面向核灾害应急的跨部门集成空间框架

谢　天　韦瑶瑶

(1. 南华大学经济管理学院； 2. 南华大学政治与公共管理学院)



面向核灾害应急的跨部门集成空间框架

谢天1韦瑶瑶2

(1. 南华大学经济管理学院； 2. 南华大学政治与公共管理学院)

摘要：针对核应急跨部门集成过程中面临的领域异构性问题，从“情景-任务-组织-资源”的视角分析了核应急响应系统基本要素、结构和运行逻辑；结合空间映射和本体论技术，提出了MDIS集成框架，通过定义空间要素及其属性、关联、约束，建立MDIS空间结构模型，将源物理空间的核应急集成问题迁移到目标MDIS空间；界定了由部门领域异构性产生的MDIS空间互操作问题，并提出通过构建MOM和MAM中介模型实现空间互操作的处理方法；为支持跨部门核应急决策问题在MDIS空间的计算和求解，设计了基于MAS的MDIS空间推理系统；最后，通过应用示例验证了本方法的有效性。

关键词：核灾害； 情景； 跨部门集成； 核应急

图1　福岛核事故灾害情景及其应对需求

核灾害在演化机理和应对方式上具有较强的突发时效性和跨部门特性[1，2]，具体表现为：①突发时效性。根据核事故灾害链演化状态，应急响应被由低向高划分为应急待命、厂房应急、场区应急和场外应急4级。核事故往往诱因复杂，前兆不明显，具有随机性和爆发性，若不能及时有效地实施应急干预和救援，将核泄漏等扩散性灾害控制在场区以内，容易产生灾难性的后果，需要启动最高级别的场外应急响应，实现场内外应急组织联动应对。由于事件情景扩散和转化迅速，使应急活动具有强烈的时效性特征，应急(联动)方案的制定和执行面临巨大的时间压力和有效性考验。②跨部门特性。日本“311福岛核事故”的教训表明，若未能迅速将事故控制于场区内，就容易引发火灾、核泄漏、网络舆情、社会恐慌、交通堵塞、人员伤亡等相互影响的次生、衍生灾害，从核工业系统快速扩散蔓延到社会各领域，形成非常规的灾害链式演化效应。此类场外核事故灾害链的应对，往往需要综合调用核电、消防、医疗、交通、公安、网络等多个部门的方法、数据、组织、资源来协作处理，既需要关键核设施部门把握整体态势，又需要社会应急力量多方参与、共享资源，从组织、领导体制和运作机制上进行敏捷化集成，实现多部门、多主体的联动处置(见图1)，对跨部门的应急组织集成技术提出了更高的要求。由于领域的差异性，社会核应急各部门系统间往往存在认知和沟通障碍，核应急资源信息和知识难以集成互操作。这种部门系统间的领域异构性成为核应急资源跨部门集成过程中的关键问题：①信息交互格式、专业术语等差异造成了跨部门集成过程中的语法、语义异构性，使核应急资源无法实现有效共享和互操作；②业务流程、组织结构等方面的差异造成了跨部门集成的语用异构性，核应急组织难以有效实现协同决策与联动响应。围绕上述问题，目前国内外相关研究仍显不足，且存在诸多局限性，暂未形成较为系统、全面的跨领域集成方案。

1理论依据

(1)空间映射理论相对于状态数据和内容描述，系统结构、运行规则等方面是反映系统特征的更为重要方面，也是造成跨部门资源信息集成复杂性和异构性的根源。空间映射理论[3]认为这些逻辑关系是可被提取和映射的，从而源空间难以描述和求解的复杂集成问题可以通过特征抽象被迁移或转化到目标空间处理。信息空间、物理空间、社会空间存在必然的映射和相互作用关系，基于语义网技术，信息资源分类空间模型和复杂语义链接网络被提出[4]以从多个维度实现对不同领域、类型、形式的系统资源进行形式化描述。假设核灾害情景和应急资源所在的物理“源空间”与信息集成处理所在的“目标空间”存在着必然的联系，即可通过信息空间对物理空间的感知、抽象、处理来控制和影响物理空间。

(2)语义网技术本体技术通过概念类、属性和实例来表示知识组织关系，并运用公理和函数实现对语义推理的支持[5]。基于本体网络语言(OWL)，可实现物理空间核应急系统情景、任务、组织、资源在语义空间的统一形式化表达；语义网规则语言 (SWRL)是一种基于OWL的规则描述语言[6]，可将跨部门核应急约束与响应过程转化为推理规则，通过智能推理，获得满意的跨部门集成应对方案。另外，SWRL属于产生式推理规则范畴，具有较低的计算时间复杂度，可提高跨部门集成化决策效率。

