第32卷第1期 2013年2月 文章编号:1oo卜4373(2O13)O1一O129一O4 兰州交通大学学报 V01.32 No.1 ]ournal of Lanzhou J iaotong University Feb.2013 IX)I:10.3969 ̄.issn.1001-4373.2013.01.029 基于效用函数的突发事件应急物资需求分析 朱昌锋, 刘德元 (兰州交通大学交通运输学院,甘肃兰州730070) 摘要:为保证突发事件应急救援的高效顺利开展,应急物资需求的准确预测是应急救援工作的关键环节之一.本 化,采用基于时序的案例权重调整,获得特征因素的影响权重系数,寻求最佳相似源案例,以解决灾区应急物资 文通过考虑特征因素值的归一化、特征因素的影响权重系数和各特征因素对时间的敏感性,引入了效用函数的归 一需求问题的案例推理方法.并以实例分析了该方法的可行性和合理性.该方法很好地解决了信息不完备条件下应 惠物资需求的预测,为应急决策者提供一定的理论参考依据. 关键词:突发事件;应急物资;效用函数;权重调整;相似度 中图分类号:U9 文献标志码:A 突发事件应急救援物资需求量的确定直接关系 到应急救援的效率.为此,许多学者就应急物资需求 开展了大量的研究.文献[1]根据GM(1,1)的指数 特性,通过对原始数据序列进行变换使其服从指数 规律的改进模型,克服了传统GM(1,1)模型指数规 律的不足,用改进模型对应物资需求量进行预测;文 表示,如“有”或“没有”,“是”或“不是”等,此种数值 的相似度计算为[。] s酬 一{: i≠- ̄- xj.; ㈣ 2)确定的数字属性值.该种属性值可以是连续 的,也可以是离散的,其相似度计算方法为L4 sima ̄(zf,xD=d(x , ) ————一 献[2]基于归一化处理后的欧氏算法,寻求最佳相似 源案例,以确定源案例中的关键因素,建立了案例推 理—关键因素模型,为目标案例进行灾害应急物资 需求预测.但是,既有研究未考虑特征因素对时间的 (2) 式中: ( , )=^/∑(z 一蛳)。 3)模糊概念属性值.该种属性值可认为是一概 敏感性、不同属性值的表示和计算、未采用优化的特 征项值的归一化处理. 当突发事件类型相同、发生环境相似、处理方式 相同的前提条件下,其应急物资需求也具有一定的 相似性,可以考虑利用历史数据建立案例库,通过从 事例库中检索出相似案例,运用事例推理技术获得 灾区应急物资的需求量.基于此,本文在既有有关研 究的基础上,引入了不同属性值的表示和计算,采用 效用函数的归一化处理和基于时序的案例权重调 整,寻求最佳相似源案例,为应急决策者提供一定的 理论依据. 念变量,其属性值可构成一项目集.项目集中,每一 项目对应一模糊概念.模糊概念或模糊数可用高斯 函数表示,但高斯函数计算过于复杂,为简化计算, 可采用基于梯形的模糊集合来模拟模糊属性.根据 隶属度函数,采用面积法来计算两个模糊属性间的 相似度如下[ ]: ,硌)= = A() x ̄ fl x#A ((3) 式中:A为相应隶属函数的面积,A(x n孙)为两 个模糊集面积的交.根据文献[6],由模糊集之间交 的方式,可分别算出A(x n )的值,然后将其代 人式(3),可计算出sim(x ,z )的值. 4)区间属性的计算.对于属性复杂度较高,各 1属性值的表示 1)符号属性值.该种属性值通常用明确的术语 收稿日期:2012-06-10 基金项目:教育部人文社会科学研究规划基金(1lYJAZH132);兰州市科技局研政产合作支撑计划项目(2011一卜1l1)f甘肃省青年科技 基金(2011GSO4256) 作者简介:朱昌锋(1972一),男,甘肃天水人,教授,博士生,主要研究方向为交通运输规划与管理.E-mail:zhuddO03@163.com 13O 兰州交通大学学报 第32卷 属性间其差异性较大的应急物资,即使对于同一类 别的属性,量纲和数量级也可能差异较大,直接采用 传统欧氏距离算法难以保证检索结果的有效性.对 传统欧氏距离算法进行了相应的改进以提高聚类效 果,即对传统的欧氏距离公式进行属性归一化,并依 据各属性的重要性赋予各属性不同的权值. simS,(z , )一1一d(x , i) 当A <C 时, <0,此时 随着M 的减 小而非线性递减. 文献[9]在引入效用函数对各属性进行标准化 和归一化后,对效用函数的引入做了定性和定量分 析.并通过分析后得出,引入效用函数对属性进行归 (4) 化比运用传统的属性归一化方法更优.几个典型 情况下的Ad和Md及 问的关系见表l,Yo— 一厂 ———————————一 式中:d(x ,z 』)一1一 /∑ d。