山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜構(gòu)建與應(yīng)用

摘要：基于知識圖譜技術(shù)，對山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識進(jìn)行有效組織，采用本體理論的分層結(jié)構(gòu)，對應(yīng)急預(yù)案中的應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測和應(yīng)急任務(wù)四個核心要素進(jìn)行定義與描述；采用自底向上的數(shù)據(jù)層構(gòu)建流程，按照匹配與規(guī)則的模式進(jìn)行實(shí)體與關(guān)系抽取，建立相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案實(shí)體庫，實(shí)現(xiàn)從非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)資源到結(jié)構(gòu)化知識三元組的轉(zhuǎn)變，利用 Neo4j的實(shí)現(xiàn)可視化展示，為山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域“數(shù)據(jù)—信息—知識”的轉(zhuǎn)變提供了方法依據(jù)。

關(guān)鍵詞：山洪災(zāi)害；應(yīng)急預(yù)案；知識圖譜；實(shí)例應(yīng)用

一、前言

我國是受自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，涉及的災(zāi)害類型多、發(fā)生災(zāi)害的頻率高、分布地域面積廣、造成的經(jīng)濟(jì)損失重，對人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害[1]。我國是一個多山的國家，山區(qū)包括山地、丘陵和高原等地形類型，山區(qū)面積約占國土總面積的2/3。據(jù)調(diào)查，全國所有旳縣級行政區(qū)中，有75%在山區(qū)，而這75%旳山區(qū)縣級行政區(qū)會集了全國56%旳人口。由于山區(qū)居住的人口數(shù)量多、密度大、分布廣，以及典型的季風(fēng)氣候?qū)е碌慕涤陼r空分布不均和復(fù)雜的地形地質(zhì)特性等，每年汛期都有山洪災(zāi)害發(fā)生，造成較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。山洪、泥石流和滑坡等災(zāi)害對山區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，全國有將近7400 萬人直接受到影響[2]。

針對不同類型的災(zāi)害，應(yīng)急管理部頒布了《國家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》等多項專項應(yīng)急預(yù)案，明確了應(yīng)對策略和處置程序。各級政府及部門編制了相對應(yīng)的專項應(yīng)急預(yù)案并開展針對性的應(yīng)急演練。這些應(yīng)急預(yù)案的編制和實(shí)施，對于提高我國應(yīng)對突發(fā)事件的能力、減少災(zāi)害損失、保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。比如山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案是指在現(xiàn)有工程設(shè)施條件下，針對可能發(fā)生的各類山洪災(zāi)害而預(yù)先編制的應(yīng)急方案、對策和措施，是指導(dǎo)防汛指揮決策和防洪調(diào)度、搶險救災(zāi)的依據(jù)。我國特殊的地形條件、人口空間分布和降雨時空不均等因素導(dǎo)致山洪災(zāi)害風(fēng)險長期存在[3]，需要采取創(chuàng)新的措施和科技手段，提升山洪災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急管理的水平。將最先進(jìn)的應(yīng)急技術(shù)和管理手段應(yīng)用到山洪災(zāi)害防治工作當(dāng)中，有利于提升基層責(zé)任人組織協(xié)調(diào)、科學(xué)決策能力。

山洪災(zāi)害防治發(fā)展到新階段，數(shù)字化、智能化迭代升級是其必由之路，必須運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、思維、認(rèn)知，以數(shù)字化和智能化為山洪災(zāi)害防治賦能、提質(zhì)、增效。因此，基于知識圖譜技術(shù)，對山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識進(jìn)行有效組織，是實(shí)現(xiàn)智能化輔助決策目標(biāo)的重要手段?，F(xiàn)有應(yīng)急預(yù)案知識圖譜對山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案方向涉及較少，雖然預(yù)案知識圖譜構(gòu)建方法具有通用性，但山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案對象及關(guān)系有特殊性，因此本文對山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜構(gòu)建，可以為山洪災(zāi)害防治賦能、提質(zhì)、增效提供參考。

二、應(yīng)急預(yù)案模式層構(gòu)建

本文在構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案模式層過程中，首先對不同行業(yè)的應(yīng)急預(yù)案文本進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)分析，從中提取預(yù)案文本內(nèi)容的核心要素，這些要素的提取為進(jìn)一步構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案本體提供基礎(chǔ)。接下來，在行業(yè)專家的參與下，利用本體構(gòu)建方法，構(gòu)建出以應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測和應(yīng)急任務(wù)為核心概念的應(yīng)急預(yù)案綜合本體。在構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案本體時，定義核心要素之間的語義關(guān)系。然后，對應(yīng)急預(yù)案中核心要素的概念層次關(guān)系、屬性關(guān)系以及關(guān)聯(lián)關(guān)系統(tǒng)一描述。概念層次關(guān)系的建立可以更好地理解不同概念之間的層次結(jié)構(gòu)。屬性關(guān)系的描述可以更好地理解概念的性質(zhì)和特征。關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立則可以更好地理解不同概念之間的聯(lián)系和影響。

