基于本體的城市軌道交通線網(wǎng)應急預案形式化描述與匹配

賀國旗 張彧鋒 韓泉葉，

（1.陜西廣播電視大學資源建設與現(xiàn)代教育技術中心，710061，西安；2.中鐵第一勘察設計集團有限公司發(fā)號處，710043，西安∥第一作者，副教授）

城市軌道交通網(wǎng)絡化運營后，涉及面廣，影響面大，一旦發(fā)生突發(fā)事件，應迅速啟動應急預案，轉入應急處理過程，將事件的影響降到最低，這是網(wǎng)絡化運營和管理遵循的原則［1］。但目前城市軌道交通線網(wǎng)中使用的應急預案多以文本和電子文檔為主，信息化程度低，沒有統(tǒng)一的編制格式，在應急處置過程中，不能挖掘有效信息并迅速轉化為應急處置方案［2］。因此，如何表示出讓計算機也能理解的本體應急預案，并通過檢索、推理等技術快速生成應急處置方案，為有效合理地組織救援單位、救援資源，實施救援提供智能決策。城市軌道交通線網(wǎng)的本體預案是描述線網(wǎng)領域概念語意模型的重要手段，其目標是捕獲線網(wǎng)領域知識，提供對線網(wǎng)領域知識的共同理解，確定線網(wǎng)領域內共同認可的詞匯。

1 城市軌道交通線網(wǎng)應急預案

應急預案包含了事件應急處理的所有規(guī)則和原理，以及處理流程的框架知識，定義了應急的組織機構、啟動預案的條件、事件處置的原則、應急資源、事件處置流程等。預案是對事件進行詳細分析，提取關鍵節(jié)點信息并對其進行數(shù)字化描述，包含事件處置的原則和事件處置的經(jīng)驗。建立預案的目的是為事件的應急處置提供決策支持［3］。

應急預案的實質以某事件為中心，研究與該事件有關的所有關聯(lián)實體之間產(chǎn)生的聯(lián)動效應，并用計算機進行表示和處理。在城市軌道交通線網(wǎng)中，針對應急事件處理過程中涉及的相關實體間的關系進行梳理，得到如圖1所示的實體網(wǎng)狀圖。

在對北京、廣州、深圳等地城市軌道交通線網(wǎng)應急預案分析的基礎上，得出城市軌道交通線網(wǎng)預案主要包括的內容如下：

（1）在預案的適用范圍中，定義了啟用本預案的條件，描述事件類型、事件級別、事件地點和時間。

（2）在預案的組織機構中，定義了事件處理的組織結構、部門、相關人員以及他們的角色等。

（3）在資源中，定義了事件處理所涉及的所有資源的集合、資源的聯(lián)動、資源的狀態(tài)將對工作流的執(zhí)行產(chǎn)生的影響。

（4）在工作流模板中，定義了任務的運行順序和運行條件，每個任務可以有一個或多個Agent完成，也可以由一個或多個軟件系統(tǒng)完成，還可以是人與軟件合作完成。任務的運行順序和運行條件用來定義并實現(xiàn)任務的運行、任務的同步和數(shù)據(jù)流的傳遞。任務通常是由動作的主體、動作的客體和動作來定義。動作的主體和動作的客體是抽象的角色和資源。

預案還包含預案目標、預案技術條件等其它內容。

圖1 城市軌道交通線網(wǎng)突發(fā)事件處理實體網(wǎng)狀圖

2 城市軌道交通線網(wǎng)本體預案

2.1 城市軌道交通線網(wǎng)本體預案模型

前因—行為—后果（ABC）本體模型是NSFHarmony項目研究成果之一，它給出了事件處理的通用概念模型［4］，基本能夠表達清楚事件對象隨時間的狀態(tài)和變化。若要用ABC 本體模型表達城市軌道交通線網(wǎng)應急事件處理的知識，還有不足的地方，如：缺少對任務、組織、部門等概念的描述。因此，為了更好地表達城市軌道交通線網(wǎng)應急事件處理的知識，需要對城市軌道交通線網(wǎng)中相關概念和應急處理中相關要素進行抽象，然后在ABC 本體模型的基礎上進行詞匯擴充，擴充的詞匯如下：

（1）Emergency——用于描述線網(wǎng)中的應急處理事件，是Event的擴展子類，其屬性為事件類型和事件級別（Category和Level）［5］。事件類型和事件級別是該事件應急預案的觸發(fā)源。

（2）Task——用于描述事件處理過程的若干個功能單位，一個事件的處理需要多個任務去完成相應的功能，Task 是 Temporality 的擴展子類。各Task之間存在著先后、并行等制約關系，Task 由Agent執(zhí)行，需要使用資源Resource。Task的屬性有名稱、功能、目標、使用資源、執(zhí)行條件等。