Y^ 1 ( , ) 2 应急物资需求预测模型建立 2.1 特征因素的的归一化处理 假设案例库中有 个案例,记源案例集为C= {C ,C2,…, ),每个案例有m个特征因素,其特征 因素集记为F一( , 。,…,厶},特征因素的影响 权重山一{wl,W2,…, },且满足∑wj一1, ::: 』=1 1,2,…,m,记新目标案例为T,构造如下特征因素 矩阵: Al】 A12 A1 A21 A22 A A== ● : A, 1 A 2 A 式中:A 代表第i个案例的第 个特征项值. 由于一般不同的特征因素在同一案例中数值相 差悬殊,且有时相同的特征因素在不同案例中的数 值相差也很大,故需要对特征因素值进行归一化处 理,以便计算结果更能准确地反应源案例与目标案 例之间的匹配程度[ -8]. 假设第i个特征属性的平均值为cj,J一1,2, …, ,中间变量为M,j,则: ∑Ad 一 (5) 一 (6) L/ 将特征项值转换到[一1,1]区间上的效用函数 值y 为 Y 一再1-eXpexp(- Mij ) (7) (其中: 反映了原始数据A 与均值的偏离程度. 当A —CJ时, 一0; 当A > 时, >0,此时Y 随着Mo的增 长而非线性递增; f(Mo)是一条S型曲线,如图1所示. 表1 Ao与Mo和 之间的关系 Tab.1 The relationship betweenAo and , 0 1 2 3 4 0 0.462 0.762 0.905 0.964 理 蓄。 … . …3 旺 较 图1 S型转换曲线 Fig 1 Transformation curve of S type 从上述转换可以看到,本方法和一般的归一化 处理方法不同,当原始属性值A 大于平均值 时, 经过转换后其效用函数值大于0.原始属性值越大, 效用函数值越大;当原始属性值是4倍以上平均值 时,效用函数接近“饱和”,即啊值接近1.反之,当 原始属性A 值小于平均值cj时,经过转换后其效 用函数值小于!.原始属性值越小,效用函数值越 小;当原始属性值绝对值是4倍以上平均值时,效用 函数接近“饱和”,即y 值接近一1.这样处理的好处 是为了防止同一案例中某些属性的效用函数值过 大,左右了案例间的匹配,并且导致得到的检索结果 偏离工程实际的情况. 则对原始矩阵中的数据进行归一化处理,可以 按下式进行计算: !!: 二曼 二 ! fR、 !!!exp(一M ) … 2.! 特征因素影响权重系数的确定 权重是用来衡量多属性决策问题各属性间的相 对重要性的,它的取值精确度直接影响着应急物资 第1期 朱昌锋等:基于效用函数的突发事件应急物资需求分析 131 需求分析的准确性.为此,本文基于时序的案例权重 2.3 最佳相似源案例的确定 调整,准确合理的解决了权重分配问题[引. 1)权重系数的初步确定 本文采用欧氏距离算法来确定最佳相似源案. 即: (15) 在不同的决策环境下,同一特征因素对决策输 出会有不同的影响.当特征因素值在案例分类C— C{C】,C2,…, )中的分布差异较大时,说明此分 类因素对分类判别作用大,应取较高的权重值,反 之,当特征因素值在分类中的分布差异较小时,应取 式中:Tj为目标案例第 个特征因素的值;以为新 目标案例T与源案例库中第 个案例之间的欧式距 离,d 越小说明它们之间距离越小越相似.本文用 较低的权重值.即 一盟±篮±篮土 一上 A (9) — l 一【.∑(A 一 )。/n I (1o) 则特征因素影响权重系数为 .? 03 一 / ( 一1,2,…tm) (11) 2)基于时序的案例权重调整 自然灾害本身就是一个由致灾因子、孕灾环境 和承灾体之间相互作用的复杂系统,各因素与时间 紧密联系,随时间变化而变化.根据文献[10-]的研 究,特征权重应随环境、时间的变化而变化.以案例 检索为例,距离目标案例发生时间越近的源案例,其 属性参数的可参考性越强;距离越远,其参数可能越 不被采纳.为此,本文通过引入时间影响因子,逐一 调整案例的条件属性权重. 假设一组时序相关性序列t1,t2,…, 分别对 应案例C中的772个特征因素厂・,厂2,…, ,其中tj ∈[0,1],当tj一0时,表示该因素值的变化与时间 基本无关;当tj逐渐增大表示因素值与时间相关性 增强, 最大为1. 本文通过引入时序调整系数: f一叩 △T ( 一1,2,…,72) (12) 式中:△T为时间跨度,单位为年(例如,2008—2012 年的时间跨度为4);刁为时间跨度系数,时间跨度太 大,会降低其可信度,在实际工程中,可根据其时间 跨度的大小对叩进行赋值.对式(5)所得的权重进行 调整: 一∞ *(1+t一∞』*(1十 * fj* )) (13) 式中: 为案例 的第 个特征因素的影响权重系 数. 为使调整后的权重之和仍为1.