張華年， 卜凡亮

(中國人民公安大學(xué)信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院， 北京 100038)

0 引言

公共突發(fā)事件的頻發(fā)不僅嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且影響社會的秩序和穩(wěn)定，這就考驗(yàn)著各級公安機(jī)關(guān)的應(yīng)急處置能力。同時(shí)公共突發(fā)事件具有不可預(yù)見性、強(qiáng)時(shí)效性、高危害性等性質(zhì)，因此在突發(fā)事件發(fā)生后公安機(jī)關(guān)能快速制定一套行之有效的應(yīng)急預(yù)案顯得至關(guān)重要。然而通過對各級公安機(jī)關(guān)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)我國目前公安應(yīng)急預(yù)案管理仍存在著一系列問題：首先，案例形式單一且編纂過程中缺乏系統(tǒng)理論支撐。其次，沒有形成數(shù)字化預(yù)案。紙質(zhì)預(yù)案管理困難，導(dǎo)致在突發(fā)事件發(fā)生后不能及時(shí)投入使用。最后，缺乏案例庫的建設(shè)。在突發(fā)事件處置完成后，缺乏對突發(fā)事件及處置過程的記錄，因而難以對處置過程進(jìn)行評價(jià)，更不可能為以后的應(yīng)急預(yù)案制定提供借鑒。綜上，現(xiàn)行的公安應(yīng)急預(yù)案已經(jīng)不能滿足公安機(jī)關(guān)應(yīng)急處突的需要。

目前，國內(nèi)外在構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)涌現(xiàn)了一系列研究成果：Huang W D等人以森林火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)為原型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字應(yīng)急預(yù)案的自動生成，有效提高了應(yīng)急預(yù)案的生成和知識共享能力的適應(yīng)性[1]。Ravi K.Sharma等人通過印度石油有限公司齋浦爾存儲終端事故案例研究，提出了更加強(qiáng)調(diào)自動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需求、結(jié)構(gòu)和發(fā)展的電子事件指揮系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了應(yīng)急響應(yīng)中的協(xié)調(diào)和溝通[2]。張雙獅等人將案例推理應(yīng)用于智能決策支持系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于.net平臺的Web服務(wù)系統(tǒng)用于群體性事件的應(yīng)急預(yù)案生成[3]。劉君等人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了公路突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案自動生成系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了公路交通安全服務(wù)的智能管理和輔助決策水平[4]。楊夢等人將文本分析、數(shù)學(xué)模型、規(guī)則推理等技術(shù)應(yīng)用于為煤礦防災(zāi)減災(zāi)提供智能應(yīng)急預(yù)案，設(shè)計(jì)了一套煤礦智能應(yīng)急預(yù)案智能生成系統(tǒng)[5]。應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)的研究成果已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但公安領(lǐng)域的應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)研究目前還比較薄弱。

本文從公安機(jī)關(guān)應(yīng)急處突的實(shí)際工作需求出發(fā)，開發(fā)了公安智能應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公安應(yīng)急預(yù)案的數(shù)字化管理、案例庫分層可視化和預(yù)案智能生成，提高了公安機(jī)關(guān)處置突發(fā)事件的能力和效率。

1 系統(tǒng)需求分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

公安機(jī)關(guān)應(yīng)急處置的關(guān)鍵是接警后能夠第一時(shí)間智能生成應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)要能夠?qū)Π咐龓熘械陌咐M(jìn)行管理，對案例庫進(jìn)行合理的分層組織，基于公安應(yīng)急處置的保密性要求，用戶的管理也必不可少。因此，構(gòu)建公安應(yīng)急預(yù)案智能生成應(yīng)具有案例模塊、案例庫模塊、預(yù)案模塊、用戶模塊4個(gè)功能模塊，以保證系統(tǒng)有效運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)公安機(jī)關(guān)應(yīng)急處置的需求，公安智能應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)包含4個(gè)功能模塊，如圖1所示。其中案例模塊能夠?qū)Π咐M(jìn)行查詢、錄入、修訂、刪除等操作，以保證數(shù)據(jù)庫中的案例能夠及時(shí)更新；案例庫模塊可以查詢案例及預(yù)案的修改記錄，并且可以對案例庫的分層可視化結(jié)果進(jìn)行查看；預(yù)案模塊可以實(shí)現(xiàn)預(yù)案的查詢、錄入、修訂、刪除等操作，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心功能預(yù)案智能生成；用戶模塊主要包括用戶登錄、用戶注冊、用戶刪除、注冊審核等功能。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能和實(shí)際應(yīng)用需要，公安智能應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)基于PyQt5框架，從上至下將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、用戶層。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和交互，包括案例庫、預(yù)案庫、用戶庫、記錄庫、規(guī)則庫等。業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，也是系統(tǒng)的核心，包括案例模塊、案例庫模塊、預(yù)案模塊、用戶模塊4個(gè)主要模塊。用戶層是平臺的使用者，分為普通用戶和管理員用戶。各層之間既相互獨(dú)立又互相聯(lián)系，形成反饋機(jī)制。保障系統(tǒng)的使用和管理維護(hù)、系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)