（一）模式層構(gòu)建方法

應(yīng)急預(yù)案知識圖譜模式層構(gòu)建對專家先驗(yàn)知識的依賴性較強(qiáng)，為了對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行深入的理解和分析，首先需要對其文本結(jié)構(gòu)要素及特征進(jìn)行詳細(xì)的探究，以幫助對應(yīng)急預(yù)案的領(lǐng)域概念進(jìn)行明確定義，也是構(gòu)建應(yīng)急預(yù)案本體模型的重要前提[4]。在應(yīng)急預(yù)案中，歸類出核心要素是應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測和應(yīng)急任務(wù)。這些要素在應(yīng)急預(yù)案中扮演著重要角色，相互關(guān)聯(lián)、相互影響，構(gòu)成了完整的應(yīng)急預(yù)案。針對這些核心要素，本文提出了相關(guān)概念的形式化模型，以便更加清晰地表達(dá)應(yīng)急預(yù)案中的概念和關(guān)系。該模型可以對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行形式化的描述，對應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測以及應(yīng)急任務(wù)等準(zhǔn)確地刻畫。

（二）模式層本體類及層次

在領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c下明確了應(yīng)急預(yù)案本體構(gòu)建中涉及的核心概念父類及子類，應(yīng)急預(yù)案本體類構(gòu)建以此為基礎(chǔ)，需要將抽象的語言描述轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以理解和識別的機(jī)器語言，完成對應(yīng)急預(yù)案本體類的構(gòu)建。本文主要使用 OWL DL語言描述應(yīng)急預(yù)案本體，基于 Gruber本體構(gòu)建規(guī)則，采用七步法構(gòu)建方法流程，構(gòu)建出應(yīng)急預(yù)案本體類及類層次。

知識圖譜模式層本體庫包含了應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的核心要素，包括應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測和應(yīng)急任務(wù)。該本體庫明確各核心要素的內(nèi)涵和外延，并對其間的語義關(guān)系進(jìn)行定義和描述。這些語義關(guān)系包括各要素之間的關(guān)聯(lián)、屬性及相互影響等方面，應(yīng)急預(yù)案知識圖譜模式層的綜合本體庫可表示為：

OEmergency={OCT，OIN，OMS，OFP，R} （1）

式中，OEmergency表示應(yīng)急預(yù)案綜合本體庫，OCT表示應(yīng)急事件，OIN表示應(yīng)急組織，OMS表示應(yīng)急監(jiān)測，OFP表示應(yīng)急任務(wù)，R表示應(yīng)急事件、應(yīng)急組織、應(yīng)急監(jiān)測、應(yīng)急任務(wù)之間的語義關(guān)聯(lián)關(guān)系。

三、應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)層構(gòu)建

本文在應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)層構(gòu)建過程中，首先對已有應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域文本數(shù)據(jù)源，采用自底向上的方式構(gòu)建數(shù)據(jù)層。在這個思路下，對應(yīng)急預(yù)案非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理過程包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、特征提取以及機(jī)器學(xué)習(xí)模型選擇與訓(xùn)練等，經(jīng)過以上步驟，采用匹配與規(guī)則的模式進(jìn)行實(shí)體與關(guān)系抽取，通過將文本與預(yù)定義的規(guī)則進(jìn)行匹配，從而識別并提取實(shí)體和規(guī)則之間的關(guān)系，再通過實(shí)體相似度的計算進(jìn)行知識融合。

（一）數(shù)據(jù)層構(gòu)建方法

應(yīng)急預(yù)案知識圖譜的數(shù)據(jù)層構(gòu)建是一個多步驟的過程，涉及數(shù)據(jù)收集、清洗、實(shí)體識別、關(guān)系抽取等多個環(huán)節(jié)。它的目標(biāo)是提供一個形式化的、結(jié)構(gòu)化的知識表示框架，用于描述和理解應(yīng)急預(yù)案中的各種實(shí)體及其之間的關(guān)系。在模式層中，應(yīng)急預(yù)案本體的概念框架對預(yù)案中的概念和關(guān)系進(jìn)行了明確的定義和描述。根據(jù)這個框架，可以針對已有的應(yīng)急預(yù)案文本數(shù)據(jù)，采用自底向上的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和融合。

