本体的煤矿数字化应急预案系统研究*

马 莉

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安710054)

0 引 言

近年来，中国煤矿安全生产形势已经取得了明显好转，然而安全隐患依旧存在，重特大煤矿安全生产事故时有发生［1］。随着煤炭行业采煤深度和强度的不断加大，煤矿安全问题尤为突出，煤矿企业自身所具有的特殊的工作环境，使得煤矿事故具有突发性强，复杂多变等特点，因而一旦发生事故，应急救援行动就显得极为重要［2］。

由于应急预案是应急救援活动的行动指南，很多煤矿企业都编制了相关的应急预案，但绝大多数应急预案为纸质预案，或者是以电子文档存储的预案，预案缺乏即时性和有效性，查询和应用极为不便。当煤矿灾害事故发生时，因缺乏高效、协调、统一的应急管理机制，难以采取及时和高效的应急响应对策是导致事态没有得到有效控制的重要原因。

实践证明，仅依靠纸质文字预案管理煤矿安全工作其作用收效甚微，因此应用计算机信息技术建立煤矿数字化应急预案系统已成迫切需要［3］。煤矿数字化应急预案系统是对煤矿应急预案的组织体系与机构职责、预警预防机制、应急响应过程、事故信息发布、善后处理等流程的一种标准化描述，并在此基础上利用信息技术实现应急预案的编制、审核、存储、管理、查询和演练。

而目前应急预案的部分要素均以数据库表的形式存储在数字化应急预案系统中，由于没有采用语义和知识表达，使得这些应急知识共享性不足，不能被其他领域的应急需求用户所使用，同时，计算机也不能理解这些预案知识，无法提供及时、有效的应急辅助决策［4］。

因此，文中将研究煤矿数字化应急预案的形式化表示方法，将煤矿应急预案文本的结构和逻辑表示成计算机能够理解的形式，在提高煤矿应急预案知识的共享性和交互性的基础上，开发煤矿数字化应急预案原型系统，使应急预案可以发挥高效、及时、智能决策的作用。

1 煤矿应急预案领域知识抽取

在煤矿应急预案数字化开发之前，需要对煤矿应急预案的领域知识进行语义描述，其中一项主要工作就是要将煤矿应急预案领域的相关知识概念整理出来，即需要理清煤矿应急预案的体系结构、预案所包含的要素及其之间的关系。针对煤矿生产经营的特殊性，煤矿应急预案领域知识的抽取主要依据国务院颁布的《国家突发公共事件总体应急预案》以及《生产经营单位安全生产事故应急预案编制导则》。其中对于煤矿安全事故的定义、类别及级别等界定如下。

1.1 煤矿安全事故的定义

煤矿安全事故是指煤矿生产活动过程中发生的具有随机性(现象偶然)与本质性(本质必然)、突发性(瞬间发生)与积累性(因素交叉时滞)、伤害性(人身、财物、活动进程)与可控性(可以主动预防与消减)特征的事件［5］。

1.2 煤矿安全事故的分类

按煤炭工业伤亡事故的性质，伤亡事故分为以下8 类:①顶板事故;②瓦斯事故;③机电事故;④运输事故;⑤火药放炮事故;⑥水害;⑦火灾;⑧其他事故。

1.3 煤矿安全事故的分级

在参考国家《矿山事故灾难应急预案》的基础上，按照事故灾难的可控性、严重程度和影响范围，煤矿事故级别分为Ⅰ级(特别重大事故)事故、Ⅱ级(重大事故)事故、Ⅲ级(较大事故)事故、Ⅳ级(一般事故)事故、Ⅴ级(轻微事故)事故等。

1.4 煤矿安全事故应急预案的定义

为了规范煤矿事故的应急管理和应急响应程序，明确职责，建立健全应急救援机制，及时、科学、有效地指挥、协调应急救援工作而制定的一套事故处置经验和处置方式的模板，最大限度地降低事故灾难造成的财产损失和人员伤亡。

1.5 煤矿安全生产应急预案体系

根据矿山企业特点，各类应急预案构成了一个合理的、相互关联的体系，结合企业的组织结构，煤矿安全生产应急预案体系结构如下

1)集团公司的预案:集团公司综合预案;集团公司专项预案;集团公司处室(部)预案。

2)分公司预案:分公司综合预案;分公司专项预案;分公司处室(部)预案。

3)生产(经营)单位预案:综合预案;专项预案;现场应急处置方案;区队(科室)预案;作业预案;班组应急预案;岗位和个人应急处置方案。

2 煤矿应急预案双层本体模型构建方法

为克服中国煤矿应急预案体系逐渐完备过程中出现的一些弊端，需用科学的模型来指导煤矿数字化应急预案系统的建设，使其符合应急预案的编制、评审、浏览、查询和存储的功能要求。

