CN114969355A - 一种溃坝应急预案本体模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种溃坝应急预案本体模型构建方法，基于本体理论将溃坝应急预案文本形式化，构建关于溃坝应急预案的基本词汇术语表以及基本词汇术语之间的本体知识库，并使用本体描述语言OWL来定义本体知识库内部的规则，选取目前使用比较广泛的本体编辑工具Protégé进行建模，对溃坝应急预案内相关概念进行规范化处理，使得溃坝应急管理预案语言统一，增加了其通用性，为应急管理平台构造奠定基础；有利于计算机辅助决策，大大降低了调用查找应急预案所需的时间，且使用便利，有利于在实景情况下快速调整方案；提高了***的智能化、数字化。

Description

一种溃坝应急预案本体模型构建方法

技术领域

本发明属于水利工程技术的大坝风险管理领域，具体涉及溃坝应急预案本体模型的构建。

背景技术

随着经济社会的发展，我国社会与公众的安全意识提高，对于溃坝造成的严重后果愈发不可忍受，溃坝应急预案作为减轻突发性溃坝事故的非工程性措施，在溃坝应急中发挥了不可替代的作用，但仍有以下不足：①应急预案涉及多个领域知识并由多家单位联合协作完成和执行，在信息交流中存在理解差别，不同的数据形式无法很好通用，在不同平台间的共享和表达能力较弱；②溃坝应急预案中的流程未经过信息化处理，无法进行智能化推理，阻碍了计算机辅助决策；③溃坝发生后应急指挥部需根据溃坝级别查阅相关细则再发送应急指令，传达时间长，且此时恰是应急抢险的黄金时间；④应急预案主要以文本形式存储，一线抢险人员阅读不便、时间利用率低，增加了应急响应难度；⑤针对应急预案中影响应急的要素进行不确定性进行分析，对于突发事件中的不确定因素考虑较少，无法在实景环境下快速高效的调整方案。

我国已经开展应急管理平台建设，并在各行各业都开展了相应研究，但在某些具体行业还未建立完善的应急管理***。我国对于溃坝应急预案的智能化管理平台还尚缺乏，实际运用中还不能做到多部门信息数据实时共享，导致实际协同能力较弱，运用大数据、深度学习、自我演化等现代化信息技术还处于探索阶段。

应急预案是面对突发事件灾害或事故，预先制定的一系列为保证应急抢险和救援行动能够顺利、高效开展的方案或计划。随着经济社会的迅速发展，现代化的应急管理越显得重要，此时暴露出传统应急预案的一些弊端。在这一背景下，将应急预案进行本体建模，运用知识构建技术，解决了领域建模问题，为应急预案现代化管理提供了新的研究方向。

目前本体论在应急预案领域中有一定的运用，但对于水库大坝溃坝应急预案的研究较少，大部分都是针对应急预案中人员结构、应急处置、应急响应等知识构建本体模型，对于应急过程中相关概念并不规范和完整，没有形成完备的理论体系，预案动态化调整以及风险图可视化展示等方面还比较欠缺，***智能化不够。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种溃坝应急预案本体模型构建方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于包括如下步骤：

根据溃坝应急预案知识来源，总结出溃坝应急预案知识本体的领域和范围，梳理概念之间的关系，用基于SUMO上位本体和领域本体对溃坝应急预案的概念进行知识表示，确定溃坝应急预案本体模型的基本结构；

基于SUMO上位本体扩建适用溃坝应急预案的通用上位本体模型，基于通用上位本体模型构建领域本体模型；结合现有知识来源与对领域和范围内容的描述，运用本体编辑工具 Protégé将溃坝应急预案内相关的概念和概念之间的关系、属性进行形式化表示，完成溃坝应急预案通用知识的建模，最终生成涵盖溃坝应急预案知识体系的溃坝应急预案本体模型。

本发明进一步的技术方案是：

基于SUMO上位本体扩建出适用溃坝应急预案的通用上位本体模型，包括如下步骤：

在SUMO上位本体基础上，结合溃坝应急预案相关知识，概括出相关领域内概念与概念间的约束条件，构造能覆盖领域内所有的概念和概念间关系的面向溃坝应急预案领域的通用本体；

对SUMO上位本体进行必要的增减，删减在溃坝应急预案本体构建中的无关类。

基于通用上位本体模型构建领域本体模型，包括如下步骤：

通过对溃坝应急预案文档内容进行分析和研究，运用本体编辑工具Protégé抽取其中相关概念及各种属性约束，在最上层类Thing下添加上位本体中的顶层类Entity，然后在上位本体的基础上不断添加其子类，直到添加完溃坝应急预案中所有的类为止，完成显性领域本体构建；

