（管理科学与工程专业论文）时态不确定推理在应急系统中的应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着自然灾害，环境事故等突发事件越来越频繁以及危害不断加大，应急事件的应对 处理对决策者的要求也越来越高。当前应急系统往往无法表示含有时态信息的知识，且只 能对确定的知识进行推理；但在应急处置中，大量的应急知识都是带有时态信息和不确定 性的。因此考虑将时态知识表示和不确定推理的方法应用到应急系统中，使得系统能够对 时态不确定信息进行表示和推理，成为了研究的重点问题。 本文在分析和比较现有时态知识表示和不确定推理的基础上，考虑到应急领域的具体 情况，选择区间代数方法表示时态知识，采用证据理论进行不确定推理；深入研究了应急 领域中不确定的时间区间表示以及定量时态关系的计算，并对存在相关或冲突证据推理中 的证据合成进行了分析和研究，进而将区间代数方法融合到证据推理中，构造了时态d - s 框架，从而解决了同时包含时态信息和不确定推理的应急事件的推理问题，同时考虑了加 入时态信息后，在处理冲突证据地合成中所需改善的问题。 研究了应急领域中不确定的时间区间表示以及定量时态关系的计算。在传统的区间代 数方法的基础上，采用对区间时间断点模糊化处理并设定其取值范围的方法实现了应急领 域不确定时间区间的表示，并根据应急时态知识表示的需要扩展了时态关系的种类；在引 入了时间长度约束时间区间的基础上，通过计算两个时间区间的差函数得到定量的应急时 态关系，并进行了相应的算例分析。 探讨了应急领域中存在相关或冲突证据推理中的证据合成问题，解决了不确定推理结 果的合成问题。对于应急相关证据推理，通过引入证据强度和相关度等概念，将相关证据 转化为相对独立的证据，再按d s 法则进行了合成；而对于应急冲突证据推理，则通过计 算证据间的相似系数构建了相似矩阵，并将其作为证据的权值进行加权合成，实现了证据 可信度的计算，并给出了相应的算例验证。 构造了时态d s 框架。在应急时态信息表示、定量时念关系计算和证据合成的基础上， 将区间代数方法融合到证据推理中，通过构建四元组来表示包含时态信息和不确定性的应 急事件，考虑了引入时态信息后，通过引入焦元相似度参数改进冲突证据的合成方法，实 现了同时包含时态信息和不确定推理的应急事件的处置问题，同时给出了相应的算例分 析。 雨京邮u 人学颐i ? 研究生学位论义摘要 改进了应急系统架构，并设计了应急时态不确定推理算法。通过增加不确定规则库， 证据合成处理器和时态信息处理器等组件，并定义规则库中的数据结构和存储方式，实现 了传统应急系统架构的改进；在前面章节的研究基础上，给出时态不确定推理算法的流程 和详细解释。 南京邮电人学硕一i ：研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e f r e q u e n c ya n di n t e n s i t y o fu n e x p e c t e de v e n t ss u c ha sn a t u r a l d i s a s t e r s ， e n v i r o n m e n t a li n c i d e n t sa r ec o n s t a n t l yi n c r e a s i n g ，t h er e q u e s tf o rp o l i c ym a k e r st od e a lw i t ht h e e m e r g e n c yc a s eh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yh i g h c u r r e n te m e r g e n c ys y s t e m sa r eo f t e nu n a b l et o e x p r e s sk n o w l e d g ew i t ht e m p o r a li n f o r m a t i o n ，a n dc a no n l yr e a s o nc e r t a i nk n o w l e d g e ；b u tw h e n d e a lw i t he m e r g e n c i e s ，l a r g ea m o u n to fe m e r g e n c y k n o w l e d g ea r ew i t ht e m p o r a li n f o r m a t i o na n d u n c e r t a i n t y t h e r e f o r e ，t h et e m p o r a lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n du n c e r t a i n t yr e a s o n i n gm e t h o d i sa p p l i e dt ot h ee m e r g e n c ys y s t e m ，w h i c ha l l o w st h es y s t e mt