本體的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)研究*

馬 莉

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安710054)

0 引 言

近年來，中國煤礦安全生產(chǎn)形勢已經(jīng)取得了明顯好轉(zhuǎn)，然而安全隱患依舊存在，重特大煤礦安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生［1］。隨著煤炭行業(yè)采煤深度和強(qiáng)度的不斷加大，煤礦安全問題尤為突出，煤礦企業(yè)自身所具有的特殊的工作環(huán)境，使得煤礦事故具有突發(fā)性強(qiáng)，復(fù)雜多變等特點(diǎn)，因而一旦發(fā)生事故，應(yīng)急救援行動就顯得極為重要［2］。

由于應(yīng)急預(yù)案是應(yīng)急救援活動的行動指南，很多煤礦企業(yè)都編制了相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案，但絕大多數(shù)應(yīng)急預(yù)案為紙質(zhì)預(yù)案，或者是以電子文檔存儲的預(yù)案，預(yù)案缺乏即時(shí)性和有效性，查詢和應(yīng)用極為不便。當(dāng)煤礦災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)，因缺乏高效、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的應(yīng)急管理機(jī)制，難以采取及時(shí)和高效的應(yīng)急響應(yīng)對策是導(dǎo)致事態(tài)沒有得到有效控制的重要原因。

實(shí)踐證明，僅依靠紙質(zhì)文字預(yù)案管理煤礦安全工作其作用收效甚微，因此應(yīng)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)建立煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)已成迫切需要［3］。煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)是對煤礦應(yīng)急預(yù)案的組織體系與機(jī)構(gòu)職責(zé)、預(yù)警預(yù)防機(jī)制、應(yīng)急響應(yīng)過程、事故信息發(fā)布、善后處理等流程的一種標(biāo)準(zhǔn)化描述，并在此基礎(chǔ)上利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案的編制、審核、存儲、管理、查詢和演練。

而目前應(yīng)急預(yù)案的部分要素均以數(shù)據(jù)庫表的形式存儲在數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)中，由于沒有采用語義和知識表達(dá)，使得這些應(yīng)急知識共享性不足，不能被其他領(lǐng)域的應(yīng)急需求用戶所使用，同時(shí)，計(jì)算機(jī)也不能理解這些預(yù)案知識，無法提供及時(shí)、有效的應(yīng)急輔助決策［4］。

因此，文中將研究煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案的形式化表示方法，將煤礦應(yīng)急預(yù)案文本的結(jié)構(gòu)和邏輯表示成計(jì)算機(jī)能夠理解的形式，在提高煤礦應(yīng)急預(yù)案知識的共享性和交互性的基礎(chǔ)上，開發(fā)煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案原型系統(tǒng)，使應(yīng)急預(yù)案可以發(fā)揮高效、及時(shí)、智能決策的作用。

1 煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域知識抽取

在煤礦應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化開發(fā)之前，需要對煤礦應(yīng)急預(yù)案的領(lǐng)域知識進(jìn)行語義描述，其中一項(xiàng)主要工作就是要將煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的相關(guān)知識概念整理出來，即需要理清煤礦應(yīng)急預(yù)案的體系結(jié)構(gòu)、預(yù)案所包含的要素及其之間的關(guān)系。針對煤礦生產(chǎn)經(jīng)營的特殊性，煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域知識的抽取主要依據(jù)國務(wù)院頒布的《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》以及《生產(chǎn)經(jīng)營單位安全生產(chǎn)事故應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》。其中對于煤礦安全事故的定義、類別及級別等界定如下。

1.1 煤礦安全事故的定義

煤礦安全事故是指煤礦生產(chǎn)活動過程中發(fā)生的具有隨機(jī)性(現(xiàn)象偶然)與本質(zhì)性(本質(zhì)必然)、突發(fā)性(瞬間發(fā)生)與積累性(因素交叉時(shí)滯)、傷害性(人身、財(cái)物、活動進(jìn)程)與可控性(可以主動預(yù)防與消減)特征的事件［5］。

1.2 煤礦安全事故的分類

按煤炭工業(yè)傷亡事故的性質(zhì)，傷亡事故分為以下8 類:①頂板事故;②瓦斯事故;③機(jī)電事故;④運(yùn)輸事故;⑤火藥放炮事故;⑥水害;⑦火災(zāi);⑧其他事故。

