齊小謙，賈 菲，馮士妥，關珍博，譚永坤

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2．陸軍航空兵研究所，北京 101121)

基于自然語言解析的應急處置預案構建方法研究

齊小謙1，賈 菲2，馮士妥1，關珍博1，譚永坤1

(1．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2．陸軍航空兵研究所，北京 101121)

為提高應急處置決策的時效性和準確性，快速構建應急處置預案，從應急處置文書的自然語言解析入手，提出了基于本體的應急處置領域知識表達模型，分析研究了借助本體模型來形成應急處置預案的構建方法，從語義層面實現(xiàn)了相關知識的共享和重用。結合應急處置行動的語義推理過程，說明應急處置預案的形成與調整能夠適應復雜情況變化。該技術已應用于應急指揮信息系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的使用效率。

應急處置預案；信息抽??；語義推理；關聯(lián)分析

0 引言

應急處置預案制定是應急處置決策過程的關鍵環(huán)節(jié)，是反映事件情況、明確保障任務、組織任務行動、選擇行動目標、表達處置決心的主要手段[1]。制定有效、可行的應急處置預案是應急指揮信息系統(tǒng)中一項繁重的信息化作業(yè)，傳統(tǒng)的工作模式需花費作業(yè)人員大量時間和精力，極易造成使用瓶頸并延誤行動進程。提高決策籌劃的時效性和準確性是提升應急處置能力的重要方法[2]。本文提出使用自然語言處理技術，研究任務分解、行動規(guī)劃等業(yè)務流程的語義分析與推理，實現(xiàn)應急處置預案的快速構建，縮短從任務提出到行動方案生成的時間，向快捷高效的應用模式進行積極探索和轉變。

在自然語言解析方面，國內有不少針對漢語描述的分析研究，主要集中在詞與詞的關系分析方面，強調概念與概念之間、概念中屬性與屬性之間的關系，構建一個應用領域的知識資源[3]。同西方語言相比，漢語的自然語言理解和關聯(lián)推理具有更高難度，深層次研究與應用仍有較大提升空間，在應急處置決策領域內屬于一個新的應用方向。

1 應急處置預案構建總體設計

在應急指揮信息系統(tǒng)中，制定一項應急處置預案主要涵蓋情況分析、任務分解、行動規(guī)劃和方案綜合等幾部分。本文提出以應急處置構想等專用文書為素材，采用自然語言解析技術獲取應急處置任務、行動時間和行動方法等關鍵信息，為執(zhí)行人員快速理解應急處置意圖和調整部署提供先機條件，繼而轉化為應急處置行動，極大節(jié)省人工時間和精力，以適應決策籌劃對時間、數(shù)據(jù)和環(huán)境的敏感性要求[4]。

應急處置文書解析包括語義分析和語義推理兩部分。語義分析主要完成自然語言描述的詞法分析和句法分析，將由人來閱讀、理解信息的過程轉變?yōu)橛捎嬎銠C自動抽取信息的過程。語義推理是在語義分析基礎之上，進一步通過表達規(guī)則與推理規(guī)則的關聯(lián)映射，推理得到形式化的行動過程和指揮命令等深層語義描述[5]?；谧匀徽Z言解析的應急處置預案構建是以應急處置構想文書為基礎數(shù)據(jù)，結合應急處置決策領域的專業(yè)知識建立語義知識本體庫，對處置任務、應急行動等關鍵信息進行深層次、精細化語義分析和推理，支持構建應急處置預案，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到知識以及從數(shù)據(jù)到決策的精確指揮，總體流程設計如圖1所示[6]。

圖1 應急處置預案構建總體流程

2 構建領域知識本體

本體(Ontology)是共享概念模型的形式化規(guī)范說明，具有優(yōu)良的層次結構、較好的信息組織能力以及知識表達能力[7]?；诒倔w的知識表達方法能夠保證在共享過程中對于知識理解的一致性和唯一性，并且能夠全面表達知識間的復雜語義關系[8]。

本體具有概念、關系、屬性、公理以及實例等基本元素，能夠系統(tǒng)化、規(guī)范化地表示領域知識。根據(jù)應急處置決策的特點,借鑒各種本體研究成果，設計了領域本體的層次模型(如圖2所示)，包括基礎本體層、應用本體層和領域子本體層3個層次知識表示結構[9]。

圖2 應急處置決策領域本體結構模型

基礎本體包括概念、關系、約束、公理、函數(shù)和實例等基本元素，可以對整個應急處置預案進行分詞描述，包括平臺、人員、設施和地名等元數(shù)據(jù)[10]。

