杜　磊，許　博，闞　媛，高　珊

(1.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161； 2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，天津 300350；3.天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300134)

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基于本體的應(yīng)急情境知識(shí)表示

杜磊1，許博2，闞媛1，高珊3

(1.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161； 2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，天津 300350；3.天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300134)

應(yīng)急情境是應(yīng)急處置的重要決策依據(jù)。針對(duì)應(yīng)急情境的知識(shí)表示問題，利用ABC本體模型為上位本體，從應(yīng)急情境的概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例5個(gè)方面，提出應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology，并以此為基礎(chǔ)建立了應(yīng)急情境的知識(shí)表示部分實(shí)例。結(jié)果表明，ES_Ontology模型能夠?qū)?yīng)急情境的知識(shí)體系進(jìn)行系統(tǒng)的知識(shí)表示。

應(yīng)急情境；本體；ES_Ontology；知識(shí)表示

當(dāng)今世界，突發(fā)性公共事件不斷發(fā)生，美國“卡特里娜”颶風(fēng)、“5·12”四川汶川特大地震、日本9.0級(jí)大地震及核泄漏等，都給世界各國人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。在應(yīng)對(duì)突發(fā)公共事件時(shí)，由于其表現(xiàn)形式復(fù)雜且具有高度不確定性，給突發(fā)事件的應(yīng)急處置工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何構(gòu)建合理、有效的應(yīng)急情境知識(shí)體系，對(duì)于突發(fā)事件的預(yù)防與應(yīng)急準(zhǔn)備、監(jiān)測(cè)與預(yù)警、應(yīng)急處置與救援、事后恢復(fù)與重建等應(yīng)急處置階段都具有重要的決策支持作用，對(duì)于應(yīng)急準(zhǔn)備規(guī)劃、應(yīng)急預(yù)案管理和應(yīng)急培訓(xùn)演練等一系列應(yīng)急管理工作實(shí)踐具有不可或缺的支撐作用。

自“9·11”恐怖襲擊后，美國政府加強(qiáng)了對(duì)應(yīng)急管理的研究力度，并專門制定了《國家應(yīng)急規(guī)劃情景》[1]，提出了15種重大突發(fā)事件情景是美國面臨最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，成為了應(yīng)急預(yù)案編制工作的指導(dǎo)性文件。在國內(nèi)，劉鐵民[2]在基于“情景—任務(wù)—能力”應(yīng)急預(yù)案編制技術(shù)研究工作中，也認(rèn)為重大突發(fā)事件情景構(gòu)建對(duì)應(yīng)急準(zhǔn)備和應(yīng)急預(yù)案編制具有重要先導(dǎo)作用，提出重大突發(fā)事件情景基本概念、分類矩陣、構(gòu)建程序、情景框架結(jié)構(gòu)與要素內(nèi)容等一些理論與方法。

本體是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”[3]，通過建立應(yīng)急情境本體，構(gòu)建應(yīng)急情境的共享語義基礎(chǔ)，為領(lǐng)域信息共享和互操作提供共同理解，是解決上述問題的有效途徑。

關(guān)于情境本體方面的研究，大多是基于情境感知研究領(lǐng)域的，Norbert等[4]認(rèn)為基于本體的情境感知方法是解決大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的信息過載問題的有效方法，因此建立了BeAware!的本體，并將原型應(yīng)用于道路交通管理。而Jung等[5]則提出了利用網(wǎng)絡(luò)資源來自動(dòng)構(gòu)建大規(guī)模情境本體的方法。為解決情境感知的語義理解問題，Mieczyslaw等[6]利用OWL本體對(duì)情境進(jìn)行形式化表示。同時(shí)，本體不僅經(jīng)常作為語義網(wǎng)的知識(shí)表示方法[7-8]，Jing He等[9]在物聯(lián)網(wǎng)中的基于上下文的智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的研究中，也將本體作為情境知識(shí)表示方法。