1.3 煤礦安全事故的分級

在參考國家《礦山事故災(zāi)難應(yīng)急預(yù)案》的基礎(chǔ)上，按照事故災(zāi)難的可控性、嚴(yán)重程度和影響范圍，煤礦事故級別分為Ⅰ級(特別重大事故)事故、Ⅱ級(重大事故)事故、Ⅲ級(較大事故)事故、Ⅳ級(一般事故)事故、Ⅴ級(輕微事故)事故等。

1.4 煤礦安全事故應(yīng)急預(yù)案的定義

為了規(guī)范煤礦事故的應(yīng)急管理和應(yīng)急響應(yīng)程序，明確職責(zé)，建立健全應(yīng)急救援機(jī)制，及時(shí)、科學(xué)、有效地指揮、協(xié)調(diào)應(yīng)急救援工作而制定的一套事故處置經(jīng)驗(yàn)和處置方式的模板，最大限度地降低事故災(zāi)難造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

1.5 煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案體系

根據(jù)礦山企業(yè)特點(diǎn)，各類應(yīng)急預(yù)案構(gòu)成了一個(gè)合理的、相互關(guān)聯(lián)的體系，結(jié)合企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，煤礦安全生產(chǎn)應(yīng)急預(yù)案體系結(jié)構(gòu)如下

1)集團(tuán)公司的預(yù)案:集團(tuán)公司綜合預(yù)案;集團(tuán)公司專項(xiàng)預(yù)案;集團(tuán)公司處室(部)預(yù)案。

2)分公司預(yù)案:分公司綜合預(yù)案;分公司專項(xiàng)預(yù)案;分公司處室(部)預(yù)案。

3)生產(chǎn)(經(jīng)營)單位預(yù)案:綜合預(yù)案;專項(xiàng)預(yù)案;現(xiàn)場應(yīng)急處置方案;區(qū)隊(duì)(科室)預(yù)案;作業(yè)預(yù)案;班組應(yīng)急預(yù)案;崗位和個(gè)人應(yīng)急處置方案。

2 煤礦應(yīng)急預(yù)案雙層本體模型構(gòu)建方法

為克服中國煤礦應(yīng)急預(yù)案體系逐漸完備過程中出現(xiàn)的一些弊端，需用科學(xué)的模型來指導(dǎo)煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)的建設(shè)，使其符合應(yīng)急預(yù)案的編制、評審、瀏覽、查詢和存儲的功能要求。

本體論(Ontology)最早是哲學(xué)上的一個(gè)概念。1998 年，Studer［6］提出了本體的定義，這是目前最為流行的定義，即本體(Ontology)是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”，本體被當(dāng)作是領(lǐng)域內(nèi)主體間交流的一種語義基礎(chǔ)，其目標(biāo)就是通過抽取相關(guān)領(lǐng)域的知識，明確該領(lǐng)域內(nèi)被大家共同認(rèn)可的概念及概念間的關(guān)系，并從不同層次給出這些概念及概念間關(guān)系的明確定義。因此基于本體論構(gòu)建系統(tǒng)的概念模型，不但可以規(guī)范系統(tǒng)的開發(fā)，而且可以在對領(lǐng)域知識語義標(biāo)識的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識的智能檢索。

依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將本體分為不同的類。例如依據(jù)領(lǐng)域依賴程度，通常將本體分為頂層本體、領(lǐng)域本體、任務(wù)本體、應(yīng)用本體和元本體［7］。文中構(gòu)建的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案本體模型由頂層本體和領(lǐng)域本體組成。現(xiàn)有的頂層本體有WORDNET 頂層本體、CYC 頂層本體和SUMO 上位本位等［8-9］。由于SUMO 頂層本體具有普適性和權(quán)威性的特點(diǎn)［10］，因此文中選擇SUMO 作為該模型的頂層本體。第二層是煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域本體，該層本體構(gòu)建的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)概念及概念間關(guān)系的形式化表述。