融入溃坝应急的不确定性因素，将不确定性知识表示在底层隐性领域本体中，结合溃坝后果及其指标构建隐性领域本体。

本发明进一步优选的技术方案是：

显性领域本体中包含溃坝应急预案能直观呈现的内容，其核心概念包括状态、突发事件、应急组织、预案运行机制、应急保障。

隐性领域本体包含溃坝应急预案隐性表达的内容，其核心概念包括溃坝后果、溃坝洪水、撤离时间、应急资源。

本发明有益效果：

1、利用本发明方法构建溃坝应急预案本体模型，并验证其在既定领域和范围下的合理性、实用性、完整性，使得溃坝应急管理预案语言统一，增加了其通用性，为应急管理平台构造奠定基础；

2、本发明构建方法将应急预案流程进行信息化处理，有利于计算机辅助决策，大大降低了调用查找应急预案所需的时间，且使用便利，有利于在实景情况下快速调整方案；

3、本发明构建方法规范了本体论在大坝应急过程中的相关概念，架构逻辑结构，形成完备的理论体系，提高***的智能化、数字化。

附图说明

图1为本体构建流程图；

图2为SUMO本体结构示意图；

图3为SUMO的抽象概念树状图；

图4为SUMO的物质树状图；

图5为溃坝应急预案显性类关系层次结构图；

图6为隐性领域本体顶层核心概念；

图7为溃坝应急预案显性本体树状关系图；

图8为溃坝应急预案隐性本体树状关系图。

具体实施方式

实施例一

本实施例提供一种溃坝应急预案本体模型构建方法，根据领域本体的特征进行本体模型构建，建模方法融合七步法与骨架法，基于本体理论将溃坝应急预案文本形式化，构建关于溃坝应急预案的基本词汇术语表以及基本词汇术语之间的本体知识库，并使用本体描述语言 OWL来定义本体知识库内部的规则，选取目前使用比较广泛的本体编辑工具Protégé进行建模，对溃坝应急预案内相关概念进行规范化处理。

一、构建流程，如图1所示，包括：

1)溃坝应急预案本体知识抽取

①相关概念。本体就是对某领域内的原始数据进行知识抽取并整合，再对其概念、术语与概念之间的关系进行规范化描述的一种知识表示方法，常见的一些本体应用如：知网、字典、目录、索引等。溃坝应急预案是针对水库运行过程中遭遇的可能导致溃坝或危及大坝工程安全或公共安全的突发事件，为避免或减少损失而预先制定的应急处置方案。

②确定研究领域。本模型中所要描述的领域可定义为“溃坝应急预案”，构建的溃坝应急预案本体模型中所涉及的概念、概念层次关系、属性、约束、实例等来自于《突发事件应对法》、《国家突发公共事件总体应急预案》、《水库大坝安全管理应急预案编制导则》(SL/Z720-2015)等相关法律法规和技术标准。

③领域术语的确定。完整的本体模型必须具有相关领域内完整、准确的术语，溃坝应急预案内主要的术语是从相关法律法规和技术标准中提取。例如，“突发事件级别”、“应急响应”、“应急组织”、“应急救援”、“事件分类”等专业术语。

2)考虑是否有复用本体

借鉴已有本体，参考其有用的地方，看是否能再复用。

3)顶层本体标准化：定义类及其子类→定义类的属性和关键字→创建类的实例

①定义类及其子类。类是本体中基本的组成部分，代表某一概念集合。通过编辑工具将具有同一属性的名词集合在一起形成类，然后逐层往下具体化，位于最顶端的类是所有类的父类，其下级又由许多子类组成。例如，物质属于父类，其子类有过程和对象。

②定义类的属性和关键词。属性可以被用来说明类的共同特征以及某些实体的专有特征。在OWL语言中，一种是实体类属性，用来表示两个实体之间的联系；一种是数据类型属性，是用来表示属性的值。

③创建类的实例。从相关资料、文献中总结出相关信息，将其术语、知识相互连接得到一个本体模型中的实例，使用本体编辑工具Protégé将实例具体为“溃坝应急预案”，进一步细化该领域，完成模型构建工作。

4)溃坝应急预案本体表示

利用本体编辑工具Protégé进行本体构建，将应急预案内相关的概念和概念之间的关系、属性进行形式化表示，最终生成涵盖溃坝应急预案知识体系的溃坝应急预案本体模型。

5)本体评价

模型实现即本体构建完成，反之对顶层本体部分进行修改，再重复模型构建步骤。基于本体的公理、概念/类、注释等编码方面，验证模型在既定领域和范围下的合理性、实用性、完整性。

