基于知识元模型的应急情景构建研究

王红卫，冯余佳，祁 超

(1.华中科技大学 自动化学院,湖北 武汉 430074;2.华中科技大学 图像信息处理与智能控制教育部重点实验室,湖北 武汉 430074; 3.安全预警与应急联动技术湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070)

基于知识元模型的应急情景构建研究

王红卫1,2,3，冯余佳1，祁 超1,2,3

(1.华中科技大学 自动化学院,湖北 武汉 430074;2.华中科技大学 图像信息处理与智能控制教育部重点实验室,湖北 武汉 430074; 3.安全预警与应急联动技术湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070)

随着突发事件频发，应急管理显得越来越重要，应急仿真演练是训练应急人员综合处置能力的重要手段，而情景则是应急仿真演练的驱动因素。基于知识元理论，对应急仿真演练中的情景要素、要素属性及其关系、各要素之间关系进行了分析，可为应急仿真演练人员构建直观动态的情景，帮助其进行实时科学决策。

应急仿真演练；知识元；情景要素；情景构建

突发事件是指突然发生的并且会对社会造成一系列严重后果的事件，具有不可预测性、复杂性、动态性等特点，所以对其演变过程的把握显得十分困难，加大了应急管理人员决策的难度。近几年发生了几起影响较大的突发事件，如2015年6月长江客轮翻沉事件、8月的天津特重大爆炸安全事故、12月深圳山体滑坡事件和2016年法国恐怖袭击事件，这些突发事件对国家、社会造成的损失难以估计。随着科技的进步和社会的发展，突发事件发生的频率也日益增长，造成的损失越来越巨大，影响的范围也越来越广泛，如何提高政府应急管理水平，使其能快速有效地应对突发事件已成为国内外应急管理研究的重点。

目前，应急演练是提高管理人员应急响应能力的一种有效措施，是指各级政府及各部门、企事业单位、社会团体等，组织相关部门及单位人员，依据相关应急预案，模拟突发事件来临时所采取的活动[1]。根据组织形式的不同，应急演练可分为实战演练和桌面演练。其中，桌面演练又分为静态桌面演练和动态桌面演练。动态桌面演练因其适应性强，灵活性高的优点成为了应急管理领域演练式教学中常见的演练形式。但由于桌面演练缺乏规范的演练准备、难以收集演练数据、缺乏科学的态势推演，因此将分布式仿真技术与动态桌面演练相结合的应急仿真演练成为学者们研究的重点。应急仿真演练是利用计算机模拟灾害发生、灾害演化等应急情景，在计算机辅助下进行桌面练习和讨论，进而实现对应急指挥过程的演练。通过应急仿真演练可以发现应急指挥或处置过程中存在的问题，检验和评价应急预案的可行性和实用性，加强各级部门之间的相互协调能力、决策能力和危机沟通能力，使应急演练更加科学化[2]。

应急仿真演练主要采取“情景-应对”型决策模式，可以处理跨领域、跨时空、跨尺度的复杂数据，并且实现多学科、多环节、多部门的复杂交互与协同[3]。祁超等设计了基于该模式的应急演练仿真服务平台，通过计算机模拟突发事件发生、发展等应急情景，并以情景作为演练的驱动因素，进而完成桌面演习[4]。然而由于突发事件的高度不确定性和复杂性，构建科学合理的情景并将其通过计算机呈现给决策人员是高效合理地进行应急演练的前提。基于此，笔者首先对应急仿真演练中情景基本组成要素、要素属性及其之间关系、要素之间关系进行分析，并将其在应急演练仿真服务平台中存储为情景要素库，进而探讨如何利用情景要素进行情景构建，以期为应急管理人员的实时决策提供理论基础与参考依据。

1 知识元理论

传统的从宏观方面研究突发事件情景的方法不能从本质上对突发事件进行描述，一些知识表示方法不具备表达知识异构、跨学科等特点，因此必须采用一种可以从微观角度表示跨领域知识，并能够以良好的结构存储在计算机数据库中的知识表示方法。