在SUMO 頂層本體中，實(shí)體(Entity)自身不屬于任何類，是所有類的基類，代表客觀世界中的所有事物，物質(zhì)(Physical)和抽象(Abstract)是它的兩個(gè)直接子類。作為通用的頂層本體，SUMO 高度抽象及涵蓋了客觀世界的所有事物，與領(lǐng)域無關(guān)［11］。但作為煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的頂層本體，僅靠SUMO來形式化的表述應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的知識會顯得較為空泛和繁瑣，因此文中結(jié)合文獻(xiàn)［12］構(gòu)建的應(yīng)急預(yù)案頂層本體，在SUMO 的基礎(chǔ)上，通過提取煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的相關(guān)概念和關(guān)系，構(gòu)造了面向煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的頂層本體。該頂層本體不僅可以涵蓋煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域本體中可能出現(xiàn)的所有概念及關(guān)系，而且還可以保證頂層本體的實(shí)用性、簡練性和通用性。面向煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的頂層本體如圖1 所示。

3 煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型CERPO 構(gòu)建

Perez 等人采用了分類法歸納出5 個(gè)基本建模元語，即概念(Concepts)或類(Classes)、關(guān)系(Relations)、函數(shù)(Functions)、公理(Axioms)和實(shí)例(Instances)。根據(jù)Perez 的本體建模元語，文中把煤礦應(yīng)急預(yù)案本體(Coalmine Emergency Response Plan Ontology，CERPO)定義為一個(gè)五元組

定義1

CERPO_Ontology:= ＜CERPO_Concepts，

CERPO_Relations，CERPO_Functions，CERPO_Axioms，CERPO_Instances ＞

定義1 中，CERPO_Concepts 表示該本體模型中煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的概念集合，CERPO_Relations 表示該本體模型中概念間關(guān)系的集合，CERPO_Functions 表示該本體模型中函數(shù)的集合，CERPO_Axioms 表示該本體模型中公理的集合，CERPO_Instances 表示該本體模型中概念實(shí)例的集合。

3.1 CERPO_Concepts

定義2 CERPO_Concepts:={C}

在定義2 中，C 表示煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型中的概念Concept，煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型中的主要概念有

1)煤礦安全事故(CoalmineAccident)是從頂層本體中繼承的類“事件(Event)”的子類，它包含8 個(gè)子類和一個(gè)對象屬性“事件分級hasLevel”。按照事故的類型劃分為:“頂板事故(RoofAccident)”、“瓦斯事故(GasAccidnet)”、“機(jī)電事故(Mech_elec Accidnet)”、“運(yùn)輸事故(TransAccident)”、“火藥放炮事故(BlastingAccident)”、“水害事故(WaterharmAccidnet)”、“火災(zāi)事故(FireAccidnet)”、“其他事故(OtherAccidnets)”。

2)煤礦應(yīng)急預(yù)案體系(CERPlanSet)是繼承頂層本體中的類“集(Set)”的子類。

3)事故級別(Level)是繼承頂層本體的類“類別(Class)”的子類，只包含五個(gè)實(shí)例，分別為“Ⅰ級”、“Ⅱ級”、“Ⅲ級”、“Ⅳ級”和“Ⅴ級”，是一個(gè)枚舉類型的類。

4)煤礦應(yīng)急預(yù)案(Coalmine Emergency Response Plan，CERPlan)由于應(yīng)急預(yù)案是一種人造文本，因此，CERPlan 繼承了頂層本體中的類“文本(Text)”，包含“集團(tuán)公司預(yù)案(GroupCompERPlan)”、“分公司預(yù)案(SubCompERPlan)”和“生產(chǎn)(經(jīng)營)單位預(yù)案(DepERPlan)”3 個(gè)子類。其中:①集團(tuán)公司的預(yù)案包括“集團(tuán)公司綜合預(yù)案”、“集團(tuán)公司專項(xiàng)預(yù)案”、“集團(tuán)公司處室(部)預(yù)案”3 個(gè)子類;②分公司預(yù)案包括“分公司綜合預(yù)案”、“分公司專項(xiàng)預(yù)案”、“分公司處室(部)預(yù)案”;③生產(chǎn)(經(jīng)營)單位預(yù)案包括“綜合預(yù)案”、“專項(xiàng)預(yù)案”、“現(xiàn)場應(yīng)急處置方案”、“區(qū)隊(duì)(科室)預(yù)案”、“作業(yè)預(yù)案”、“班組應(yīng)急預(yù)案”、“崗位和個(gè)人應(yīng)急處置方案”。