二、层次结构

本体的构建方法主要分为：①自上向下，先定义最顶端的类，再往下具体的扩展定义；②自下向上，自最底层的类开始定义，再总结往上拓展；③混合法，混合前两种方法，先确定本体层次中核心的类，然后以其为发散点，不断向两边拓展细化。由于混合法综合了自上向下和自下向上方法各自的优点，且不需要按照一个方向扩展，因此本文选择混合法，构建具有丰富概念的溃坝应急预案本体模型。

本体构建有5项基本原则，即明确性和客观性、完整性、一致性、最大单调可扩展性以及最小承诺。依据以上构建方法与原则，所建模型采用两层结构，上位本体和领域本体。第一层为上位本体，描述溃坝应急预案领域内的通用概念，可与其它领域交互；第二层为应急预案领域本体，基于上位本体对应急预案进行“知识”分析，总结相关法律、法规、条例中的概念以及概念之间的关系，从不同层次上对相关关系进行形式化的描述，同时领域本体按照其知识的表现形式又分成显性领域本体与隐性领域本体。

三、本体构建

1)上位本体

基于SUMO的上位本体最顶层为实体类(Entity)，它是一切类的父类，代表了现实世界中的所有事物，而其本身不属于任何类，在其下属有Physical(物质)和Abstract(抽象)两大子类，

Physical(物质)主要由过程和对象两个子类构成，表示具有时间和空间属性的客观实体。而Abstract(抽象)主要是用于描述一些客观存在或者经过具象的概念信息实体或思维，主要是由属性、图表、图表元素、命题、数量、关系、集合或类几个子类组成。

本文在SUMO层次基础上，结合溃坝应急预案相关知识，概括出相关领域内概念与概念间的约束条件，构造出面向溃坝应急预案领域的通用本体，保证上位本体的完整性和准确性，将领域内所有的概念和概念间的关系所覆盖，使得构建的通用本体更加具有实用性，方便后期本体进化的添加和修改。同时考虑到关于应急预案中各别类并未涉及到，因此对SUMO上位本体进行必要的增减，删减在应急预案本体构建中无关类，如数量、关系和图表元素，以便于本体模型更加的精简而不冗余，更有利于***的优化分析。

基于SUMO的溃坝应急预案上位本体层次结构经过细化后的结构如图2所示，抽象类的结构如图3所示，物质类的结构如图4所示。

2)领域本体

溃坝应急预案领域本体构建是在本体编辑工具Protégé下，将应急预案内相关的概念和概念之间的关系、属性进行形式化表示，最终生成涵盖溃坝应急预案知识体系的溃坝应急预案本体模型。其中，溃坝应急预案领域本体包含两个部分：一是显性领域本体模型，这部分领域本体主要是应急预案能直观呈现的内容，其抽取的主要依据是领域内相关导则、法律法规和技术标准。二是隐性领域本体模型，这部分领域本体不作直观展示，它是预案要素信息的隐性知识表达，其抽取的主要依据来源于溃坝应急的主观不确定性和客观不确定性。比如溃坝后果、应急撤离时间等受不确定因素影响的知识，就划分到隐性领域。主观不确定性体主要现在应急撤离和应急资源管理方面，例如应急撤离路线、应急撤离时间、应急资源需求、应急资源调配的不确定性等；客观不确定性主要体现在降雨的时空差异及数据观测、入库洪水等级、溃坝模式及溃口流量、洪水过程和水力参数的不确定等方面。

(1)显性领域本体模型构建

通过对应急预案文档内容进行分析和研究，采用Protégé编辑工具抽取其中相关概念及各种属性约束等，从而构建显性领域本体。显性领域本体是整个概念体系的展示，用户直观了解的就是这部分，如应急预案流程、应急组织体系、应急响应等知识。首先需要根据预案知识进行类的添加，本体中类的构建主要在Entities界面下的Classes面板完成，与此同时还需设置类和对象属性的定义。显性领域本体模型构建中最上层为Thing类，它是所有类的父类，在该类的上面有3个按钮，分别用于添加子类、添加同类以及删除类。首先在Thing下添加上位本体中的顶层类Entity，然后在上位本体的基础上不断添加其子类，直到添加完溃坝应急预案中所有的类为止。为了更加直观展示溃坝应急预案本体模型，并对本体进行检测、修改和查询，本体编辑工具Protégé还提供了如图7所示本体模型树状关系图。