知识元指的是不可再分割的、具有完备知识表达的知识单位，是显性知识的最小可控单位。王延章认为知识元是知识管理的最小单位，是事物无限可分的基础[5]。温有奎认为利用知识元来表达知识可以使用户更容易地查找和完善知识结构[6]。高继平等对知识元的起源、发展、定义、作用、计量指标等做了分析研究，认为从知识元的角度出发，可以以一种更细致的视角去认识事物的本质，这在知识挖掘与知识发现、知识管理、图书情报与数字图书馆乃至教育学等领域都会发挥重要作用[7]。翟劼等针对知识元模型的特征，提出了一种基于规则的知识元属性抽取方法，能从大规模数据中自动抽取出知识元及其属性[8]。郭少友等对知识元的抽取方法和表示方法进行了总结，抽取方法主要有基于文本结构和基于规则两类，表示方法主要有基于框架和基于本体两种[9]。肖文辉在文献[5]模型知识元的基础上，构建了非常规突发事件演化分析的共性知识元模型，主要包括对象知识元模型Km，属性知识元模型Ka及关系知识元模型Kr，并在此基础上构建了知识元网络，为非常规突发事件的演化分析和应急决策提供了知识支持[10]。

基于知识元单一、独立和可从更微观、更本质的层次对知识进行表示的特点，笔者从知识元角度出发，以王延章教授提出的对象、属性、关系三元组形式的共性知识元模型为基础，对情景要素、要素属性和属性间关系进行表示，为情景构建奠定基础，为应急仿真演练提供知识支持。

(1)对象知识元模型。对象知识元即对无需再分或不可再分的事物进行知识性描述，可将其抽象描述为：

(1)

式中：m为某一具体事物；M为事物集合；Nm为事物对象的概念和属性名称集合；Am表示对象属性状态的集合；Rm为对象属性间关系集合。

(2)属性知识元模型。属性知识元即对对象知识元某一属性的描述，可表示为：

(2)

式中：a为事物属性；pa为属性状态可测特征描述，如可测性、可描述等；da为属性测度量纲，如取值类型、单位、区间等；fa为属性的时变函数，当属性可测且满足时间变化规律时，有如下关系：

(3)

(3)关系知识元模型。关系知识元即对对象知识元属性间关系的描述，可表示为：

(4)

(5)

2 情景要素提取

KAHN等在1967年最先提出“情景”的概念，将情景定义为对未来可能出现的和可以使事态由初始状态向未来状态发展的一系列事实的描述，并将这一术语应用在美国国防部战略防御研究中[11]。DURANCE等认为突发事件的情景就是在应用过程中有价值的自然环境信息[12]。李仕明等认为情景将过去、现在及未来的状况作为要素，是一个复杂的集合[13]。

情景要素是情景构建的前提，是情景的基本单元[14]。要提取情景要素，首先需获知突发事件发生的相关信息，将各种渠道获得的信息进行融合与规范化处理。情景信息获取的渠道主要有：①通过查询搜索历史数据库、案例库、信息库等方式；②通过捕获监测系统获得实时监测信息；③通过应急研究人员根据突发事件之间的规则和逻辑因果关系推理获得。张承伟等认为情景可以划分为事件、载体、活动和规则4部分[15]。仲秋雁等将情景划分为事件和与事件有相互作用关系的环境[16]。王旭坪等认为情景涉及突发事件、承灾载体和应急管理3方面的众多影响因素[17]。

情景是实时决策的依据，在应急仿真演练中，参演人员对情景的认识越深刻，做出的处置就越合理，因此对情景的研究不能局限于宏观方向，要在一定程度上合理地对情景要素进行细分，这样才能使参演人员更好地了解实时状况，迅速制定出合理的行动方案，与其余各部门完成协同处置。笔者在国内外学者研究的基础上，结合知识元理论，将突发事件导致的一系列灾害后果根据其致灾原因、影响范围、作用对象等属性的不同划分为各类情景事件，并将应急管理根据响应部门采取措施的不同，进一步划分为应急组织、应急资源和处置行动，最终得到的情景要素有情景事件、承灾体、应急组织、应急资源、处置行动和应急环境6部分。

