突發(fā)公共事件基于本體的元事件模型研究

王 濤， 王 延 章， 魯 艷 霞

(1.大連理工大學 管理學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 實驗室與設(shè)備管理處，遼寧 大連 116024；3.大連東軟信息學院 信息技術(shù)與商務管理系，遼寧 大連 116023)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，各類突發(fā)公共事件時有發(fā)生，給我國的人民生活和生命財產(chǎn)造成了巨大損失.盡管我國已經(jīng)逐步建立健全“一案三制”的公共危機應對體系，即應急預案[1～3]，應急工作體制、機制和法制，以提高政府應對突發(fā)事件和風險的能力，但是這些應急管理的舉措主要是從宏觀層面進行組織和控制的，僅僅說明政府相關(guān)管理機構(gòu)對突發(fā)公共事件的重視，以及主要的應對步驟或措施，然而各類突發(fā)公共事件具有很大的不確定性，特別是一類突發(fā)公共事件還會引發(fā)一系列的后續(xù)突發(fā)事件.如何在突發(fā)公共事件的處置過程中更好地使用案例庫[4～6]中的案例信息，結(jié)合CBR的相關(guān)理論[6]，獲取與發(fā)生事件最相似的案例，以及與該案例中事件相匹配的案例或決策信息，來提供給領(lǐng)導輔助決策，是當前應對突發(fā)事件時亟待解決的問題，也是當前學術(shù)界研究的難點和熱點.

本文在實際參加的應急輔助決策系統(tǒng)開發(fā)的實踐中，在對突發(fā)公共事件種類和屬性進行整理、分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，提取公共的信息要素，提出突發(fā)公共事件公共屬性的本體描述，并將元數(shù)據(jù)的思想引入到突發(fā)公共事件中，構(gòu)建元事件模型，將突發(fā)公共事件按照元事件進行細分組織，建立突發(fā)公共事件的歷史元事件庫，并結(jié)合當前突發(fā)公共事件的情景信息和CBR推理機制，幫助決策者建立科學的決策輔助模型，以提高決策者決策的準確性和有效性.

1 突發(fā)公共事件共性本體模型構(gòu)建

2006年，國家頒布的《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》[6]中給出了突發(fā)公共事件的定義:突然發(fā)生，造成或可能造成重大人員傷亡、財產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞和嚴重社會危害，危及公共安全的緊急事件.并根據(jù)發(fā)生過程、性質(zhì)和機理，將突發(fā)公共事件劃分為自然災害、公共衛(wèi)生事件、事故災難和社會安全事件共4個大類.如對大類進一步細分，可分為數(shù)百種小類.

1.1 突發(fā)公共事件實體層級分析

引發(fā)這些突發(fā)公共事件的原因和表現(xiàn)方式千差萬別，然而，不論是人為原因還是自然原因，所有這些事件都存在一些共性信息，即所有的突發(fā)公共事件都是通過某些實體來進行表現(xiàn)，而這些實體之間具有許多共同的屬性信息；但是，各實體既是相對獨立的，又是相互聯(lián)系的，構(gòu)成一個整體.突發(fā)公共事件的實體層級體系圖如圖1所示.

圖1 突發(fā)公共事件實體層級體系圖Fig.1 The level system of entity on public emergencies

從圖1中可以看到，突發(fā)公共事件也可以依據(jù)某種方式進行分級分類，通過對這些共性實體屬性信息的獲取，綜合事件發(fā)生時的情景信息，并結(jié)合歷史事件庫可以對該類突發(fā)公共事件進行分析.

1.2 突發(fā)公共事件本體屬性構(gòu)建

本體(ontology)可以被普遍認同的定義是“本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明”[7]，本體最早應用于人工智能領(lǐng)域，現(xiàn)在信息交換、知識工程、應急管理以及軟件工程等領(lǐng)域獲得了廣泛應用.

本體通過一種結(jié)構(gòu)化的描述相關(guān)事實的模型，實現(xiàn)知識表示的3個功能:分類、推理與共享.所謂分類就是將不同的知識信息進行區(qū)分，以實現(xiàn)層次化的知識表示方式；所謂推理就是將信息中所隱含的隱性知識表達出來；共享則是把具有不同結(jié)構(gòu)的知識實現(xiàn)互操作、相互理解和語義結(jié)合.所以將本體方法與知識表示進行良好的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對知識進行深層次的推理和查詢，可以將結(jié)構(gòu)表示的知識語義進行很好的融合，以實現(xiàn)知識的重用與共享.

W3C組織在2004年發(fā)布了一個本體的表示語言標準 OWL[8、9]，可實現(xiàn)統(tǒng)一的本體描述，可以對突發(fā)公共事件的公共屬性進行描述，也就是可以對突發(fā)公共事件公共屬性進行本體的形式化描述，用以實現(xiàn)標準的語義定義.

