应急决策知识模型及其进化推理研究

论文摘要

应急决策体系可视为具有多自主、多因素、多尺度、多变性特征的一个开放的复杂巨系统,包含着丰富而深刻的复杂性科学问题。本文围绕范维澄院士所提出的未来5-10年内,我国应急管理基础研究迫切需要解决的五大板块关键科学问题之一——“复杂条件下应急决策的科学问题”中的“多目标应急决策生成理论和方法”展开理论研究和实际工程背景的应用。本文研究工作主要从以下四个方面展开。（1）通过剖析典型应急案例,深刻反思应急决策支持系统（Emergency Decision Support System, EDSS）所面临的极大挑战。在查阅大量国内外相关文献资料的基础上,综述EDSS前沿动态,遵循大师西蒙所提出的“有限理性”的决策原理,提出融合时态逻辑和本体技术的多维知识表示的共享数据为信息平台层,以双基因变异混合进化策略的多目标应急决策为业务处理层,可根据不同需求设计适合各类用户使用的用户接口层的三层应急决策模型。（2）在信息平台层,围绕如何解决提高决策知识表示的准确性,对时态知识、本体知识两大主流知识表示建立模型。①围绕时态逻辑,首先,深入讨论了应急决策系统中的时态知识模型构建基础理论与时态知识表示方法,从时态表示的逻辑基础着手,概括介绍了时态基本元素和时态逻辑相关理论,以及知识的定义及层次、表示方法论和常用的时态知识表示方法。其次,把应急系统中的时态知识分成两类:一是描述事实的时态知识,二是描述事件关系的时态知识,设计了五元组的时态知识表示模型,用以描述应急决策系统中与时间关联的时序信息,形式化地表示应急决策系统中的各种时间信息,可更加准确地表示时序关系的知识,提高决策方案的准确性。②围绕本体技术,首先介绍了本体论基础理论,包括本体定义、描述逻辑、本体建模元语、本体描述语言和编辑工具,提出一种基于本体论的应急决策领域知识图示化建模方法;具有图示化建模直观、便捷的特点。其次,着重研究并构建了应急预案和消防应急本体知识模型,实例本体知识的建立验证了本文所提出的基于本体论的应急决策领域知识图示化建模方法的可操作性。这样有利于开发人员和分析人员的沟通,大大提高了领域本体构建的规范性和准确性。（3）在业务处理层,本文针对决策自动生成的快速性难点,研究应急决策生成的进化推理机制,以及并行串匹配算法的实现机理。①围绕本体匹配实现时的并行串匹配算法,创新性的提出基于连续r位匹配规则的并行串匹配算法。从理论上分析并计算了连续r位模式串与文本串的匹配概率,并在并行集群环境下编程实现该算法,实验结果表明:在数据规模增加时,可加快本体匹配速度。将并行串匹配算法应用到本体匹配中,可以使并行算法在本体匹配计算中充分发挥快速计算的优势,为并行计算领域和本体领域找到新的结合点。②围绕进化策略的推理机制,把应急决策自动生成归结为寻找最佳决策规则参数的优化问题,提出一种基于（μ+λ+κ）?ES和（μ+λ） ? ES的双基因变异混合进化策略算法。该算法采用Gauss算子和Cauchy算子的混合变异方法,对目标函数值最优的父代个体采用Gauss变异,对目标函数值最差的父代个体采用Cauchy变异,对搜索域进行比较细致的搜索,无论是理论证明还是实验验证,都说明:在保持群体多样性的前提下,可提高算法的收敛速度和准确度。（4）建立了响应时间最短与损失程度最小的多目标消防应急决策优化数学模型,理论证明其正确性,并将改进的双基因变异混合进化策略算法与本体基础数据相结合,实现了基于本体的多目标消防应急决策快速进化推理过程。同时还解决了具体实现中的技术难点,如案例预处理、本体推理接口以及算法模块对本体数据的操作等。本文虽然取得一定研究成果,但围绕本课题还有一些方面值得深入研究和探讨:（1）本文知识模型的建立是基于静态知识元素的,动态描述逻辑的研究可用来完善规则性知识和过程性知识的形式化问题,进一步理论证明多维知识模型的可满足性,构建应急决策动态知识模型,这样,应急决策知识才满足知识的完备性。（2）本体匹配的研究和应用逐渐成为一个热点,具有许多有待解决的挑战性课题。进一步的工作可以通过计算语义距离、加入本体知识属性或权重因子等,发现更加丰富的语义匹配问题;此外,在纯文本、数据库或XML向本体过渡的过程中,本体和其他形式的数据模型之间的匹配,也有待进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 应急决策支持系统研究现状