應用本體是對基礎本體的細化，主要對一些常用知識和關系加以描述，包括時間、空間、使命和行動等。

領域子本體是對應用本體的形式化表達，描述各子領域的關系和公理信息,完成應急處置決策領域知識系統(tǒng)化建模。

應急處置預案屬于應急處置決策領域結構模型中的應用本體，可進行如下描述：

AABP_Ontology:=

AABPRelations，AABP_Functions，AABP_

Axioms，AABP_Instances>

AABP_Concepts表示該本體模型中概念集合，主要包括使命任務、參與力量、行動過程、時間描述、空間描述以及資源和環(huán)境等。

AABP_Relations表示概念間關系的集合，主要歸納為等級關系、屬性關系、等同關系、相關關系、引用關系和論述關系等。

AABP_Functions表示函數(shù)的集合，包括常用的正則表達式和相似度計算等。

AABP_Axioms表示公理的集合，是進行邏輯推理和規(guī)律判斷的基礎，將上述3類應用進行有機組合，形成新的知識或得到判斷結論。

AABP_Instances表示概念實例的集合，實例代表元素，是概念的具體表現(xiàn)，種類較多，主要涉及以下內容：

① 使命本體包含搶險救災、反恐維穩(wěn)和安保警戒等；

② 行動本體包含機降運輸、邊境巡邏和搜索營救等；

③ 狀態(tài)本體包含情況說明、影響程度和變化狀態(tài)等；

④ 資源本體包含平臺(直升機、車輛和快艇等)和設施(機場、倉庫、工事、港口、發(fā)電廠、水壩和核電站等)；

⑤ 時間本體包含天文時間、作戰(zhàn)時間、相對時間和時間步長等內容；

⑥ 空間本體包括區(qū)域范圍、地理位置(經度、緯度和高程)以及作戰(zhàn)半徑。

應急處置預案應用本體建立了應急處置決策領域形式化共享概念模型，為文書解析提供了語義分析基礎。

3 文書語義分析

針對常用應急處置文書特定的文本格式，利用概念間關系和規(guī)律準則等，進行淺層次、局部的語法分析，得到描述中關于時間、空間、使命及行動過程等信息，生成淺層語義分析結果[11]。

應急處置文書文檔結構嚴謹清晰，關于處置任務和情況變化等描述均有明確體現(xiàn)。每個部分由一個帶序號標題以及若干自然段組成，每個自然段包含1個或多個完整句子，每一個句子表述一個要求，其中包含若干關鍵信息，例如行動名稱和資源數(shù)量等。為獲取指定信息，分析過程通?？梢允敲嫦蚪Y果、淺層的或部分的。在詞法分析階段，采用語義直接標注；在句法分析階段，需通過現(xiàn)有的知識庫，找出代表指定信息的詞匯和短語等語言結構，而不需清楚每一個語句的完整句法結構。具體處理步驟如下:

① 段落分析。針對應急處置文書格式嚴謹?shù)奶攸c，每一個段落可以表達一項完整的含義，信息提取以段落為基本單位。為獲取當前情況、劃分行動目標范圍、分解應急處置任務、規(guī)劃任務行動，進行有針對性的語段分解。結合應急處置文書的行文特點進行語段、語句劃分，單句段落層次編號和去除無關文本的處理，盡量將文本轉化為有完整語意的中文單句序列。

② 文本分詞。采用基于正則表達式匹配技術，以應急處置文書中的處置任務、行動規(guī)劃、配屬裝備、行動目標和區(qū)域范圍等信息為主題進行正則匹配，得到文本分詞結果。

正則表達式由本體中的詞典和規(guī)則動態(tài)解析生成。正則匹配是指將文書中的語句與轉換規(guī)則庫的句型逐項進行配對，如果配對成功則視為解析成功。解析規(guī)則分為中間規(guī)則和終止規(guī)則，通過規(guī)則迭代，結合專業(yè)詞典內容，最終生成正則表達式[12]。采用迭代算法進行規(guī)則迭代，對文書內容進行獨立語句的循環(huán)解析操作，根據(jù)已構建的匹配規(guī)則進行搜索，一旦掃描到某條轉換規(guī)則可匹配當前的獨立語句，可將語句中匹配該轉換規(guī)則產生的文本內容替換成規(guī)則內容項的符號化表示，將詞典中相應詞匯與規(guī)則進行鏈接替換，直至得到最終的形式化語義表示即可[13]，規(guī)則迭代流程如圖3所示。

圖3 文本分詞規(guī)則迭代流程

③ 語義標注。應急處置文書有著嚴格的用詞規(guī)范，語義標注通過給詞加上語義類別標簽，將原文的內容抽象到一個較高層次，更加適合表達常用應急處置遠的形式化語義信息[14]。根據(jù)本體概念間關系，分詞標注策略包括上下位關系、同義關系、反義關系、值-屬性關系、實體-值關系和相關關系等。例如，用上位詞表明其下位詞的語義類別，只需要從文本上下位語義中發(fā)現(xiàn)上位詞，“直升機”、“巡邏車”等的上位詞是“平臺”，“機場”或“港口”的上位詞是“設施”，只要在下位詞出現(xiàn)的地方標上對應的上位詞即可形成一種基本的語義單元[15]。

4 文書語義推理

本體在知識結構表示方面有明顯優(yōu)勢，但是這仍然不能滿足應急處置決策專業(yè)應用需求。因為大多數(shù)的專業(yè)知識，是本體無法全面表述的，這些知識內容一般存儲在非結構文本中。為了在結構化的應用本體和非結構化的知識內容之間建立聯(lián)系，需要進行更深層的語義關聯(lián)[16]。