在應(yīng)急管理應(yīng)用中，Gary[10]認(rèn)為建立情境本體模型能更好地對(duì)災(zāi)難管理概念進(jìn)行形式化表示，并且這種本體設(shè)計(jì)模式方法是未來描述特定情境的有效研究和開發(fā)手段。基于這種理念，研究人員也采用了多種方法相繼建立了一些應(yīng)急領(lǐng)域的本體模型。Wang W J等[11]建立了應(yīng)急預(yù)案流程本體模型，能夠?yàn)閼?yīng)急預(yù)案的流程表示提供必要的語義基礎(chǔ)。而Gao X R[12]使用SWRL語言，設(shè)計(jì)了基于本體的鉆井突發(fā)事件的應(yīng)急決策系統(tǒng)。馮志勇等[13]建立了物流應(yīng)急預(yù)案本體，利用本體的語義表達(dá)能力以及推理和查詢機(jī)制，解決了物流應(yīng)急預(yù)案智能處理的問題。張波濤等[14]則針對(duì)消防領(lǐng)域內(nèi)部存在大量異構(gòu)信息的問題，采用本體技術(shù)建立一種標(biāo)準(zhǔn)化格式的異構(gòu)信息知識(shí)庫，從而實(shí)現(xiàn)信息的共享和透明訪問。

雖然應(yīng)急領(lǐng)域的知識(shí)表示和情境本體已經(jīng)積累了一定成果，但上述的研究大多根據(jù)各自的需求而定義的情境的概念結(jié)構(gòu)，或應(yīng)急預(yù)案的知識(shí)表示，沒有形成完整的應(yīng)急情境的知識(shí)體系。

為此，本文以ABC本體模型為上位本體，通過概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例的五元組的形式化表示方式，建立了應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology，并以蘆山大地震為例，進(jìn)行了應(yīng)急情境的知識(shí)表示應(yīng)用。

1　上位本體模型

Harmony國際數(shù)字圖書館項(xiàng)目提出的ABC本體模型[15]具有輕量級(jí)、通用性好、概念清晰等優(yōu)點(diǎn)，以ABC本體作為上位本體能夠?yàn)椴煌I(lǐng)域的元數(shù)據(jù)本體提供共同的概念模型，能夠描述事件、動(dòng)作、情景、地點(diǎn)、Agent等概念和概念間的關(guān)系，主要概念包括：

Entity：實(shí)體類，描述客觀世界的現(xiàn)實(shí)存在；

Actuality：具象類，描述能被感知的實(shí)體集合；

Agent：存在于事件或某些動(dòng)作中，可能是人、設(shè)備、組織等；

Temporality：時(shí)象類，作為Entity的子類，Temporality描述了具有時(shí)間存在性的實(shí)體；

Place：地點(diǎn)類，作為Entity的子類，描述了時(shí)象類和具象類的具體空間位置。

2　應(yīng)急情境本體建模

以ABC模型為上位本體，構(gòu)建應(yīng)急情境本體模型，模型使用UML進(jìn)行表達(dá)，能夠直觀表示應(yīng)急情境的概念及概念間的聯(lián)系(如圖1所示)。

文獻(xiàn)[16]提出的本體建模元語、應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology可以定義為一個(gè)五元組。

定義1ES_Ontology:=

式中：ES_Concepts為應(yīng)急情境本體中的實(shí)體概念集合；ES_Relations為應(yīng)急情境本體中的兩個(gè)實(shí)體概念間二元關(guān)系集合；ES_Functions為應(yīng)急情境本體中的情景隨條件(時(shí)間等)轉(zhuǎn)換規(guī)則集合；ES_Axioms為應(yīng)急情境本體中的永真公理集合；ES_Instances表示應(yīng)急情境實(shí)例。

圖1　應(yīng)急情境本體模型

2.1應(yīng)急情境概念(ES_Concepts)

定義2應(yīng)急情境概念可定義為ES_Concepts:={ES_C}。

其中ES_C表示應(yīng)急情境的概念集，主要包括：

應(yīng)急突發(fā)事件(ES_Event)：為ABC上位本體中Event的子類，表示應(yīng)急突發(fā)事件；

應(yīng)急環(huán)境(ES_Situation)：為ABC上位本體中Situation的子類，是應(yīng)急情境的環(huán)境狀態(tài)集合；

應(yīng)急事件位置(ES_Place)：為ABC上位本體中Place的子類，是應(yīng)急事件發(fā)生的位置；

應(yīng)急事件時(shí)間(ES_Time)：為ABC上位本體中Time的子類，是應(yīng)急事件發(fā)生的時(shí)間；

應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施(ES_Sinfrastructure)：為應(yīng)急環(huán)境的組成要素，表示應(yīng)急情境中的基礎(chǔ)設(shè)施，如建筑物等；