oc a r r yo u tt e m p o r a lu n c e r t a i n i n f o r m a t i o na n dr e a s o n i n gw h i c hi st h ef o c u so ft h es t u d y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fe x i s t i n gt e m p o r a lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n d u n c e r t a i nr e a s o n i n g ，t h i sp a p e rh a ss e l e c t e dt h ei n t e r v a la l g e b r am e t h o dt oe x p r e s st e m p o r a l k n o w l e d g ea n dt a k e na d v a n t a g eo ft h ee v i d e n c et h e o r yt od ou n c e r t a i nr e a s o n i n g ，c o n s i d e r i n g t h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so fe m e r g e n c yf i e l d w i t ht h ed e e pd i s c u s s i o no nt h er e p r e s e n t a t i o no f u n d e f i n e dt i m ei n t e r v a la n dt h ec a l c u l a t i o no ft h eq u a n t i f i e dt e m p o r a lr e l a t i o n si nt h ee m e r g e n c y f i e l d ，a sw e l la st h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ee v i d e n c ec o m p o s i t i o nt h r o u g ht h er e l a t e do r c o n f l i c t i n ge v i d e n c ee x i s t i n gr e a s o n i n g ，i th a si n t e g r a t e di n t e r v a la l g e b r am e t h o di n t o t h e e v i d e n t i a lr e a s o n i n g ，a n dh a sa l s os t r u c t u r e dt h et e m p o r a le v i d e n c er e a s o n i n gf r a m e w o r k ，t h ed s f r a m e w o r k ，w h i c hw i l lb eu s e di ne m e r g e n c yt e m p o r a li n f o r m a t i o na n du n c e r t a i nr e a s o n i n g p r o b l e ms o l v i n g m e a n w h i l e ，t h es o l u t i o n sh a v e b e e nt a k e ni n t oa c c o u n tt od e a lw i t ht h e e v i d e n c er e l e v a n c ea n de v i d e n c ec o n f l i c ta f t e ra d d i n gt h et e n s ei n f o r m a t i o n t h i sp a p e rs t u d i e du n c e r t a i nt i m ei n t e r v a li ne m e r g e n c ym a n a g e m e n t ，a sw e l la st h e c a l c u l a t i o no fq u a n t i t a t i v e t e m p o r a lr e l a t i o n s b a s i n go nt r a d i t i o n a l m e t h o do fi n t e r v a l a l g e b r a ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h er e p r e s e n t a t i o no fu n c e r t a i nt i m ei n t e r v a lw i t ht h ef u z z ym e t h o d t oi n t e r v a lt i