地震应急决策知识地理本体建模

徐敬海 聂高众

1)南京工业大学测绘学院，南京 210009

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

中国是一个地震灾害严重的国家，在地震预报还未达到实用性的现实情况下，震后开展地震应急救援工作具有非常重要的意义(聂高众等，2012)。这方面的工作主要体现在地震应急预案和基于GIS的地震应急指挥系统的研究和建设上(李志强等，2005;姜立新等，2012)。从近几次重大地震的应急看，这些工作已取得了一定的成效，但也表现出一些不足，集中体现在应急处置对策的针对性不强上，也缺少智能性(张祯等，2011;王永昕等，2012)。多个因素造成了这个问题，如应急预案侧重于应急组织的管理，重点在于回答应急事件谁来做，而忽略了应急事件如何做的问题(徐敬海等，2014)。相关的应急指挥系统也大多以应急预案为参考，重点围绕应急预案中相关需求的数字化辅助功能进行开发，从而造成有些功能在满足实际应急需求时存在一定的困难。徐敬海等(2013)探讨了应用地震应急决策知识辅助地震应急的方法，并初步分析了地震应急决策知识的分类，为此问题的解决提供了一种有益的探索。然而已有的地震应急决策知识大多以非结构化的形式存在，如何构建计算机可识别的地震应急决策知识模型是提高地震应急智能性、应急对策针对性的关键之一。将地震应急决策知识作为一种地理空间领域知识，借鉴地理空间知识的建模方法可较好地支撑其应用。随着对地观测技术的发展，地理空间知识的获取与应用也是目前地理信息科学的研究热点之一。地理空间知识的建模与表示紧随知识工程和计算语言学的发展，表现为从概念层次上的抽象表示到语言上的形式化表示。如钱海忠等(2006)和沙宗尧等(2003)采用产生式规则系统等对地理空间知识的建模表达与应用进行了有益的探索。近几年本体及地理本体在地理空间知识表达中得到了应用，如Brodaric(2007)利用OWL来描述地理信息科学领域的学科知识，李德仁等(2009)提出了时空模糊本体的概念，并实现了交通领域知识建模，黄茂军等(2005)通过扩展OWL原语来表示空间关系。Gahegan等(2006)、Zhao等(2009)和Yue等(2011)以本体为基础，分别研究了一种地理空间知识传输与应用的框架和面向地理信息服务与知识发现的地理信息处理方法。本文将沿着此思路，应用地理本体技术研究地震应急决策知识建模方法。

1 地震应急决策知识建模原语

1.1 应急知识建模中的语义互操作

地震应急处置过程中经常需要用到不同专业、不同行业领域和不同区域的地震应急管理专家和其他相关应急处置人员的知识、经验及以前的典型地震应急处置案例。地震应急具有庞杂性、复杂性和部门间的强关联性，这些特性决定了对统一应急事件、应急过程等相关应急对象表达方式的多样性。这种多样性表现为地震应急中应急现象表达的多语义性。对于同一个应急对象，在现实世界中的几何、物理等属性一致，但却可能对应着多种语义，如地震应急中的灾害信息，在有的部门可能表述为“死亡人数”，有的部门却可能表述为“罹难人数”，有的部门又有可能表述为“死亡人口”。会产生同一应急对象，不同部门存在不同的描述和理解。即有可能出现同词不同义，或者同义不同词的现象。

不同部门、行业、上级单位与下级单位，或不同的地震应急指挥部门对同一应急对象的不同表述便是地震应急中的语义异构性。这种语义异构性会在地震应急中造成一定的混乱，有时甚至会在很大程度上影响地震应急工作的顺利开展。尤其当两个地震应急系统之间需要协同完成应急指挥工作时，不同应急系统产生的结果难以共享。

地震应急决策知识的应用需要服务于不同部门的应急指挥人员，同时还需要实现应急指挥人员与计算机应急系统的互动。因此对同一应急对象的表述、应急知识的表述不能存在这种语义歧义性。为消除地震应急决策知识表达中的这种语义异构性，将地理本体技术应用于地震应急决策知识的表达，有利于实现地震应急知识表达的语义互操作，服务于地震应急决策知识的重用与共享。

1.2 基于地理本体的建模原语

从知识的建模过程看，复杂知识的建模都是由基本的知识粒度开始，如基本事实、基本假设等。Gahegan等(2006)阐述了地理空间知识表达的11种“知识原料(knowledge ingredients)”，本文结合地震应急决策知识建模需要对“知识原料”改装，提出了服务于地震应急决策知识的建模原语，如图1所示。该建模原语以地理本体为基础，包括抽象地理建模原语、地理建模原语和地震应急领域原语。以Thing为所有本体的父类，如果需要实现特殊的应急功能，也可以应急领域中常用的ABC或SUMO等上位本体为父类。抽象地理建模原语由地理项和空间关系组成。二者为抽象类，并不能直接实现，为地理建模原语提供统一的接口。将地理建模原语除了作为父类派生，产生了地震应急领域建模原语。地震应急预案是震后地震应急的关键，通过分析地震预案结构，以及震后地震应急主要工作内容，同时考虑地震应急领域专家的建议，将应急事件、应急响应、应急处置对策和应急事件关联作为地震应急领域的建模原语。模型中的地理建模原语和地震应急领域原语共同组成了地震应急决策知识的“基本原料”，为其建模奠定了基础。

图1 地震应急决策知识建模原语Fig.1 Modeling primitives of earthquake emergency knowledge.