(1)情景事件。情景事件是指某一突发事件发生后在承灾体上表现出来的原子事件，可以对承灾体遭受灾害的当前状态进行简要描述。根据作用对象和影响范围的不同，情景事件主要有建筑物积水、人员伤亡、人员拥堵、道路积水、道路拥堵等子类。各类情景事件所具有的共同属性可以用知识元模型结构描述，示例如表1所示。其中，编号为由计算机自动生成的全局唯一标识符(globally unique identifier，GUID)，是一种隐性属性，作为情景要素库中存储该对象知识元的唯一标识，参演人员不可见，其余情景要素知识元编号同样如此设定。作用对象指的是情景事件所作用的承灾体，对应行动是指针对该情景事件所应采取的、可以使事件向正常状态转变的处置行动。

表1 情景事件共有属性示例

然而不同类型的情景事件所具有的特有属性差别较大，需对各类情景事件属性进行动态配置，如建筑物积水情景事件，除了上述共有属性外，其特有的部分属性可描述为：积水深度(可测，正浮点型，cm，时变)、积水量(可测，正浮点型，m3，时变)、积水面积(可测，正浮点型，m2，时变)、倒灌速度(可测，正浮点型，cm/h，无时变性)、警告水位(不可测，正浮点型，cm，无时变性)、失败水位(不可测，正浮点型，cm，无时变性)等，属性间关系(积水量，积水深度，积水面积，倒灌速度，函数关系)。

(2)承灾体。承灾体是突发事件作用的对象，是情景事件的具体体现。其既可以是具体的人或物，也可以是虚拟的互联网等。其中物主要分为公共建筑物、居民区、道路、堤段等，公共建筑物又可以分为地铁站、商场、机场等。承灾体类型的部分共有属性可用知识元模型结构描述，如表2所示，其中，经纬度是其具体在地图上所处的位置，位置描述是对其所在位置的文字性表述，方便应急管理人员理解及处置。关联情景事件是可能在该承灾体上所发生的情景事件。

表2 承灾体共有属性示例

由于承灾体空间特性、构成材质及脆弱性等特质的不同，导致不同类型承灾体的属性具有较大差异，在应急仿真演练平台中需对其进行动态配置。例如公共建筑物类型承灾体，其特有的部分属性可描述为：自身排水速度(可测，正浮点型，m3/s，无时变性)、安全出口数量(可测，整型，个，无时变性)、有效出口面积(可测，正浮点型，m2，无时变性)、出口人员密度(可测，正浮点型，人/m2，无时变性)。

(3)应急组织。应急组织是参训者在仿真演练过程中所扮演的角色，共有指挥长、组长和组员3种角色。每个角色负责的内容各不相同，其中，指挥长负责整个演练的统筹领导工作，协调各部门业务处理并下达任务给各个部门；组长负责本组的领导工作，除了完成指挥长下达的任务、进行自行处置和制定行动方案之外，还负责协调组内部门业务处理，并为组内部门下达任务；组员负责完成组长或指挥长下达的任务和自行处置收到的消息，并制定行动方案。对应急组织的部分共有属性运用知识元模型结构进行描述，如表3所示。

表3 应急组织共有属性示例

(4)应急资源。应急资源是应急仿真演练中部门所具有的，可以作用于情景事件的救灾物资或专业保障队伍。其中，救灾物资又分为生活类物资、救生类物资和医药类物资。对应急资源的部分共有属性用知识元模型结构进行描述，具体内容如表4所示。其中，可否重用指的是资源是否为一次性消耗品，是否可以回收利用，如食物类资源属于不可重用性资源；是否特殊指的是资源是否受交通管制等行动的影响。对应行动指的是运用该应急资源所能进行的处置行动。

表4 应急资源共有属性示例

(5)处置行动。处置行动是针对某一具体情景事件所采取的应对措施、组织所具有的处置能力对情景事件演化产生的影响。按处置能力的不同，处置行动可分为建筑物排水、人员疏导、交通管制等。处置行动的部分共有属性可用知识元模型结构描述，如表5所示，其中可处理事件指的是该处置行动所能处置的情景事件，处置能力的取值类型和取值单位依据行动类型不同而定。