2.1 案例推理技術(shù)

案例推理(case-based reasoning)技術(shù)是一種用于學(xué)習(xí)和解決問題的智能技術(shù)，它可以根據(jù)存儲在案例庫中的歷史案例解決現(xiàn)在的問題，還能不斷學(xué)習(xí)新的知識和經(jīng)驗(yàn)，使其可以用于解決以后的問題[6]。這些案例被編制成相關(guān)的特征屬性，以及隨之采取的解決方案。CBR技術(shù)是一種基于類比的推理，我們可以將其表示為4個(gè)RE的循環(huán)過程：檢索(retrieval)、重用(reuse)、修正(revise)、保存(retain)[7]。CBR技術(shù)的核心就是案例的相似度檢索，其案例檢索計(jì)算如公式(1)所示：

sim(X,Y)=1-dis(X,Y)

(1)

sim(X,Y)表示案例X和案例Y的相似度，dis(X,Y)代表案例X和案例Y的距離。

(2)

xi和yi分別代表案例X和案例Y第i個(gè)屬性值，wi代表第i個(gè)屬性的權(quán)重值。

在本系統(tǒng)中案例推理技術(shù)的流程如圖3所示。首先建立初始案例庫，將歷史案例存儲于初始案例庫中，并通過案例庫組織技術(shù)，將初始案例庫分成若干個(gè)子數(shù)據(jù)庫。當(dāng)新案例輸入系統(tǒng)中后，從相應(yīng)的子案例庫中檢索新案例的相似案例，并對相似案例解決方案進(jìn)行重用，在按照設(shè)定規(guī)則對解決方案進(jìn)行調(diào)整后輸出解決方案，并將新案例和其解決方案存入數(shù)據(jù)庫。

圖3 CBR流程圖

2.2 分層自組織映射

分層自組織映射算法(GHSOM)采用靈活的分層構(gòu)架，同時(shí)它的多層結(jié)構(gòu)中每一層都包含許多獨(dú)立的SOM，其中的層數(shù)、映射地圖及神經(jīng)元都是通過訓(xùn)練確定的[7]。它可以為用戶提供案例的聚類和案例之間的層次關(guān)系[8]。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的GHSOM算法構(gòu)建流程如下。

步驟1：參數(shù)初始化。如初始地圖大小，學(xué)習(xí)速率，鄰域范圍，生長停止標(biāo)準(zhǔn)，分層停止標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽閾值和標(biāo)簽數(shù)量。

步驟2：設(shè)置虛擬層0，其中只包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)(單元)。其權(quán)重被指定為輸入數(shù)據(jù)的平均值。通過測量輸入數(shù)據(jù)和權(quán)重之間的歐幾里德距離來獲得平均量化誤差(mpe0)。

步驟3：在標(biāo)準(zhǔn)SOM訓(xùn)練過程的基礎(chǔ)上確定layer1的地圖大小。如圖4所示，主層1由3×2節(jié)點(diǎn)組成，并為輸入數(shù)據(jù)提供粗略的組織