（3）Resource——用于描述應急處理過程中使用的資源實體，是Actuality的擴展子類。應急資源的數(shù)目龐大、種類繁多，在預案生成事件處置方案的過程中，Resource會被實際使用的資源實例化。實際使用的資源包括應急設備設施、救援物資、生活物資、通信資源等。資源的屬性包括名稱、所屬機構、型號、使用狀態(tài)、負責人、聯(lián)系電話、下次維護時間等。

（4）Role——用于描述Agent參與到動作中的角色，是Abstraction 的擴展子類。Role能夠反映一類Agent在執(zhí)行動作時的職能，在預案中是抽象服務工作流的執(zhí)行者。Role的屬性有角色名稱、角色職能責、角色人員列表、角色擁有知識列表等。

（5）orgnization——用于描述應急處理中Agent的類型，是Agent的擴展子類。orgnization可以由多個部門組成，其屬性有名稱、部門列表、可充當角色列表等。

（6）Person——用于對工作人員的抽象，是Agent的擴展子類。描述具有一定職能的工作崗位人員，Person的屬性有人員級別、所屬部門、人員職責等。

（7）Knowledge用來描述應急處理中使用到的領域知識，是Abstraction的擴展子類。

用E－R 圖（Entity Relationship）描述上述擴充的詞匯在城市軌道交通線網(wǎng)應急領域知識的語義模型，說明其概念和概念之間的關系。圖2中矩形表示實體；橢圓表示屬性；菱形表示實體之間的關系。

不包含屬性的城市軌道交通線網(wǎng)應急領域本體模型如圖3所示。

圖2 城市軌道交通線網(wǎng)應急事件處理E－R 圖

圖3 城市軌道交通線網(wǎng)應急領域本體模型

2.2 城市軌道交通線網(wǎng)本體預案的形式化描述

本體描述規(guī)范經(jīng)過長期的發(fā)展和演變，最終固定為資源描述框架RDF和Web本體語言OWL兩種規(guī)范，RDF定義了“主體－屬性－客體”三元組形式的知識表示結構，OWL為RDF引入了OWL：Class，OWL：Property 等詞匯使知識描述更加便捷［6－8］。城市軌道交通線網(wǎng)的應急預案本體 MEOntology可采用如下的五元組來描述。

（1）ME－Concepts：＝｛C｝表示城市軌道交通線網(wǎng)應急預案ABC 本體模型中概念的集合，用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case”＞表示各類突發(fā)事件處置經(jīng)驗知識的集合。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Information of Emergency plan”＞表示線網(wǎng)應急預案的基本屬性信息，包括預案號、預案類型、預案級別、適用的范圍和條件等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Event”＞ 表示應急處理的具體緊急事件，屬性包括事件類型、事件級別、事件發(fā)生的時間地點和事件情景描述，通過follows與場景Situation 關聯(lián)。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case Subject”＞ 表示應急組織或應急人員的子類。如醫(yī)療機構、線網(wǎng)應急辦公室或值班員等。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Emergency Object”＞ 表示受突發(fā)事件影響的客觀存在的對象，事件處理客體可以是應急資源、設備設施、組織或人員等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Process”＞ 表示突發(fā)事件處理在時間維上的描述，包括接警、信息報送、信息發(fā)布、處置操作、續(xù)警、消警。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Task”＞ 表示突發(fā)事件處理中的具體功能單元。用＜OWL：Class rdf：ID＝”O(jiān)rgnization”＞ 表示應急事件處理的實施主體，包括線網(wǎng)指揮機構、工作機構、處置機構、110、119、120 機構。用 ＜OWL：Class rdf：ID＝“Orgnization”＞ 表示應急處理中有明確職責和功能的組織單元。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Resource”＞表示應急處理過程中使用到的資源。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Constraint”＞表示預案中任務之間的制約關系。

（2）ME－Relations：＝｛R（c1，c2）｜c1，c2∈MEConcepts｝用于表示城市軌道交通線網(wǎng)應急預案ABC本體模型中概念間關系的集合。如：Composeof用于描述概念c1，c2，c3，…，cn，如果c1的實例是由c2，c3，…，cn的實例組成，則c1與c2，c3，…，cn間存在Compose－of關系。如應急小組是有多名應急人員組成，即 GroupCompose－of（Person2）……。Uses用于描述應急預案中實體間的使用與被使用的關系，如事件處理主體（Emergency Subject）使用資源（Resource），即 Emergency Subject Agent Uses.Resource。Executes用于描述應急處理主體與任務之間的施動、受動關系，如人員執(zhí)行任務，即Agent Executes.task。has Role用于描述對應急處理實體賦予一定職責和權限的過程，如人員張三是應急處理協(xié)調組組長，即Agenthas Role.GroupHeader。Have用于描述概念和屬性的從屬關系，如角色應具有某種能力，即RoleHave.Capacity。Follows用于描述應急處理過程中，Situation與Event之間的轉移關系。