(3)系统互操作理论作为异构领域系统集成过程中最基本的特征，互操作衡量的是系统及其构件之间互联互通、相互理解、协同处理等方面的难易程度，包括数据(语法)、内容(语义)和业务逻辑(语用)3个层面[7]。语法层面业内已形成许多较为成熟的技术体系和标准，如Web服务描述语言、可扩展标记语言等[8，9]，确保参与互操作的系统构件双方能准确地接收和共享信息。如何消除异构系统在术语、概念、属性和逻辑之间的二义性、冗余性，解决语义和语用层面的互操作问题，成为学术界研究的热点。POKRAEV[10]在博士论文中分析和归纳了语义和语用层面互操作问题，综合运用语义网技术和“技术-业务分离”的模型驱动架构技术，通过构造语义和语用中介模型的思路，分别提供语义和语用层面服务集成的互操作局部解决方案，为本研究提供了理论参考。

基于上述理论，通过提取核电突发事件链及其涉及领域的系统结构和应对机理方面的特征，将物理空间的事件情景、组织、资源、活动和联动响应逻辑等映射到语义知识空间，①可对不同部门异构信息和知识在该空间进行统一的形式化表达建模，规避语法层面的异构性；②基于该空间，建立部门异构信息内容、含义方面的语义映射，实现语义层面集成；③基于该空间，对不同部门异构无序的业务流程，进行有序化再定义，实现语用层面的应急组织协同。基于此思路，综合考虑应对核电突发事件链跨部门应急集成过程中存在的异构性问题，以互操作为切入点，提出面向核电安全应急的跨部门集成空间框架。

2物理世界核应急集成要素分析

根据“情景-应对”的非常规突发事件应急管理范式[11]，在核应急响应阶段，通过实时监测与信息收集，对核事故情景链进行综合研判，启动相应类型与等级的核应急预案(如核设施抢修、火灾救援、人员疏散、医疗救援、资源运输等跨部门协作的预案组合)；并结合现有应急资源、组织执行能力，以及情景演化状态，通过不同领域、粒度层面子预案的细化重组，对初始预案和行动例程进行可执行化动态调整，形成由响应流程构成的整体响应执行方案；通过调配相应各部门的人员、资源，实现跨部门组织资源应急联动，协作执行响应救援任务；根据救援与灾害情景状态演变效果，动态调整核应急响应方案，形成“情景分析-方案形成-组织执行-资源保障”的集成化闭环响应过程。

因此，可将物理世界抽象为由情景-任务-组织-资源4类要素构成的复杂大系统，各类要素在不同时刻下的结构、运行状态均不同。①核电灾害链情景反映应急响应需求，一个时刻的事件链情景具有特定的子事件结构，随着事件的演化而涌现出新的情景状态。②应急响应任务是应急预案的具体化，由可执行的流程、活动构成的任务链(预案链)，具有顺序、并行、分支、循环等一般性逻辑结构。③核应急组织是应急任务的执行者(人)，来源于不同部门，在常态下，具有不同的职能与组织结构，其业务流程间具有较强的异构性；在战时应急响应状态下，进行组织整合与重构，形成跨部门的核应急组织链，执行跨部门的应急联动响应任务。④核应急资源链是由装备、设备、信息服务、资金等构成的各类分散分布的核应急资源网络(见图2)，为应急任务的执行提供支持。不同的可用核应急资源由不同部门的组织支配，即使是闲置社会应急资源，亦可将其归入社会核应急组织部门。进而，理论上通过组织的按需跨部门重构，可实现资源的绑定。

图2　基于“情景-任务-组织-资源”的　　核应急系统集成要素分析

3跨部门集成空间(MDIS)

3.1MDIS结构模型的提出

面向核灾害链应急的跨部门集成空间结构见图3，集成过程包括3个关键环节：

图3　面向核电事件链应急响应的MDIS空间结构模型

(1)空间映射与建模多个子事件按一定结构形成核电灾害链，其应急响应任务复杂，往往需要调用多个部门的组织、资源要素协同完成。根据“情景-任务-组织-资源”的集成化响应过程，MDIS空间由情景空间、任务空间、部门空间。情景空间是核灾害链节点事件及其属性特征在MDIS映射的子空间集合。可根据现有核电突发事件演化机理[12]，识别事件链结构，及其节点事件类型、级别等属性特征。任务空间是应对特定节点事件的应急任务要素及其属性特征在MDIS映射的子空间集合， 结合事件应对预案和专家经验，分析和提取事件应对的应急任务需求；识别、提取多部门应急组织、资源和能力要素类型、属性、结构、运行规律等与特定突发事件情景相关的重要特征。一方面，可基于情景模板、预案和经验来定义可重构的任务组件[13]；另一方面，也可根据当时的环境需求，临时定义集成任务结构。部门空间包括组织与资源子空间，是社会各部门核应急组织、资源要素及其属性特征在MDIS映射的子空间集合，可根据要素实时状态进行动态构建和更新。通过构造情景、任务、组织与资源的空间模型，实现核应急集成化响应问题从物理空间到MDIS空间的映射，空间映射和建模原理在后面详细讨论。

