应急领域本体的构建方法研究

□于秀丽 王旭坪 张娜娜

[大连理工大学 大连 116023]

引言

应急领域中，通常单个系统的功能比较单一，如果能够把各个系统集成协作起来，这种联动就会产生一种思维能力。通过迅速生成的可共享的实时信息可以统一全面地筹划处理应急事件。在应急管理的智能化过程中，首要解决的是系统语义的集成问题。

使用本体可以实现应急领域系统的语义集成。本体作为一种领域知识概念化和模型化的方法，可用来描述计算机处理数据的语义信息。领域本体就是获取领域知识的语义信息，确定该领域内共同认可的概念，给出了领域中的概念、概念属性、概念间的关系及领域活动的描述，为领域提供了一种可共享的概念化规范。这种规范以一种形式化描述方式，使人和计算机能够结构化共享和重用领域知识。

目前已有的研究能解决本体构建的一部分问题，但仍存在一定的问题：(1) 由于应急领域涉及的部门及应用系统繁多，在为应用部门构建本体的过程中，缺乏一致的概念基础与设计模式，因此需要形成应急领域本体的构建方法；(2) 应急领域目前的构建方法研究较少，多数针对某个单一应用，仅注重应用的某个侧面而且领域本体作为共享的概念体系，需以领域中通用的标准规范来抽取；(3) 由于应急领域系统十分复杂，领域本体几乎不可能一次性构建完善，因此本体构建需要考虑到开放性与扩展性的要求。

本文分析应急领域现状、特点、业务应用等，研究了本体的构建模型的方法，构建出应急领域的本体模型，并利用Protégé构建应急领域本体，从而系统地解决上述问题。

一、基于本体的应急系统集成框架

从我国应急系统的实际出发，详细研究了应急领域现有系统的基本构成，基础业务，业务功能组成及体系结构，提出了基于本体的应急领域集成框架，如图1所示。

图1 基于本体的应急领域集成框架

由图1可见，系统的应用层中存储了大量的应急信息，因而抽取概念在构建应急领域的本体过程中，是首要的任务。在构建出基于本体的应急领域集成框架后，进一步实现本体和数据库的映射，就可以有效地解决应急系统的语义集成问题。利用语义集成信息则可以实现该领域的智能化信息检索等信息增值服务。本文主要研究该框架的基础层内容，为领域本体的构建提供来源。

二、构建应急领域本体的基础

（一）本体的定义

斯坦福大学的Gruber给出的定义得到了许多同行的认可，即“本体是概念化的明确的规范说明”[1]。

本体的定义包含4层含义：概念模型、明确、形式化和共享[2]：(1)概念模型是指抽象出客观世界中一些现象的相关概念而得到的模型；(2)明确是指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义；(3)形式化指机器可读的；(4)共享指本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，而非个体[3]。

这四层含义有效地对本体进行了说明，本体能够描述概念及概念之间的联系，从而促进知识和信息的共享和重用。

（二）应急领域的特点

构建领域本体，在对本体的构建技术全面研究的基础上，还要对该领域有系统的理解。我国应急领域构成复杂，子系统数量多，应用与服务广泛，因此需要一个通用的易扩展的体系结构，从而使构建的本体具有实用价值。

（三）本体的构建方法

领域知识建模是本体的一个重要应用。目前，关于本体构建的方法还不成熟，每个本体开发组都有自己的构建原则、设计标准和开发阶段。对于本体构建的方法而言，没有一个是“完全正确”的，也无法找到一个“完全正确”的本体构建方法[4]。七种典型的本体构建方法的成熟度依次为：七步法、Methontology法、IDEF5法、TOVE方法(评价法)、骨架法(企业建模法)、SENSUS法和KACTUS法。这些方法各具特色，方法之间没有优劣之差，它们是面向不同应用需求的本体构建方法，因此要根据不同的领域选择不同的方法[5]。

三、应急领域本体的构建

（一）应急领域本体的数学模型

为了能针对应急领域构建本体，本文提出了应急领域资源的本体描述模型，该模型将领域资源抽象成概念集、属性集、关系集。本模型对资源的描述是开放式的，可以扩充领域中新的资源及其描述，在领域本体的构建中，这种开放式的描述是十分适合的，可以使领域本体不断的进化和完善。以下对应急领域本体中的概念作定义：