圖1 頂層本體中的Abstract 概念子樹和Physical 概念子樹Fig.1 Abstract concept sub-tree and physical concept sub-tree in top ontology

5)專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案(SpecERPlan)是生產(chǎn)(經(jīng)營)單位預(yù)案(DepERPlan)的子類;

6)煤礦應(yīng)急預(yù)案(CERPlan)具有5 個(gè)數(shù)據(jù)屬性，分別是“預(yù)案編號(CERPlanID)”、“預(yù)案名稱(CERPlanTitle)”、“編制目的(CERPlanCompilePurpose)”、“發(fā)布日期(CERPlanDate)”以及“編制原則(CERPlanCompilePrinciple)”;

7)煤礦事故類型(CoalAccidnetCategory)是從頂層本體繼承的類“種類(Category)”的子類，它是一個(gè)枚舉類型的類，包含并且只包含“瓦斯事故”、“火災(zāi)事故”、“頂板事故”、“運(yùn)輸事故”、“機(jī)電事故”、“水害事故”、“火藥放炮事故”和“其他事故”這8 個(gè)實(shí)例;

8)煤礦應(yīng)急組織體系(CEPOrgSet)是繼承了頂層本體中的類“集(Set)”的子類;

9)煤礦應(yīng)急組織(CEPOrg)是從頂層本體中繼承的類“組織(Organization)”的子類，文中結(jié)合文獻(xiàn)［15］對煤礦企業(yè)應(yīng)急組織結(jié)構(gòu)的研究成果，將煤礦應(yīng)急組織分為六個(gè)子類，分別是“應(yīng)急組織指揮機(jī)構(gòu)(CommandOrg)”、“資源保障機(jī)構(gòu)(Resource_ensurOrg)”、“處置實(shí)施機(jī)構(gòu)(ImplementOrg)”、“信息管理機(jī)構(gòu)(Info_manaOrg)”、“輔助決策機(jī)構(gòu)(Decision_aidOrg)”以及“專家組(Expert-Group)”;

10)煤礦應(yīng)急資源(CERResource)是繼承頂層本體中的類“資源(Resource)”的子類，包含“應(yīng)急人員(CERStaff)”、“應(yīng)急資金(CERFund)”以及“應(yīng)急物資(CERGoods)”3 個(gè)子類;

11)煤礦應(yīng)急預(yù)案管理過程(CERPlanMana-Pro)是繼承頂層本體中的類“過程(Process)”的子類，說明煤礦應(yīng)急預(yù)案管理生命周期的全過程;

12)應(yīng)急角色(ERRole)是繼承頂層本體中的類“角色(Role)”的子類，應(yīng)急人員(ERStaff)是繼承頂層本體中的類“人員(Personnel)”的子類;

13)意向性過程(IntentionalProcess)是SUMO頂層本體中的類，文中在該本體模型中添加了“起草(Draft)”、“審核(Check)”、“發(fā)布(Publish)”、“修訂(Edit)”、“培訓(xùn)(Train)”、“演練(Drill)”以及“作廢(Invalid)”等一系列子類。

14)煤礦應(yīng)急處置過程(CER_dealPro)是從頂層本體中繼承的類“過程(Process)”的子類。

3.2 CERPO_Relations

定義3 CERPO_Relations:={R(C1，C2)|C1，C2∈CERPO_Concepts}其中，C1，C2為煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型內(nèi)2 個(gè)任意的概念。在該模型中，概念間的關(guān)系主要有繼承、組成、具有、實(shí)施和服務(wù)5 種關(guān)系。具體表示及舉例如下

3.2.1 繼承關(guān)系

如果C1是C2的子概念，則認(rèn)為C1繼承了C2，在C1和C2之間存在繼承關(guān)系，記為C1?C2，且繼承關(guān)系具有傳遞性，并且是單向的。例如，煤礦應(yīng)急預(yù)案(Coalmine Emergency Response Plan，CERPlan)是一種人造文本，是負(fù)責(zé)應(yīng)對煤礦安全事故的文本，它繼承了頂層本體中的類“文本(Text)”。CERPO_EmergencyPlan ?Tex ∩?handle. CoalmineEmergencyAccidnet。

