(biāo)案例進(jìn)行整體相似度計(jì)算，進(jìn)而篩選出與目標(biāo)案例相似的源案例，本文選取氣象條件、事故基本信息、故障點(diǎn)信息和周邊環(huán)境狀況的子屬性作為二級(jí)檢索屬性。

3.2 案例各屬性權(quán)重計(jì)算

借助模糊層次分析法，利用同層次指標(biāo)間兩兩比較相對(duì)重要性來確定權(quán)重[14]。

（1）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)表 1的案例情景表示框架，構(gòu)建如圖2所示的明渠工程事故層次結(jié)構(gòu)模型。

圖2 跨流域調(diào)水明渠工程事故層次結(jié)構(gòu)模型

（2）構(gòu)造模糊判斷矩陣。設(shè)某層指標(biāo)集為A={A1，A2，…，An}，通過專家對(duì)A1，A2，…，An相互之間的重要度進(jìn)行比較，可得指標(biāo)集A的模糊判斷矩陣R為：

式中，rij表示為元素ri與元素rj的重要性比較結(jié)果，可按表4進(jìn)行取值。

表4 模糊標(biāo)度及含義

若模糊判斷矩陣 R=(rij)n×n，對(duì)于任意的 i，j，k，k=1，2，3，…，n，都滿足 rij=rik-rjk+0.5，則稱其為模糊一致判斷矩陣，若不滿足，則通過式（1）求得模糊一致判斷矩陣Rij′。

（3）計(jì)算各屬性指標(biāo)權(quán)重。結(jié)合求排序向量的最小二乘法的方式，可求得指標(biāo)權(quán)重為：

式中，wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，α=2(n-1)/5。

3.3 案例間整體相似度

案例間整體相似度是在兩級(jí)檢索策略的基礎(chǔ)上，結(jié)合案例間的結(jié)構(gòu)相似度和局部屬性相似度得來。由于跨流域調(diào)水明渠工程事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)部分事故屬性值缺失的情形，這里采用結(jié)構(gòu)相似度來解決該類狀況所引起的整體相似度計(jì)算方法不適用的問題[15]。

3.3.1 案例間結(jié)構(gòu)相似度計(jì)算

先分別計(jì)算目標(biāo)案例X與源案例Y的非空屬性構(gòu)成的集合A與B，然后計(jì)算C=A∩B和D=A∪B，再計(jì)算最后定義目標(biāo)案例X與源案例Y的相似度S為：

3.3.2 局部屬性相似度計(jì)算

明渠工程事故案例的屬性值類型包含模糊語言型、數(shù)值型、枚舉型、符號(hào)型及區(qū)間型，其計(jì)算方法分別為：

（1）模糊語言型。運(yùn)用標(biāo)度變換法將語言變量轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)再采用式（4）和式（5）將其規(guī)范為

式中，Tα、Tβ分別表示屬性值為效益型、成本型。

接著將三角模糊數(shù)(xij, yij, zij)轉(zhuǎn)變成區(qū)間數(shù)，并利用區(qū)間型相似度計(jì)算方法得出模糊語言屬性間的相似度，

（2）數(shù)值型。采用基于海明距離公式計(jì)算屬性間相似度。

式中，xj、yij分別表示目標(biāo)案例X和源案例Yi關(guān)于屬性 j所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)（下同）；min(j)、max(j)表示屬性j的最小值和最大值。

（3）枚舉型。此種屬性在一個(gè)存在一定等級(jí)關(guān)系的數(shù)據(jù)集合中取值，其相似度計(jì)算公式為：

式中，g為屬性j取值的等級(jí)個(gè)數(shù)。

（4）符號(hào)型。采用如下計(jì)算公式：

（5）區(qū)間數(shù)型。當(dāng)整理的數(shù)據(jù)不是精確值時(shí)，需采用區(qū)間數(shù)對(duì)屬性的具體信息進(jìn)行描述[15]。計(jì)算公式表示為：

式中，[a1，a2]和[b1，b2]為屬性對(duì)應(yīng)的區(qū)間值，

3.3.3 整體相似度計(jì)算

整體相似度是在一級(jí)檢索的基礎(chǔ)上，結(jié)合二級(jí)屬性的局部屬性相似度和結(jié)構(gòu)相似度得來。

（1）一級(jí)檢索屬性。根據(jù)兩級(jí)檢索的定義可知，一級(jí)檢索的相似度計(jì)算公式為：

式中，t=1，2；分別表示事故類型和險(xiǎn)情部位屬性。

（2）二級(jí)檢索屬性繁多，屬性值類型不同，且不同屬性的重要度各不相同。計(jì)算公式為：

式中， Sim2(X , Y)為源案例Y與目標(biāo)案例X的二級(jí)檢索屬性相似度值為案例X與案例Y各自的一級(jí)屬性i下第j指標(biāo)的二級(jí)屬性相似度；wi為賦予一級(jí)屬性i的權(quán)重；wij為賦予一級(jí)屬性i下的二級(jí)屬性指標(biāo)j的權(quán)重。

（3）計(jì)算目標(biāo)案例與各源案例的整體相似度。由于要考慮屬性值缺失的情況，因此引入結(jié)構(gòu)相似度，案例的整體相似度為：

4 應(yīng)急決策流程

基于案例推理的應(yīng)急決策流程如圖3所示。

圖3 基于CBR的跨流域調(diào)水明渠工程事故應(yīng)急決策流程圖

5 案例分析

以某跨流域調(diào)水明渠工程事故作為目標(biāo)案例。設(shè)案例庫(kù)中存儲(chǔ)了6個(gè)歷史案例，組成源案例集合Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6}，目標(biāo)案例 X 與源案例Y的事故情景屬性值如表5所示，且源案例Y所對(duì)應(yīng)的處置方案、方案處置效果評(píng)價(jià)內(nèi)容分別如表6和表7所示。