定义1 概念，进行规范化描述的概念，是概括一类事物表现出来的特征，是事物本质的反应。

定义2 属性，描述某一特定概念中的相关特征或者性质，每个概念都有一组属性进行描述。

定义3 关系，概念间内在联系的描述。

定义4 应急领域本体，可以用一个三元组O=(C,P,R) 来描述，其中：

C={C1，C2，…，Cn}表示不同分类的服务主体；

P={P1，P2，…，Pn}表示分类的领域服务活动；

R={R1，R2，…，Rn}表示C到P之间的映射关系集合。

本体中存在的关系：

1．is_Kind_of继承关系：表达概念之间的继承关系。

2．is_Part_of组合关系：表达概念之间部分与整体的关系。

3．is_Property_of属性关系：表达某个概念是另一个概念的属性。

4．is_Synonym_of同义关系：表达概念之间的同义关系。

实际应用中，上面的几种关系并不能满足全部概念之间的关系，为满足应用的需要，在领域本体建模过程中，可以根据某个特定领域的具体情况对概念之间的关系进行相应的定义。

（二）应急领域本体的层次模型

从中国应急系统的应用实际出发，根据《国家突发公共事件总体应急预案》为参考，应急领域本体层次结构如图2所示。

图2 应急领域本体层次结构

（三）应急领域本体的建模方法

应急领域本体的构建，需要整合的资源一方面包括概念及相应的规范等，另一方面包括领域内系统中已有的信息资源。针对于应急领域的特点，主要构建步骤如下：

1．确定本体的领域与范围 首先明确需要构建的本体所覆盖的专业领域和应用范围。

2．领域信息的收集和分析 可通过专家、书籍、网络等方式收集领域信息，充分了解领域知识。

3．确定领域中重要的概念和关系 收集和分析领域信息之后，确定领域中的重要概念和概念之间的关系，作为领域本体的核心概念集。由于领域知识背景良莠不齐，这个过程并不强求得到能反映领域知识最关键的概念及关系。但应满足以下两个基本要求：一是确定的重点概念及其关系一定是领域相关的；二是能够采用精确的术语表达上述重点概念及关系[6]。

4．建立本体框架 按照一定的逻辑规则将概念集分组，并得到领域本体的框架结构。

5．对领域本体编码、形式化 选用合适的本体描述语言对建立的领域本体进行编码、形式化[7]。

6．集成相关的已有本体 在创建本体时除了自己定义，也应该通过调研找到该领域中现存的本体，加以重用[8]。

7．评价与优化 目前没有对本体评价的标准，但有一些基本指标，即上述的构建原则[9]。此外，本体模型的构建是螺旋上升的，需要不断迭代优化。通过原型法，先建立出核心的本体模型，在之后的使用过程中不断扩展，完善优化。抽取应急领域本体，是构建的重要任务之一。根据对领域的分析，提出了应急领域的本体构建框架，如图3所示。

图3 应急领域的本体构建框架

（四）应急领域本体的构建

为了对应急领域更好的理解，构建本体给出以下关于对服务客体，服务主体，服务领域和服务客体的相关定义：

定义5 服务客体，服务领域面对的主要用户。

定义6 服务主体，提供服务的主要实践对象。

定义7 服务领域，按照服务的功能进行划分的领域。

定义8 客体服务，向用户邻接层所提供的服务。

根据上述定义，应急领域本体模型，如图4所示。

图4 应急领域本体模型

其中服务领域包含的服务，如表1所示：

表1 应急领域的服务定义

由于篇幅的原因，仅以服务主体为示例展示本体的结构信息。一级服务主体分为监控预警部门、突发事件管理部门、物资保障部门、交通管理中心、政府行政部门、媒体中心和应急恢复中心。在一级的基础上可继续细分为二级服务主体。如表2所示。

表2 应急领域服务主体的定义

四、利用Protégé建立应急领域本体

本文使用美国斯坦福大学开发的本体编辑工具Protégé构建应急服务本体。它能够定义类和类层次、属性、属性值、属性关系和属性约束，以及类和属性间的关系，而且本体结构以树形的层次目录结构显示，允许用户在概念层次上进行领域模型设计。

图5是对于应急领域中的服务主体、服务领域以及服务客体中的本体概念、属性、关系所构建的结构，层次直观明了，对应急领域的本体构建有一定的应用价值。通过推理进而发现概念的一致性关系，形成映射，也为今后的本体映射方法研究打下基础。

图5 应急领域本体构建

五、结语

信息时代的到来，数据和信息充斥着每个角落。如何充分利用所需要的信息，逐渐成为人们关注的核心。本体理论能够促进知识和信息的共享和重用，为领域本体的构建奠定了坚实的基础。本文在介绍了本体理论的基础知识之后，主要研究如何在应急领域应用本体，给出了应急领域本体的构建方法，以便方便快捷地获取、交流信息。在内容上有待进一步探讨研究的方面如下：

1．现有的本体构建方法参差不齐。在本体评价方面，也就是构建得到的本体是否符合用户的应用，这还没有一个统一的标准，也是今后应该研究的主要内容。

2．根据应急领域不同于其他领域的特点，研究适用于应急领域的本体，创新构建方法，更好地实现共享与重用。

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