針對形式各異的突發(fā)公共事件，需要采用本體來描述各類突發(fā)事件的共同特征，突發(fā)公共事件本體所體現(xiàn)的應該是突發(fā)公共事件公共屬性的集合，并不會隨著突發(fā)事件種類的變化而發(fā)生變化，針對不同種類的突發(fā)公共事件，抽取其相應的共性屬性，可獲得突發(fā)公共事件的公共屬性，例如:事件名稱、發(fā)生時間、發(fā)生地點(經(jīng)度和緯度)、發(fā)生單位、事件類別、事件狀態(tài)、事件級別、受災風險區(qū)域、造成損失、行動方案等.以突發(fā)公共事件本體為突發(fā)事件的基類，對不同種類的突發(fā)公共事件進行擴展，就可以形成一個以此本體為根的倒掛樹.通過對突發(fā)事件的公共屬性抽取，結(jié)合OWL語言的語法和使用，可以得出相應的本體描述，如下所示:

上面是部分的突發(fā)事件本體描述.針對某種具體的突發(fā)公共事件，通過繼承上面提到的事件的基本屬性，再加上該事件所具有的特殊屬性，就可以形成該事件的完整屬性信息，如對于地震，添加震級、震源深度、地質(zhì)條件、地震類型、震區(qū)建筑物抗震性，以及震區(qū)人口密度等事件屬性，就可以構(gòu)成地震事件的完整信息.

如果將突發(fā)公共事件的屬性進行分類，抽象成一個個屬性的集合，根據(jù)事件屬性對事件影響關(guān)系，可以把事件屬性分成時間、輸入、空間、狀態(tài)和輸出的5種要素集合.而事件間的這些屬性集合的關(guān)系及其相互影響關(guān)系，又可以反映出事件之間的關(guān)系，事件的輸入屬性會引發(fā)事件狀態(tài)的變化，而這種狀態(tài)的變化，產(chǎn)生的結(jié)果就是一些輸出要素集合，這些整個的一系列事件屬性的變化過程，可以突出地反映突發(fā)公共事件的發(fā)生發(fā)展過程.

2 突發(fā)公共事件本體元事件模型研究

2.1 突發(fā)公共事件元事件定義

把突發(fā)公共事件看作由一些事件所構(gòu)成，各事件間存在著各種關(guān)系，如同一、因果、順序、耦合等，將突發(fā)公共事件進行切分，可把事件分成一個個相對獨立的元事件.本文給出突發(fā)公共事件元事件的定義:構(gòu)成突發(fā)公共事件的基本單元，不能再進行進一步細分事件的最小單位，包含一個突發(fā)公共事件所必需的基本要素.

通過上面的定義，并結(jié)合突發(fā)公共事件的共有屬性特征，可將突發(fā)公共事件元事件Em定義成如下四元組:事件輸入(Ei)、事件狀態(tài)(Es)、事件輸出(Eo)和離散時間點集合(Et).表示如下:

可以把元事件Em的輸入Ei劃分為自然輸入(Ni)、人為輸入(Ai)、社會輸入(Si).Ni指的是與突發(fā)公共事件關(guān)聯(lián)的自然生態(tài)環(huán)境的總的集合.Ai指的是突發(fā)公共事件發(fā)生前或發(fā)生后，根據(jù)事件的基本情景信息，采用的與人的行動相聯(lián)系的應急方案和救援行動的集合，例如危險品監(jiān)控、前期預警、應急處置、啟動預案、采取方案等一系列需要人工干預的事項.Si指的是與突發(fā)公共事件相聯(lián)系的社會狀態(tài)的集合，例如事發(fā)地的經(jīng)濟、人文環(huán)境等社會因素的集合.

突發(fā)公共事件的元事件狀態(tài)的變化，是由其構(gòu)成實體的變化來反映的，通過突發(fā)公共事件的實體的狀態(tài)信息可以描述突發(fā)公共事件的元事件的狀態(tài)，而實體狀態(tài)信息可以劃分成3類:實體屬性信息，表示實體信息本質(zhì)特征，反映實體靜態(tài)屬性信息，如元事件發(fā)生的時間、地點(包括經(jīng)度和緯度)等；實體動作信息，或稱之為方法(功能)信息，通過該實體的動作信息來反映該實體狀態(tài)情況，如突發(fā)公共事件地震可能帶來的損害包括房屋倒塌、山體滑坡、海嘯等后續(xù)事件；實體匯總信息或統(tǒng)計信息，主要指元事件表現(xiàn)出的輸出相關(guān)參數(shù)的集合，例如統(tǒng)計出來的死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、直接經(jīng)濟損失、受災范圍、間接經(jīng)濟損失等數(shù)據(jù).