根据下式调整 相应特征因素的权重: d一 /∑ j=1 (14) sim(Ci,T)一1一 表示案例C 与目标案例丁的相 似度,这样既容易与阈值r的比较,也直观方便.其 中sim(Ci, ∈[O,1],数据越大,说明案例越相 似. 特征因素归一化后,采用以下公式计算案例相 似度: —————一 磊一 /∑叫 (V j=1 一 )。 ——————一 sim(Ci,T)一1一^/∑a)i(A 一E) (16) 从结果中取最佳相似案例,若目标案例与源案 例的相似度大于设定的阈值r,则认为很相似.否 则,调整修改最佳相似案例,得到新问题的解决方 案,此时得到的需求即为所求需求.然后将新案例保 存到案例库,以便下次使用. 3 实例分析 假设有5个源案例,每个源案例包含5个特征 因素,一个时间跨度项,源案例与目标案例的各特征 项因素在本案例中的权重系数见表2. 表2 特征项因素各案例中的权重系数 Tab.2 wei ̄t eoetT'mient 0f d Irac毛臼噎吐Ic factor in each a (注:O表示在本案例中此因素不影响,即本案例中元此 因素) 根据式(9)~式(11),计算所得的权重为{O.1, 0.22,0.28,0.17,0.32),且已知时序相关性系数为 {0.2,0.35,0.6,0.5,0.15),由此,据式(12)~式 】32 兰州交通大学学报 第32卷 (14)得出特征因素对目标案例的影响权重系数见 与跨度为3年的案例5的优化前相似度值相等在考 表3. 表3 特征因素对目标案例的影响权重系数 Tab.3 Weight ̄oeffkSent of influeno ̄fac ̄s Ollt the target ease 根据式(15)、(16)得出在未考虑时间因素优化 权重时的案例相似度和优化后的案例相似度,见表 4. 表4 局部相似度和优化前后的全局相似度 T.ab.4 Local similarity and obal similari ̄before and afteroptimization 案例各特征因素的相似度 时间优化前 Via tl f;f. . — — — M-.1 ^ ,4 .^野度 似度相似度 干甘1以度 假设案例相似度阈值r为0.5,由上表可以看 出,在未考虑各特征因素对时间的敏感性时,最相似 案例为案例3.案例2与目标案例的相似度小于阈值 r,不符合条件,故不予采纳.影响权重优化前后的案 例相似度比较如图2所示. 图2 影响权重优化前后的案例相似度比较 Fig.2 Comparison of case similarity of effect weight ebfore and after optimization 由图2可见,案例相似度大于阈值z'z一0.5的 案例为案例3、案例4和案例5.跨度为1年的案例4 虑了各特征因素对时间的敏感性,调整了影响权重 系数后,案例的相似度变化都很大,案例2、3、5与目 标案例的相似度均有所减小,案例1、4与目标案例 的相似度却有所增大.跨度为1年的案例4与目标 案例的相似度远大于跨度为3年的案例5的相似度 值.调整前,最佳相似案例是案例3.优化后,最佳相 似案例变为案例4.显然,综合考虑下的计算结果更 加准确合理. 4结论 本文引入了效用函数的归一化来处理特征因素 值,很好的克服了传统的属性值归一化处理存在的 缺陷,还综合考虑了各特征因素对时间的敏感性,采 用基于时序的案例权重调整,获得特征因素的影响 权重系数,寻求最佳相似源案例.实例结果表明,在 全面考虑了以上各因素后,找相似源案例时更加合 珲. 参考文献: [1-1宋晓宇,刘春会.基于改进GM(1,1)模型的应急物资 需求量预测[J].沈阳建筑大学学报,2OlO.18(11): 1214—1218. 1-2]傅志妍,陈坚.灾害应急物资需求预测模型研究[J].物 流科技,2009(10):11-13. 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(下转第137页) 第1期 杨菊花等:基于Ⅱ阶段法的应急物资运输路径选择 137 The Optimization ON Emergency Supply Transportation Based on Two-Stage Scheduling Model YANG Ju-hua, ZHU Chang—feng (School of Traffic and Transportation,Lanzhou Jiaotov4g University,Lanzhou 730070,China) Abstract:Emergency supply transportation is divided into two stages,among which,stage I takes saving