• 1.1.3 EDSS 所面临的挑战
• 1.1.4 研究意义
• 1.2 国内外相关领域研究综述
• 1.2.1 决策理论
• 1.2.2 决策知识表示
• 1.2.3 决策进化推理
• 1.3 论文主要内容及创新点
• 1.3.1 论文研究内容
• 1.3.2 论文创新点
• 1.3.3 论文组织结构
• 本章参考文献
• 第二章 应急决策系统中的时态知识模型
• 2.1 应急决策系统模型框架
• 2.2 时态表示逻辑基础
• 2.2.1 两种时间表示形式
• 2.2.2 时态型和时间粒度
• 2.2.3 时态逻辑基本概念
• 2.3 时态知识表示
• 2.3.1 知识分类和表示方法
• 2.3.2 时态关系约束
• 2.3.3 应用示例
• 2.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 应急决策本体知识建模
• 3.1 本体论基础
• 3.1.1 本体定义
• 3.1.2 描述逻辑（Description Logical, DL）
• 3.1.3 本体描述语言
• 3.1.4 本体编辑工具
• 3.2 本体建模
• 3.2.1 本体建模的原则
• 3.2.2 本体建模的主要方法
• 3.2.3 领域知识建模的本体论基础
• 3.3 应急决策领域本体知识的图示化建模方法
• 3.3.1 DKOED 的分析方法和主要步骤
• 3.3.2 DKOED 方法中领域本体的图示化建模符号
• 3.3.3 DKOED 方法中领域本体的图示化实例
• 3.4 应急预案本体建设
• 3.4.1 应急预案本体的顶层本体
• 3.4.2 应急预案本体
• 3.5 消防应急本体知识建设
• 3.5.1 城市消防知识本体
• 3.5.2 消防安全本体
• 3.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 本体匹配算法设计与分析
• 4.1 串匹配实现本体匹配
• 4.1.1 本体匹配
• 4.1.2 本体匹配转化为串匹配
• 4.2 并行串匹配算法
• 4.2.1 并行串匹配算法
• 4.2.2 连续r 位匹配规则（r- Contiguous bits Rule）
• 4.2.3 KMP 串匹配算法
• 4.2.4 基于连续r 位匹配规则的并行串匹配思想
• 4.3 匹配概率与实验结果分析
• 4.3.1 一般的连续r 位匹配规则的匹配概率
• 4.3.2 改进的连续r 位匹配规则的匹配概率
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 应急决策进化策略推理
• 5.1 进化计算
• 5.1.1 进化计算算法机制
• 5.1.2 进化计算的分类
• 5.2 改进进化策略
• 5.2.1 进化策略
• 5.2.2 （μ+ λ）- ES 研究现状
• 5.2.3 变异算子的选择
• 5.2.4 双基因变异混合（μ+λ+ κ）- ES 描述
• 5.2.5 实验结果分析
• 5.3 消防应急决策系统中基于本体的进化决策推理
• 5.3.1 消防应急决策模型分析与建立
• 5.3.2 基于本体的进化推理算法
• 5.3.3 实现中的关键技术
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 1、主要工作总结
• 2、进一步的工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表和录用的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研工作及成果