以震级－烈度衰减关系为例说明图1所示框架的应用，为表达震级－烈度衰减关系，需要用到主要建模单元，包括地震事件、烈度影响场、震级烈度关系。其中地震事件和烈度影响场的建模均基于“应急事件”建模原语。地震事件建模需要包含的主要信息为地震三要素(震级、震中位置、发震时间)，这三要素都可以理解为一种地理变量，由于应急事件派生自地理单元项(地理变量)，因而可实现三要素的表达。烈度影响场的绘制，通常会用到GIS中的拓扑操作(以椭圆形衰减模型为例，会用到拓扑减操作)，这种操作是一种地理空间关系，而地理空间关系是地震应急领域原语的基类之一。震级烈度关系的建模表达基于“应急事件关联”建模原语。震级与烈度间的关系可用地理函数和地理变量共同表达，其中地理函数和地理变量作为地理单元项是地震应急领域原语的基类。

2 地震应急决策知识模型

2.1 地震应急决策知识框架模型

基于建模原语，参考徐敬海等(2013)中论述的地震应急决策知识分类框架，从地震应急决策知识组成的角度，本文设计了地震应急决策知识框架模型，如图2所示。该框架包括基本地震应急决策知识层、规则地震应急决策知识层和过程地震应急决策知识层。在这由低到高的3个层次中，知识的粒度不断变大，也逐渐由静态的描述性知识过渡到动态知识。

基本地震应急决策知识层是粒度最小的地震应急知识，表现为地震应急决策中的概念、公理、元知识等，如应急基本术语和信息便是此类知识。地震应急中的元知识也位于此层中，通常元知识可以告诉应急系统如何正确地使用其他类型的地震应急决策知识。如对于震后建筑物震害预测模型的使用前提和震后人员伤亡模型使用的注意事项等描述信息所形成的一种知识。基本地震应急决策知识层，是整个地震应急决策知识体系中粒度最小的知识，其建模可以直接用图1中的地理建模原语和地震应急领域原语实现，本文将不再对其做进一步介绍。同时该层知识还为知识体系中其他知识的建模提供了基础。

图2 地震应急决策知识框架模型Fig.2 Concept frame model of earthquake emergency knowledge.

规则地震应急决策知识层是由规则性地震应急决策知识组成，表现为一个或者多个相关规则集的组合。常用逻辑关系可描述为:IF＜前提条件＞THEN＜结果＞。前提条件可以是单一的前提条件也可以是由复合条件组成。

过程地震应急决策知识层由各种过程性地震应急决策知识组成。过程性知识是描述某个应急事件的过程，计算机或人可以按照此过程执行。过程性地震应急决策知识一般按照应急问题求解过程组织知识，强调具体应急问题的求解步骤。除了强调求解步骤的表达，同时还需要注意表达每个步骤的使用条件，因此过程性地震应急决策知识需用到规则性地震应急决策知识和基本地震应急决策知识。

下面将重点介绍其中过程性和规则性地震应急决策知识基于原语的建模实现。

2.2 规则性地震应急决策知识建模

规则是知识的一种重要的表达方式，在各种规则知识表达中，产生式规则是目前应用最广泛的规则表达方法之一，也是其他规则知识表达的基础。本文所论述的规则性地震应急决策知识，也是通过应用产生式规则而实现。产生式规则的基本结构包括前提和结论两部分:前提(IF部分)描述状态，结论(THEN部分)描述在状态存在的条件下所做的某些动作。实际使用中，规则常常跟变量结合在一起，使得规则更加通用，同时还能减少所需的规则数量并提高规则库的可管理性和可定制性。为此本文基于参数化规则设计了规则性地震应急决策知识模型，如图3所示。

规则性地震应急决策知识由多条地震应急规则组成，其中每条地震应急规则由规则前提和规则动作组成。规则前提在模型中表现为规则条件或(和)规则变量。规则条件由一个或多个原子地震应急事实组成，在形式上可表现为一个具体陈述。而规则变量通常通过该布尔表达式与应急变量的值进行匹配得到，这个过程也称为绑定。规则动作是定义行为的一些表达式，这些表达式根据前提条件执行。总体上所有的规则知识模型单元都可以通过图1中的建模原语来进行构造。

2.3 过程性地震应急决策知识建模

过程性地震应急决策知识给出一些地震应急的客观规律，告诉怎么做，此类知识的表示就是求解过程，通常知识表示与推理相结合，是对地震应急决策知识的动态描述。总体上过程性地震应急决策知识没有固定的表示形式，如何描述知识取决于具体应急决策中的问题。如程序便是一种常见的过程性地震应急决策知识描述形式，该方法可提高知识应用的效率，但在添加新知识和扩充新的功能时存在一定的困难。

考虑到过程性地震应急决策知识内容与特点，借用工作流的基本原理表示过程性地震应急决策知识。工作流概念起源于生产组织和办公自动化领域，是针对日常工作中具有固定程序活动而提出的一个概念，目的是通过将工作分解成定义良好的任务或角色，按照一定的规则和过程来执行这些任务并对其进行监控，达到提高工作效率的目的。借鉴工作流概念，过程性地震应急决策知识模型如图4所示。

图3 规则性地震应急决策知识模型Fig.3 Modeling of the rule knowledge.