m eb r e a k p o i n ta n ds e ti t sv a l u er a n g ei ne m e r g e n c ym a n a g e m e n t a n di na c c o r d i n g w i t ht h er e q u i r e m e n to ft e m p o r a lk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nt oe x p a n dt h es p e c i e so ft e n s e r e l a t i o n s , t i m el e n g t hw a si n t r o d u c e dt o r e s t r i c tt i m ei n t e r v a l t h eq u a n t i t a t i v e t e m p o r a l r e l a t i o n s h i pw a sc a l c u l a t e db yt h e d i f f e r e n c ef i m c t i o no ft w ot i m ei n t e r v a l ，a n dt e s ti tb ye x a m p l e a n a l y s i s i i i - 南京邮l u 人学硕1 ：研究生学位论文a b s t r a c t t h i sp a p e ra l s oh a sd i s c u s s e dt h ee v i d e n c es y n t h e s i sp r o b l e md u r i n gt h ei n f e r e n c eo fr e l a t e d o rc o n f l i c te v i d e n c ei ne m e r g e n c yd o m a i na n dh a ss o l v e dt h es y n t h e s i sp r o b l e mo fi n d e f i n i t e i n f e r e n c er e s u l t 。a sf o rr e l a e de v i d e n c er e a s o n i n g ，i tt r a n s f o r mt h er e l a t e de v i d e n c et ot h e r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n te v i d e n c ea n dt h e nu s et h ed sp r i n c i p l et oc a r r yo nt h es y n t h e s i sb y i n t r o d u c et h ec o n c e p t so fe v i d e n c ei n t e n s i t y ，d e g r e eo fc o r r e l a t i o na n ds oo n 。a sf o rc o n f l i c t e v i d e n c er e a s o n i n g ，i tc a l c u l a t e dt h es i m i l a r i t yo ft h ee v i d e n c et oc o n s t r u c tt h es i m i l a rm a t r i x s ， w h i c hi su s e da st h ee v i d e n c ew e i g h tt oc o m p l e t et h ew e i g h t i n gs y n t h e s i si no r d e rt or e a l i z et h e e v i d e n c ec o n f i d e n c el e v e lc o m p u t a t i o na n dg i v et h ec o r r e s p o n d i n ge x a m p l ec o n f i r m a t i o n 。 d st e m p o r a lf r a m e w o r ki sc o n s t r u c t e d i n t e r v a la l g e b r am e t h o di si n t e g r a t e di n t oe v i d e n c e r e a s o n i n gb a s e do ne x p r e s s i n gt e m p o r a li n f o r m a t i o no fe m e r g e n c y ，q u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t i n g t e m p o r a lr e l a t i o n s h i p a n d s y n t h e s i z i n ge v i d e n c e ，a n du r g e n t i n c i d e n ti n c l u d e d t e m p o r a l i n f o r m a t i o n a n da n du n c e r t a i n t yi se x p r e s s e db yc o n s t r u c t i n gq u a d r u p l e t a k i n gi n t oa c c o u n t i n g t h et e m p o r a li n f o r m a t i o na n di m p o r t i n gt h ef o c a le l e m e n ts i m i l a r i t yp a r a m e t e r si m p r o v i n g c o n f l i c te v i d e n c es y n t h e t i cm e t h o d s ，t h ed i s p o s a lo fu r g e n ti n c i d e n ti n c l u d e dt e m p o r a l i n f o r m a t i o na n du n c e r t a i n t yr e a s o n i n gi ss o l v e ds u c c e s s f u l l yw i t ht h er e l e v a n ta n a l y s i so f e x a m p l e s e m e r g e n c ys y s t e mf r a m e w o r ki si m p r o v e dw i t ho f f e r i n ge m e r g e n c yt e m p o r a lu n c e r t a i n t y t h et r a d i t i o n a le m e r g e n c ys y s t e mf r a m e w o r ki si m p r o v e db yi n c r e a s i n gc o m p o n e n t sa su n c e r t a i n r u l eb a s e ，e v i d e n c es y n t h e s i sp r o c e s s o ra n dt e m p o r a li n f o r m a t i o n p r o c e s s o r ，a n da l s od e f i n i n g d a t as t r u c t u r ea n ds t o r a g em o d ei nr u l eb a s e t h ep r o c e s sa n dp a r t i c u l a re x p l a i no ft e m p o r a l u n c e r t a i n t yr e a s o n i n ga l g o r i t h mi so f f e r db a s e d o np a r a g r a p h sa b o v e - 1 v - 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并聊表谢意。 研究生签名：盔堡日期：尘! 笪生f6 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：兰坠导师 南京邮i u 人学硕 j 研究生学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 应急决策系统的产生及发展 2 0 世纪以来，各类突发事件频繁发生，层出不穷，涉及了社会发展和人类生存的各个 方面。2 0 0 1 年的美国“9 1 1 事件 ，2 0 0 3 年的s a r s 传播，2 0 0 8 年初的中国南方雪灾，以 及2 0 0 8 年5 月1 2 日发生在四川省汶川，北川等地区的8 级地震所带来的损失更令人触目 惊心。如何能够及时高效地应对处理应急突发事件，并把损失降至最低，成为了我们亟待 解决的问题。将决策支持系统( d s s ) 应用到应急领域，便诞生了应急决策系统。 d s s 是在管理信息系统( m a n a g e m e n tin f o r m a ti o ns y s t e m ) 和运筹学的基础上发展而来 的。早在七十年代初，美国的m s s c o t tm o r t o n 教授首先提出了d s s 的概念。而应急决 策支持系统( e m e r g e n c yd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m 简称e d s s ) 产生于2 0 世纪9 0 年代h 1 ， 其根本思想是期望通过决策支持系统的理论和技术，提高应急决策的处理效率和方案的合 理性。应急决策处理的问题大都属于结构不良问题。由于决策问题的复杂性、解决方案的 不确定性和处理时间的紧迫性，决策者比以往更需要计算机系统的辅助，这就要求应急决 策支持系统要比其他系统有更高的处理性能，包括响应快捷、交互简便、运行可靠等特性。 