由于事故的“發(fā)生時(shí)間”采用24h制來描述，因此需要對(duì)“發(fā)生時(shí)間”的屬性值進(jìn)行量化，提高屬性相似度計(jì)算的科學(xué)性。其中“8～12點(diǎn)，14～18點(diǎn)”定義為“1”，12～14 點(diǎn)定義為“2”，“6～9 點(diǎn)，18～20點(diǎn)”量化為“3”，“20～24點(diǎn)，24～6點(diǎn)”量化為“5”[15]。

根據(jù)表5可知，在進(jìn)行兩級(jí)檢索時(shí)，源案例Y2、Y3、Y5與目標(biāo)案例X的一級(jí)檢索屬性（事故類型和險(xiǎn)情部位）完全一致，進(jìn)入案例集進(jìn)行二級(jí)檢索。利用模糊層次分析法計(jì)算得到事故的一級(jí)屬性即氣象條件、故障點(diǎn)信息和周邊環(huán)境狀況的權(quán)重，如表8所示。同理，可求得一級(jí)屬性指標(biāo)下的二級(jí)屬性指標(biāo)權(quán)重，如表9所示。

表5 案例Y與當(dāng)前明渠工程事故X屬性值

表6 案例Y的應(yīng)急救援方案

表7 案例Y的救援方案處置效果

表8 一級(jí)屬性指標(biāo)判斷矩陣

表9 一級(jí)屬性指標(biāo)下二級(jí)屬性指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式（4）～式（9），參照案例間屬性相似度計(jì)算方法，計(jì)算目標(biāo)案例X與源案例Y2、Y3以及Y5的屬性相似度，如表10所示。

表10 目標(biāo)案例X與源案例{Y2，Y3，Y5}的屬性相似度

由于源案例Y2缺失風(fēng)力大小的屬性值，源案例Y3缺失影響渠段長(zhǎng)度的屬性值，源案例Y5缺少死亡人數(shù)與受傷人數(shù)兩項(xiàng)屬性值，同時(shí)目標(biāo)案例X中缺少受傷人數(shù)的具體表述，因此根據(jù)式（3）得到案例X與案例Y2、案例Y3及案例Y5的結(jié)構(gòu)相似度分別為S2=0.889、S3=0.867、S5=0.908。根據(jù)式（10）～式（12）計(jì)算得到案例的整體相似度 sim(X，Y2)=0.739、sim(X，Y3)=0.618、sim(X，Y5)=0.532。設(shè)定相似度閾值為0.6時(shí)，則可以得到符合閾值要求的源案例集{Y2，Y3}。

由表10可知，源案例Y2在損壞程度、影響渠段長(zhǎng)度、輸水運(yùn)行狀況、搶險(xiǎn)道路狀況、與居民區(qū)距離、附近居民人數(shù)等屬性上比源案例Y3更相似于目標(biāo)案例X，并且源案例Y2在輸水運(yùn)行狀況、搶險(xiǎn)道路狀況這兩個(gè)關(guān)鍵屬性上與目標(biāo)案例 X完全一致，而源案例Y3在這兩個(gè)屬性的相似度為0。雖然源案例Y3在溫度、風(fēng)向、風(fēng)力、發(fā)生時(shí)間、次生災(zāi)害、有無公共建筑物等屬性上與目標(biāo)案例X更為相似，但是由于這些屬性的影響因子較低，賦予權(quán)重較小，所以導(dǎo)致其整體相似度低于源案例Y2。

同時(shí)，結(jié)合表6、表7進(jìn)行綜合分析可知，源案例Y2的險(xiǎn)情狀態(tài)更為嚴(yán)重，所采取的救援方案對(duì)邊坡失穩(wěn)的處置更為嚴(yán)謹(jǐn)有效，救援效果也更滿意；源案例Y3的受損程度則較輕，及時(shí)進(jìn)行處理即可，采取的措施較為簡(jiǎn)便，處置效果較好；通過以上分析可知，目標(biāo)案例X與源案例Y2的情景更為相似，源案例Y2的處置措施也更加適用于目標(biāo)案例X的事故情景，因此，可采用該救援方案作為參考來保障目標(biāo)案例X險(xiǎn)情的有效處置。

6 結(jié)語

采用框架表示法對(duì)跨流域調(diào)水明渠工程事故案例進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表示，能夠有效降低存儲(chǔ)案例的信息模糊性，進(jìn)而提升案例表述的精準(zhǔn)度。也為明渠工程事故在信息化系統(tǒng)中的存儲(chǔ)提供參考。在兩級(jí)檢索策略的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類型的屬性值，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的屬性相似度計(jì)算方法，并通過引入結(jié)構(gòu)相似度，解決了屬性值缺失導(dǎo)致相似度計(jì)算不合理的問題，進(jìn)而提升整體相似度計(jì)算方法的實(shí)用性。通過對(duì)具體事故的案例分析，證明了本文所提出的整體相似度計(jì)算方法可以高效地實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)水明渠工程事故案例的匹配檢索，為明渠工程事故的應(yīng)急決策提供了一種新思路。