表5 处置行动共有属性示例

(6)应急环境。应急环境是指在应急演练中突发事件发生、发展过程中所处的自然气象环境，根据其物理作用表征的不同分为风、雨、雪、沙尘等。每一类型具有其特有属性，如对风可描述为风向(可描述，字符型，无时变性)、风力(可描述、字符型，无时变性)。

3 情景要素关联关系分析

通过对情景要素及其属性的分析可以看出要素之间不是相互独立的，部分要素间具有关联性。各要素间关联关系如图1所示。

图1 情景要素关联关系

其中实线表示的关系是客观存在的，而虚线表示的关系是在演练过程中存在的主观意念，应急组织根据情景事件和承灾体状态做出主观决策，派出应急资源进行处置行动，从而影响情景事件的演化，改变承灾体状态，进而为应急组织提供决策依据，以此形成一个循环，直到情景事件处置成功，承灾体恢复正常。在演练开始前需要根据要素类型、要素属性特征、演练目的及其他实际情况对各要素进行动态关联，从而达到更贴近生活、更逼真的目的。

情景要素间的相互作用是导致事件不断向前演化的根本原因，要素间的关联关系可定量地体现为事件态势演化模型。不同情景事件有其对应的演化模型，如对建筑物积水情景事件而言，建筑物积水模型可表示为：

(6)

式中：积水面积S、初始积水量Q0、初始积水深度H0、当前积水量Qc、当前积水深度Hc、倒灌速度Vr为情景事件知识元属性；公共建筑物自身排水速度Vp为承灾体知识元属性；处置中资源数量n为应急资源知识元属性；排水队伍的排水能力Vc为处置行动知识元属性；t表示情景事件发生时长；Ti表示第i支到达的排水队伍的排水时间；Hc为模型的输出，是承灾体状态的实时更新。

4 情景构建

情景是各个仿真平台中参演人员进行应急决策的依据，情景的重要性不言而喻。其中，情景构建主要分为3个阶段，首先，查阅资料，收集国内外应急预案和以往发生的突发事件典型案例，包括相关新闻资讯等相关信息。其次，对收集到的信息进行归纳整合，提取出具有相同特征的情景信息，并对其进行统一形式化表示。最后，依据演练需求，对各情景要素进行实例化，并将要素按照实际情况和专家经验进行相互关联。以“北京市顺义区新世界商场地下停车场发生建筑物积水事件”为例进行情景构建，具体步骤如下所示：

(1)确定承灾体知识元为建筑物类型，并对其属性进行赋值，新世界商场地下停车场(自身排水速度：1 m3/s，经度：116.658 453，纬度：40.133 152，位置描述：北京市顺义区新顺南大街18号，关联情景事件：建筑物积水)。

(2)确定情景事件知识元，并对其属性进行赋值，建筑物积水(积水深度：10 cm，积水量：110 m3，倒灌速度：110 cm/h，积水面积：1 100 m2，警告水位：30 cm，失败水位：70 cm，作用对象：新世界商场地下停车场，对应行动：建筑物排水)。属性间关系(积水量=积水面积×积水深度+倒灌速度)。

(3)确定应急组织知识元，并对其属性进行赋值，顺义区水务局(职级：组员，上级部门：顺义区公安分局，经度：116.676 408，纬度：40.119 898，位置描述：顺和路石园北区东侧，配备资源：排水队伍)。

(4)确定应急资源知识元，并对其属性进行赋值，排水队伍(隶属部门：顺义区水务局，资源总量：10支，处置中资源：4支，可否重用：可重用，是否特殊：否，经度：116.638 427，纬度：40.149 63，位置描述：西环路顺沙路交汇处，对应行动：建筑物排水)。

(5)确定处置行动知识元，并对其属性进行赋值，建筑物排水(隶属部门：顺义区水务局，对应资源：排水队伍，可处理事件：建筑物积水，处置能力：0.5 m3/(s·队))。

(6)确定应急环境知识元，对情景所处天气环境进行描述，暴雨，东南风五级。

(7)要素间关联关系如式(6)所示，直观体现为新世界商场地下停车场积水深度的变化。

随着演练步长的不断推进，在应急资源、处置行动等因素的影响下，情景事件作用于承灾体的效果不断变化，参演人员根据当前组织结构、资源和承灾体状态做出下达任务、调整行动方案或发送协作请求等处置。