经过十多年的发展，应急决策系统正在向着应急联动方向发展，逐渐形成了以指挥决 策中心为顶层、联动单位调度和处置力量部门为中间层、案件事件现场为底层的二级处理 模型。这种处理方式大大加强了不同单位问的配合与协调，从而可以对特殊、突发、应急 和重要事件做出有序、快速而高效的反应，为公共安全提供有力保障。 1 1 2 应急系统中的知识表示及推理 知识表示就是把知识编码成为一种适当的数据结构。为了便于知识管理和推理分析， 知识表示的方法一般要求简单、明了、易于理解，并能对知识进行方便、灵活的扩充。知 识表示方法( k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n s ) 可粗分为数理逻辑( p r e d i c a t ec a l c u l u s ) 、规 则式专家系统( r u l e b a s e de x p e r ts y s t e m ) 、框架( f r a m e s ) 及语义网络( s e m a n t i cw e b ) 四 大类。 知识表示和具体的应用领域密切相关，因此应急知识的表示必须结合应急领域的具体 情况，充分考虑突发事件的具体特性进行表示。诸多学者研究总结发现突发事件具有如下 1 南京邮l 【i 人学硕 ：研究生学位论文第l 章绪论 特性嘲： 1 、突然性 突然性是突发事件最大的特征，它是指突发事件往往事先毫无征兆或者征兆很少。尽 管随着科学技术的发展，人们可以在一定程度上对某些突发事件做出预测预报，如天气预 报，地震预报，火险预报等。但预测的精确度仍然受技术水平等各种因素的制约，所以我 们看到的是没有被预测到的突发事件时常发生，尽管很多突发事件在事后看来都是有迹可 寻的。 2 、不确定性 突发事件发生的时间、地点、强度、范围往往是难以事先确定的，这就是突发事件的 随机性。它来自于突发事件自身的模糊性、多样性与差异性。然而突发事件的发生发展过 程是有规律的，是可以预测的。只是由于人类目前对突发事件还不完全了解，不能准确把 握各种突发事件的形成过程，因而突发事件的发生对人类而言具有随机性。突发事件的随 机性表现为事件过程的随机性和结果的随机性。 3 、多范畴性 突发事件能造成多种灾害并存，或引发次生灾害。所以，对于突发事件的应急管理来 说，往往会围绕一个中心任务，但会同时朝向多个目标开展应急处置工作，而这些目标可 能并不是同一个范围的东西，涉及到多个行业、领域、部门、学科，因此不能简单的把突 发事件作为一个多目标问题，而应同时将其看成一个多范畴的问题。 4 、时态性 突发事件的发生往往具有一定的时态性，即某事件从开始到结束有一段存在时间，早 于这段时问，事件尚未开始，晚于这段时间，事件已经结束，只有在这段时间内讨论该事 件带来的影响才是有意义的( 该事件触发另一事件所带来的影响另当别论) 。 从一个或几个已知的判断( 前提) 逻辑地推论出一个新的判断( 结论) 的思维形式称 为推理，这是事物的客观联系在意识中的反映。人解决问题就是利用以往的知识，通过推 理得出结论。在应急决策系统中，计算机根据知识库中既有的知识，结合规则库中的规则， 自动推理出有用的结论，供决策者参考。 突发事件的这四个特性也对应急决策系统的设计提出了要求：突然性要求系统能在最 短的时间内进行响应，并能结合已有知识，对突发事件的发生进行定的预测；不确定性 要求系统能够表示不确定的知识，并进行相应的不确定推理；多范畴性要求系统能同时面 向不同知识领域的使用者，知识库中需要存储多领域多学科的知识；时态性要求系统能够 表示时态知识，并进行时态推理。由此可见，应急决策系统中考虑引入时态知识，并在不 2 南京邮电- 人学硕j j 研究生学位论文第l 章绪论 确定推理中合理处置不同专家的冲突和相关意见，解决应急时态信息和不确定推理相结合 的推理问题，从而得到更加接近现实的结果，辅助决策者进行j 下确决策。 1 2 国内外研究现状 关于应急决策系统时态不确定推理的研究，国内外的学者既有理论模型的研究，也有 实例应用的探讨。 在理论模型方面，对于时态知识表示，最典型的是a l l e n 在1 9 8 3 年提出的区间代数 方法1 ，但该方法无法对时间区间不确定的情况进行处理，也无法给出时态区间的定量关 系。r d e c b t e r ，i m e i r i 和j p e a r l 于1 9 9 1 年在a i l e n 的基础上提出了时态约束网络 模型用来表示定量的确定时态模型n 。而对于时间区间不确定的表示和推理，主要有王家 廒的模型u 钔和方思行提出的可视化时态推理方法乜引。 而对于不确定推理，目前研究的热点是证据合成时对证据冲突的处理。对于传统d s 规则难以处理冲突证据的合成，y a g e r 提出了冲突信息分配法h 4 1 ，但该方法会增加证据的 不确定性；t o s h i y o k i 在其基础上提出了y a g e r 方法与d - s 方法的折中法h 5 1 ，但对于系数 k 的选择难于确定：张山鹰提出了一种新的吸收法8 1 ，能较好地减少证据的不确定性，但 无法同时组合三个以上证据，也不满足结合律； m u r p h y 提出了一种平均证据组合法n 7 1 ， 能解决高冲突证据的合成问题，但未考虑证据间的关联性，收敛速度过慢。 