本体论(Ontology)最早是哲学上的一个概念。1998 年，Studer［6］提出了本体的定义，这是目前最为流行的定义，即本体(Ontology)是“共享概念模型的明确的形式化规范说明”，本体被当作是领域内主体间交流的一种语义基础，其目标就是通过抽取相关领域的知识，明确该领域内被大家共同认可的概念及概念间的关系，并从不同层次给出这些概念及概念间关系的明确定义。因此基于本体论构建系统的概念模型，不但可以规范系统的开发，而且可以在对领域知识语义标识的基础上，实现领域知识的智能检索。

依据不同的分类标准，可以将本体分为不同的类。例如依据领域依赖程度，通常将本体分为顶层本体、领域本体、任务本体、应用本体和元本体［7］。文中构建的煤矿数字化应急预案本体模型由顶层本体和领域本体组成。现有的顶层本体有WORDNET 顶层本体、CYC 顶层本体和SUMO 上位本位等［8-9］。由于SUMO 顶层本体具有普适性和权威性的特点［10］，因此文中选择SUMO 作为该模型的顶层本体。第二层是煤矿应急预案领域本体，该层本体构建的目标是为了实现概念及概念间关系的形式化表述。

在SUMO 顶层本体中，实体(Entity)自身不属于任何类，是所有类的基类，代表客观世界中的所有事物，物质(Physical)和抽象(Abstract)是它的两个直接子类。作为通用的顶层本体，SUMO 高度抽象及涵盖了客观世界的所有事物，与领域无关［11］。但作为煤矿应急预案领域的顶层本体，仅靠SUMO来形式化的表述应急预案领域的知识会显得较为空泛和繁琐，因此文中结合文献［12］构建的应急预案顶层本体，在SUMO 的基础上，通过提取煤矿应急预案领域的相关概念和关系，构造了面向煤矿应急预案领域的顶层本体。该顶层本体不仅可以涵盖煤矿应急预案领域本体中可能出现的所有概念及关系，而且还可以保证顶层本体的实用性、简练性和通用性。面向煤矿应急预案领域的顶层本体如图1 所示。

3 煤矿应急预案本体模型CERPO 构建

Perez 等人采用了分类法归纳出5 个基本建模元语，即概念(Concepts)或类(Classes)、关系(Relations)、函数(Functions)、公理(Axioms)和实例(Instances)。根据Perez 的本体建模元语，文中把煤矿应急预案本体(Coalmine Emergency Response Plan Ontology，CERPO)定义为一个五元组

定义1

CERPO_Ontology:= ＜CERPO_Concepts，

CERPO_Relations，CERPO_Functions，CERPO_Axioms，CERPO_Instances ＞

定义1 中，CERPO_Concepts 表示该本体模型中煤矿应急预案领域的概念集合，CERPO_Relations 表示该本体模型中概念间关系的集合，CERPO_Functions 表示该本体模型中函数的集合，CERPO_Axioms 表示该本体模型中公理的集合，CERPO_Instances 表示该本体模型中概念实例的集合。

3.1 CERPO_Concepts

定义2 CERPO_Concepts:={C}

在定义2 中，C 表示煤矿应急预案本体模型中的概念Concept，煤矿应急预案本体模型中的主要概念有

1)煤矿安全事故(CoalmineAccident)是从顶层本体中继承的类“事件(Event)”的子类，它包含8 个子类和一个对象属性“事件分级hasLevel”。按照事故的类型划分为:“顶板事故(RoofAccident)”、“瓦斯事故(GasAccidnet)”、“机电事故(Mech_elec Accidnet)”、“运输事故(TransAccident)”、“火药放炮事故(BlastingAccident)”、“水害事故(WaterharmAccidnet)”、“火灾事故(FireAccidnet)”、“其他事故(OtherAccidnets)”。

2)煤矿应急预案体系(CERPlanSet)是继承顶层本体中的类“集(Set)”的子类。

3)事故级别(Level)是继承顶层本体的类“类别(Class)”的子类，只包含五个实例，分别为“Ⅰ级”、“Ⅱ级”、“Ⅲ级”、“Ⅳ级”和“Ⅴ级”，是一个枚举类型的类。