(2)空间互操作处理基于统一的语义空间映射与建模技术，可基本保证MDIS语法层面的互操作性，而由于构建过程并非同步进行，各应急部门间存在固有的语义和语用异构性，部门空间要素对于可能产生的跨部门核应急响应任务来说是杂乱无序的，领域空间要素间仍存在不一致性。因此，需要对可能产生部门空间要素内容歧义的语义表达进行预定义，并建立不同部门组织-资源子空间之间的协调和理解机制，以保证跨部门组织和资源信息在MDIS的互操作性。具体处理原理在第4部分详细讨论。

(3)空间决策响应根据核灾害情景进行决策响应，是MDIS的集成目标。在空间集成预处理基础上，第5部分引入多代理系统(MAS)技术设计MDIS空间分布式集成推理框架，以支持基于语义的核应急跨部门决策推理功能。

3.2MDIS结构模型的定义

本体作为语义建模的有效方法，可将物理空间的核应急系统映射到语义空间。定义该建模方法的基本范式，可以实现物理世界事件情景和跨部门系统结构在MDIS空间的规范化分析、提取、映射、描述和管理功能。MDIS空间结构可表示为三元组MDIS::={OC, CA, CL, CR}，是本体概念类(OC)、类属性(CA)、类关联(CL)和约束关系(CR)的集合。其中OC表示空间本体类的集合，它是构成MDIS空间的基本要素类型，是具有同类属性本体实例的抽象；CA表示空间本体类数值属性的集合，是跨部门核应急组织资源实例语义匹配的计算依据；CL表示本体概念类以及属性间的逻辑关联；CR表示概念类/实例、属性/属性值之间的约束关系，可用语义规则或各种语义匹配算法[14, 15]来定义。

(1)MDIS空间要素及其属性的定义MDIS应涵盖情景、任务、组织、资源4类空间要素，跨部门集成过程的实质就是根据情景变化、建立“情景-任务-组织-资源”的动态匹配关系。其中，① 核灾害情景可表示为构成核灾害链的子事件(Event)的集合，可表示为事件空间本体(ESO)，其属性描述结构可定义为EA={Event_ID, Event_Name, Event_Type, Event_Level, Event_Location, Event_RelevantPlan,…}；② 核应急任务(Task)是应对不同子事件应急预案的集合，可表示为任务空间本体(TSO)，需根据组织、资源的实际状态调整，以形成可执行的响应方案，其属性描述结构可定义为TA={Task_ID, Task_Name, Task_Type, Task_RelevantEvent, Task_RelevantDepartment, Task_ResourceDemand, Task_SpaceConstraint, Task_TimeConstraint, …}；③ 核应急组织(Organization)是执行应急任务组织单元的集合，可表示为组织空间本体(OSO)，其属性描述结构可定义为OA ={Staff_ID, Staff_Name, Staff_Department, Staff_Location, …}；④ 核应急资源(Resource)物资、信息、设备等软硬核应急装备资源的集合，由不同的社会应急部门的组织支配，可表示为资源空间本体(resource space ontology，RSO)，其属性描述结构可定义为OR={Resource_ID, Resource_Name, Resource_Type, Resource_Quantity, Resource_Location, Resource_Cost,…}

(2)MDIS空间的类关联定义类关联CL可表示为二元谓词组的形式，指空间本体概念类与概念类，概念类与属性间的语义关联，包括：

① 继承类关联“Is_SubClass_Of”，描述父子类关联，表示某概念类OC1是另一概念类OC2的子类。如在核应急资源空间本体中，稳定碘是一种防辐射药品，可表示为Is_SubClass_Of(?iodine, ?medicine)。

② 组合类关联“Combine”用于描述空间概念类之间的组成结构，包括前后件关联“Is_Predecessor/Successor_Of”的简单序列组合结构，以及并列“parallel”、分支“Split”、汇合“Join”、嵌套“Nested”等复杂组合结构关联。如在核应急任务空间本体中，需要先撤离可能受辐射人员，再服用稳定碘药品以实现碘甲状腺阻断等辐射防治工作，可表示为Is_Predecessor_Of(?Evacuating, ?RadiationPreventing)。

③ 类-属性关联“Is_Attribute_Of”，用于建立MDIS空间属性与其所属本体概念类之间的语义关联。如在核应急组织空间本体中，某应急救援人员隶属于某部门，即拥有属性部门，可表示为Is_Attribute_Of(?Department, ?Staff)。

④ 等价关联“Equivalent”，用于表示具有相同语义的空间概念类之间的关联。如在核应急资源空间中，稳定碘被某些部门称为碘，被另一些部门成为防辐射药品，可建立二者间等价关联，表示为 Equivalent(?Iodine, ?RadiationPreventingMedicine)。

⑤ 互斥关系“Exclusive”，用于区别于上述几类关联，表示空间概念类、属性间无相关性的关联语义。如核应急救援装备中的灭火器与运输直升机是相互独立的MDIS空间概念类，可表示为Exclusive(?Extinguisher, ?Helicopters)。

