貝葉斯歸納推理方法在汽車火災(zāi)調(diào)查中的應(yīng)用初探

王岱斐　倪君

摘 要：本文首先闡述了汽車火災(zāi)調(diào)查中所獲取的間接證據(jù)對于失效原因假設(shè)具有多義性的特點，分析了多義性包含著方向性和概率性這兩個屬性，并指出如忽視概率性，則有可能產(chǎn)生失效原因假設(shè)誤判的風(fēng)險。接著，介紹了貝葉斯歸納推理，提出通過數(shù)值化明確假設(shè)概率大小的方法來避免誤判，并且結(jié)合火災(zāi)的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)指出應(yīng)同時進(jìn)行火災(zāi)三要素的假設(shè)并判斷通過才可接受此假設(shè)。最后建立火災(zāi)調(diào)查貝葉斯歸納推理的流程并以工作中發(fā)生的調(diào)查為例，實踐了這個方法，為將來類似的調(diào)查提供了參考。

關(guān)鍵詞：間接證據(jù)多義性;貝葉斯歸納推理;汽車火災(zāi)調(diào)查

1 引言

由于火焰燃燒對直接證據(jù)的破壞作用，汽車火災(zāi)失效調(diào)查中，很難獲取可以直接地、單一地發(fā)現(xiàn)失效原因的直接證據(jù)。因此，調(diào)查時往往需要使用具有多義性[1]特點的間接證據(jù)。間接證據(jù)的多義性是一個既有大小又有方向類似于矢量的屬性，如圖1所示。它表達(dá)了指向特定假設(shè)可能性的大小（數(shù)學(xué)上稱為概率）和指向哪些假設(shè)的方向性。如果忽視這兩個屬性，就極易導(dǎo)致失效原因假設(shè)的誤判。例如，在行駛中燃燒的車輛上收集到包含燃油分子和機(jī)油分子的三元催化器，它同時指向了燃油和機(jī)油這兩個失效假設(shè)。燃油比機(jī)油的自燃溫度更低，直覺上燃油導(dǎo)致失效的概率更大。但實際上由于燃油易揮發(fā)的特點而使得行駛工況下機(jī)油泄漏導(dǎo)致車輛自燃的概率反而高于燃油泄漏。

為了避免這種誤判，國內(nèi)外做了大量的研究和探索工作，并得到了許多非常有建設(shè)性和啟發(fā)性的發(fā)現(xiàn)[2][3][4][5]，例如火焰作用中心區(qū)域的鋼板腐蝕行為、伴隨著燃燒過程的溫度分布和火焰?zhèn)鬟f路徑、受熱銅導(dǎo)線斷面的金相形貌等，這些研究成果在相當(dāng)大的程度上幫助了火災(zāi)調(diào)查從業(yè)人員的工作。但是，這些研究往往是在設(shè)定好的試驗條件和失效原因假設(shè)下驗證產(chǎn)生的失效證據(jù)，本質(zhì)上是通過減少不確定因素來加強(qiáng)間接證據(jù)的方向性，對于間接證據(jù)的概率性并未做闡述。

為了避免誤判和提高調(diào)查效率，本文通過對貝葉斯歸納推理的介紹和應(yīng)用，從推理過程角度研究如何運用已有的知識和數(shù)據(jù)積累，以確認(rèn)間接證據(jù)指向特定假設(shè)概率的大小。

2 什么是貝葉斯歸納推理

貝葉斯歸納推理是隨著英國經(jīng)濟(jì)學(xué)家和邏輯學(xué)家凱恩斯（J M Keynes）開創(chuàng)的現(xiàn)代邏輯推理的發(fā)展，逐漸完善的一種概率推理方法。它包含以下要點：

（1）不同于演繹推理，貝葉斯歸納推理是一種不確定推理，即證據(jù)集的真實并不蘊涵失效原因假設(shè)集的真實，它只表示證據(jù)集對失效原因假設(shè)集提供了某種程度的支持;

（2）貝葉斯歸納推理基于貝葉斯概率公式，運用經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)成先驗證據(jù)條件概率集和先驗失效原因假設(shè)概率集，結(jié)合新證據(jù)集，計算后驗失效原因假設(shè)條件概率集，后驗失效原因假設(shè)條件概率的大小表示了新證據(jù)集對失效原因假設(shè)集的支持程度大小;

