顧及城市管理部件和事件關(guān)聯(lián)關(guān)系的本體建模方法

任遠(yuǎn)航

（北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044）

1 概述

城市（管理）部件和城市事件是城市管理的主要對象，城市部件和事件之間并非孤立存在。城市部件作為重要的應(yīng)急資源，能夠有效支持城市事件的響應(yīng)行動，也是城市事件的作用對象和影響實(shí)體。然而，現(xiàn)有模型僅針對特定類型的城市事件或地理空間對象進(jìn)行建模，未能結(jié)合已有國家標(biāo)準(zhǔn)的定義，且概念不夠集中無法充分描述城市事件與城市部件之間的關(guān)系[1-3]。因此，我們亟需一種能夠準(zhǔn)確描述城市部件、事件的概念及其關(guān)聯(lián)關(guān)系的形式化描述方法。

本文針對以上問題，提出了城市部件與事件的本體模型，全面描述部件和事件本體的概念及其關(guān)系，并基于本體模型構(gòu)建了面向應(yīng)急響應(yīng)的城市事件領(lǐng)域模型。該模型可作為指導(dǎo)應(yīng)急響應(yīng)部件調(diào)配、分析計(jì)算部件和事件關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要依據(jù)。

2 相關(guān)工作

2.1 本體構(gòu)建方法

傳統(tǒng)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)建模和形式化方法，如邏輯描述模型、E-R 模型[4]、網(wǎng)絡(luò)模型[5]、語義關(guān)聯(lián)模型等知識理解存在歧義。而本體可提供系統(tǒng)一致認(rèn)可的概念模型，保證知識理解的精確性。UML（unified modelling language）語言可用于對真實(shí)世界物體進(jìn)行建模。本文鑒于本體和UML 的優(yōu)勢[6]按照以下流程進(jìn)行建模：（1）確定本體的構(gòu)建目的和范圍。（2）城市部件和事件本體建模，明確城市部件和事件本體的概念。（3）結(jié)合應(yīng)急響應(yīng)需求形成能夠描述城市部件和事件本體關(guān)系的城市事件領(lǐng)域本體模型，并形式化描述，最后映射成UML 圖。

2.2 相關(guān)概念定義

為統(tǒng)一對城市事件和部件的概念，本文定義了事件、城市事件和城市部件的概念。

定義1 事件（Event）:在一定的時間和空間范圍內(nèi)，由若干個對象參與，具有若干動作特征并造成一定結(jié)果的事情。

定義2 城市事件（Urban Event）: 指人為或自然因素導(dǎo)致城市市容環(huán)境和環(huán)境秩序受到影響或破壞，需要城市管理專業(yè)部門處理并使之恢復(fù)正常的現(xiàn)象和行為。

定義3 城市（管理）部件（Urban Managed Component）：是指城市公共區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)市政工程設(shè)施與市政公用設(shè)施。

3 城市部件和事件的本體模型

3.1 城市部件本體

本文結(jié)合地理本體建模方式[8]，從城市部件的分類、空間關(guān)系、屬性特征等方面，對城市部件的概念層次和關(guān)系進(jìn)行形式化描述，如圖1 所示。

圖1 城市部件本體模型（UCOM）

城市部件包括公用設(shè)施、交通設(shè)施、市容環(huán)境設(shè)施、園林綠化設(shè)施和其他部件五大類，具體又可細(xì)分為65 小類[7]。城市部件是城市建設(shè)和運(yùn)行所需的市政設(shè)施類地理實(shí)體，由于事件直接作用于地理實(shí)體并引發(fā)變化，所以城市事件可視為事件的子類直接作用于城市部件。城市部件間的關(guān)系包括時間關(guān)系、空間關(guān)系、語義關(guān)系。城市部件還具有時間、位置、標(biāo)識等屬性特征。

3.2 城市事件本體

ABC 上層本體為事件提供了一個通用概念模型，本文結(jié)合ABC 本體構(gòu)建了描述城市事件的動作、主體、時間等概念及概念間的關(guān)系描述的通用模型，以UML 的形式直觀地展示城市事件的本體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 城市事件本體模型（UEOM）

以下對城市事件的概念和概念間關(guān)系進(jìn)行描述：

（1） 具象類Actuality 是真實(shí)存在的實(shí)體，Agent 是Actuality 的子類，表示事件的行為主體。

（2）時象類Temporality 描述對象屬性隨時間變化的方式，子類包括Event、Situation、Action。Event 通過precedes 和follows 屬性與情景建立關(guān)系，并與動作（Action）、行為主體(Agent)相互關(guān)聯(lián)。

