基于物聯(lián)網(wǎng)與案例推理的?；肺锪鲬?yīng)急救援系統(tǒng)

（暨南大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510632）

1 引言

危險化學(xué)品物流的安全問題一直受到人們的高度關(guān)注。由于?；纷陨淼奶匦?，如果在運(yùn)輸?；窌r發(fā)生嚴(yán)重事故，后果將不堪設(shè)想。因此，不少學(xué)者針對?；愤\(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)問題進(jìn)行研究，希望減輕?；肥鹿蕦ι鐣斐傻母鞣N影響。閆利勇等[1]通過對2008年1月～2010年5月我國發(fā)生的485起危險化學(xué)品公路運(yùn)輸事故進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：惡劣環(huán)境、車輛及其設(shè)備的不合格是引發(fā)危險化學(xué)品運(yùn)輸事故的重要因素。同時他建議應(yīng)該引入GIS、GPS等技術(shù)來對危險化學(xué)品的道路安全進(jìn)行監(jiān)控。孫偉[2]等通過對比國內(nèi)外危化品運(yùn)輸服務(wù)發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)?；愤\(yùn)輸缺乏可靠的信息采集手段來對物流各環(huán)節(jié)中的?；愤M(jìn)行有效的識別，運(yùn)輸各環(huán)節(jié)信息無法交互。同時他提出運(yùn)用RFID技術(shù)來解決這類問題。鄒宗峰[3]等認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)該引入?；愤\(yùn)輸過程中，從而能夠做到全程監(jiān)控。上述研究表明了在?；肺锪鞯陌踩芯恐?，需要以RFID、GIS、GPS為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行協(xié)助。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在危化品物流的研究中有一定的實(shí)踐意義。陳媛[4]等運(yùn)用RFID和GPS建立了關(guān)于危化品物流系統(tǒng)模型。袁續(xù)良[5]組建了WebGIS系統(tǒng)，旨在加強(qiáng)對移動中?；愤M(jìn)行監(jiān)控，并且依此進(jìn)行了事故模擬和作為預(yù)案編制的依據(jù)。張令勇[6]集成了GPS/GIS/GPRS來實(shí)現(xiàn)對危險品運(yùn)輸車輛的實(shí)時監(jiān)控、事故報警、合理調(diào)度、信息發(fā)布等功能的車輛監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。劉琳琳[7]運(yùn)用RFID、WSN和GIS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來建立一個?；沸孤妒鹿史抡嫦到y(tǒng)。上述的研究，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到?；愤\(yùn)輸監(jiān)控和預(yù)警的研究中，具有一定的實(shí)踐意義。但是，上面的研究還有一些不足的地方，主要有三點(diǎn)：（1）信息來源維度過于單一。在上述研究中，?；愤\(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)信息主要由RFID和GIS/GPS產(chǎn)生，而運(yùn)輸過程中的其他重要信息沒有得到有效關(guān)注。（2）雖然有學(xué)者在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)的時候嘗試引入了其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但結(jié)合各種技術(shù)的時候僅限于簡單疊加[3]，導(dǎo)致各種技術(shù)產(chǎn)生的信息系統(tǒng)不能得到有效整合，信息之間的關(guān)系也不能體現(xiàn)在系統(tǒng)當(dāng)中，從而無法有效利用相關(guān)信息。（3）重監(jiān)控，輕救援。上述的研究大都將研究的著眼點(diǎn)放眼于監(jiān)控?；愤\(yùn)輸時的各種信息，或者只利用這些信息作為預(yù)警的依據(jù)，但這些信息在事故的應(yīng)急救援中卻沒有得到利用。

案例推理（Case-based Reasoning，CBR）是人工智能領(lǐng)域中利用過去的經(jīng)驗去來解決當(dāng)前問題的類比方法。因為CBR可以抽取隱含在應(yīng)急事故處置行為里面的知識，并且可以快速重用過去的歷史經(jīng)驗制定出解決方案，適合于信息不完全以及約束條件比較多的領(lǐng)域求解[8]。而案例推理中使用的框架數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)既可以表示事物的屬性，又可以表示事物的相互間的關(guān)系[9]。同時，案例推理在處理危化品儲存[10]、運(yùn)輸[11]和救援[12]方面都表現(xiàn)較強(qiáng)的適用性。