（二）實(shí)體與關(guān)系抽取

實(shí)體與關(guān)系抽取是構(gòu)建知識圖譜的重要環(huán)節(jié)，通過實(shí)體關(guān)系抽取可以獲取知識實(shí)體間的相互關(guān)系，能夠更好地理解知識實(shí)體間的規(guī)律，完成知識圖譜的構(gòu)建。實(shí)體與關(guān)系抽取就是將已識別出的知識實(shí)體相互進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而生成知識三元組數(shù)據(jù)，其主要形式為實(shí)體1、關(guān)系、實(shí)體 2。實(shí)體與關(guān)系抽取是一個重要的文本分類問題，旨在識別和判斷實(shí)體之間的特定關(guān)系類別，并輸出實(shí)體與關(guān)系的三元組數(shù)據(jù)。這個過程對于構(gòu)建知識圖譜和提供結(jié)構(gòu)化的知識表示至關(guān)重要。在當(dāng)下應(yīng)急預(yù)案文本數(shù)據(jù)日益增長愈發(fā)重要的情況下，利用信息提取相關(guān)技術(shù)，獲得應(yīng)急預(yù)案文本數(shù)據(jù)中知識實(shí)體間的關(guān)系，能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案文本數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，同時實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案知識圖譜的構(gòu)建和可視化，能夠全面地展示故障間的關(guān)系規(guī)律，為應(yīng)急管理提供重要的決策依據(jù)。

本文實(shí)體與關(guān)系抽取過程中，通過Python的StanfordCoreNLP工具利用中文賓州樹庫（Chinese TreeBank，CTB）作為訓(xùn)練文本庫。其中，分詞和詞性標(biāo)注，中文賓州樹庫中的文本已經(jīng)進(jìn)行了分詞和詞性標(biāo)注，可以直接使用。實(shí)體識別，利用已有的命名實(shí)體識別（Named Entity Recognition，NER）算法對中文賓州樹庫中的文本進(jìn)行實(shí)體識別。關(guān)系抽取，通過分析實(shí)體的上下文、句法結(jié)構(gòu)等信息，推斷它們之間的語義關(guān)系。

四、實(shí)例應(yīng)用

本文實(shí)例應(yīng)用研究的某縣山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，是在現(xiàn)有工程設(shè)施條件下，針對可能發(fā)生的山洪災(zāi)害所預(yù)先制定的防御方案、對策和措施，是某縣實(shí)施指揮決策和防御調(diào)度、搶險救災(zāi)的依據(jù)，本文研究文本數(shù)據(jù)源見表1。

將某縣山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案融合后的實(shí)體、關(guān)系、屬性知識元以三元組形式存儲在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中將應(yīng)急預(yù)案知識三元組數(shù)據(jù)存儲到Neo4j數(shù)據(jù)庫中后，利用Neo4j數(shù)據(jù)庫中自帶的可視化平臺實(shí)現(xiàn)對應(yīng)急預(yù)案知識圖譜的可視化。

以某縣山洪災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、應(yīng)急任務(wù)流程為例，2010年10月15日從下午2時至16日上午8時，某縣遭遇強(qiáng)降雨天氣，縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量在120毫米左右，其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量均在50毫米以上。部分河道超警戒水位3至4米，3條道路交通中斷。

通過某縣山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜，可以推送獲取災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后的監(jiān)測、處理流程，如圖1所示，具體信息數(shù)據(jù)和技術(shù)支持如下：

（一）山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜中的應(yīng)急監(jiān)測

通過監(jiān)測平臺可以采集案例中“2010年10月15日從下午2時至16日上午8時累計降雨量在120毫米左右，其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計降雨量均在50毫米以上以及46宗大小型水庫水位上漲，縣所有水庫均超過警戒水位。河流水位上漲迅速，保城河水位已超出警戒線3米多”。山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)警指標(biāo)發(fā)出預(yù)警。

（二）山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜中的應(yīng)急事件

可以提供案例中“往某鄉(xiāng)的兩條道路的兩座橋梁被淹一米多深，無法通行；前往某鄉(xiāng)必須繞行數(shù)十公里，走某縣城至熱作所農(nóng)場的老路才能抵達(dá)；16日上午9時許，通往該縣某鄉(xiāng)的道路受山體滑坡影響已完全中斷”，指出危險區(qū)、安全區(qū)以及工程措施情況。