lives as the main task and housing the victims is the main job of the stage II.As the result,the object of stage I should be“the minimum transportation time and the maximum transportation amount”and the ob— j ect of stageⅡshould be“the minimum transportation cost and the maximum transportation amount”. Meanwhile。the transport network of multimodal transportation is constructed in the paper,which makes the problem of more save points—a single affected point as background,and a two。stage scheduling model for emergency supplies is established considering the diversity of transportation mode.And then,Dijkstra algorithm is designed to solve the two scheduling models.Taking extracted example proves the validity of the above models and algorithms. Key words:emergency supply;multimodal transportation;two—stage scheduling model;network reliabili— ty;Dijkstra algorithm .‘IL .‘IL .‘IL (上接第132页) Supplies Demand of U Events Based on the Utility Function ZHU Chang-feng。 UU De—yuan (School of Traffic and Transportation,Lanzhou Jiaotong University。Lanzhou 730070,Chia)n Abstract:To ensure the emergency rescue efficiently,the accurate forecast for emergency supplies demand was one of the key links during emergency rescue process.Normalization of characteristic factors value, weighting coefficients of characteristic factors and sensitivity of characteristic factors on time was taken in— to consideration in the paper.Normalization of utility function was introduced,tOO.To find the best similar case,weighting coefficients of characteristic factors were reached by using timing case weight adjustment. With the best similar case,emergency supplies based on case~reasoning method were solved.Finally,the feasibility and reasonableness of the method were analyzed.This method solved emergency supplies demand forecast under imprecision informafion condition and provided a theory of reference for emergency decision makers. Key words:unexpected event;emergency supplies;utili ty function;weight adj ustment;similarity