針對現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)在?；肺锪骶仍械木窒抟约拌b于案例推理在處理應(yīng)急事故的適用性，本文以物聯(lián)網(wǎng)在危化品物流的相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合案例推理在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和救援方案生成的功能，提出一個基于物聯(lián)網(wǎng)和案例推理?；肺锪鲬?yīng)急救援系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，并展開對該系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)與案例推理的應(yīng)急救援系統(tǒng)的系統(tǒng)框架

基于物聯(lián)網(wǎng)與案例推理的應(yīng)急救援系統(tǒng)的框架如圖1所示，該框架主要分為三個層次，分別為信息收集層、信息整合層和信息利用層。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)與CBR的應(yīng)急救援系統(tǒng)的系統(tǒng)框架

信息收集層主要用于實(shí)現(xiàn)提取多維度信息的目標(biāo)，通過在?；肺锪鬟\(yùn)輸工具上設(shè)置各物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端（RFID、WSN、GIS、遙感等），收集關(guān)于運(yùn)輸過程中和事故發(fā)生后的運(yùn)輸工具狀態(tài)、?；窢顟B(tài)、?；啡萜鳡顟B(tài)、周邊環(huán)境狀態(tài)等信息，結(jié)合短距離和長距離網(wǎng)絡(luò)傳輸，將?；返膶?shí)時信息傳輸?shù)叫畔⒄夏K中。信息整合層主要是實(shí)現(xiàn)?；窢顟B(tài)、事故信息結(jié)構(gòu)化和關(guān)系抽取的目標(biāo)，針對從不同類型的物聯(lián)網(wǎng)傳送過多源異構(gòu)的危化品相關(guān)信息，進(jìn)行相關(guān)信息融合，并在此基礎(chǔ)上以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織信息，從而獲取實(shí)時監(jiān)控和制定有關(guān)救援方案的有效信息。同時信息整合模塊在基于這些有效信息的基礎(chǔ)上抽取的信息之間的關(guān)系。信息利用層主要是實(shí)現(xiàn)應(yīng)急方案生成的目標(biāo)，依靠從信息整合模塊提取的數(shù)據(jù)關(guān)系，組織?；肥鹿实膽?yīng)急案例，并通過對應(yīng)急案例庫的檢索、匹配和案例轉(zhuǎn)換，從而找到適合的應(yīng)急救援方案。總的來說，信息收集層以物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)為主，信息整合層涉及到物聯(lián)網(wǎng)和案例推理兩個領(lǐng)域，而信息利用層則以案例推理技術(shù)為主。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)和CBR的應(yīng)急救援系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)與CBR的應(yīng)急救援系統(tǒng)涉及到計算機(jī)、自動化、智能決策等多個領(lǐng)域理論、方法和應(yīng)用。本文基于物聯(lián)網(wǎng)與CBR的應(yīng)急救援系統(tǒng)主要涉及到一下幾領(lǐng)域方面的技術(shù)：（1）基于物聯(lián)網(wǎng)的危化品數(shù)據(jù)收集；（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合；（3）危化品應(yīng)急案例推理。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的?；窋?shù)據(jù)收集