（三）山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜中的應(yīng)急組織

可以提供案例中責(zé)任人、責(zé)任單位以及分工。某縣防汛防風(fēng)防旱指揮部負(fù)責(zé)全縣搶險救災(zāi)工作的組織協(xié)調(diào)和統(tǒng)一指揮，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府要緊急調(diào)動應(yīng)急搶險隊伍開展搶險救災(zāi)工作，在第一時間到達(dá)現(xiàn)場。當(dāng)?shù)卣?、基層組織按照制定的轉(zhuǎn)移撤離方案及時將災(zāi)害點(diǎn)、危險區(qū)的居民和其他人員轉(zhuǎn)移到安全地帶。水利部門應(yīng)當(dāng)會同國土、建設(shè)、氣象等相關(guān)部門提出應(yīng)急措施，減輕和控制災(zāi)害損失。民政、糧食、衛(wèi)生、醫(yī)藥、交通、公安等相關(guān)部門，應(yīng)當(dāng)及時設(shè)置避難所和救濟(jì)物資供應(yīng)點(diǎn)，妥善安置災(zāi)民生活，做好醫(yī)療救護(hù)、衛(wèi)生防疫和社會治安工作。交通部門保證物資設(shè)備和人員的安全運(yùn)送。

（四）山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜中的應(yīng)急任務(wù)

可以推薦搶險救援流程，第一步，搶救被掩埋的人員和正處于危險地的遇險者，迅速轉(zhuǎn)移到安全地帶，對傷病員進(jìn)行及時搶救。第二步，緊急疏散位于危險地帶及危險建筑內(nèi)的人員，對緊急轉(zhuǎn)移的人員作好臨時安置，發(fā)放糧食、衣物、安排好災(zāi)民日常生活。第三步，作好宣傳和安全保衛(wèi)工作，及時處理各類遺體，進(jìn)行防疫消毒，控制衍生性病毒的發(fā)生和蔓延。第四步，對可能造成新的危害的山體、建筑物等要安排專人檢測、防御。第五步，迅速組織力量搶修通信、交通、供電、供水等生命線工程，及時向上級部門報告災(zāi)情，請求援助。

實(shí)例應(yīng)用表明，在某縣山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜的構(gòu)建和可視化展示基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能搜索等應(yīng)用，從而幫助某縣更好地提取山洪災(zāi)害應(yīng)急關(guān)鍵信息，為決策制定提供準(zhǔn)確有效的信息數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

五、結(jié)語

山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜的構(gòu)建與應(yīng)用是一個具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義的研究領(lǐng)域，未來可以在此領(lǐng)域開展更多的研究工作，以推動其在災(zāi)害應(yīng)急領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

（一）知識圖譜的完善與更新

在構(gòu)建山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜時，需要不斷收集和整理新的災(zāi)害案例和相關(guān)研究，不斷完善和更新知識圖譜，以保證其準(zhǔn)確性和實(shí)時性。

（二）知識的推理與優(yōu)化

通過對知識圖譜進(jìn)行推理，可以得出更準(zhǔn)確、更深入的結(jié)論，為應(yīng)急決策提供更有價值的支持。此外，還可以通過優(yōu)化算法，提高推理的效率。

（三）知識的可視化與解釋

通過可視化技術(shù)，可以將復(fù)雜的知識以易于理解的方式呈現(xiàn)出來，幫助用戶更好地理解和應(yīng)用知識。同時，還需要研究如何解釋知識圖譜中的結(jié)果，以幫助用戶理解推理過程。

（四）知識的應(yīng)用與評估

將構(gòu)建好的知識圖譜應(yīng)用于實(shí)際的山洪災(zāi)害應(yīng)急工作中，可以檢驗(yàn)其有效性和實(shí)用性。同時，還需要對知識圖譜的應(yīng)用效果進(jìn)行評估和反饋，以不斷完善和優(yōu)化知識圖譜。

（五）跨領(lǐng)域知識的融合

可以將其他相關(guān)領(lǐng)域的知識融合到山洪災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案知識圖譜中，以擴(kuò)展和豐富其內(nèi)容。例如，可以融合氣象、地質(zhì)、水利等領(lǐng)域的知識，以更好地支持應(yīng)急決策。

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基金項目：1.水利部重大科技項目“數(shù)字孿生平臺關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”（項目編號：SKS-2022156）；2.認(rèn)知智能全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題任務(wù)書“基于測控一體化閘門的灌區(qū)輸配水智能調(diào)控研究與應(yīng)用”（項目編號：COGOS-2024HE04）

作者單位：訊飛智元信息科技有限公司

■ 責(zé)任編輯：王穎振 鄭凱津