（3）抽象類Abstraction 描述抽象的概念實(shí)體。

同時，城市事件是事件的一個子類，城市事件分為市容環(huán)境類、宣傳廣告類、施工管理類、街面秩序類、突發(fā)事件類和其他事件六大類，具體又可細(xì)分為83 小類[7]。

4 面向應(yīng)急管理的城市事件領(lǐng)域模型

將上述城市事件與部件本體模型為上層本體，從應(yīng)急管理角度，構(gòu)建體現(xiàn)其間關(guān)聯(lián)關(guān)系的城市事件領(lǐng)域本體模型，并形式化描述，如圖3 所示。

圖3 面向應(yīng)急管理的城市事件領(lǐng)域本體模型

本文參考Pérez 和Benjamins[8-10]歸納的5 種本體建模元語，將城市事件領(lǐng)域本體UERO 邏輯結(jié)構(gòu)定義為一個五元組（1）：

UERO=< UE_Concepts, UE_Relations, UE_Properties,UE_Axions, UE_Instances >(1)

模型的邏輯結(jié)構(gòu)形式化描述如下：

（1）概念

UE_Concept 表示與城市事件應(yīng)急響應(yīng)相關(guān)的概念集，定義為六元組：

UE_Concepts= {UE_s, Emergency_A, Emergency_O,Emergency_R, Emergency_E, Process} (2)

UE_s 表示城市事件基類。Emergency_A 應(yīng)急行動是對城市事件應(yīng)急做出反應(yīng)的行動和措施。Emergency_O 應(yīng)急組織是指參與城市事件響應(yīng)的主體，包括組織機(jī)構(gòu)、人員。Emergency_R 應(yīng)急資源指城市事件應(yīng)急響應(yīng)可供調(diào)配的資源。如救援物資、通信保障資源、運(yùn)輸保障資源、庇難所等。Emergency_E 應(yīng)急環(huán)境是指事發(fā)位置所處并受影響的地理實(shí)體和環(huán)境實(shí)體。環(huán)境實(shí)體例如溫度、濕度、風(fēng)向等。地理實(shí)體包括村莊、道路、基礎(chǔ)設(shè)施等。Process 表示城市事件的演變過程。包括出現(xiàn)過程、變化過程、持續(xù)過程、爆發(fā)過程、消亡過程。

（2）關(guān)系

UE_Relations 指概念間的關(guān)聯(lián)或相互影響。城市事件本體概念間的關(guān)系分為層級關(guān)系和非層級關(guān)系。層級關(guān)系定義城市事件概念在語義上的父子級關(guān)系。非層級關(guān)系包括因果關(guān)系（induce）、伴隨關(guān)系(follow)、組成關(guān)系（composed of）等。本體的相關(guān)概念間的關(guān)系是指實(shí)體的二元關(guān)系如繼承關(guān)系（kind of）、影響（affect）、誘發(fā)（induce）、屬性關(guān)系（property of）等。

（3）屬性

UE_Properties 表示對城市事件進(jìn)行描述的概念集，包括對象屬性和數(shù)據(jù)屬性。對象屬性如城市事件的類型、標(biāo)識I。數(shù)據(jù)屬性即城市事件概念特征數(shù)值屬性，如事件的預(yù)警等級。

（4）公理

UE_Axions 指城市事件永真公理集合。

（5）實(shí)例

UE_Instances 表示城市事件概念、關(guān)系或情景的實(shí)例化。

基于以上內(nèi)容，可以看到城市部件本體和城市事件本體的多重關(guān)聯(lián)關(guān)系。其中城市事件可直接作用于城市部件并對其產(chǎn)生影響和變化，且城市部件可作為城市事件的應(yīng)急資源與應(yīng)急環(huán)境。如消防栓、防汛墻、防撞桶、充電樁等部件可在應(yīng)急響應(yīng)中作為救援物資使用。城市部件作為城市空間中的地理實(shí)體，是應(yīng)急環(huán)境的一個子類。

5 結(jié)論

本文從智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的角度對城市管理部件和事件的關(guān)系進(jìn)行研究。引入本體的方法，一方面集成了已有的城市事件和部件的概念，形成更加通用、完備、準(zhǔn)確的知識理解，滿足標(biāo)準(zhǔn)化的通用模型；另一方面從應(yīng)急資源和應(yīng)急環(huán)境的角度描述了部件和和事件本體的關(guān)聯(lián)關(guān)系，本體結(jié)合UML 圖形化的方式，使可視化表達(dá)更加清晰。從而證實(shí)了城市部件作為重要的應(yīng)急資源，能夠有效支持城市事件的響應(yīng)行動，同時也是城市事件的作用對象和影響實(shí)體。本研究是定量計(jì)算城市部件和事件的關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要依據(jù)，對指導(dǎo)管理部門快速響應(yīng)、合理調(diào)配資源具有重要意義。