对于能同时表示时态和不确定信息的模型，目前研究很少，较典型的是北京大学的牟 克典提出的时态d - s 框架瞳羽，但该理论未考虑时间区间不确定的情况，也未对证据冲突时 的时态证据合成进行处理。 在应用实例方面的研究主要有：中科大的廖光煊教授从应急系统的运用角度，运用 c o m + 技术和s u p e r m a p 软件，按照模型库、信息库、专家系统三层结构，开发出一套城市 火灾应急系统n ，该系统可以动态模拟不同功能区的火灾现场，从而给出不同火灾区域的 应急处理方案，其中包括事故接警、应急响应、消防力量调度、事故危险区域分析、最佳 路径分析等。同样是应急系统运用的角度，广州大学的谷岩开发的基于数据仓库的应急系 统集成了多种信息处理技术，可以根据防灾救灾的需要和特点，通过信息提取、清理与转 换，以多种形式组成数据分析报表，为城市防灾救灾提供可操作性，辅助决策者进行应急 决策。嘲 南京邮电人学顾- 【研究生学位论文第l 章绪论 1 3 本文主要研究内容与结构 1 3 1 本文的主要研究内容 本文以应急知识的时态性和不确定性为基础，分析现有的时态表示及推理方法和不确 定推理技术，将二者相结合，提出一种时态不确定的推理方法，并将其应用于应急决策系 统中。具体来说，本文主要包括以下几部分内容： ( 1 ) 在分析和比较现有时态知识表示和不确定推理的基础上，考虑到应急领域的具体情况， 选择区间代数方法表示时态知识，采用证据理论进行不确定推理； ( 2 ) 研究了应急领域中不确定的时间区间表示以及定量时态关系的计算。在传统的区间代 数方法的基础上，采用对区间时间断点模糊化处理并设定其取值范围的方法实现了应 急领域不确定时间区间的表示，并根据应急时态知识表示的需要扩展了时态关系的种 类；在引入了时间长度约束时间区间的基础上，通过计算两个时间区间的差函数得到 定量的应急时态关系，并进行了相应的算例分析。 ( 3 ) 探讨了应急领域中存在相关或冲突证据推理中的证据合成问题。对于应急相关证据推 理，通过引入证据强度和相关度等概念，将相关证据转化为相对独立的证据，再按d s 法则进行了合成；而对于应急冲突证据推理，则通过计算证据间的相似系数构建了相 似矩阵，并将其作为证据的权值进行加权合成，实现了证据可信度的计算，并给出相 应的算例验证。 ( 4 ) 构造了时态d - s 框架。在应急时态信息表示、定量时态关系计算和证据合成的基础上， 将区间代数方法融合到证据推理中，通过构建四元组来表示包含时态信息和不确定性 的应急事件，考虑了引入时态信息后，通过引入焦元相似度参数改进冲突证据的合成 方法，实现了同时包含时态信息和不确定推理的应急事件的处置问题，同时给出相应 的算例分析。 ( 5 ) 改进了应急系统架构，并设计了应急时态不确定推理算法。通过增加不确定规则库， 证据合成处理器和时态信息处理器等组件，并定义规则库中的数据结构和存储方式， 实现了传统应急系统架构的改进：在前面章节的研究基础上，给出时态不确定推理算 法的流程和详细解释。 1 3 2 论文结构 本文分为五章，第一章是绪论，包括研究背景介绍和国内外研究综述；第二章是对论 文所用到的基础知识进行了阐述，包括时态表示和不确定推理的概念，六种时态表示方法 和三种不确定推理技术；第三章是核心，阐述了要将时态知识表示和不确定推理应用于应 一4 南京邮电人学硕j j 研究生学位论文第l 章绪论 急决策系统，需要考虑哪些问题，并做相应的修改，包括对知识表示和不确定推理方法的 选择，对不确定时态信息的表示和时态关系的定量分析，在证据合成前对证据相关性和证 据冲突的处理，同时分析了如何将时态知识表示融合到不确定推理中，构造一个完整的时 态d s 框架，并在该框架下进行知识表示和推理；第四章结合前面两章的分析以及传统的 应急系统模型，对其进行了修改，并给出了规则库的构建方法和推理算法；第五章总结了 全文的工作，提出了工作的不足和未来的展望。 南京邮电人学硕i j 研究生学位论文第2 章时态知识的表，j 及小确定推理综述 第2 章时态知识的表示及不确定推理综述 2 1 引言 本文在应急决策系统中考虑引入时态知识，并在不确定推理中合理处置不同专家的冲 突和相关意见，解决应急时态信息和不确定推理相结合的推理问题，从而得到更加接近现 实的结果，辅助决策者进行正确决策。为了便于后文工作展开，本章对论文所需的时态知 识表示和不确定推理进行了综述，主要包括：时态知识的概念，时态知识表示方法综述， 不确定推理的概念，不确定推理的方法综述。 2 2 时态及其模型简述 2 2 1 时态基本元素 时间是物质存在的客观形式，是由过去、现在和将来构成的连续不断的系统，是物质 运动、变化的持续性表现。任何一种物质的变化、运动和发展的过程，都永远是在时间和 空间之内发生的。时间是一个抽象的概念，它的意义是要附着在物质变化的基础上的。之 所以要定义一个时间的概念，关键在于人们要界定物质变化的阶段性，否则便成为低级动 物一样无法上升到抽象思维的高度来概括诸多事物的变化过程。 严格意义上来说，关于时间的研究应该属性物理学领域。