突發(fā)公共事件的元事件輸出集合Eo表示該元事件造成后果的信息，用前面提到的實體信息來表示，它是實體狀態(tài)信息的子集.前一元事件的輸出參數(shù)可作為下一元事件的輸入?yún)?shù)，作為后一元事件的起因.

元事件的輸入?yún)?shù)集合、狀態(tài)參數(shù)集合、輸出參數(shù)集合和離散時間點集合之間相互作用，就構(gòu)成了一個完整的元事件，即Em＝｛Ei×Es×Eo×Et｝.

通過把突發(fā)公共事件按元事件進行組織和細分，就可以辨析元事件之間所存在的各種關(guān)系.通過元事件之間的組合，構(gòu)建更為復雜的突發(fā)公共事件.經(jīng)過歸納整理，元事件之間主要有3種關(guān)系:時序關(guān)系、因果關(guān)系和層級關(guān)系.綜合表現(xiàn)出來有連鎖型、因果型和復合型.

一系列關(guān)聯(lián)的實體對象構(gòu)成元事件，而一些元事件的組合又可以構(gòu)成突發(fā)公共事件，一個突發(fā)公共事件的發(fā)生，必然會引發(fā)一系列的元事件，而元事件的變化會引發(fā)相應的實體屬性的變化，也就是對應的事件狀態(tài)的變化，實體之間的各種狀態(tài)變化，反映出來就是對應的元事件的變化，最終構(gòu)成突發(fā)公共事件的整個過程，所以可以通過實體屬性的變化來反映突發(fā)公共事件的變化.

如果以元事件為節(jié)點，元事件之間的因果關(guān)系或時序關(guān)系用節(jié)點之間的有向弧來表示，則可將突發(fā)公共事件按元事件進行組織和細分，突發(fā)公共事件的元事件如圖2所示，其中E1、E2、E3、E4表示突發(fā)公共事件的元事件，從圖2中可以看出:

圖2 突發(fā)公共事件的元事件圖Fig.2 Meta events figure of public emergencies

(1)元事件E2由元事件E1發(fā)生t1時間后，并滿足c1條件而引發(fā)；

(2)元事件E3由元事件E2發(fā)生t2時間后，并且滿足c2條件而引發(fā).

按照此方法，各個元事件組合可構(gòu)成突發(fā)公共事件的整個發(fā)生過程，通過該組合方式，可以借助歷史突發(fā)公共事件的元事件庫的相關(guān)幫助，來獲取對處理當前事件有意義的歷史元事件相關(guān)信息.

2.2 基于本體的突發(fā)公共事件元事件組織與處置

針對不同突發(fā)公共事件，其包括的實體也各不相同，通過對實體狀態(tài)的變化的記錄反映事件的狀態(tài)，而實體屬性的狀態(tài)變化，是實體狀態(tài)變化的量化.突發(fā)事件的Em的輸出參數(shù)Eo是需要根據(jù)事件實體內(nèi)部狀態(tài)變化來決定的，是對事件狀態(tài)的反映，如圖3所示.

圖3 突發(fā)公共事件元事件組織Fig.3 Meta events organization of public emergencies

隨著突發(fā)公共事件的發(fā)生，突發(fā)公共事件由一系列相關(guān)元事件組成，各元事件間存在著順序、因果、同一、耦合等關(guān)系，突發(fā)公共事件的發(fā)生發(fā)展過程也是由這些關(guān)系復合組成的.

突發(fā)公共事件元事件間的因果關(guān)系可以使用有向圖表示，如圖4所示，其中黑色圓點代表元事件作為節(jié)點，元事件間關(guān)系為邊，Ni、Si、Ai指的是自然、社會和人工輸入，該元事件模型表示了突發(fā)公共事件的發(fā)生過程，小圓圈代表事件的輸入信息.

圖4 突發(fā)公共事件元事件處理過程Fig.4 Meta events process construction of public emergencies

突發(fā)公共事件大多包含多個元事件，因此，可以用元事件模型來描述突發(fā)公共事件的整個過程.另外，針對不同的突發(fā)公共事件，單一元事件模型不能統(tǒng)一表示所有突發(fā)公共事件，某些復雜的元事件模型可通過擴展模型來得到，從而可以以此形成倒掛樹形的突發(fā)事件的元事件模型體系.

實現(xiàn)對元事件屬性數(shù)據(jù)多維屬性的合理表示，可為采用CBR的智能推理提供更好的元事件模型支持，方便實現(xiàn)根據(jù)不同情況或不同需要來檢索不同的滿足條件的元事件事例.就某個具體元事件模型來說，它至少由下面幾部分組成.

(1)元事件描述信息:用于唯一標識該元事件，包括序號及名稱.

(2)元事件的特征:描述該元事件的特征.它由下面幾部分構(gòu)成.