4)煤矿应急预案(Coalmine Emergency Response Plan，CERPlan)由于应急预案是一种人造文本，因此，CERPlan 继承了顶层本体中的类“文本(Text)”，包含“集团公司预案(GroupCompERPlan)”、“分公司预案(SubCompERPlan)”和“生产(经营)单位预案(DepERPlan)”3 个子类。其中:①集团公司的预案包括“集团公司综合预案”、“集团公司专项预案”、“集团公司处室(部)预案”3 个子类;②分公司预案包括“分公司综合预案”、“分公司专项预案”、“分公司处室(部)预案”;③生产(经营)单位预案包括“综合预案”、“专项预案”、“现场应急处置方案”、“区队(科室)预案”、“作业预案”、“班组应急预案”、“岗位和个人应急处置方案”。

图1 顶层本体中的Abstract 概念子树和Physical 概念子树Fig.1 Abstract concept sub-tree and physical concept sub-tree in top ontology

5)专项应急预案(SpecERPlan)是生产(经营)单位预案(DepERPlan)的子类;

6)煤矿应急预案(CERPlan)具有5 个数据属性，分别是“预案编号(CERPlanID)”、“预案名称(CERPlanTitle)”、“编制目的(CERPlanCompilePurpose)”、“发布日期(CERPlanDate)”以及“编制原则(CERPlanCompilePrinciple)”;

7)煤矿事故类型(CoalAccidnetCategory)是从顶层本体继承的类“种类(Category)”的子类，它是一个枚举类型的类，包含并且只包含“瓦斯事故”、“火灾事故”、“顶板事故”、“运输事故”、“机电事故”、“水害事故”、“火药放炮事故”和“其他事故”这8 个实例;

8)煤矿应急组织体系(CEPOrgSet)是继承了顶层本体中的类“集(Set)”的子类;

9)煤矿应急组织(CEPOrg)是从顶层本体中继承的类“组织(Organization)”的子类，文中结合文献［15］对煤矿企业应急组织结构的研究成果，将煤矿应急组织分为六个子类，分别是“应急组织指挥机构(CommandOrg)”、“资源保障机构(Resource_ensurOrg)”、“处置实施机构(ImplementOrg)”、“信息管理机构(Info_manaOrg)”、“辅助决策机构(Decision_aidOrg)”以及“专家组(Expert-Group)”;

10)煤矿应急资源(CERResource)是继承顶层本体中的类“资源(Resource)”的子类，包含“应急人员(CERStaff)”、“应急资金(CERFund)”以及“应急物资(CERGoods)”3 个子类;

11)煤矿应急预案管理过程(CERPlanMana-Pro)是继承顶层本体中的类“过程(Process)”的子类，说明煤矿应急预案管理生命周期的全过程;

12)应急角色(ERRole)是继承顶层本体中的类“角色(Role)”的子类，应急人员(ERStaff)是继承顶层本体中的类“人员(Personnel)”的子类;

13)意向性过程(IntentionalProcess)是SUMO顶层本体中的类，文中在该本体模型中添加了“起草(Draft)”、“审核(Check)”、“发布(Publish)”、“修订(Edit)”、“培训(Train)”、“演练(Drill)”以及“作废(Invalid)”等一系列子类。

14)煤矿应急处置过程(CER_dealPro)是从顶层本体中继承的类“过程(Process)”的子类。

3.2 CERPO_Relations

定义3 CERPO_Relations:={R(C1，C2)|C1，C2∈CERPO_Concepts}其中，C1，C2为煤矿应急预案本体模型内2 个任意的概念。在该模型中，概念间的关系主要有继承、组成、具有、实施和服务5 种关系。具体表示及举例如下

3.2.1 继承关系

如果C1是C2的子概念，则认为C1继承了C2，在C1和C2之间存在继承关系，记为C1⊆C2，且继承关系具有传递性，并且是单向的。例如，煤矿应急预案(Coalmine Emergency Response Plan，CERPlan)是一种人造文本，是负责应对煤矿安全事故的文本，它继承了顶层本体中的类“文本(Text)”。CERPO_EmergencyPlan ⊆Tex ∩∀handle. CoalmineEmergencyAccidnet。

3.2.2 组成关系

组成:对于概念C1，C2，…，Cn，如果C2，…，Cn的实例构成了C1的实例，则认为C1与C2，…，Cn间是组成关系。

文中，组成关系用hasPlan，hasCEPOrganizationSet，hasERResource，hasERProcess，hasOrg 表示。例如

1)煤矿应急预案体系(CERPlanSet)通过属性hasPlan 与“煤矿应急预案(CERPlan)”的3 个子类“集团公司预案”、“分公司预案”和“生产(经营)单位预案”相关联，表明“煤矿应急预案体系(ERPlanSet)”包含这3 类预案。