（3）ME－Functions：＝｛F：S1S2……SnTS｜S1，S2，….Sn，S ME＿ConceptsME＿Relations，T ME＿Concepts｝用于表示城市軌道交通線網(wǎng)應急預案ABC本體模型中情景隨著時間等進行轉換的規(guī)則集合，Si表示應急事件所處的情景，T為情景轉移的條件。

（4）ME－Axioms：＝｛A：S1S2……SnS｜S1，S2，…SnME＿Concepts ME＿RelationsME－Functions，SME＿ConceptsME＿Relations｝用于表示城市軌道交通線網(wǎng)應急預案ABC 本體模型中永真公理的集合。

（5）ME－Instances：＝｛instance｜instanceMEConceptsME＿Relations｝用于表示應急預案中的概念、關系和情景的實例化。

城市軌道交通線網(wǎng)中應急疏散角色形式化描述如表1所示。

2.3 線網(wǎng)應急預案的匹配與實例化

線網(wǎng)中每個應急預案都用本體表示，把預案中的關鍵字用本體模型中的概念來描述，對預案的匹配與查找就是對本體的匹配與查找。從數(shù)據(jù)庫的角度考慮，本體預案庫由規(guī)則本體庫和案例本體庫組成，規(guī)則本體庫是指按照規(guī)則On ＜Event＞if＜Condition＞Do＜Action＞生成的應急事件處理知識庫，它表示針對某一事件，如果條件滿足了，就執(zhí)行Action。城市軌道交通線網(wǎng)中的應急事件處理，有其自身的特性，很多調度類知識比較簡單，易于表示成規(guī)則，此時就采用規(guī)則推理；而對于有些具有預測功能的知識，不易表示成規(guī)則，此時需要使用案例推理。案例庫里存放著過去突發(fā)事件處理的歷史經(jīng)驗，將新發(fā)生的事件與已有案例進行對比，從而得到該事件的處置方法。事件發(fā)生時，計算機通過傳感器等捕捉到該事件的關鍵字，將其轉化為語義本體，并與本體預案中的相關概念進行對比，本體應急預案的匹配是在應急事件的推理過程中實現(xiàn)的［9］。應急事件與本體預案之間的相關度通過式（1）和式（2）進行計算。

表1 應急疏散角色及其形式化描述

式中：

集合［c］＝｛c1，c2，…cm｝——和c有關概念的集合，如車站、煙霧、火等；

本體集合Ω＝ ｛o1，o2，…on｝，o1，o2，…，on——分別表示應急預案本體；

函數(shù)f（ci，oj）——概念ci在本體oj中出現(xiàn)的頻率；

n——本體集合中本體的數(shù)量；

n＇——集合中包含概念c的本體數(shù)量；

Si，j—概念ci在本體oj中的權重。

式（2）用來計算［c］中的概念與每個預案本體的相關程度。

在得到匹配的應急本體后，對應急本體進行查詢，以便應急本體實例化。SPARQL是W3C推薦的基于RDF的本體查詢語言，與RDF類似，SPARQL查詢也是一個三元組模式，三元組中可以出現(xiàn)變量。本文用Java應用程序調用Jena的SPARQL功能實現(xiàn)對本體進行查詢，從而進行實例化。

3 結語

以ABC 本體模型為上層本體，結合城市軌道交通線網(wǎng)應急安全領域知識，對ABC 本體詞匯進行擴充，建立了城市軌道交通線網(wǎng)的應急領域本體模型，進而使用OWL本體描述語言和RDF對線網(wǎng)應急預案進行形式化描述。最后對線網(wǎng)應急預案的匹配、查找與實例化方法進行了討論。

［1］韓泉葉，王曉明，黨建武.軌道交通線網(wǎng)應急事件分類分級模型研究［J］.城市軌道交通研究，2011，14（10）：37.

［2］周文濤，王紅，王靜，等.民航應急決策方案語義模型構建方法的研究［J］.計算機應用研究，2013，30（1）：195.

［3］王文俊，楊鵬，董存祥.應急案例本體模型的研究及應用［J］.計算機應用，2009，5（29）：1437.

［4］Lagoze C，Hunter J.The ABC Ontology and Mode［J］.Journal of Digital Information，2001，12（2）：218.

［5］韓泉葉，王曉明，黨建武.一種地鐵路網(wǎng)應急事件分類分級方法［J］.城市軌道交通研究，2013（2）：21.

［6］李文雄，閆茂德，王建偉.智能交通系統(tǒng)本體數(shù)據(jù)集成［J］.中南大學學報，2013，44（7）：3038.

［7］曹妍.本體理論在城市智能交通系統(tǒng)語義集成中的應用研究［D］.大連：大連海事大學，2010.

［8］黃坷萍，蔣昌俊.基于本體的城市交通知識分析和推理［J］.計算機科學，2007，34（3）：192.