上述5种关联可较为清晰地在MDIS空间构造跨部门核应急系统，也可在此基础上扩展新的语义关联以丰富MDIS空间的结构模型。

(3)MDIS空间约束关系定义此类约束用以描述MDIS空间中子空间要素间的动态语义匹配关系，包括组织-资源绑定(O-R Binding)、情景-任务匹配(S-T Matching)、任务-组织(T-O Performing)执行3类约束关系。

鉴于特定核应急资源(装备、物资)通常需要专门人才使用，隶属关系稳定，可认为组织-资源已实现静态绑定关系。情景-任务匹配约束可定义为：ej=ΩET(T,t1,t2,…,tn)，表示某核灾害情景下的子事件ej空间概念需要空间概念t1,t2,…,tn表示的核应急响应任务来应对，它们之间的逻辑关系称为响应任务T约束。任务-组织匹配约束可定义为：tj=ΩTO(O,o1,o2,…,on)，表示某应急任务tj空间概念需要空间概念o1,o2,…,on表示的核应急响应组织来应对，它们间的逻辑关系称为组织O约束。

有效地表达空间结构和运行规则是实现集成与决策的关键。OWL与SWRL具备良好的知识网络结构与规则表达能力，运用OWL建模空间本体，SWRL规则用于描述和推理约束关系，将MDIS空间转化为基于语义的形式化模型(相关语法可参考文献[15])。

4MDIS互操作

4.1MDIS互操作问题的界定

集成互操作问题主要表现在语法、语义和语用3个层面。基于MDIS空间映射建模，可实现跨部门系统在MDIS空间的统一形式化表达；同时，包括XML、SOAP、WSDL等诸多较为成熟的底层通信技术和标准已在业界提出和应用，因此，MDIS的语法异构性在本文中暂不讨论。

MDIS空间的语义互操作性指在不同的部门子空间，用相同的概念类指代相同的事物。语义互操作问题通常是由于不同部门、组织对物理世界中要素理解、抽象和表达方式的差异造成的。通过不同部门组织(资源)间发送和接收的消息序列来产生语用互操作行为，以支持MDIS空间的跨部门资源整合。MDIS空间语用互操作性指某部门子空间发送的消息能否实现参与跨部门集成的另一部门所预期的效果，能否保持行为的一致性。借鉴数据库、信息系统、智能代理系统等领域语义互操作性问题的广泛分类研究，文献[10]分析和归纳了异构系统可能存在的基本语义、语用互操作问题。

4.2MDIS空间互操作问题的解决

跨部门核应急集成过程中，某部门组织(或资源)往往通过请求和调用另一部门提供的资源来实现跨部门协作。如应对“核泄漏”事件时，先由信息部门向公众发布撤离集结通知，再由治安部门帮助公众到达集结点，由医疗部门协助发放和服用稳定碘药品以实现碘甲状腺阻断等辐射防治工作，集结完成后，再向运输部门发送请求运输的消息。然而，MDIS空间的跨部门集成者往往不是部门子空间的抽象和构造者，无法改变系统原有的结构和运行方式，难以在空间映射建模过程中消除部门子空间之间固有的异构性(见图4)。STANISLAV[10]综合运用语义网和模型驱动架构技术，提出分别构造语义和语用两类中介模型的思路，以避免破坏原被集成系统结构而实现服务集成的互操作调解过程。故作为补偿方式，本研究为避免破坏原MDIS空间结构，借鉴构造中介模型的思路，一方面，通过构造中介本体模型(mediated ontology model，MOM)来翻译和交换不同部门本体概念、属性的符号表达，以保证语义层面部门间消息的准确理解和交互；另一方面，通过构造中介行为模型(MAM)来确保部门间协作行为逻辑的一致性。

图4　MDIS空间互操作处理原理

图5　MDIS空间语义和语用互操作处理示例

(1) MOM定义MOM通过定义参与互操作的部门空间概念类所等价的镜像概念语义关联来确保消息内容及其含义的一致性。这样既保证了原部门本体结构和属性不被破坏，又可通过其等价的镜像本体概念建立准确的匹配关系。MOM的构造原理以概念粒度不一致问题为例(图5-①)，核工业领域空间用概念OC_StreamExplosion表示核电事件链中的蒸汽爆炸事件，而消防领域仅从爆炸事件的粗粒度层面定义此类事件，在MDIS空间表示为OC_Explosion。虽然在应对过程中指代同类事件，但存在粒度不一致性冲突。解决此类问题可通过细分消防部门空间的概念为两个(或更多)完全无关的小粒度概念，并通过等价关系将本应等价的小粒度概念关联起来。首先，基于语义关联equivalentClass分别构造与StreamExplosion等价的镜像概念ExplosionA以及与Explosion等价的镜像ExplosionB。其次，基于语义关联IsSubClassOf构造ExplosionB的两个子空间，分别为ExplosioC(表示蒸汽爆炸事件)和ExplosioD(表示其他类型的爆炸事件)；最后，建立ExplosioC和ExplosioA之间的等价语义关联equivalentClass。