2)煤矿应急预案(Coalmine Emergency Plan，CERPlan)具有4 个对象属性，分别为“包含应急组织体系hasCEPOrganizationSet”、“包含应急资源hasERResource”、“包含应急处置过程hasERProcess”与“包含应急预案管理过程hasERPlanMP”，这4 个对象属性分别与“煤矿应急组织体系(CCEPOrganizationSet)”、“煤矿应急资源(CERResource)”、“煤矿应急处置过程(CER_dealPro)”和“煤矿应急预案管理过程(CERPlanManaPro)”相关联。这表明了一个煤矿应急预案包含了4 类要素:煤矿应急组织体系、煤矿应急资源、煤矿现场应急处置过程和煤矿应急预案管理过程。

3)煤矿应急组织体系(CCEPOrgSet)通过属性hasOrg 与“煤矿应急组织(CCEPOrg)”的6 个子类“煤矿应急组织体系”由“应急组织指挥机构”、“资源保障机构”、“处置实施机构”、“信息管理机构”、“辅助决策机构”以及“专家组”相关联，表明煤矿应急组织体系由这六个子机构组成。

3.2.3 具有关系

指一个概念实例是另一个概念实例的属性，即一个概念实例具有一个对象属性，如煤矿安全事故具有事件分级的属性。文中的具有关系用hasLevel、hasCategory 等表示。例如

1)煤矿安全事故(CoalmineAccident)具有“事件分级hasLevel”的对象属性，与“级别(Level)”相关联 CoalmineAccident⊆Event∩∀hasLevel. Level.

2)专项应急预案(SpecERPlan)具有“种类划分hasCategory”的对象属性，与类“煤矿事故类型(CoalAccidnetCategory)”相关联 SpecERPlan ⊆CERPlan∩∀hasCategory.CoalAccidnetCategory。

3.2.4 实施关系

指一个概念的实例与另一个概念的实例间存在动作行为关系，文中的实施关系用undertake 和hasPresence 表示。例如

1)应急角色(ERRole)与应急人员(ERStaff)之间通过对象属性“承担undertake”相关关联，表明煤矿应急人员(ERStaff)在应急组织中承担相应的应急角色(ERRole):CERPO_ERStaff ∩undertake.ERRole。

2)应急人员(CERStaff)通过属性“出现hasPresence”与煤矿事故应急处置过程(CER_deal-Pro)相关联，表明应急人员在煤矿事故应急处置过程中出现在事故现场:CERPO_ CERStaff∩hasPresence.CER_dealPro.

3.2.5 服务关系

服务:指一个概念实例的实现需要另一个概念实例，如煤矿应急预案(CERPlan)的编制还需要通过属性“编制依据accordingTo”与“中华人民共和国矿山安全法(NationalCoalSafetyLaw)”、“国家安全生产事故灾难应急预案(National ERPlan)”、“煤矿安全规程(CoalmineSafetyRule)”、“法律(Law)”和“法规(Rule)”相关联，以表明一个煤矿应急预案的编制依据为矿山安全法、煤矿安全规程和国家法律、法规及相关文件:CERPO_CERPlan∩according to.NationalCoalSafetyLaw∩National ERPlan∩CoalmineSafetyRule∩Law∩Rule.

3.3 CERPO_Functions

在CERPO _Functions 这种特殊的关系中，煤矿应急预案本体模型中的第n 个元素可以由前n-1 个元素唯一决定，因此，该关系可被形式化地描述为 CERPO _Functions:={F:C1× C2×… ×Cn-1→Cn| Ci∈CERPO _Concepts∪CERPO _Relations}。

3.4 CERPO _Axioms

CERPO_Axioms 建模元语代表永真的断言，可将其形式化描述为CERPO _Axioms:={A}。其中A 是煤矿应急组织领域内永远成立的声明。

在CERPO 模型中主要有以下公理

定义4 关于类的声明:类是用一个名称来唯一明确本体中最基本的概念。例如“煤矿应急组织”这个概念可以用CEPOrg 来声明。

定义5 关于子类关系的声明:子类关系表明了继承关系中的事实，形式上记为X⊆Y. 例如，事故级别(Level)是从顶层本体继承的类“类别(Class)”的子类，即:Level ⊆Class.