时间作为事物的一种基本属 性，其特点是一去不复返的。现实世界中，时间无处不在、无时不有，它在时间轴上是连 续的。时间的通常意义有二：一是时段，有起点和终点的一段时间，这是两个瞬时之间的 间隔长短，如上午8 时上班，1 2 时下班，上午上班4 小时，4 小时就是时段。二是时刻， 指瞬时时间中的某一点，如现在时间是9 时3 0 分，9 时3 0 分就是时刻。这两种意义在计 算机系统中，可以用以下两种形式表示： 1 时间点( p o i n t - b a s e d ) 形式 时间点形式的表示方法为：，= 尸， ，其中p = p l ，p 2 ，p n ) 为时间点的有限集合， r 表示p 上的时序，p i fp i + 1 表示p i 出现在p i + l 前，i 是不 可分割的时间单位。这种表示方式将连续的时间看成一个个孤立的点，当时问点粒度 ( g r a n u l a r i t y ) 足够小时，即可准确描述现实世界事件发生的时间。同时引入的时间量子 概念能够用定义时态系统支持的最小不可分时间间隔，在普通p c 机上时间量子的范围在 o 0 1 秒到1 秒之间。 6 塑室坚皇奎堂堡土堕窒竺堂垡笙兰笙! 翌盟查型望竺耋变垒至堕壅堡里堡堕 2 时间段( i n t e r v a l b a s e d ) 形式 采用时间区间形式描述一段时间，可以如2 1 表所示。从下表可以发现，时问点的表 示也可以用时间段方式来表示，设时间段的起始点和终止点相等，即采用时间区间形式描 述一段时间，即p f - p ，则可以表示时间轴上某个固定的时间点了。 表2 - 1 基于时问区间的时间描述方法 2 2 2 时态模型简述 从计算机的角度来说，如何量化时间和确定某个时间点或者时间段，这关系到如何确 定时态模型。如果按照现实世界本来面目来记录时间，则数据量过于庞大，而且人们往往 并不需要获取现实世界所有时间的状态。解决这一问题的方法便是对时间建模，这使得时 间不仅能应用到数据模型中，而且能满足在不同应用场合的要求。基于对时间轴结构的选 择，可以对时态模型作如下几种划分：汹1 1 连续模型( c o n t i n u e sm o d e l ) 连续模型把时间看作同构的实数，每一实数对应一个时间点。因此，在时间轴的两个 时间点间，可以存在其他时间点。这种模型能够最精确的为时间建模，但由于现代计算机 基于数字逻辑的工作方式，所以不可能无失真的记录时间。在许多实时控制场合，例如工 业控制领域，需要记录大量随时间不断变化的数据。在这种情况下，往往采取采样的方式 记录数据变化，对相邻时间点间的数据采取数据插值方法得到。 2 步进模型( s t e p w is e ) 步进模型把数掘的状态看成是时间的函数。当时间点上的数据状态发生变化时才记录 状态变化，否则保持不变。在这种模型下，时间序列上任意一点的数据值对应于上一次数 据改变时保持的状态，如果要查询当前数据的取值，需要回溯。 3 离散模型( d i s c r e t e ) 离散模型把时间和整数映射起来，在相邻的两个时间点之间不存在另一个时间点。任 意时间点都有前驱和后继时间点。在实际应用中，该模型适用于记录那些在关键时间点上 7 塑塞坚皇奎兰堡生堕塑竺兰垡堡苎笙! ! 盟查型望塑壅型：丝尘堕塞堡型鳖垄 才有意义的数据。例如：考虑某单位的人员工资发放总额，i - 3 月的工资发放总额分别是 1 9 万元、1 8 万元和2 0 万元。采用步进模型就无法求出以插值方法得到的相隔月份的中间 月份总额。 4 恒定模型( n o nt e m p o r a l ) 现实世界中有些数据是不随时间变化的，如籍贯、性别、身份证号码等，这些数据只 有自身所固有的属性。但很多数据有这样的特性：在一种情况下没有时态属性，但在另一 种情况下又会有时态属性，例如：住址、身份、工作单位等。在为这些数据建模时，应为 其预留时态属性项，用最新时态值覆盖上一次的内容。 2 3 时态知识的表示方法 时态知识的基本表示方法是在传统知识表达模式基础上引入双时态概念，将有效时间 引入知识单元，将事务时间引入知识推理，从而实现解决时态冲突，完成逆向推理。本节 介绍6 种具有代表意义的时态逻辑表示方法，他们都是基于时间点或时间段或兼而有之的 时态逻辑知识表达方法。目前有较大影响且被大家所公认的时态数据模型主要是前三种， 即j a l l e n 的区间代数模型、d m c d e r m o t t 的事件演算模型和m v i l a i n 和h k a u t z 的 点代数模型。 2 3 1ai ie n s 区间代数方法 1 9 8 3 年a l l e n 提出一种表示时间知识和进行时间推理的方法一区间代数理，这是关于 时间段的代数系统理论晦1 。a l l e n 认为区间是表示时间的基本单位，时间是度量客观事件 发生的先后和延续性的一种标准，而客观事件的发生总是有一个过程的，因此区间长度一 般不为零，每个时间段包含两个端点，由两个时间点，一和，+ 代表，其中t 一 f + 。