貝葉斯概率公式表達(dá)如下：

設(shè)試驗E的失效原因假設(shè)空間為S，A為E的事件，H1，H2，…，Hn為失效原因假設(shè)空間S的一個劃分，即滿足下列條件：

（1）HiHj=φ，i≠j，i，j=1，2，…，n

（2）

則Hi的后驗條件概率表示如下：

這個公式可以解釋為，對于新觀察到的證據(jù)A，并且也知道了當(dāng)且僅當(dāng)H1，H2，…，Hn發(fā)生時A才會發(fā)生，那么可以基于相對應(yīng)的先驗證據(jù)條件概率和先驗假設(shè)概率，得出A證據(jù)發(fā)生的條件下H1，H2，…，Hn發(fā)生的后驗概率是多少。進(jìn)而，通過對比得知哪一個失效原因假設(shè)最可能導(dǎo)致證據(jù)發(fā)生。

貝葉斯歸納推理由于非常符合人們對科學(xué)活動的認(rèn)知，即人們進(jìn)行科學(xué)活動并非對一切一無所知，而是在對先驗知識有了一定了解的基礎(chǔ)上，通過觀察新的證據(jù)來持續(xù)修正先驗知識。因此，它已廣泛應(yīng)用于心理學(xué)、醫(yī)療、決策、商業(yè)等各個領(lǐng)域，同樣它也適用于火災(zāi)調(diào)查中。

3 構(gòu)建火災(zāi)調(diào)查的貝葉斯歸納推理流程

工程正向開發(fā)和售后調(diào)查中，通過對各種試驗和現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)的整理，我們可以獲得大量的先驗證據(jù)條件概率集和先驗失效原因假設(shè)概率集。這些先驗知識通常是以調(diào)查表、案例、錄像、經(jīng)驗等半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的方式存儲在系統(tǒng)或調(diào)查人員的記憶中。在火災(zāi)調(diào)查之初，調(diào)查人員先結(jié)合現(xiàn)場勘查的證據(jù)和先驗知識對失效原因提出各種假設(shè)，并在后續(xù)調(diào)查中結(jié)合新的證據(jù)持續(xù)更新假設(shè)。在以往，正確的失效原因假設(shè)的獲得往往要取決于調(diào)查人員的經(jīng)驗或者說直覺。貝葉斯歸納推理對于失效原因假設(shè)的概率化可以將直覺轉(zhuǎn)化為可被量化的數(shù)值，從而為選擇正確的失效原因假設(shè)提供指導(dǎo)作用。

火災(zāi)的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)上一種非期望的氧化還原反應(yīng)。這個反應(yīng)的三要素為熱量、被氧化物和氧化物，每一個熱損的證據(jù)必然同時包含了三要素的信息，火災(zāi)調(diào)查就是對三要素的調(diào)查。因此，在火災(zāi)失效原因假設(shè)設(shè)定時，需要同時考慮起火源點（熱量）、可燃物品（被氧化物）和助燃物品（氧化物）。

建立火災(zāi)調(diào)查貝葉斯歸納推理的流程如下，如圖2所示。

（1）建立失效原因假設(shè)集XHi，例如SHi=起火源點假設(shè)集，F(xiàn)Hi=可燃物品假設(shè)集，OHi=助燃物品假設(shè)集，i=1，2，3，…，n;

（2）根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，建立現(xiàn)場勘查證據(jù)集AK，k=1，2，3，…，m;

（3）根據(jù)先驗知識和案例庫，分別計算先驗失效原因假設(shè)概率集P（XHi）和先驗證據(jù)條件概率集P（AKXHi）;

（4）根據(jù)貝葉斯歸納推理公式，計算失效原因假設(shè)在現(xiàn)場勘查證據(jù)集條件下的后驗失效原因假設(shè)條件概率集P（XHi|AK）;

（5）選取P（SHi|AK），P（FHi|AK），P（OHi|AK）的最大值所指向的失效原因假設(shè)做為在現(xiàn)有證據(jù)下，最可能的（概率最大的）起火源點假設(shè)、可燃物品假設(shè)和助燃物品假設(shè);

（6）判斷所選取的起火源點假設(shè)、可燃物品假設(shè)和助燃物品假設(shè)是否合理，例如，所選取的起火源點假設(shè)在距離上遠(yuǎn)離所選取的可燃物品假設(shè)則為不合理假設(shè)等，判斷通過則接受假設(shè)，判斷不通過則采集更多的證據(jù)進(jìn)行新一輪歸納推理;