基于OWL的形式化知识表达方法借助推理引擎可自动发现集成过程中不同部门本体概念间等价、子类、互斥等蕴含的关系。语义中介模型实质是构建了不同部门子空间概念的关联，隐性消除了语义不一致性。其关联过程可通过protégé软件现有本体基础上构造新的本体概念和属性类实现。

(2)MAM定义异构系统交互行为与可能存在的部门语用业务逻辑互操作问题有关。MAM通过定义中间调解行为来确保参与互操作的部门组织行为与预期跨部门的应急响应逻辑的一致性。该模型首先定义参与集成互操作消息接收方部门和消息发送方部门组织本体概念，随后定义参与消息调解的本体概念，并通过关联这些概念的功能操作和映射关系，组合组织概念得到协作行为模型。以冗余指令问题的处理为例，我们可定义行为中介组织本体概念(图5-②)，包括两个(不相关的)小粒度组织本体OCM1、OCM2。OCM1接收消息M1并忽略掉它，随后OCM2接收消息M2，并将其发送给OCB。同理可处理各种可能发生的业务逻辑互操作问题，提出相应的MAM设计模板，以调解消息接收方和发送方协同响应逻辑的不一致。

(3)MOM和MAM适应性讨论利用MOM能否完全消除MDIS部门空间的语义异构性？其测试过程可在实际推理时基于Tableau 算法，自动发现不同部门核事故情景或应急资源本体概念间存在的不一致性问题，并抛出异常。针对所抛出的异常，再调整或定义新的MOM模型来不断完善。

基于文献[14]阐述的语用互操作性的基本满足条件为：至少存在一个行为组合结果，可同时满足所有参与集成的行为交互约束及行为逻辑约束。因此，关于如何考量MAM能否实现MDIS部门空间之间的语用互操作？可将跨部门核应急集成响应逻辑、约束映射到Petri Net，通过仿真计算，分析该集成方案中各部门应急行为是否具备可达性和可行性。若完全可达，且未出现错误，则说明在MAM模型的调解下，实现了MDIS空间的语用互操作。限于篇幅，集成方案的Petri网转化过程可参考文献[15]。

5基于MAS的MDIS空间分布式推理系统设计

5.1MDIS空间基本推理任务

针对地理分散、信息异构、职能各异的社会核应急相关部门，建立其MDIS空间模型，物理空间跨部门的核应急响应决策问题被迁移到MDIS空间，进而可利用语义推理计算的方式求解，推理算法可通过构造语义规则来实现[14,15]。鉴于核应急系统涉及诸多部门，集中式的知识表达和推理方式难以描述异步更新的部门空间本体信息，极大地限制了知识存储、交互、与协同求解的效率。

MDIS空间(见图3)包括情景、任务、(部门)组织、(部门)资源空间等部件，是物理空间核灾害情景、应对逻辑、以及跨部门核应急系统的知识映射与表达。基于MDIS的核应急响应的集成化决策过程可理解为“在异构部门系统可互操作前提下，确定资源-组织、情景-任务、任务-组织动态匹配关系的语义推理过程”。故MDIS空间至少具有三阶段基本推理任务(见表1)。

表1　各阶段基本推理任务及其描述

5.2MDIS空间推理系统逻辑结构

为支持MDIS空间各部件的信息/知识传输、交互和分布式协作推理等核应急集成化决策功能的实现，结合多代理系统(MAS)技术[16]，根据MDIS空间结构模型，设计分布式推理系统模型(见图6)。

(1)构造智能推理代理(SRA)，执行基本推理任务 每个SRA包括知识库、规则库、事实库和推理引擎四部件。知识库基于OWL技术封装了MDIS空间本体模型；规则库封装了各阶段语义推理规则，通过事实库导入实时本体实例信息，推理引擎通过推理演算可得到以跨部门集成的核应急方案。

PhaseⅠ是各部门空间内知识推理，推理次数依据参与核应急响应的部门数而定，为支持异步并行推理， 可构造多个部门空间推理代理(DSRA)。DSRA封装了各部门空间本体和资源-组织绑定规则，其主要功能是对组织、资源等各部门系统要素本体实例进行管理和通信，通过语义推理确定资源-组织隶属绑定关系。

图6　MDIS空间分布式推理系统结构模型

PhaseⅡ、PhaseⅢ是跨部门空间知识推理，可分别构造情景空间推理代理 (SSRA)和任务空间推理代理(TSRA)。SSRA封装了情景空间本体和情景-任务匹配规则，其功能是对中核灾害链事件等本体实例进行管理和通信，通过语义推理确定情景-任务动态匹配关系。TSRA封装了任务空间本体和任务-组织执行规则，其功能是特定情景事件下的应急响应预案和行动计划组合本体实例进行管理，通过导入组织本体实例信息，推理发现各类子任务的执行主体组合。

(2)构造互操作代理(IA)由于不同部门空间以及跨部门任务空间之间可能存在的互操作问题，引入MOM和MAM模型，通过IA封装所有可能出现并需要映射转化的部门空间中介本体和中介行为，从语义-语用层面支持各部门空间代理互操作通信。