3.2.2 組成關(guān)系

組成:對于概念C1，C2，…，Cn，如果C2，…，Cn的實(shí)例構(gòu)成了C1的實(shí)例，則認(rèn)為C1與C2，…，Cn間是組成關(guān)系。

文中，組成關(guān)系用hasPlan，hasCEPOrganizationSet，hasERResource，hasERProcess，hasOrg 表示。例如

1)煤礦應(yīng)急預(yù)案體系(CERPlanSet)通過屬性hasPlan 與“煤礦應(yīng)急預(yù)案(CERPlan)”的3 個(gè)子類“集團(tuán)公司預(yù)案”、“分公司預(yù)案”和“生產(chǎn)(經(jīng)營)單位預(yù)案”相關(guān)聯(lián)，表明“煤礦應(yīng)急預(yù)案體系(ERPlanSet)”包含這3 類預(yù)案。

2)煤礦應(yīng)急預(yù)案(Coalmine Emergency Plan，CERPlan)具有4 個(gè)對象屬性，分別為“包含應(yīng)急組織體系hasCEPOrganizationSet”、“包含應(yīng)急資源hasERResource”、“包含應(yīng)急處置過程hasERProcess”與“包含應(yīng)急預(yù)案管理過程hasERPlanMP”，這4 個(gè)對象屬性分別與“煤礦應(yīng)急組織體系(CCEPOrganizationSet)”、“煤礦應(yīng)急資源(CERResource)”、“煤礦應(yīng)急處置過程(CER_dealPro)”和“煤礦應(yīng)急預(yù)案管理過程(CERPlanManaPro)”相關(guān)聯(lián)。這表明了一個(gè)煤礦應(yīng)急預(yù)案包含了4 類要素:煤礦應(yīng)急組織體系、煤礦應(yīng)急資源、煤礦現(xiàn)場應(yīng)急處置過程和煤礦應(yīng)急預(yù)案管理過程。

3)煤礦應(yīng)急組織體系(CCEPOrgSet)通過屬性hasOrg 與“煤礦應(yīng)急組織(CCEPOrg)”的6 個(gè)子類“煤礦應(yīng)急組織體系”由“應(yīng)急組織指揮機(jī)構(gòu)”、“資源保障機(jī)構(gòu)”、“處置實(shí)施機(jī)構(gòu)”、“信息管理機(jī)構(gòu)”、“輔助決策機(jī)構(gòu)”以及“專家組”相關(guān)聯(lián)，表明煤礦應(yīng)急組織體系由這六個(gè)子機(jī)構(gòu)組成。

3.2.3 具有關(guān)系

指一個(gè)概念實(shí)例是另一個(gè)概念實(shí)例的屬性，即一個(gè)概念實(shí)例具有一個(gè)對象屬性，如煤礦安全事故具有事件分級的屬性。文中的具有關(guān)系用hasLevel、hasCategory 等表示。例如

1)煤礦安全事故(CoalmineAccident)具有“事件分級hasLevel”的對象屬性，與“級別(Level)”相關(guān)聯(lián) CoalmineAccident?Event∩?hasLevel. Level.

2)專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案(SpecERPlan)具有“種類劃分hasCategory”的對象屬性，與類“煤礦事故類型(CoalAccidnetCategory)”相關(guān)聯(lián) SpecERPlan ?CERPlan∩?hasCategory.CoalAccidnetCategory。

3.2.4 實(shí)施關(guān)系

指一個(gè)概念的實(shí)例與另一個(gè)概念的實(shí)例間存在動作行為關(guān)系，文中的實(shí)施關(guān)系用undertake 和hasPresence 表示。例如

1)應(yīng)急角色(ERRole)與應(yīng)急人員(ERStaff)之間通過對象屬性“承擔(dān)undertake”相關(guān)關(guān)聯(lián)，表明煤礦應(yīng)急人員(ERStaff)在應(yīng)急組織中承擔(dān)相應(yīng)的應(yīng)急角色(ERRole):CERPO_ERStaff ∩undertake.ERRole。

2)應(yīng)急人員(CERStaff)通過屬性“出現(xiàn)hasPresence”與煤礦事故應(yīng)急處置過程(CER_deal-Pro)相關(guān)聯(lián)，表明應(yīng)急人員在煤礦事故應(yīng)急處置過程中出現(xiàn)在事故現(xiàn)場:CERPO_ CERStaff∩hasPresence.CER_dealPro.

