基于本体的应急情境知识表示

杜　磊，许　博，阚　媛，高　珊

(1.军事交通学院 基础部，天津 300161； 2.天津电子信息职业技术学院 计算机应用系，天津 300350；3.天津商业大学 信息工程学院，天津 300134)



基于本体的应急情境知识表示

杜磊1，许博2，阚媛1，高珊3

(1.军事交通学院 基础部，天津 300161； 2.天津电子信息职业技术学院 计算机应用系，天津 300350；3.天津商业大学 信息工程学院，天津 300134)

应急情境是应急处置的重要决策依据。针对应急情境的知识表示问题，利用ABC本体模型为上位本体，从应急情境的概念、关系、函数、公理和实例5个方面，提出应急情境本体模型ES_Ontology，并以此为基础建立了应急情境的知识表示部分实例。结果表明，ES_Ontology模型能够对应急情境的知识体系进行系统的知识表示。

应急情境；本体；ES_Ontology；知识表示

当今世界，突发性公共事件不断发生，美国“卡特里娜”飓风、“5·12”四川汶川特大地震、日本9.0级大地震及核泄漏等，都给世界各国人民的生命财产带来巨大损失。在应对突发公共事件时，由于其表现形式复杂且具有高度不确定性，给突发事件的应急处置工作带来了巨大挑战。因此，如何构建合理、有效的应急情境知识体系，对于突发事件的预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援、事后恢复与重建等应急处置阶段都具有重要的决策支持作用，对于应急准备规划、应急预案管理和应急培训演练等一系列应急管理工作实践具有不可或缺的支撑作用。

自“9·11”恐怖袭击后，美国政府加强了对应急管理的研究力度，并专门制定了《国家应急规划情景》[1]，提出了15种重大突发事件情景是美国面临最严重的风险和挑战，成为了应急预案编制工作的指导性文件。在国内，刘铁民[2]在基于“情景—任务—能力”应急预案编制技术研究工作中，也认为重大突发事件情景构建对应急准备和应急预案编制具有重要先导作用，提出重大突发事件情景基本概念、分类矩阵、构建程序、情景框架结构与要素内容等一些理论与方法。

本体是“共享概念模型的明确的形式化规范说明”[3]，通过建立应急情境本体，构建应急情境的共享语义基础，为领域信息共享和互操作提供共同理解，是解决上述问题的有效途径。

关于情境本体方面的研究，大多是基于情境感知研究领域的，Norbert等[4]认为基于本体的情境感知方法是解决大规模控制系统的信息过载问题的有效方法，因此建立了BeAware!的本体，并将原型应用于道路交通管理。而Jung等[5]则提出了利用网络资源来自动构建大规模情境本体的方法。为解决情境感知的语义理解问题，Mieczyslaw等[6]利用OWL本体对情境进行形式化表示。同时，本体不仅经常作为语义网的知识表示方法[7-8]，Jing He等[9]在物联网中的基于上下文的智能网络服务的研究中，也将本体作为情境知识表示方法。

在应急管理应用中，Gary[10]认为建立情境本体模型能更好地对灾难管理概念进行形式化表示，并且这种本体设计模式方法是未来描述特定情境的有效研究和开发手段。基于这种理念，研究人员也采用了多种方法相继建立了一些应急领域的本体模型。Wang W J等[11]建立了应急预案流程本体模型，能够为应急预案的流程表示提供必要的语义基础。而Gao X R[12]使用SWRL语言，设计了基于本体的钻井突发事件的应急决策系统。冯志勇等[13]建立了物流应急预案本体，利用本体的语义表达能力以及推理和查询机制，解决了物流应急预案智能处理的问题。张波涛等[14]则针对消防领域内部存在大量异构信息的问题，采用本体技术建立一种标准化格式的异构信息知识库，从而实现信息的共享和透明访问。

虽然应急领域的知识表示和情境本体已经积累了一定成果，但上述的研究大多根据各自的需求而定义的情境的概念结构，或应急预案的知识表示，没有形成完整的应急情境的知识体系。

为此，本文以ABC本体模型为上位本体，通过概念、关系、函数、公理和实例的五元组的形式化表示方式，建立了应急情境本体模型ES_Ontology，并以芦山大地震为例，进行了应急情境的知识表示应用。