應(yīng)急環(huán)境路網(wǎng)(ES_Sroadnet)：為應(yīng)急突發(fā)事件發(fā)生地域的路網(wǎng)，包括公路路網(wǎng)、鐵路路網(wǎng)、水運(yùn)路網(wǎng)及航空網(wǎng)絡(luò)等；

應(yīng)急氣象(ES_Weather)：為應(yīng)急突發(fā)事件發(fā)生地域的氣象情況，是應(yīng)急環(huán)境的組成要素；

受災(zāi)個(gè)體(ES_Sagent)：為ABC上位本體中Agent的子類，表示應(yīng)急突發(fā)事件中的受災(zāi)人員，是應(yīng)急救援的客體對(duì)象；

應(yīng)急行動(dòng)(ES_Action)：為ABC上位本體中Action的子類，表示應(yīng)急情境中發(fā)生的各種應(yīng)急救援行動(dòng)，如救治傷員、撲滅火災(zāi)等；

應(yīng)急行動(dòng)主體(ES_ActionSubject)：為ABC上位本體中Agent的子類，表示執(zhí)行應(yīng)急行動(dòng)的應(yīng)急組織或個(gè)體，如消防中隊(duì)、公安局等；

應(yīng)急資源(ES_Resource)：為ABC上位本體中Actuality的子類，表示應(yīng)急情境中的應(yīng)急資源，如交通工具、生活用品、食品等。

2.2應(yīng)急情境關(guān)系(ES_Relations)

定義3應(yīng)急情境關(guān)系可定義為ES_Relations：={ES_R(ES_c1,ES_c2,)|ES_c1，ES_c2ES_Concepts}。

應(yīng)急情境關(guān)系ES_Relations表示了應(yīng)急情境概念之間的關(guān)系，主要包括：

Constraint：描述概念之間的約束關(guān)系，如ES_Situation對(duì)于ES_Event具有約束作用，即應(yīng)急環(huán)境對(duì)于應(yīng)急突發(fā)事件的發(fā)生、發(fā)展具有約束作用；

Use：表示概念之間的使用關(guān)系，如受災(zāi)個(gè)體(ES_Sagent)使用應(yīng)急資源(ES_Resource)等；

Locate：表示空間地理位置關(guān)系，如受災(zāi)個(gè)體(ES_Sagent)所處的空間地理位置等；

Affect：表示概念之間的影響關(guān)系，如應(yīng)急行動(dòng)(ES_Action)能夠影響應(yīng)急環(huán)境(ES_Situation)；

Occurtime：描述概念之間的時(shí)間發(fā)生關(guān)系，如應(yīng)急突發(fā)事件(ES_Event)在時(shí)間(ES_Time)的發(fā)生；

Occurplace：描述概念之間的空間發(fā)生關(guān)系，如應(yīng)急突發(fā)事件(ES_Event)在地點(diǎn)(ES_Place)的發(fā)生；

Hassubject：表示應(yīng)急行動(dòng)主體(ES_ActionSubject)是應(yīng)急行動(dòng)(ES_Action)的行動(dòng)主體；

2.3應(yīng)急情境函數(shù)(ES_Functions)

定義4應(yīng)急情境函數(shù)可定義為ES_Functions：={ES_F:ES_c1×ES_c2×…×ES_cn-1→ES_cn，ciES_Concepts∪ES_Relations}。

ES_Functions表示ES_cn能夠由ES_c1, ES_c2, …, ES_cn-1推導(dǎo)得出。如當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，需要消防中隊(duì)趕赴現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施消防救援，則消防行動(dòng)開始，表示為

?a(fireEvent(a)∩needSuccor(a)∩fireDepartment(a))→fireFightingstart(a)

2.4應(yīng)急情境公理(ES_Axioms)

定義5應(yīng)急情境公理可定義為ES_Axioms:={ES_A}。

ES_Axioms定義了應(yīng)急情境的永真公理，主要包括：

定義5.1等價(jià)公理，定義概念之間的等價(jià)關(guān)系，如物品和物資是等價(jià)的類，article=produce；

定義5.2類存在公理，表明應(yīng)急情境本體的基本概念可由名稱定義，如應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施可以由類ES_Sinfrastructure定義；