定义6 关于实例关系的声明:实例关系表示类和类的实例之间的关系，形式上记为C(e).例如“顶板事故”是概念“煤矿事故类型”的实例，记为:煤矿事故类型(顶板事故)。

定义7 关于等价关系的声明:等价关系表示某个类等价于另外一个类，形式上记为A≡B.如在本模型中煤矿安全事故和应急事件是等价的，记为CoalmineAccident≡Emergency。

3.5 CERPO_Instances

CERPO_Instances 建模元语是指该模型中某概念类下的基本元素，即某概念类所含有的具体实例集合，记为CERPO_Instances:={I|C(I)∈CERPO_Concepts∪CERPO_Relations}.

随着本体在知识管理、信息检索以及人工智能等研究领域中不断得到了扩展和应用，为满足人们对本体建模的强烈需求，满足人们不同层次的本体需求，相应的本体的开发和管理工具应运而生。由于斯坦福大学Stanford Medical Informatics 开发的本体编辑器Protégé 4.1 是开放源码，Java 语言编写，可以免费下载使用。同时该工具支持多重继承，并可对新数据进行一致性检查，可扩展性很强，因此，文中采用Protégé 4.1 作为本体编辑工具，基于前文应急预案本体模型CERPO，开发了一个煤矿数字化应急预案本体。图2 直观地展示了基于SUMO 顶层本体的煤矿应急预案本体类结构图，图3 展示了图形化后的煤矿应急预案本体类结构图。

图2 煤矿应急预案本体类结构图Fig.2 Structure of coalmine emergency plan ontology class

4 XML Schema 煤矿应急预案存储模型

应急预案存储模型是煤矿数字化应急预案原型系统的基础，为了规范煤矿数字化应急预案中对XML 文档的标识，文中提出采用XML Schema作为煤矿数字化应急预案的存储模型。XML Schema 是W3C(万维网联盟)于2001 年5 月正式发布的推荐标准，可对XML 文档进行统一存储和管理，使得所有的煤矿应急预案都能按照相同模式被标识成XML 文档，是目前XML 环境下流行的数据建模工具。

图3 图形化的煤矿应急预案本体类Fig.3 Graphical coalmine emergency plan ontology class

文中采用XMLSpy 作为应急预案存储模型开发以及XML 文档标识的工具，而煤矿数字化应急预案存储模型中的概念主要来自于前文构建的煤矿应急预案本体模型，是在其基础上进行抽取和提炼而得的。

5 基于本体的煤矿数字化应急预案原型系统开发

文中充分利用上述煤矿数字化应急预案双层本体模型和应急预案存储模型，开发了基于B/S模式的应急预案原型系统，该系统可实现煤矿数字化应急预案的编制、审核、浏览、存储及智能查询的功能。

系统采用Java 作为开发平台，采用Microsoft SQL Server2005 作为数据库系统，结合XML 语法规范，用Microsoft SQL Server2005 存储煤矿应急预案的XML 文档。实践表明，文中构建的本体模型CERPO 可以对煤矿应急预案领域的知识进行语义表达，实现了领域知识的共同理解，便于领域知识的交互和共享，消除了应急预案知识表示中的语义歧义，同时原型系统也实现了对煤矿应急预案的浏览、编制、智能查询、审核及存储等数字化功能。基于前文的应急预案本体模型构建的煤矿数字化应急预案管理原型系统如图4 所示。

图4 煤矿数字化应急预案管理原型系统Fig.4 Management prototype system of coalmine digitalized emergency plan

6 结 语

文中提出了一种煤矿应急预案数字化方法，该方法通过语义标识可以将文本形式的煤矿应急预案内容整理成计算机能够理解的形式，消除了应急预案知识表示中的语义歧义，便于知识的共享和交互。文中首先抽取了部分的煤矿应急预案领域知识，利用本体工程方法构建了一个煤矿应急预案的双层本体模型，该模型包括基于SUMO的顶层本体和煤矿应急预案的领域本体，同时分别对该模型的5 个建模元语进行定义并举例，从而方便数字化应急预案知识在煤矿事故应急处置过程中发挥自动、准确、快速和智能的作用。在此基础上，文中采用XML Schema 作为煤矿应急预案的存储模型，开发了基于应急预案本体模型CERPO和存储模型的煤矿数字化应急预案管理原型系统。实践证明，该原型系统实现了应急预案的语义标识、存储和智能检索等功能，对于开发实际的煤矿数字化应急预案系统有一定的指导意义。

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