1　上位本体模型

Harmony国际数字图书馆项目提出的ABC本体模型[15]具有轻量级、通用性好、概念清晰等优点，以ABC本体作为上位本体能够为不同领域的元数据本体提供共同的概念模型，能够描述事件、动作、情景、地点、Agent等概念和概念间的关系，主要概念包括：

Entity：实体类，描述客观世界的现实存在；

Actuality：具象类，描述能被感知的实体集合；

Agent：存在于事件或某些动作中，可能是人、设备、组织等；

Temporality：时象类，作为Entity的子类，Temporality描述了具有时间存在性的实体；

Place：地点类，作为Entity的子类，描述了时象类和具象类的具体空间位置。

2　应急情境本体建模

以ABC模型为上位本体，构建应急情境本体模型，模型使用UML进行表达，能够直观表示应急情境的概念及概念间的联系(如图1所示)。

文献[16]提出的本体建模元语、应急情境本体模型ES_Ontology可以定义为一个五元组。

定义1ES_Ontology:=

式中：ES_Concepts为应急情境本体中的实体概念集合；ES_Relations为应急情境本体中的两个实体概念间二元关系集合；ES_Functions为应急情境本体中的情景随条件(时间等)转换规则集合；ES_Axioms为应急情境本体中的永真公理集合；ES_Instances表示应急情境实例。

图1　应急情境本体模型

2.1应急情境概念(ES_Concepts)

定义2应急情境概念可定义为ES_Concepts:={ES_C}。

其中ES_C表示应急情境的概念集，主要包括：

应急突发事件(ES_Event)：为ABC上位本体中Event的子类，表示应急突发事件；

应急环境(ES_Situation)：为ABC上位本体中Situation的子类，是应急情境的环境状态集合；

应急事件位置(ES_Place)：为ABC上位本体中Place的子类，是应急事件发生的位置；

应急事件时间(ES_Time)：为ABC上位本体中Time的子类，是应急事件发生的时间；

应急基础设施(ES_Sinfrastructure)：为应急环境的组成要素，表示应急情境中的基础设施，如建筑物等；

应急环境路网(ES_Sroadnet)：为应急突发事件发生地域的路网，包括公路路网、铁路路网、水运路网及航空网络等；

应急气象(ES_Weather)：为应急突发事件发生地域的气象情况，是应急环境的组成要素；

受灾个体(ES_Sagent)：为ABC上位本体中Agent的子类，表示应急突发事件中的受灾人员，是应急救援的客体对象；

应急行动(ES_Action)：为ABC上位本体中Action的子类，表示应急情境中发生的各种应急救援行动，如救治伤员、扑灭火灾等；

应急行动主体(ES_ActionSubject)：为ABC上位本体中Agent的子类，表示执行应急行动的应急组织或个体，如消防中队、公安局等；

应急资源(ES_Resource)：为ABC上位本体中Actuality的子类，表示应急情境中的应急资源，如交通工具、生活用品、食品等。

2.2应急情境关系(ES_Relations)

定义3应急情境关系可定义为ES_Relations：={ES_R(ES_c1,ES_c2,)|ES_c1，ES_c2ES_Concepts}。

应急情境关系ES_Relations表示了应急情境概念之间的关系，主要包括：

Constraint：描述概念之间的约束关系，如ES_Situation对于ES_Event具有约束作用，即应急环境对于应急突发事件的发生、发展具有约束作用；

Use：表示概念之间的使用关系，如受灾个体(ES_Sagent)使用应急资源(ES_Resource)等；

Locate：表示空间地理位置关系，如受灾个体(ES_Sagent)所处的空间地理位置等；

Affect：表示概念之间的影响关系，如应急行动(ES_Action)能够影响应急环境(ES_Situation)；

Occurtime：描述概念之间的时间发生关系，如应急突发事件(ES_Event)在时间(ES_Time)的发生；

Occurplace：描述概念之间的空间发生关系，如应急突发事件(ES_Event)在地点(ES_Place)的发生；

Hassubject：表示应急行动主体(ES_ActionSubject)是应急行动(ES_Action)的行动主体；

2.3应急情境函数(ES_Functions)