定義5.3排他公理，表明兩個(gè)概念間不存在相同的實(shí)例，如ES_Weather和ES_Sagent是相互排斥的，表示為ES_Weather?ES_Sagent；

定義5.4繼承公理，表明概念間的繼承關(guān)系，如應(yīng)急突發(fā)事件繼承于事件，表示為ES_Event?Event；

定義5.5實(shí)例化公理，表明類和實(shí)例之間的關(guān)系，如醫(yī)療用品是應(yīng)急資源的實(shí)例化。

2.5應(yīng)急情境實(shí)例(ES_Instances)

定義6應(yīng)急情境實(shí)例可定義為ES_Instances：={ES_I|ES_IES_Concepts∪ES_Relations}。

表示應(yīng)急情境的概念、關(guān)系的實(shí)例化，例如消防一中隊(duì)是應(yīng)急行動(dòng)主體的實(shí)例化。

3　應(yīng)　用

利用應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology，能夠系統(tǒng)地建立應(yīng)急情境的知識(shí)體系，通過對(duì)應(yīng)急情境的概念及概念之間的關(guān)系的準(zhǔn)確描述，便于對(duì)應(yīng)急情境進(jìn)行知識(shí)表示。

2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級(jí)地震的應(yīng)急情境中某知識(shí)片段描述如下：在發(fā)生蘆山地震后，震中地區(qū)省干線公路S210線已成為搶救生命和運(yùn)送物資的“生命線”，5月17日，S210線靈官附近山體崩塌、落石時(shí)有發(fā)生，為保證交通暢通，巡查組進(jìn)行保通情況檢查，施工單位使用推土機(jī)清理道路，交管部門進(jìn)行交通管制并設(shè)立警示標(biāo)志。

本文利用ES_Ontology模型，對(duì)蘆山地震的應(yīng)急情境中的知識(shí)片段進(jìn)行表示(見表1)。

表1　蘆山地震中應(yīng)急情境知識(shí)片段

上例中，部分知識(shí)片段的表示如圖2所示。

4　結(jié)　語

本文基于ABC上位本體建立了應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology，并從概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例等方面解釋了應(yīng)急事件、應(yīng)急行動(dòng)、應(yīng)急行動(dòng)主體、應(yīng)急資源等概念及概念間關(guān)系，構(gòu)建了完整的應(yīng)急情境的知識(shí)體系。基于這種統(tǒng)一的語義基礎(chǔ)，將有利于提高不同系統(tǒng)之間的應(yīng)急情境知識(shí)的復(fù)用性和互操作性。最后，利用應(yīng)急情境本體模型ES_Ontology對(duì)蘆山地震的應(yīng)急情境部分知識(shí)片段進(jìn)行了知識(shí)表示應(yīng)用。

下一步的工作，是以應(yīng)急情境本體模型為基礎(chǔ)，研究基于應(yīng)急情境的知識(shí)推理，實(shí)現(xiàn)面向突發(fā)事件的應(yīng)急情境感知及推理，為應(yīng)急決策者提供更為科學(xué)的決策支持。

圖2　四川省雅安市蘆山地震應(yīng)急情境的部分知識(shí)片段

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(編輯：張峰)

Ontology-based Knowledge Representation of Emergency Situation

DU Lei1, XU Bo2, KAN Yuan1, GAO Shan3

(1. General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Computer Application Department, Tianjin Electronic Information College, Tianjin 300350, China;3. School of Information Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The emergency situation is an important basis for emergency decision-making. In view of the problems of emergency situation knowledge representation, the paper takes ABC ontology as upper ontology and puts forward emergency situation ontology model ES_Ontology from the concept, relation, function, axiom and real case of emergency situation, and establishes real case of emergency situation knowledge representation on the base of this model. The result shows that ES_Ontology model can systematically represent the knowledge system of emergency situation.

emergency situation; ontology; ES_Ontology; knowledge representation

2015- 07- 01；

2015- 09-28．

天津市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項(xiàng)目(14ZXCXGX00542)；天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20142120).

杜磊(1978—)，男，博士，講師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.019

TP182

A

1674-2192(2016)02- 0079- 05

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)Basic Science & Technology