物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集方面的技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該方面的技術(shù)主要對?；犯鞣N狀態(tài)的感知，并且將其相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾斫K端方面的技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知技術(shù)主要依靠各物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端完成的，在系統(tǒng)中，考慮到全面性和適用性，?；窋?shù)據(jù)主要由RFID、WSN、GPS和遙感技術(shù)進(jìn)行收集。RFID技術(shù)可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫預(yù)先寫入?；废嚓P(guān)固定屬性的數(shù)據(jù)。WSN可以技術(shù)通過由大量靜止或移動的物理傳感器組成的自組織網(wǎng)絡(luò)收集?；芬约斑\(yùn)輸工具動態(tài)的數(shù)據(jù)。GPS通過衛(wèi)星定位關(guān)于運(yùn)輸工具的位置、速度等信息。遙感技術(shù)同樣使用傳感器檢測物體的電磁波的輻射、反射特性，從而收集運(yùn)輸工具的周邊環(huán)境和事故發(fā)生后環(huán)境變化的數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)傳感器的傳輸距離有限，同時其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多跳的成本較大[13]。因此本系統(tǒng)需要傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分成兩個階段：近距離傳輸和遠(yuǎn)距離傳輸。在短距離物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)是一種短距離的通信技術(shù)，它具有低成本、低能耗、低速率等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著非常強(qiáng)的可用性。而數(shù)據(jù)的長距離運(yùn)輸將使用3G網(wǎng)絡(luò)，3G網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行長距離高速運(yùn)輸，同時3G網(wǎng)絡(luò)可以廣泛地布置在移動設(shè)備中。從不同終端的危化品物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過Zigebee網(wǎng)絡(luò)傳送到運(yùn)輸工具終端的Zigbee模塊中，這些數(shù)據(jù)將從運(yùn)輸工具終端利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较乱粋€模塊的管理終端。

3.2 多源異構(gòu)物的數(shù)據(jù)整合

?；返母鞣N數(shù)據(jù)需要用不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來感知，因此導(dǎo)致從物聯(lián)網(wǎng)終端傳送過來的數(shù)據(jù)是散亂異構(gòu)的。為了有效地找出數(shù)據(jù)之中的關(guān)系，從而有效地利用這些數(shù)據(jù)，需要相關(guān)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化技術(shù)和數(shù)據(jù)約簡技術(shù)。

由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端采集的目標(biāo)內(nèi)容不同，所感知的物體不同等原因，從物聯(lián)網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)是多源異構(gòu)的，導(dǎo)致這些信息的表示方式、語義等不一致[14]。為了更有效地處理數(shù)據(jù)，在進(jìn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化之前需要進(jìn)行信息融合。針對此階段的數(shù)據(jù)仍屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的原始數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)級別的融合技術(shù)?？紤]到上層應(yīng)急案例組織和異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)和傳輸，本系統(tǒng)以XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）為基礎(chǔ)來統(tǒng)一表示物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。鑒于XML數(shù)據(jù)表示和結(jié)構(gòu)的分離性、可擴(kuò)展性和強(qiáng)描述性等性質(zhì)，XML可以作為異構(gòu)數(shù)據(jù)源的映射框架并以可以成為數(shù)據(jù)規(guī)范模型來處理數(shù)據(jù)[15]。

對?；窋?shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的操作已經(jīng)屬于案例推理范疇，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化目的是建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，使雜亂的數(shù)據(jù)變成有用的信息。案例推理的框架結(jié)構(gòu)可以不同依據(jù)（如屬性、時間）按照層次關(guān)系組織數(shù)據(jù)，同時框架下的槽值結(jié)構(gòu)和嵌套關(guān)系使數(shù)據(jù)的關(guān)系得到全面多方面的揭示。而每個框架組合而成的框架系統(tǒng)可以通過框架的變換表現(xiàn)?；肥鹿实囊蚬?、循環(huán)等關(guān)系。將?；返男再|(zhì)、狀態(tài)作為總的框架，在各個子框架下面是描述各種性質(zhì)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。

3.3 案例推理技術(shù)

為了有效地利用案例推理進(jìn)行案例匹配找到適合方案，需要將整合好的數(shù)據(jù)組織成適合案例推理的案例，并且建立案例庫，以案例庫為基礎(chǔ)進(jìn)行案例檢索，最后轉(zhuǎn)換并應(yīng)用檢索成功的案例，并且進(jìn)行學(xué)習(xí)反饋。案例推理的一般步驟為：（1）從案例庫檢索與新案例相關(guān)的案例；（2）修正現(xiàn)有的案例；（3）應(yīng)用修正后的案例；（4）將案例執(zhí)行的結(jié)果反饋到案例庫，進(jìn)行更新。在該過程中涉及到的技術(shù)有案例表示與案例庫技術(shù)、案例檢索技術(shù)、案例的修改和學(xué)習(xí)技術(shù)。

