面向城市消防領域的智能決策系統的研究

那孜古力·斯拉木

摘 ?要： 針對已有的面向城市消防領域的決策系統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，進而以之為核心設計并實現一種面向城市消防領域的智能決策系統。該系統包含5個功能模塊：知識管理機制、領域知識庫、動態數據庫、推演機、用戶接口。含有多重不確定性信息的火災特征由輸入部件獲取后存儲于動態數據庫中，而后依據多種推演模型推演出城市消防救援方案。該系統已成功進行了實例驗證并可為應急決策智能系統提供參考。

關鍵詞： 城市消防; 智能決策系統; 系統設計; 數據傳輸; 演繹推演; 實例驗證

中圖分類號： TN911.2?34; TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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，火災報警人可以直接陳述發生火災的具體方位及其類型和大致等級等情況，而系統則可依據其所陳述的信息確定準確方案以資救援。但現實中，由于心理過于緊張、經驗有限、判斷力不足等原因，報警人往往難以準確描述災情。這就要求系統在專家經驗的基礎上，首先對火災事故的類型和等級予以設定并據此決定派遣方案，為及時有效的火災撲救提供依據。因此，設計和實現一個面向城市消防的智能決策支持系統的研究十分重要。

針對城市消防智能決策系統的研究方向，部分研究者從理論方面開展了工作[1?3]。文獻[1]結合協同理論和模糊數學方法，構建了消防安全隱患治理方案的多因素決策模型。文獻[2]將本體技術和全局數據包絡分析模型引入到了消防應急決策過程中。文獻[3]實現了基于決策樹的消防火災等級模型。近幾年大部分研究工作集中在決策信息系統的構建方面[4?8]。文獻[4]借助公安消防部隊現有的信息化建設的成果來實現一套調度輔助決策系統。文獻[5?6]基于GIS 開發了消防隊伍快速出警的消防應急輔助決策系統。文獻[7]建設集移動通信指揮監控和消防水源采集為一體的移動智能終端系統。文獻[8]構建一種通過巡查填表、指派填表等方式獲取消防信息，實現城市消防信息與輔助滅火決策系統。

然而，現有工作存在兩方面不足：一是系統在對不確定信息的表征方面存在不足，由于心理過于緊張、經驗有限、判斷力不足等原因，報警人往往難以準確描述災情，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），然而現有系統未能充分考慮上述問題;二是現有研究在系統相對忽視對模擬專家推演過程等系統認知（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據，亦可通過演繹、修正和選擇規則實現邏輯推演功能。之后以此算法為核心設計并實現了一個消防智能輔助決策系統。該系統包含5個功能模塊：知識管理機制、領域知識庫、動態數據庫、推演機、用戶接口。火災特征由輸入部件獲取后被轉化為數據（經驗）并存儲于動態數據庫中，而后通過具有證據合并推演能力的向前推演算法的規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）的火災信息。NAL二維不確定性的度量方式由一對實數頻率和可信度組成，即。其中，f表示系統獲得的正面證據在所有證據中的頻率。

根據上述推演規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。模型根據獲得火災特征查找知識庫中所有和動態數據庫中的事實相匹配的規則，并對規則中與事實相匹配的變量進行匹配。該項功能經由上述演繹規則來完成，并通過其真值函數求得結論的真值。

2） 本地推演功能。與傳統的向前推演算法不同，該算法可通過修正規則和選擇規則來實現本地推演。在進行推演時，如果出現命題相同而真值相異的情形，則可通過對規則予以修正以實現對相關命題的合并，并根據其真值函數計算合并后命題的真值。另一方面，在推演過程中，如果出現相互矛盾的命題，則先對規則加以選擇，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 ?應用實例

以一個城市火災案例為應用實例介紹系統的推演過程。對于火災案例的情報要素[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”對應的NAL二維真值分別為<0.6，0.5><0.8，0.7><1.0，0.9>。

系統以獲取的數據為依據完成以下事項。

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

2） 生成派遣方案。根據上述推演出的火災類型以及火災等級為依據判定派遣方案。根據火災類型為普通建筑物火災、等級為4級的結論，根據演繹規則進行推演，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 ?系統總體架構設計

2.1 ?城市消防工作流程概述

城市消防決策支持系統的工作流程無疑與城市消防的實際過程密切相關。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、決策者以及消防救援隊伍等人員、組織和系統。其運作流程可見圖2。

1） 報警人發現火險并向消防指揮中心報告災情。

2） 消防指揮中心接警并咨詢與發生火災相關的信息，包括火災地理位置、火災類型、火場基本情況（發生時間、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，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現場，指揮員向指揮中心報告現場信息，指揮中心據此依次派遣第二、三支隊伍。

5） 消防救援隊伍現場指揮員繼續偵查火情并向指揮中心報告。消防中心根據需要繼續派遣隊伍并通過電話等通信手段持續獲取火災現場信息。與此同時，以火情變化為依據，考慮協調調度特種應急車輛及社會力量資源，必要時亦可協調當地駐軍消防車輛參與救援。

2.2 ?系統的設計與實現

2.2.1 ?系統結構設計

該系統以多種推演模型為核心來設計。經由輸入部件獲取火災案例的特征之后，并將其存儲于動態數據庫之中，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，該系統由5個功能模塊：知識管理機制、領域知識庫、動態數據庫、推演機、用戶接口，如圖3所示。用戶接口承擔與外部環境交互的功能，火災相關數據被獲取后將存儲于綜合數據庫中，進而推演機將依據多種推演模型得出相應的派遣方案，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對用戶所提供數據的接收。V={v1，v2，…，vi，…，vm}。其中，V被用以表示當前火災事件的特征集合，vi被用以表示其中第i個火災所具有的特征，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） 被存儲于動態數據庫中的數據內容包含由用戶所提供的關于火災的特征以及系統在相關推演過程中所產生的結論（中間結論以及最終結論）。

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

5） 推理機。以提出多種推演模型為核心實現推理。當某一火災的相關特征被輸入接口獲取后，相關數據將被推理機存儲于動態數據庫中;而后系統以多種推演模型為依據推理出相應火災類別、級別以及救援方案;進而將結論存儲于動態數據庫中并向用戶輸出。

6） 地理信息模塊。旨在實現派遣調度功能的模塊（包括向用戶顯示地理信息系統的界面），可以依據決策方案以及消防中心的相關配置數據，就近從消防中心向火場派遣人員及設備，并提供最優的調度方案;依據實際情況配置各個消防中心的人員、設備的種類和數量。

2.2.2 ?數據庫設計

系統數據庫包含以下類別的表以及存儲過程：

1） 與知識庫相關的表格：該類表格包括t_level， t_dispatch， t_type。數據庫中的t_level存儲了能夠判斷火災等級屬性的外鍵，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類別的規則，t?dispatch表格存儲了有關派遣方案的規則。

2） 動態數據存儲表格： 該類表格用以存儲系統在推導派遣方案時所產生的臨時數據，包括t_input，t_similarity，t_conclusion，t_similarity。

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

3 ?結 ?語

本文構建一個面向城市消防的智能決策支持系統。該系統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數據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性。將來的研究工作將集中在推演模型的優化方面。

參考文獻

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