完整的推理流程包括：①各部门空间通过DSRA实现各自相应OSO、RSO实例信息、“O-R”绑定规则的导入，完成PhaseⅠ的Binding推理任务，返回并更新DSRA本体库的组织-资源实例绑定信息；②SSRA将情景空间核灾害子事件本体实例信息、“S-T”匹配规则导入推理引擎，同时TSRA将TSO实例信息导入推理引擎，完成PhaseⅡ的Matching推理任务，返回并更新SSRA、TSRA本体库的情景-任务实例匹配信息；③通过TSRA-IA-DSRA交互，DSRA通过IA处理，将可互操作的各部门OSO实例信息发送给TSRA，通过将TSO和OSO实例信息、“T-O”执行规则导入TSRA的推理引擎可完成PhaseⅢ的Performing推理任务，并将任务-组织实例执行关系的结果返回，以更新TSRA和DSRA本体库，完成一次完整的跨部门集成推理的执行过程。

6应用示例

(1)背景某地区发生核泄漏事件，该地区附近有一学校(公众约1000人)。其预案应对过程包括人员集结、辐射防护、人员撤离3个任务节点。目前可用资源及其所属的组织关系包括：集结任务可由学校部门的组织“教师”在设施资源“操场”处执行(操场容量1500人)；辐射防护任务可由卫生部门的组织“医疗人员”通过分发并指导服用药品资源“稳定碘”完成(稳定碘储备2000人份)；由于该地区运输能力不足，人员撤离任务可从相邻地区借调“直升机运输队”或“汽车运输队”来执行撤离任务(完成撤离任务直升机运输队需花费时间60分钟，汽车需花费180分钟)。

分析与建模：一方面，由于预案中关于集结任务的描述通常是：由“组织人员”在“集结地”执行。对于本例来说，现有集结的执行组织“教师”与可用资源“操场”与之存在语义不一致；另一方面，在任务序列的组织执行者“教师”、“医疗人员”、“司机”之间不存在明确的消息传递载体，无法实现跨部门的响应逻辑。

针对两类集成异构性问题：一方面，构造由“组织人员”和“集结地”本体类组成的MOM，并分别建立两者与“教师”和“操场”的本体概念类等价关系，以支持语义层面互操作；另一方面，构造由“人员信息”、“集结人员信息”、“已服药人员信息”、“已撤离人员信息”本体类组成的MAM，分别作为“教师”、“医疗人员”、“司机”的输入、输出信息的消息载体，以完善跨部门的响应逻辑，实现语用层面互操作。根据思路，可分别构建事件、任务、部门空间本体结构模型及MOM、MAM模型见图7(OC为空间本体概念，括号中为该概念现有的本体实例)。

图7　场景A的MDIS空间模型

图8　本例推理结果截图

推理与讨论：利用Protégé软件搭建本例MDIS模型的推理实验系统，构造相应的本体、对象关系、属性，以及约束推理规则，导入事件背景数据可分部推理得到跨部门集成方案。结合图7空间模型，从第一步推理结果(图8-①)看出，存在满足组织执行任务所需资源约束(如操场容量、药品数量等)的可行跨部门响应组织序列为“O1-O2-O31”和“O1-O2-O32”。经过对总救援时间的比较计算推理，后者更优于前者(图8-②)。故最优集成响应方案为：“教师O1”在设施资源“操场R1”处执行“集结任务T1”；接着，“医疗人员O2”分发“稳定碘R2”执行“辐射防护任务T2”；“直升机运输队O32”执行“人员撤离任务T3”。在推理进程中软件未提示异常，说明经过构造MOM，本模型满足语义互操作性；同时，通过构造MAM消息传递模型，使“O1-O2-O3”成为满足所有参与部门集成行为约束的跨部门响应组合序列，进而证明了其满足语用互操作性。

7讨论

(1)核事故应急应对的相关研究国际原子能机构(IAEA)制定了一系列核灾害应急准备与响应标准体系，用于指导特定核事故场景下具体响应需求和处置计划的快速形成，包括应急需求计划、区域核事故应急中心、核应急响应与救援网络等[17]。在核辐射监测预警方面，美国的国家大气释放决策支持能力系统、日本的全球范围环境应急剂量信息预测系统、欧洲的实时在线核应急决策支持系统等均具有对核辐射释放与扩散范围、程度预测的分析功能，为应急响应过程选择防护干预措施提供决策支持[13]。黄挺等[18]对核设施的安全分析、辐射环境影响评价问题展开研究，对当前和未来环境中辐射照射情景进行实时在线地诊断和预测。柴国旱等对反应堆安全分析、核燃料与放射性物质管理等问题展开研究，运用概率全评价、核事故过程模拟分析等方法对核电系统安全性进行风险评估；基于GIS、信息集成等技术，核电站辐射连续监测与防控、核事故应急预警与控制、核应急防护行动决策等系统被研究和开发；刘长安等以福岛核事故为例，针对核电事故场外应急需求，总结并介绍了辐射防护、人员撤离和隐蔽特征[19～21]。