(2)隐性本体模型构建

根据溃坝应急预案编制流程与主要内容，并结合溃坝应急的不确定性分析，将最顶层的类定义为溃坝应急预案隐性领域本体，即所有类的父类。其下层子类的核心概念主要包括 Consequences of Dam Break(溃坝后果)、溃坝洪水(Dam-break Flood)、撤离时间(Evacuation Time)、应急资源(Emergency Resources)，经过对隐性概念知识的提取并形式化，并结合不确定性因素，最终构建出如图8所示溃坝应急预案隐性领域本体的树状关系图。

本实施例中，显性领域本体模型抽取的核心概念如表1所示，溃坝应急预案编制大纲目录如表2所示，溃坝应急预案显性类关系层次结构图如图5所示。

表1显性领域本体中的核心概念及其下属概念

表2溃坝应急预案编制大纲目录

隐性领域本体中所包含的主要是影响显性领域本体逻辑结构发生改变的对象属性和数据知识，而溃坝应急的不确定性是引起应急预案调整的根本原因，因此本发明将应急要素的不确定性因素融入其中，将不确定性知识表示在底层隐性领域本体中，并在此基础上结合溃坝后果及其指标形成领域本体的隐性本体模型，使用形式化后的不确定知识进行判断、推理，从而提高***应对不确定性的水平。

根据溃坝应急预案编制流程与主要内容，并结合溃坝应急的不确定性分析，将最顶层的类定义为溃坝应急预案隐性领域本体，即所有类的父类。其下层子类的核心概念主要包括 Consequences of Dam Break(溃坝后果)、溃坝洪水(Dam-break Flood)、撤离时间(Evacuation Time)、应急资源(Emergency Resources)。经过对隐性概念知识的提取并形式化，并结合不确定性因素，最终构建出溃坝应急预案隐性领域本体的树状关系图，如图6所示。

四、模型实现

从公理、类/概念、关系/属性、注释这几个方面深入分析如何实现溃坝应急预案本体模型。

1)公理

公理常用来描述本体中类、属性、实例之间客观存在的一些关系，它是可以直接使用且无需证明的正确假设，属于语义推理和逻辑表达的前提条件。本文所构建本体模型主要实现了以下公理：

i.存在公理

为了避免溃坝应急预案中一些概念的混淆，通过一个专属的公理将其唯一化，不会产生多个含义。利用OWL中rdf:ID的表述方式进行类的名称定义。例如：

<owl:Class rdf:ID＝"Object">，定义Object(对象)；

<owl:CIass rdf:ID＝"ERorganization">，定义ERorganization(应急组织)

ii.子类关系公理

表示某个类是另一个类的子类。在OWL中，使用rdf:subClassOf属性来描述子类关系。例如：

ERorganization(应急组织)是Emergency command agency(应急指挥机构)、Emergency Command Office(应急指挥部办公室)、Experts(专家组)、ERRescueTeam(应急抢险与救援队伍)的父类，表示如下：

iii.等价关系公理

表示两个类之间具有等价关系。在OWL中，使用owl:equivalentClass属性描述等价关系。例如：

Personnel(人员)等同于Role(角色)，表示如下：

<owl:Class rdf:ID＝"Personnel">

<owl:equivalentClass rdf:ID＝“Role”>

</owl:Class>

iv.排他关系公理

主要表示本体中某两个类之间互不产生交集，单独存在的关系。在OWL中，使用owl: disjointWith属性描述排他关系。例如：

OperatingMechanism(运行机制)与ERGuarantee(应急保障)是互斥的，表示如下：

2)概念/类

概念与类是本体构建的基础，它们在定义中是同等的。溃坝应急预案本体构建中主要涉及以下几种类：

i.简单类

OWL语言中最基本的类就是简单类。例如：

HistoricalDisasters(历史灾害)这个类可以用以下代码表示：

<owl:Class rdf:about＝"HistoricalDisasters">

ii.枚举类

枚举类中包括类的所有实例集合，在OWL中，用rdf:parseType＝“Collection”描述枚举类型的类。例如：

Alert Classification(预警分级)根据突发事件预警级别可划分为四个类，用OWL表示如下：

3)关系/属性

本体中概念与概念之间、属性与概念之间或实例与概念之间相互关联映射，在OWL中这样的关系称为属性，主要表示了实例、概念、数据类型之间的二元关系。

属性主要分为数据属性与对象属性。数据属性就是表达类的数值特性，将某一数据类型与类关联起来，由数据的对象组成。例如每一个应急预案都有ID(预案编号)、Date(发布日期)一些与数据相关的属性值，而在OWL中主要用RDF的rdf:Property类的子类owl:DatatypeProperty类来描述数据属性。