①特征信息:描述其特征；

②維度信息:描述特征分屬于哪幾個維度；

③問題信息:描述該元事件可以解決哪類問題；

④數(shù)值型信息:用數(shù)值說明該元事件的特征信息；

⑤解決方法信息:描述針對事件問題的解決方法.

(3)元事件說明信息:對元事件的詳細說明信息.

每個元事件不僅由特征信息、解決問題方法信息構(gòu)成，還與元事件某個維度有關(guān)，現(xiàn)通過分析元事件庫的層級關(guān)系以及元事件的特征維度關(guān)系，得到圖5所示的元事件庫，其分布呈現(xiàn)一個倒掛的樹形.

圖5 元事件多維特征維度關(guān)系圖Fig.5 Dimension relationship chart of multidimensional meta events features

通過上面的分析，如果能通過對歷史突發(fā)公共事件的元事件及時匯總，構(gòu)建突發(fā)公共事件元事件庫，在突發(fā)公共事件發(fā)生后，利用當時情景信息，查找事件庫以及元事件庫，結(jié)合相應案例庫、資源庫，進行事件案例匹配，采用元事件模型推理，可迅速地生成事件參考方案反饋給應急決策人員.圖6是基于元事件的突發(fā)公共事件推理過程.

當突發(fā)公共事件發(fā)生后，應急部門采用應急監(jiān)測所提供的危機情景信息，首先將當前事件主要問題采用預先給出的問題描述框架，表示為結(jié)構(gòu)化的元事件信息，為下一步的元事件推理做好準備.在推理開始前，需要專家根據(jù)輸入的問題，對這次推理參數(shù)進行初始化，或采取一些默認值，或者專家根據(jù)決策目標和自身經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)，從而實現(xiàn)更有效的推理.

圖6 基于元事件的突發(fā)公共事件推理機制Fig.6 Public emergencies reasoning mechanism based on meta events

采用基于元事件案例推理的方法，首先需要計算當前事件情景信息與元事件庫提供的候選元事件間的相似度，依據(jù)事先設(shè)定的相似度閾值，獲取相似度超過閾值的候選集合；然后，對采用的檢索輔助規(guī)則進行匹配，獲取符合條件的候選元事件的集合；最后，按相似度的大小，對兩部分得到的結(jié)果進行排序，可選擇相似度最大的歷史元事件的解決方案進行參考或修改采納.

推理活動結(jié)束后，決策人員根據(jù)方案分類與排序規(guī)則，對得到的結(jié)果進行修改調(diào)整，形成最終決策方案.

3 應用實例

遼寧海城地震是于1975年2月4日19點36分發(fā)生在我國遼寧省海城、營口縣附近的7.3級大地震，因為預報措施比較成功，政府提前發(fā)布了短臨預報，并有效地組織了群眾預防，使全區(qū)人員傷亡共18 308人，僅占區(qū)總?cè)丝跀?shù)的0.22%.其中，死亡1 328人，占總?cè)丝跀?shù)的0.02%，重傷4 292人，輕傷12 688人，輕重傷占總?cè)丝跀?shù)的0.2%.遠低于邢臺大地震、通海地震、唐山地震的人員傷亡率(分別為14%、13%、18.4%).這次地震共造成8.1億元的經(jīng)濟損失.其案例如圖7所示.

圖7 海城地震案例信息Fig.7 Haicheng earthquakes case information

根據(jù)海城地震的震級、震源、烈度等地震信息，依據(jù)相似度計算公式，將其信息與歷史上地震案例的元事件庫進行相似度計算，就可以得到與該事件最相似的地震元事件，按相似度的大小排序如圖8所示.

圖8 海城地震相似度匹配結(jié)果Fig.8 Similarity matching result of Haicheng earthquakes

從圖8中可以選出匹配案例相似度最高的0.97的邢臺大地震案例，該地震案例詳細信息如圖9所示.

圖9 邢臺大地震案例信息Fig.9 Xingtai earthquakes case information

依據(jù)相似度計算方法，可以快速獲取與該突發(fā)事件相似的案例信息，參考該案例信息的處理方案，可迅速地幫助決策者進行當前突發(fā)事件的處理，為迅速展開應急決策救援行動贏取寶貴時間.

4 結(jié) 論

本文基于應急輔助決策系統(tǒng)開發(fā)實踐，通過對突發(fā)公共事件共性屬性的抽取，給出了突發(fā)公共事件本體模型，采取OWL語言，給出了突發(fā)公共事件元事件的本體描述；由此，把突發(fā)公共事件按照元事件思想進行組織和細分，基于元事件分析突發(fā)公共事件的發(fā)展演化，并結(jié)合情景和CBR相關(guān)理論，給出了基于元事件模型的突發(fā)公共事件處理流程，可以幫助應急決策者，依靠歷史突發(fā)事件的元事件模型，快速獲取應對當前突發(fā)事件的解決思路，以應對突發(fā)的公共事件，并給出了實例說明.

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