5 结论

笔者从知识元视角出发，对突发事件情景要素进行分析，将情景划分为6部分知识体，并对要素间的关联关系进行探究。在对情景要素分析的基础上对应急仿真演练中情景构建问题进行了探讨，为参演人员提供合理的决策依据。然而，为了让参与应急仿真演练的各级指挥人员可以更准确地把握实时状况，对突发事件的发展有更科学的判断，从而做出更合理的决策，还需要对突发事件的发展规律进行分析，这样才能让以情景为驱动的应急仿真演练更逼真、更科学，达到提高参与者应急决策与协同处置能力的目的。

[1] 李雪峰.应急管理演练式培训[M].北京:国家行政学院出版社,2013:22-25.

[2] TEMPLETON D E. Review of introduction to emergency management[J]. Journal of Homeland Security & Emergency Management,2008,5(1):419-440.

[3] 张辉,刘奕.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.

[4] 祁超,王红卫.面向高层指挥人员的应急演练仿真平台设计[J].系统工程理论与实践,2015,35(7):1871-1877.

[5] 王延章.应急管理信息系统[M].北京:科学出版社,2010:94-102.

[6] 温有奎.基于“知识元”的知识组织与检索[J].计算机工程与应用,2005,41(1):55-57.

[7] 高继平,丁堃,潘云涛,等.知识元研究述评[J].情报理论与实践,2015,38(7):134-138.

[8] 翟劼,裘江南.基于规则的知识元属性抽取方法研究[J].情报科学,2016,34(4):43-47.

[9] 郭少友,常桢,窦畅.国内知识元研究综述[J].图书馆理论与实践,2014(11):38-41.

[10] 肖文辉.非常规突发事件知识元获取及知识元网络模型[D].大连:大连理工大学,2013.

[11] KAHN H, WIENER A. The year 2000: a framework for speculation on the next thirty-three years[M]. New York: Macmillan Press,1967:67-74.

[12] DURANCE P, GODET M. Scenario building: use and abuses[J]. Technological Forecasting and Social Change,2010,77(9):1488-1482.

[13] 李仕明,刘梁,王博，等.突发事件应急管理中的情景研究[C]∥第四届国际应急管理论坛暨中国(双法)应急管理专业委员会第五届年会.北京:美国科研出版社,2009:341-344.

[14] ALIGICA P D. Scenarios and the growth of knowledge: notes on the epistemic element in scenario building[J]. Technological Forecasting & Social Change,2005,72(7):815-824.

[15] 张承伟,李建伟,陈雪龙.基于知识元的突发事件情景建模[J].情报杂志,2012,31(7):11-15.

[16] 仲秋雁,郭艳敏,王宁,等.基于知识元的非常规突发事件情景模型研究[J].情报科学,2012,30(1):117-122.

[17] 王旭坪,杨相英,樊双蛟,等.非常规突发事件情景构建与推演方法体系研究[J].电子科技大学学报(社会科学版),2013(1):22-27.

WANG Hongwei:Prof.; School of Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China.

Research on Emergency Scenario Construction Based on Knowledge Element Model

WANGHongwei,FENGYujia,QIChao

Due to frequent incidents, emergency management becomes more and more important. As an important means of improving commanders’ compound disposal ability, emergency simulation exercise is driven by scenario. Based on knowledge element theory, this paper analyzes scenario elements, attributes of scenario elements and the relationship among them in emergency simulation exercise. In addition, building intuitive dynamic scenarios for the participants can help them make real-time scientific decisions.

emergency simulation exercise; knowledge element; scenario elements; scenario construction

2095-3852(2017)04-0381-05

A

2017-02-11.

王红卫(1966-)， 男，浙江宁波人，华中科技大学自动化学院教授，主要研究方向为公共安全与应急管理、物流与供应链系统.

国家自然科学基金项目(71371079)；国家重点研发计划课题基金项目(2016YFC0802509)；安全预警与应急联动技术湖北省协同创新中心开放课题基金项目(JD20150103).

X913.4

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.002