步驟4：水平增長地圖。 通過計(jì)算當(dāng)前層中所有節(jié)點(diǎn)的mqe，評估映射質(zhì)量并識別錯(cuò)誤單元。 然后，在錯(cuò)誤單元和最不相似的鄰居之間按行或列插入新單元，并將它們的權(quán)重區(qū)域指定為其鄰居的平均值。 最后，計(jì)算當(dāng)前映射的MQE，其等于所有節(jié)點(diǎn)的平均mqe。 地圖增長繼續(xù)，直到MQE達(dá)到前一層中相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的mqeu的某個(gè)分?jǐn)?shù)τ1：

MQEm<τ1mqeu

(3)

步驟5：展開層次結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)生長直到當(dāng)前層中的所有mqei達(dá)到層0的mqe0的給定分?jǐn)?shù)τ2。

mqei<τ2mqe0

(4)

步驟6：通過重復(fù)步驟4和5的過程來設(shè)置更多層。向下層是上層中已映射到的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的子集。然后，底層中的映射提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)組織。

一旦引入了GHSOM，CBR系統(tǒng)的案例庫被分成幾子案例庫。通過改變τ1和τ2的值，可以控制每個(gè)子案例庫的大小。當(dāng)輸入新案例時(shí)，它首先由案例特征向量表示。然后將它與過去的案例放在一起進(jìn)行聚類。最后，通過GHSOM引導(dǎo)到相應(yīng)的子集，其中新案例與歷史案例一起映射，并且通過使用相似性度量的案例檢索可以獲得最相似的問題。

圖4 GHSOM結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行系統(tǒng),首先進(jìn)入登錄界面，如圖5所示，輸入用戶名、密碼方可登錄，點(diǎn)擊左上角菜單欄，可以連接到注冊界面、修改密碼界面以及退出。

圖5 登錄界面

用戶登錄后進(jìn)入公安智能應(yīng)急預(yù)案的主界面，可以通過窗口上方的tabwidget標(biāo)簽進(jìn)行案例管理、預(yù)案管理、案例庫組織、案例推理4個(gè)主要功能界面的切換。如圖6所示在案例管理界面用戶可以進(jìn)行添加案例、修正案例、刪除案例的操作，并且可以通過各種條件對案例進(jìn)行檢索。如果登錄用戶是管理員用戶，還可以進(jìn)行用戶管理操作。

圖6 系統(tǒng)主界面

預(yù)案管理界面可以對案例庫中案例對應(yīng)的預(yù)案進(jìn)行瀏覽和查詢，并可以進(jìn)行添加預(yù)案、修正預(yù)案、刪除預(yù)案的操作。

案例庫組織界面。在案例庫組織界面，用戶可以查看案例庫的分層組織的可視化視圖。另外，若登錄用戶為管理員用戶，可以查詢案例庫及預(yù)案庫的修改記錄。

案例推理界面。在案例推理界面，用戶將時(shí)間、地點(diǎn)、案件類型、傷亡人數(shù)、嫌疑人人數(shù)、案件等級等案件信息輸入系統(tǒng)，并可以對各特征對應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，如圖7所示。點(diǎn)擊案例推理按鈕，系統(tǒng)會將案例庫中與當(dāng)前案例最相似的3條案例及其預(yù)案呈現(xiàn)給用戶，如圖8所示。用戶可以對相似案例的預(yù)案進(jìn)行調(diào)整并輸出，并將當(dāng)前案例和預(yù)案保存進(jìn)案例庫和預(yù)案庫，為以后的案例推理提供經(jīng)驗(yàn)。

圖7 案例推理界面

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照公安智能應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)的功能需求，以及系統(tǒng)各實(shí)體之間的E-R關(guān)系，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫共包括5個(gè)核心數(shù)據(jù)表，分別為案例信息表、預(yù)案信息表、用戶表、操作日志表、規(guī)則表。限于篇幅，本文只對案例信息表和預(yù)案信息表進(jìn)行詳盡描述。

表1 案例信息表

表2 預(yù)案信息表

3 結(jié)語

針對現(xiàn)行公安應(yīng)急預(yù)案的局限性，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了公安智能應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)，滿足了公安機(jī)關(guān)應(yīng)急預(yù)案信息化管理需求，并結(jié)合案例推理技術(shù)和分層自組織映射算法實(shí)現(xiàn)了公安應(yīng)急預(yù)案智能生成，對提高公安機(jī)關(guān)處置突發(fā)事件的能力和效率有重大意義。