不难看出，国内外学者对核事故灾害应急准备、预测预警、响应决策等各个应急应对环节展开详细研究。然而，现有研究割裂了核电事故与其可能引发的次生衍生灾害之间的链式演化关联，以支持协同决策、联动响应处置为目标，从核灾害链的视角探索社会系统可用应急资源跨部门集成方面的研究仍十分罕见。

(2)跨部门集成的相关研究国家自然科学基金委员会管理科学部2008年启动了“非常规突发事件应急管理重大研究计划”，学者们围绕跨部门、跨领域集成与应急决策问题开展了深入研究：清华大学承担的“情景-心理-决策的非常规突发事件应急管理基础科学问题与总集成升华平台”致力于应急决策过程中心理、管理、信息等不同领域数据、案例、模型集成框架与技术研究；基于此集成升华平台的理论成果，中科院、国防科技大学提出了人工社会与平行计算等技术，通过平行多主体建模与仿真技术实现网络舆情、公共卫生等类型突发事件的情景仿真与综合研判；在此基础上，中国安全生产科学研究院致力于研究应急预案的集成方法[22]；香港大学、东北大学、北京科技大学针对多源信息与知识融合过程中互操作协议、本体模型的语义复杂度等方面展开研究[16,23]。

上述研究主要是对(半)结构化数据、模型、案例的异构信息集成。一方面，此类集成框架是基于现行各领域信息系统的二次集成技术，集成规模虽大，但由于海量杂乱无序的信息/知识汇聚，难以对特定类型(核)应急决策问题进行快速建模与求解。另一方面，基于多主体建模、社会计算与平行仿真技术的建模难度与计算成本过高，目前主要用于传染病、自然灾害、网络舆情等某一类突发事件演化机理的研究中。从核电事件链视角，基于语义描述与逻辑推理的方法开展的跨部门集成方面的研究仍不多。由于语义建模的快捷性和一致性，可较高效、准确地描述和求解问题获得集成方案，可作为目前跨部门集成方法研究的新思路。

因此，区别于国内外相关研究，MDIS框架的主要特点包括：①在跨部门系统建模方面，面向核事故灾害及其与应急应对的特殊需求，从“情景-任务-组织-资源”的整体视角分析跨部门核应急系统，将物理空间分散核应急系统结构映射到MDIS空间统一表达；②综合考虑语义、语用层面异构性，提出MDIS空间跨部门的互操作处理方法；③基于计算复杂度较低的语义推理方式，设计空间推理系统以求解跨部门的核应急集成方案，为核应急响应决策提供了集成化的新思路。

(3)结论与展望针对核应急跨部门集成过程中面临的领域异构性问题，本研究从“情景-任务-组织-资源”的视角分析了核应急响应系统基本要素、结构和运行逻辑；结合空间映射、语义网等技术提出MDIS集成框架，通过定义空间要素及其属性、关联、约束，建立MDIS空间结构模型，将源物理空间的核应急集成问题迁移到目标MDIS空间；界定了由部门领域异构性产生的MDIS空间互操作问题，并提出通过构建MOM和MAM模型实现空间互操作的处理方法；设计了基于MAS的MDIS空间推理系统，以支持跨部门核应急决策问题在MDIS空间的计算和求解；最后，设计“核泄漏跨部门响应”的应用实例，阐述了本框架的实施原理，综合考虑了语义、语用层面的空间异构性处理问题，力图验证本方法的有效性和实用性。

本研究从核应急的跨部门集成需求出发，所提框架具有共性和可扩展性，可与不同的非常规突发事件情景结合，应用到不同的领域跨部门应急集成过程中。然而，由于条件限制，示例中并未开发分布式推理系统，方法的可操作性离的实际应用还有一定的差距：实际核应急情景关系复杂，核应急系统覆盖多个社会部门系统，将导致空间模型、推理过程进一步复杂，模型规模、推理计算度也将随之剧增，仅通过现行软件难以满足实验要求。如何实现复杂情景细节-领域专家知识-集成技术的融合，开发更符合实际核应急需求的分布式MDIS建模与推理计算实验原型系统，将成为后续研究的重心所在。

参考文献

[1] 岳中岳，张新超，陈新，等. 日本福岛核事故的启示[J]. 实验室研究与探索，2012，31(7)：438～441

[2] NAGATANI K, KIRIBAYASHI S, OKADA Y, et al. Emergency Response to the Nuclear Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants Using Mobile Rescue Robots[J]. Journal of Field Robotics, 2013, 30(1):44～63

[3] BANDLER J W, BIENACKI R M, CHEN S H, et al. Space Mapping Technique for Electromagnetic Optimization[J]. IEEE Trans.Microwave Theory Tech, 1994, 42(12): 2 536～2 544

[4] ZHUGE H, XING Y P, SHI P. Resource Space Model,OWL and Database Mapping and Integration. ACM Transactions on Internet Technology, 2008, 8(4): 20～50