定义4应急情境函数可定义为ES_Functions：={ES_F:ES_c1×ES_c2×…×ES_cn-1→ES_cn，ciES_Concepts∪ES_Relations}。

ES_Functions表示ES_cn能够由ES_c1, ES_c2, …, ES_cn-1推导得出。如当火灾发生后，需要消防中队赶赴现场实施消防救援，则消防行动开始，表示为

∃a(fireEvent(a)∩needSuccor(a)∩fireDepartment(a))→fireFightingstart(a)

2.4应急情境公理(ES_Axioms)

定义5应急情境公理可定义为ES_Axioms:={ES_A}。

ES_Axioms定义了应急情境的永真公理，主要包括：

定义5.1等价公理，定义概念之间的等价关系，如物品和物资是等价的类，article=produce；

定义5.2类存在公理，表明应急情境本体的基本概念可由名称定义，如应急基础设施可以由类ES_Sinfrastructure定义；

定义5.3排他公理，表明两个概念间不存在相同的实例，如ES_Weather和ES_Sagent是相互排斥的，表示为ES_Weather⊆ES_Sagent；

定义5.4继承公理，表明概念间的继承关系，如应急突发事件继承于事件，表示为ES_Event⊆Event；

定义5.5实例化公理，表明类和实例之间的关系，如医疗用品是应急资源的实例化。

2.5应急情境实例(ES_Instances)

定义6应急情境实例可定义为ES_Instances：={ES_I|ES_IES_Concepts∪ES_Relations}。

表示应急情境的概念、关系的实例化，例如消防一中队是应急行动主体的实例化。

3　应　用

利用应急情境本体模型ES_Ontology，能够系统地建立应急情境的知识体系，通过对应急情境的概念及概念之间的关系的准确描述，便于对应急情境进行知识表示。

2013年4月20日，四川省雅安市芦山县发生7.0级地震的应急情境中某知识片段描述如下：在发生芦山地震后，震中地区省干线公路S210线已成为抢救生命和运送物资的“生命线”，5月17日，S210线灵官附近山体崩塌、落石时有发生，为保证交通畅通，巡查组进行保通情况检查，施工单位使用推土机清理道路，交管部门进行交通管制并设立警示标志。

本文利用ES_Ontology模型，对芦山地震的应急情境中的知识片段进行表示(见表1)。

表1　芦山地震中应急情境知识片段

上例中，部分知识片段的表示如图2所示。

4　结　语

本文基于ABC上位本体建立了应急情境本体模型ES_Ontology，并从概念、关系、函数、公理和实例等方面解释了应急事件、应急行动、应急行动主体、应急资源等概念及概念间关系，构建了完整的应急情境的知识体系。基于这种统一的语义基础，将有利于提高不同系统之间的应急情境知识的复用性和互操作性。最后，利用应急情境本体模型ES_Ontology对芦山地震的应急情境部分知识片段进行了知识表示应用。

下一步的工作，是以应急情境本体模型为基础，研究基于应急情境的知识推理，实现面向突发事件的应急情境感知及推理，为应急决策者提供更为科学的决策支持。

图2　四川省雅安市芦山地震应急情境的部分知识片段

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(编辑：张峰)

Ontology-based Knowledge Representation of Emergency Situation

DU Lei1, XU Bo2, KAN Yuan1, GAO Shan3

(1. General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2. Computer Application Department, Tianjin Electronic Information College, Tianjin 300350, China;3. School of Information Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China)

The emergency situation is an important basis for emergency decision-making. In view of the problems of emergency situation knowledge representation, the paper takes ABC ontology as upper ontology and puts forward emergency situation ontology model ES_Ontology from the concept, relation, function, axiom and real case of emergency situation, and establishes real case of emergency situation knowledge representation on the base of this model. The result shows that ES_Ontology model can systematically represent the knowledge system of emergency situation.

emergency situation; ontology; ES_Ontology; knowledge representation

2015- 07- 01；

2015- 09-28．

天津市科技型中小企业技术创新资金项目(14ZXCXGX00542)；天津市高等学校科技发展基金计划项目(20142120).

杜磊(1978—)，男，博士，讲师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.02.019

TP182

A

1674-2192(2016)02- 0079- 05

● 基础科学与技术Basic Science & Technology