对象属性是将本体中主客体类的个体相互关联，例如：

DamBreakEmergency(溃坝突发事件)与Level(事件分级)之间has Level进行属性关联，在OWL中主要用RDF的rdf:Property类的子类owl:ObjectProperty类来描述两个类之间的对象属性。

4)注释

为了方便阅读和理解，便于后期扩展以及维护，任何代码编写过程中都需要添加一些注释，本体编码也是如此，需要对类以及属性添加必要的注释。

i.类的相关注释，即为溃坝应急预案中类做解释。例如：

“DamBreakERP”添加注释，以解释该类为“溃坝应急预案”，表示如下：

<owl:Class rdf:ID＝"DamBreakERP">

<rdfs:comment rdf:datatype＝"......">

溃坝应急预案</rdfs:comment>

</owl:Class>

ii.属性的注释，即对本体中的属性关系进行解释说明，以解释该类所包含属性的含义是“某行动的行为主体”。例如：

<owl:ObjectProperty rdf:about＝"#hasRole">

<rdfs:comment rdf:datatype＝"http://www.w3.org/2001/XMLSchema#string">

某行动的行为主体</rdfs:comment>

</owl:ObjectProperty>。

Claims (10)

1.一种溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于包括如下步骤：

根据溃坝应急预案知识来源，总结出溃坝应急预案知识本体的领域和范围，梳理概念之间的关系，用基于SUMO上位本体和领域本体对溃坝应急预案的概念进行知识表示，确定溃坝应急预案本体模型的基本结构；

基于SUMO上位本体扩建适用溃坝应急预案的通用上位本体模型， 基于通用上位本体模型构建领域本体模型；结合现有知识来源与对领域和范围内容的描述，运用本体编辑工具Protégé将溃坝应急预案内相关的概念和概念之间的关系、属性进行形式化表示，完成溃坝应急预案通用知识的建模，最终生成涵盖溃坝应急预案知识体系的溃坝应急预案本体模型。

2.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于基于SUMO上位本体扩建出适用溃坝应急预案的通用上位本体模型，包括如下步骤：

在SUMO上位本体基础上，结合溃坝应急预案相关知识，概括出相关领域内概念与概念间的约束条件，构造能覆盖领域内所有的概念和概念间关系的面向溃坝应急预案领域的通用本体；

对SUMO上位本体进行必要的增减，删减在溃坝应急预案本体构建中的无关类。

3.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于基于通用上位本体模型构建领域本体模型，包括如下步骤：

通过对溃坝应急预案文档内容进行分析和研究，运用本体编辑工具Protégé抽取其中相关概念及各种属性约束，在最上层类Thing下添加上位本体中的顶层类Entity，然后在上位本体的基础上不断添加其子类，直到添加完溃坝应急预案中所有的类为止，完成显性领域本体构建；

融入溃坝应急的不确定性因素，将不确定性知识表示在底层隐性领域本体中，结合溃坝后果及其指标构建隐性领域本体。

4.如权利要求3所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于显性领域本体中包含溃坝应急预案能直观呈现的内容，其核心概念包括状态、突发事件、应急组织、预案运行机制、应急保障。

5.如权利要求3所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于隐性领域本体包含溃坝应急预案隐性表达的内容，其核心概念包括溃坝后果、溃坝洪水、撤离时间、应急资源。

6.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于采用混合法构建所述溃坝应急预案本体模型，先确定本体层次中核心的类，然后以所述核心的类为发散点，不断向两边拓展细化。

7.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于使用OWL语言描述溃坝应急预案本体模型中的公理，包括：使用rdf:ID的表述方式进行溃坝应急预案本体模型中类的名称定义，使用rdf:subClassOf属性来描述子类关系；使用owl:equivalentClass属性描述等价关系；使用owl: disjointWith属性描述排他关系。

8.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于使用OWL语言描述溃坝应急预案本体模型中的概念和类，包括：使用OWL语言中最基本的类定义简单类，使用rdf:parseType=“Collection”描述枚举类型的类。

9.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于使用OWL语言描述溃坝应急预案本体模型中的关系和属性，包括：使用RDF的rdf:Property类的子类owl :DatatypeProperty类描述数据属性。

10.如权利要求1所述的溃坝应急预案本体模型构建方法，其特征在于还包括模型验证步骤：溃坝应急预案本体模型构建完成后，验证溃坝应急预案本体模型在既定领域和范围下的合理性、实用性、完整性，使得应急管理语义层次能够统一理解，为后续***平台的开发奠定基础。

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