下面以實際案例說明此流程的應(yīng)用。

調(diào)查基本信息：用戶反饋車輛行駛了約四五百米時，聞到一股焦糊味?？窟呁＼?，打開引擎蓋后發(fā)現(xiàn)明火從引擎蓋與周邊零件的縫隙中冒出。用戶嘗試自救無法滅火，直至消防車到達(dá)現(xiàn)場，才撲滅了火焰。

現(xiàn)場勘查基本信息：勘查車輛前艙可燃物基本燒毀，乘員艙內(nèi)未見明顯過火痕跡，點火鑰匙置于on檔位置。前部鋁制防撞梁燒毀，鋁制散熱器完全燒毀。前艙主副駕駛員側(cè)鋁制發(fā)動機(jī)總成安裝支架完全燒毀;電瓶正極線束呈現(xiàn)大電流過載痕跡;制動液壺完全燒毀;燃油管軟管段全部燒毀，燃油箱內(nèi)基本無燃油殘留;變速箱機(jī)油冷卻管軟管段全部燒毀，有少量變速箱機(jī)油殘留;發(fā)動機(jī)機(jī)油冷卻器損毀，有少量發(fā)動機(jī)機(jī)油殘余。車底三元催化和排氣管位置有多處過火燃燒痕跡和油液痕跡。

為確定可燃液體的調(diào)查方向，建立貝葉斯推理如下：

（1）建立失效原因假設(shè)集：

FH1：燃油;FH2：制動液;FH3：發(fā)動機(jī)機(jī)油;OH4：變速箱機(jī)油;OH5：其他可燃液體。

（2）建立現(xiàn)場勘查證據(jù)集：

A1：車輛運行2分鐘內(nèi)發(fā)現(xiàn)可見明火;

A2：燃燒過程中車輛未熄火;

A3：前部鋁制防撞梁燒毀;

A4：鋁制散熱器完全燒毀;

A5：發(fā)動機(jī)總成安裝支架完全燒毀;

A6：電瓶正極線束大電流過載痕跡;

A7：變速箱機(jī)油冷卻管軟管段全部燒毀;

A8：發(fā)動機(jī)機(jī)油冷卻器損毀;

A9：車底多處熱源過火;

（3）統(tǒng)計先驗失效原因假設(shè)概率集，如表1所示：

（4）統(tǒng)計先驗證據(jù)條件概率集，如表2所示：

（5）計算后驗假設(shè)條件概率集，如表3所示：

（6）選取概率最大的假設(shè)發(fā)動機(jī)機(jī)油做為可燃物品假設(shè)。按照此歸納法，依次確認(rèn)起火源點假設(shè)為車底的三元催化器，助燃物品假設(shè)為大氣中的氧氣，火災(zāi)三要素合理性判斷通過，接受此假設(shè)。繼續(xù)深入調(diào)查，最后通過發(fā)動機(jī)機(jī)油濾清器殘骸，確認(rèn)此次火災(zāi)的根本原因是保養(yǎng)過程中，發(fā)動機(jī)機(jī)油濾清器密封圈未安裝到位導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)機(jī)油燃燒火災(zāi)。

4 總結(jié)

汽車火災(zāi)調(diào)查中，傳統(tǒng)的加強(qiáng)證據(jù)方向性以支持失效原因假設(shè)的方法，不能體現(xiàn)間接證據(jù)指向特定失效原因假設(shè)概率性的特點。因此，迫切的需要一種可以運用已有的先驗知識來明確失效原因假設(shè)概率大小的方法。本文介紹的貝葉斯歸納推理方法有其獨特的運用先驗知識及數(shù)值化體現(xiàn)概率大小的特點，可以有效的運用于汽車火災(zāi)調(diào)查中。

參考文獻(xiàn)：

[1]Heller K J.The Cognitive Psychology of Circumstantial Evidence[J]. Social Science Electronic Publishing，2006，105（2）：241-305.

[2]汪平.火災(zāi)中受熱銅導(dǎo)線斷面形貌的研究[J]. 武警學(xué)院學(xué)報，2013，29（6）：92-94.

[3]Full-Scale Burn Test of a 1998 Compact Passenger Car[J/OL].https：//saemobilus.sae.org，2014-04-01.

[4]陳克，劉振剛，鄧松華，et al.汽車車身燃燒殘留痕跡特征的研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2007（1）：101-103.

[5].Full Scale Burn Test of Four Aluminum Body Ford F-150s Car[J/OL].https：//saemobilus.sae.org，2017-03-28.