案例的表示是案例推理的基礎(chǔ)，一個適合的案例表示方法是成功實(shí)行案例推理的關(guān)鍵因素。案例的表示既要有效地描述出案例所體現(xiàn)的特征，也必須為案例深層次的處理提供方便。鑒于在數(shù)據(jù)融合的層次上關(guān)于數(shù)據(jù)的處理手段和上面的兩點(diǎn)需求，本系統(tǒng)利用XML作為案例表示的手段。XML具有的強(qiáng)描述性，可用來由異構(gòu)數(shù)據(jù)描述應(yīng)急案例本身及其特征，而且表示案例的時候跟案例結(jié)構(gòu)和處理手段相分離，為應(yīng)急案例的深層次處理提供了可能。應(yīng)急案例庫是應(yīng)急案例組織而成，案例庫的建設(shè)跟應(yīng)急案例庫息息相關(guān)。本系統(tǒng)在XML的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使用CBML作為異構(gòu)應(yīng)急案例庫的表示和信息傳輸手段。除了具備XML的基本的描述性能之外，CMBL還具備在異構(gòu)案例推理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，使其能夠整合不同類型的危化品案例并進(jìn)行分布式管理和控制。

案例推理中案例的檢索功能一直是案例推理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，案例以案例庫為基礎(chǔ)，以案例中屬性的數(shù)據(jù)為依據(jù)利用不同的算法進(jìn)行檢索?，F(xiàn)今有不少常用的算法可用于案例匹配，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、禁忌算法等。但是由于?；窇?yīng)急案例的屬性數(shù)據(jù)的多元異構(gòu)性，在進(jìn)行案例匹配之前，需要對各種異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成轉(zhuǎn)換分類，然后依照不同的情況使用特定的算法。檢索的策略不僅僅從數(shù)據(jù)層面上進(jìn)行匹配，而且要需要挖掘案例的結(jié)構(gòu)層面和層次特征信息。同時檢索策略需要是動態(tài)的，依照案例執(zhí)行結(jié)果調(diào)整檢索策略。

應(yīng)急案例庫中的案例儲存著由歷史積累的?；窇?yīng)急案例，但因為每次案例發(fā)生的具體情況必定有所不同，因此在檢索到相關(guān)的案例之后必須要依照實(shí)際的數(shù)據(jù)對案例進(jìn)行修正，從而導(dǎo)出有效的解決方案。案例的修正與實(shí)際的案例執(zhí)行效果緊密聯(lián)系，通過實(shí)際案例的反饋，案例不斷地進(jìn)行修正以及優(yōu)化。同時這也是一個學(xué)習(xí)的過程，案例推理處理除了通過與實(shí)際的反饋優(yōu)化案例之外，遇到新案例的時候，案例庫會記錄新案例的數(shù)據(jù)和解決方案，然后再通過以后的重復(fù)優(yōu)化來不斷優(yōu)化新案例的解決方案。

4 總結(jié)

針對物聯(lián)網(wǎng)在危化品應(yīng)急物流中使用的局限，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)與案例推理結(jié)合的危化品物流應(yīng)急救援系統(tǒng)的系統(tǒng)框架。在?；肺锪鲬?yīng)急救援系統(tǒng)的系統(tǒng)框架下，從信息收集、信息整合和信息利用三個層次風(fēng)險應(yīng)急救援系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。接下來的研究工作將針對?；窇?yīng)急救援系統(tǒng)框架和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)?；窇?yīng)急救援系統(tǒng)的各模塊的子系統(tǒng)，并對各子系統(tǒng)進(jìn)行整合研究。

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