3.2.5 服務(wù)關(guān)系

服務(wù):指一個(gè)概念實(shí)例的實(shí)現(xiàn)需要另一個(gè)概念實(shí)例，如煤礦應(yīng)急預(yù)案(CERPlan)的編制還需要通過屬性“編制依據(jù)accordingTo”與“中華人民共和國礦山安全法(NationalCoalSafetyLaw)”、“國家安全生產(chǎn)事故災(zāi)難應(yīng)急預(yù)案(National ERPlan)”、“煤礦安全規(guī)程(CoalmineSafetyRule)”、“法律(Law)”和“法規(guī)(Rule)”相關(guān)聯(lián)，以表明一個(gè)煤礦應(yīng)急預(yù)案的編制依據(jù)為礦山安全法、煤礦安全規(guī)程和國家法律、法規(guī)及相關(guān)文件:CERPO_CERPlan∩according to.NationalCoalSafetyLaw∩National ERPlan∩CoalmineSafetyRule∩Law∩Rule.

3.3 CERPO_Functions

在CERPO _Functions 這種特殊的關(guān)系中，煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型中的第n 個(gè)元素可以由前n-1 個(gè)元素唯一決定，因此，該關(guān)系可被形式化地描述為 CERPO _Functions:={F:C1× C2×… ×Cn-1→Cn| Ci∈CERPO _Concepts∪CERPO _Relations}。

3.4 CERPO _Axioms

CERPO_Axioms 建模元語代表永真的斷言，可將其形式化描述為CERPO _Axioms:={A}。其中A 是煤礦應(yīng)急組織領(lǐng)域內(nèi)永遠(yuǎn)成立的聲明。

在CERPO 模型中主要有以下公理

定義4 關(guān)于類的聲明:類是用一個(gè)名稱來唯一明確本體中最基本的概念。例如“煤礦應(yīng)急組織”這個(gè)概念可以用CEPOrg 來聲明。

定義5 關(guān)于子類關(guān)系的聲明:子類關(guān)系表明了繼承關(guān)系中的事實(shí)，形式上記為X?Y. 例如，事故級別(Level)是從頂層本體繼承的類“類別(Class)”的子類，即:Level ?Class.

定義6 關(guān)于實(shí)例關(guān)系的聲明:實(shí)例關(guān)系表示類和類的實(shí)例之間的關(guān)系，形式上記為C(e).例如“頂板事故”是概念“煤礦事故類型”的實(shí)例，記為:煤礦事故類型(頂板事故)。

定義7 關(guān)于等價(jià)關(guān)系的聲明:等價(jià)關(guān)系表示某個(gè)類等價(jià)于另外一個(gè)類，形式上記為A≡B.如在本模型中煤礦安全事故和應(yīng)急事件是等價(jià)的，記為CoalmineAccident≡Emergency。

3.5 CERPO_Instances

CERPO_Instances 建模元語是指該模型中某概念類下的基本元素，即某概念類所含有的具體實(shí)例集合，記為CERPO_Instances:={I|C(I)∈CERPO_Concepts∪CERPO_Relations}.