[5] SENGUPTA K, HITZLER P. Web Ontology Language (OWL)[C]//ALHAJJ R , ROKNA J. Encyclopedia of Social Network Analysis and Mining, Heidelberg: Springer , 2014: 2 374～2 378

[6] LEZCANO L, SICILIA M A, CARLOS R S. Integrating Reasoning and Clinical Archetypes Using OWL Ontologies and SWRL Rules[J]. Journal of Biomedical Informatics，2011，44(2)：343～353

[7] 何克清. 本体元建模理论与方法及其应用[M]. 北京：科学出版社，2008

[8] GASHTI M Z. Investigating SOAP and XML Technologies in Web Service[J]. International Journal on Soft Computing, 2012, 3(4): 15～19

[9] LIU Y L, WANG J H. Data Integration of Bioinformatics Database Based on Web Services. International Journal of Web Applications. 2009, 1(3):127～134

[10] POKRAEV S. Model-Driven Semantic Integration of Service-Oriented Applications[D]. Enschede: University of Twente,2009

[11] BANULS V A, TUROFF M, HILTZ S R. Collaborative Scenario Modeling in Emergency Management through Cross-Impact[J]. Technological Forecasting and Social Change. 2013, 80(9): 1756～1774

[12] IAEA. IAEA Response and Assistance Network[R]. International Atomic Energy Agency， 2013

[13] YIN Y H, XIE J Y. Reconfigurable Manufacturing Execution System for Pipe Cutting[J]. Enterprise Information Systems. 2011, 5(3): 287～299

[14] 谢天, 李从东, 汤勇力, 曹策俊. 面向突发性制造需求的跨领域语义X 列表集成方法[J]. 计算机集成制造系统,2015, 21(4): 1063～1076

[15] 谢天. 基于语义X 列表的跨领域系统集成方法研究[D]. 广州：暨南大学，2013

[16] WANG G, WONG T N, WANG X H. A Hybrid Multi-Agent Negotiation Protocol Supporting Agent Mobility in Virtual Enterprises[J]. Information Sciences, 2014, 282(1): 1～14

[17] FLORIAN B, ELENA B, RAFAEL M, et al. Incident and Emergency Centre of the Iaea[J]. Health Physics, 2010, 98(6): 779～783

[18] 黄挺，曲静原，童洁娟，等. 核电厂烟羽应急计划区划分方法研究[J]. 核动力工程，2012, 33(2):127～131

[19] 徐志新, 奚树人, 曲静原. 核事故应急决策的多属性效用分析方法[J]. 清华大学学报：自然科学版, 2008, 48(3): 445～448

[20] 陈耀东, 周拥辉, 石俊英, 等. 福岛核电厂3号机组严重事故模拟分析[J]. 原子能科学技术. 2012, 46(3): 283～289

[21] 刘长安，尉可道. 福岛核事故中的撤离和隐蔽[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2011, 31(5): 610～613

[22] 张辉. 基于“情景-应对”的国家应急平台体系基础科学问题与集成平台[J]. 系统工程理论与实践，2012, 32(5): 947～953

[23] 甘明鑫. 基于同构本体结构的企业系统语义复杂度[J]. 情报杂志, 2011, 30(2): 135～141

(编辑刘继宁)

Multi-Department Integrating Space Frame for Nuclear Disaster Emergency Managing

XIE TianWEI Yaoyao

(University of South China, Hengyang, Hunan, China)

Abstract：To deal with the heterogeneity in the cross-department integration processes for nuclear emergency system, the system elements, structures and operation logics are analyzed from the “Scenario-Task-Organization-Resource” perspective. With the technologies of Space Mapping and Ontology, the Multi-Department Integrated Space (MDIS) framework is proposed. Based on this framework, the space elements, the links and constraints of them are defined, and the MDIS structure model is constructed, and then the original problems of nuclear emergency response in physical space are transformed into the target problems of integration in the MDIS space. After that, the potential interoperability problems of the MDIS are discussed, and the relevant solutions based on constructing mediator models in MDIS are presented. Furthermore, for supporting the processes of multi-department nuclear emergency decision-making, the MDIS space reasoning system is designed based on multi-agents. Finally, with an example, the validity of this framework is verified.

Key words：nuclear disaster, scenario, multi-department integration, nuclear emergency management

通讯作者：谢天(1984～)，男，湖南醴陵人。南华大学(湖南省衡阳市421001)经济管理学院讲师，博士。研究方向为应急管理、信息管理与信息系统、集成化管理等。E-mail: thanksky709394@163.com

中图法分类号：C93

文献标志码：A

文章编号：1672-884X(2016)02-0295-11

基金项目：国家自然科学基金资助青年项目(71501087)；教育部人文社科研究资助青年项目(14YJCZH168)；湖南省自然科学基金资助青年项目(2015JJ3107)；湖南省教育厅课题资助项目(14C0976)；南华大学博士科研启动基金资助项目(2013XQD27)；南华大学管理科学与工程省重点学科资助项目

收稿日期：2015-10-06

DOI编码： 10.3969/j.issn.1672-884x.2016.02.016