通过比 较两个时间段的端点间的关系，能够区分出1 3 种互不相交且联合完备( j o i n t l y e x h a u s t i v ea n dp a i rw i s ed i s j o i n t ，简称j e p d ) 的基本关系，这1 3 种关系分别 是：b e f o r e ( ) ，m e e tb y ( m i ) ，o v e r l a p p e db y ( 0 1 ) ，s t a r t e db y ( s i ) ，c o n t a i n s ( d i ) ， f i n i s h e db y ( f i ) ，以及相等关系e q u a l s ( = ) 。十三种关系示意图如图2 2 所示： 南京邮电人学硕上研究生学位论文第2 章时态知识的表示及不确定推理综述 图2 1 a 1l e n 的基本区间关系示意图 时间区间之间的这些关系，不是可以直接获得的，往往需要通过知识( 常识) 才能提炼 出来。另外，关系和关系可以组合而形成新的关系。a 1 l e n 把这种关系看成是一种限制( 事 件之间不能任意排列) ，而关系的组合可以看成限制的延伸。为了直观起见，常常把关系 画成有向图的形式，其中a i r a ，表示成加标注有向弧彳f ( r ) ja ，的形式，r 为上述1 3 种关系之一。一般来说，当两个时间区间之间的关系尚未唯一确定时，可把所有可能的关 系都标在有向弧上，并在获得新的时间关系信息后逐步减少其不唯一性。这是一个逐步建 立时间区间网络并在网络上进行推理( 传播时间约束关系) 的过程。 2 3 2m c d e r m o t t s 事件演算方法 状态演算( s i t u a t i o nc a l c u l u s ) 是一种关于状态和使动作以及动作作用于状态的谓词 演算形式化方法。在状态演算方法中，可有不止一个事件同时发生，多个事件的发生可以 是不连续的。空间被定义为一个状态集合，一个状态就是空间中某一时刻的快照。状态中 的部分可由关系”= 按序决定并组成，例如表示“s 1 在s 2 前发生或同时发生 则可以 表示为“= s 1s 2 ”。 m c d e r m o t t s 把状态空间( 时间点) 看作原语，使用c a m b r i d g ep o l i s hn o t a t i o n 作为 逻辑公式，变量p 作为函数、谓词或连接词在每个术语、原子公式和合式公式出现。p 可 作为全称量词、存在量词、“n o t 连接词、“a n d 连接词、“o r 连接词、“i f 声明和“i f a n do n l y 声明( 即双条件连接词) ，各部分描述如下： 夺全称量词( f o r a l1 ) ：( f o r a l1 ( - v a r i a b l e s - ) f o r m u l a ) ； 南京邮f b 人学硕一l ： i j f 究生学位论文第2 章时态知识的表1 及f i 确定推理综述 令存在量词( e x i s t s ) ：( e x i s t s ( - v a r i a b l e s - ) f o r m u l a ) ； 令 “n o t 连接词：( n o tf o r m u l a ) ： 令 “a n d 连接词：( f o r m u l a lf o r m u l a 2 ) ； 夺 “o r ”连接词：( o rf o r m u l a lf o r m u l a 2 ) ： 夺 “i f ”声明：( i ff o r m u l a lf o r m u l a 2 ) ； 令 “i fa n do n l yi f ”声明( i f f ) ：( i f ff o r m u l a lf o r m u l a 2 ) ； 夺事件执行周期( o c c ) ：( o c cs t a t e ls t a t e 2e v e n t ) ： 夺 “a ”为“x ”的元素( “a i sa ne l e m e n to f “x ) ：( e l tax ) 。 o c c ( s t a t e ls t a t e 2e v e n t ) 表示事件发生在s t a t e l 和s t a t e 2 之间( 时间点) ，自由变 量用“? s 1 描述，( s lss 2 ) 描述s 在s 1 和s 2 之间发生，c h r o n i c l e 表示状态空间中 所有可能发生的历史事件( 包括历史和将来) 。 2 3 3vilain & k a u t z s 点代数方法 1 9 8 6 年m v i l a i n 和h k a u t z 联合发表”c o n s t r a i n tp r o p a g a t i o na l g o r i t h m sf o r t e m p o r a lr e a s o n i n g 一文，标志着点代数方法的产生。该方法可将两时间点间的三种基 本时间关系，用 连接符来表示。例如，可用关系符 ，= 来表示时间点a 和时间 点b 之间的关系，若时间点a 在时间点b 之前，可以表示为( a b ) v ( a = b ) 。起始点和结 束点均为一时间段，记为丁一和丁，要表示“时间段t 1 在t 2 之前”，则可以描述为：t 1 b e f o r e t 2