在應急處置決策領域知識本體基礎上，對常用文書的分詞語義進行遞歸合并，使之成為有完整意義的事件表達。調閱系統(tǒng)標準字典表等語義庫的詞匯以及相關計劃標準，提取出專用關鍵詞，形成關聯(lián)分析表如表1所示。通過對事件進行關鍵詞映射，形成事件類之間的概念關系，實現(xiàn)語義推理，如圖4所示，推理結果可以對人工制訂的計劃方案進行驗證、修訂和增補[17]。

表1 關聯(lián)分析表

圖4 文書語義推理流程

5 應急處置預案生成

在常用應急處置文書中，特定保障力量部署及應急處置行動的表述，一般都有特定含義的字符串與之相對應[18]?；谝岩?guī)劃的關鍵詞知識庫，在分詞和短語識別的基礎上進行掃描及相關規(guī)則匹配，識別有關聯(lián)關系的語義塊，對行動過程所發(fā)生的事件參數(shù)進行描述，如巡視、機降和救援等參數(shù)，然后通過將時間和地點的信息與之關聯(lián)，將一個行動過程本體表達成事件、地點和時間的模式，從而能夠監(jiān)視關鍵事件以及相關實體的狀態(tài)，支持對不同的事件快速觸發(fā)不同的決策。語義推理過程如圖5所示。

圖5 應急處置行動語義推理

應急處置行動的關聯(lián)分析可按照以下規(guī)則處理[19]：

應急處置行動:={ 起始時間<時間、時間基準>、涉及地點<地理位置>，力量編組<力量部署、保障機構、保障平臺>,參與者<力量部署、目標對象>，內容<文字描述>……}。

應急處置文書信息解析完成之后，對候選素材信息的應用范圍進行匹配，完成對有效信息的加工與選擇，生成規(guī)定格式的應急處置預案。其中，對于除應急任務行動外各項內容(如情況通報、任務說明等素材)，將得到的各種語義資源按照應急處置決策模板要求進行提取，可直接填充方案中對應的數(shù)據(jù)節(jié)點[20]。

對于應急處置行動過程的素材篩選，應考慮行動事件中不可避免的時序關系，需解決業(yè)務流程化關系中存在的沖突，利于快速調整應用處置行動計劃。本研究采用前置約束和后置約束的策略，根據(jù)各項行動預期要求以及資源狀態(tài)進行約束自動匹配。當某個行動的前置約束滿足時，會自動選擇該行動節(jié)點有效，而后置約束則是當處理完畢該節(jié)點后，考慮對其他事件狀態(tài)和資源狀態(tài)的影響情況，動態(tài)修正各行動節(jié)點的預計狀態(tài)，甚至對分支節(jié)點進行動態(tài)調整(包括分支合并和變異出新的分支)，使我方應急處置行動的調整能夠快速適應復雜情況變化。

6 結束語

本文主要針對常用應急處置預案的特點和應用，研究基于本體的應急處置決策知識表達和語義推理，借助本體模型完成應急處置預案的構建，從語義層面實現(xiàn)了相關知識的共享和重用，技術成果已應用在某型應急指揮系統(tǒng)并取得良好使用效果。后續(xù)仍需對每個處理環(huán)節(jié)進行持續(xù)研究，包括如何提取有價值的關聯(lián)信息，如何更加合理、靈活地保留其語義信息和表示，以及如何有效結合非語義數(shù)據(jù)來滿足更廣泛的應急處置決策業(yè)務需求。

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Research on Establishment Method of Emergency Response Plan Using Natural Language Processing

QI Xiao-qian1,JIA Fei2,FENG Shi-tuo1,GUAN Zhen-Bo1,TAN Yong-kun1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.PLAArmyAviationResearchInstitute,Beijing101121,China)

In order to improve the real-time performance and accuracy of emergency response decision,a method of automatically establishment emergency response plan based on the ontology is proposed in this paper.Starting from the natural language analysis of the operational texts,this paper proposes a knowledge representation model in the field of emergency response based on the ontology,and studies a method of establishment emergency response plan,which can realize the sharing and reusing of the relevant knowledge.Combining with the semantic reasoning process of emergency response action,it is verified that the emergency response plan established by using proposed method can adapt to the change of situation.In addition,the proposed method has been applied to the emergency decision system,improving system efficiency and accuracy.

contingency plan;information extraction;semantic reasoning;related analysis

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.09

齊小謙，賈菲，馮士妥，等.基于自然語言解析的應急處置預案構建方法研究[J].無線電工程,2017,47(7):38-41，50.[QI Xiaoqian,JIA Fei,FENG Shituo,et al.Research on Establishment Method of Emergency Response Plan Using Natural Language Processing[J].Radio Engineering,2017,47(7):38-41，50.]

2016-11-01

海洋公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(201505002)。

TN95

A

1003-3106(2017)07-0038-04

齊小謙 男，(1979—)，高級工程師。主要研究方向：指揮控制與決策支持技術。

賈 菲 女，(1981—)，工程師。主要研究方向：指揮信息系統(tǒng)。