隨著本體在知識管理、信息檢索以及人工智能等研究領(lǐng)域中不斷得到了擴(kuò)展和應(yīng)用，為滿足人們對本體建模的強(qiáng)烈需求，滿足人們不同層次的本體需求，相應(yīng)的本體的開發(fā)和管理工具應(yīng)運(yùn)而生。由于斯坦福大學(xué)Stanford Medical Informatics 開發(fā)的本體編輯器Protégé 4.1 是開放源碼，Java 語言編寫，可以免費(fèi)下載使用。同時(shí)該工具支持多重繼承，并可對新數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢查，可擴(kuò)展性很強(qiáng)，因此，文中采用Protégé 4.1 作為本體編輯工具，基于前文應(yīng)急預(yù)案本體模型CERPO，開發(fā)了一個(gè)煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案本體。圖2 直觀地展示了基于SUMO 頂層本體的煤礦應(yīng)急預(yù)案本體類結(jié)構(gòu)圖，圖3 展示了圖形化后的煤礦應(yīng)急預(yù)案本體類結(jié)構(gòu)圖。

圖2 煤礦應(yīng)急預(yù)案本體類結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of coalmine emergency plan ontology class

4 XML Schema 煤礦應(yīng)急預(yù)案存儲模型

應(yīng)急預(yù)案存儲模型是煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為了規(guī)范煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案中對XML 文檔的標(biāo)識，文中提出采用XML Schema作為煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案的存儲模型。XML Schema 是W3C(萬維網(wǎng)聯(lián)盟)于2001 年5 月正式發(fā)布的推薦標(biāo)準(zhǔn)，可對XML 文檔進(jìn)行統(tǒng)一存儲和管理，使得所有的煤礦應(yīng)急預(yù)案都能按照相同模式被標(biāo)識成XML 文檔，是目前XML 環(huán)境下流行的數(shù)據(jù)建模工具。

圖3 圖形化的煤礦應(yīng)急預(yù)案本體類Fig.3 Graphical coalmine emergency plan ontology class

文中采用XMLSpy 作為應(yīng)急預(yù)案存儲模型開發(fā)以及XML 文檔標(biāo)識的工具，而煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案存儲模型中的概念主要來自于前文構(gòu)建的煤礦應(yīng)急預(yù)案本體模型，是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行抽取和提煉而得的。

5 基于本體的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案原型系統(tǒng)開發(fā)

文中充分利用上述煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案雙層本體模型和應(yīng)急預(yù)案存儲模型，開發(fā)了基于B/S模式的應(yīng)急預(yù)案原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案的編制、審核、瀏覽、存儲及智能查詢的功能。

系統(tǒng)采用Java 作為開發(fā)平臺，采用Microsoft SQL Server2005 作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，結(jié)合XML 語法規(guī)范，用Microsoft SQL Server2005 存儲煤礦應(yīng)急預(yù)案的XML 文檔。實(shí)踐表明，文中構(gòu)建的本體模型CERPO 可以對煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域的知識進(jìn)行語義表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域知識的共同理解，便于領(lǐng)域知識的交互和共享，消除了應(yīng)急預(yù)案知識表示中的語義歧義，同時(shí)原型系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了對煤礦應(yīng)急預(yù)案的瀏覽、編制、智能查詢、審核及存儲等數(shù)字化功能。基于前文的應(yīng)急預(yù)案本體模型構(gòu)建的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案管理原型系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案管理原型系統(tǒng)Fig.4 Management prototype system of coalmine digitalized emergency plan

6 結(jié) 語

文中提出了一種煤礦應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化方法，該方法通過語義標(biāo)識可以將文本形式的煤礦應(yīng)急預(yù)案內(nèi)容整理成計(jì)算機(jī)能夠理解的形式，消除了應(yīng)急預(yù)案知識表示中的語義歧義，便于知識的共享和交互。文中首先抽取了部分的煤礦應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)域知識，利用本體工程方法構(gòu)建了一個(gè)煤礦應(yīng)急預(yù)案的雙層本體模型，該模型包括基于SUMO的頂層本體和煤礦應(yīng)急預(yù)案的領(lǐng)域本體，同時(shí)分別對該模型的5 個(gè)建模元語進(jìn)行定義并舉例，從而方便數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案知識在煤礦事故應(yīng)急處置過程中發(fā)揮自動、準(zhǔn)確、快速和智能的作用。在此基礎(chǔ)上，文中采用XML Schema 作為煤礦應(yīng)急預(yù)案的存儲模型，開發(fā)了基于應(yīng)急預(yù)案本體模型CERPO和存儲模型的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案管理原型系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急預(yù)案的語義標(biāo)識、存儲和智能檢索等功能，對于開發(fā)實(shí)際的煤礦數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。

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