图4 过程性地震应急决策知识模型Fig.4 Modeling of the procedural knowledge.

此模型中过程性地震应急决策知识由3类结点构成:工作结点、控制结点和数据结点。其中工作结点是过程性知识的操作，由各种基本知识组成，控制结点由规则性知识组成，数据结点保存了过程知识运行中用到的各种数据。三者相互联系，共同作用构成了过程性知识。

3 试验与应用

选择苏州市基础地理信息，应用应急决策知识建设了城市智能地震应急辅助决策系统，系统使用了目前常见的易于建模的多种地震应急决策知识，如:震级－烈度衰减知识、建筑物震害预估知识、人员伤亡预估知识和多种地震次生灾害预估知识等。现选取地震应急中常用的建筑物震害预估知识，介绍知识的应用实现过程。此知识是地震应急中常用的，通常通过程序模块直接实现。但这种实现与应用方法，常常依赖于特定的程序模块，不利于知识的共享与应用。如对其中部分内容的调整会引起整个程序模块的修改。采用文中的应急知识模型，可将该知识单独建模表达，独立于特定的知识实现程序模块，便于该知识的使用与共享，如知识的修改。根据文中的分析可认为建筑物震害预测知识是一种过程性地震应急决策知识，其建模过程中基本知识和规则知识均会用到。

其基本原理为:在已知地震影响场的情况下，根据震前的震害评估矩阵，计算震时可能造成的建筑物损失。如图5所示，假定某一地区由4个区ABCD组成，其中地震影响场为IF，现仅以计算A区中砖混结构“轻微破坏”震害为例，其计算原理如图6所示。

图5 震害预估示例区Fig.5 Illustration district of disaster evaluation.

图6 震害预估原理Fig.6 Principle of disaster evaluation.

为实现该知识的应用，首先采用Protégé建模表达此知识，如图7所示。其中Thing为所有本体的超类，通过派生产生地理单元项及应急领域基本原语。在此基础上产生的基础性知识包括地震影响场、震害矩阵等。规则性知识采用SWRL语言描述如图7中最右边的窗口，过程性知识由工作结点、控制结点和数据结点等构成。其中有些类既是基本知识，也是过程知识组成部分，如地震影响场既是数据结点中的输入数据，也是基础性知识，是同等类(equivalent class)的关系。震级烈度衰减关系以“应急事件关联”为基类，实现了地震灾害发生应急事件与灾情评估应急事件之间的关联。

通过Protégé实现该知识的建模描述，可表达其中各知识组成单元的逻辑关系，为其应用奠定基础。但知识中包含大量的空间操作、数据操作等知识单元，Protégé并不能直接实现。因此本文采用Jena解析protégé知识文件提取其中相关的本体类，Jena是一个Java包，Java语言功能强大，可以为知识中各种类的操作提供支持。然后对于知识中描述的各种空间操作，采用ArcGIS ArcEngine实现，Java能较好地与ArcEngine融合，从而能实现知识的应用，其中建筑物震害预估知识应用结果如图8所示。采用Protégé实现建筑物震害预测知识的建模表达，可以实现该知识建模与知识应用程序模块的独立，便于知识的共享与使用。

4 结论

图7 建筑物震害预估知识地理本体建模Fig.7 Geo-ontology modeling of building disaster evaluation knowledge.

图8 城市智能地震应急决策系统界面Fig.8 Interface of city intelligent earthquake disaster emergency decision-making assisting system.

如何增强地震应急的智能性是目前地震减灾研究中的关键问题之一，地震应急决策知识的计算机应用为此问题的解决提供了一种思路。本文从地理空间知识的角度，分析了地震应急知识建模中的语义互操作需求，为满足这种需求提出了基于地理本体的建模原语。该建模原语由抽象地理建模原语、地理建模原语和地震应急领域原语组成。接着提出了地震应急决策知识的框架模型，从建模的角度将地震应急决策知识分为基本地震应急决策知识层、规则性地震应急决策知识层和过程性地震应急决策知识层。通过应用建模原语，分别实现了不同层地震应急决策知识的建模。最后结合苏州市基础地理信息，开发了城市智能地震应急辅助决策系统，通过该系统初步展示了地震应急决策知识模型的实现与应用。从而探索了地震应急决策知识应用与智能地震应急的实现方法，也为地理空间知识的建模与应用提供了参考。未来将进一步对更多地震应急决策知识开展深入实验研究，并进一步丰富地震应急决策知识的内容与内涵，深入探索地震应急决策知识应用与服务方法，提高地震应急决策知识模型的应用深度和覆盖面。