應急領域本體的構建方法研究

□于秀麗 王旭坪 張娜娜

[大連理工大學 大連 116023]

引言

應急領域中，通常單個系統的功能比較單一，如果能夠把各個系統集成協作起來，這種聯動就會產生一種思維能力。通過迅速生成的可共享的實時信息可以統一全面地籌劃處理應急事件。在應急管理的智能化過程中，首要解決的是系統語義的集成問題。

使用本體可以實現應急領域系統的語義集成。本體作為一種領域知識概念化和模型化的方法，可用來描述計算機處理數據的語義信息。領域本體就是獲取領域知識的語義信息，確定該領域內共同認可的概念，給出了領域中的概念、概念屬性、概念間的關系及領域活動的描述，為領域提供了一種可共享的概念化規范。這種規范以一種形式化描述方式，使人和計算機能夠結構化共享和重用領域知識。

目前已有的研究能解決本體構建的一部分問題，但仍存在一定的問題：(1) 由于應急領域涉及的部門及應用系統繁多，在為應用部門構建本體的過程中，缺乏一致的概念基礎與設計模式，因此需要形成應急領域本體的構建方法；(2) 應急領域目前的構建方法研究較少，多數針對某個單一應用，僅注重應用的某個側面而且領域本體作為共享的概念體系，需以領域中通用的標準規范來抽取；(3) 由于應急領域系統十分復雜，領域本體幾乎不可能一次性構建完善，因此本體構建需要考慮到開放性與擴展性的要求。

本文分析應急領域現狀、特點、業務應用等，研究了本體的構建模型的方法，構建出應急領域的本體模型，并利用Protégé構建應急領域本體，從而系統地解決上述問題。

一、基于本體的應急系統集成框架

從我國應急系統的實際出發，詳細研究了應急領域現有系統的基本構成，基礎業務，業務功能組成及體系結構，提出了基于本體的應急領域集成框架，如圖1所示。

圖1 基于本體的應急領域集成框架

由圖1可見，系統的應用層中存儲了大量的應急信息，因而抽取概念在構建應急領域的本體過程中，是首要的任務。在構建出基于本體的應急領域集成框架后，進一步實現本體和數據庫的映射，就可以有效地解決應急系統的語義集成問題。利用語義集成信息則可以實現該領域的智能化信息檢索等信息增值服務。本文主要研究該框架的基礎層內容，為領域本體的構建提供來源。

二、構建應急領域本體的基礎

（一）本體的定義

斯坦福大學的Gruber給出的定義得到了許多同行的認可，即“本體是概念化的明確的規范說明”[1]。

本體的定義包含4層含義：概念模型、明確、形式化和共享[2]：(1)概念模型是指抽象出客觀世界中一些現象的相關概念而得到的模型；(2)明確是指所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義；(3)形式化指機器可讀的；(4)共享指本體中體現的是共同認可的知識，反映的是相關領域中公認的概念集，而非個體[3]。

這四層含義有效地對本體進行了說明，本體能夠描述概念及概念之間的聯系，從而促進知識和信息的共享和重用。

（二）應急領域的特點

構建領域本體，在對本體的構建技術全面研究的基礎上，還要對該領域有系統的理解。我國應急領域構成復雜，子系統數量多，應用與服務廣泛，因此需要一個通用的易擴展的體系結構，從而使構建的本體具有實用價值。

（三）本體的構建方法

領域知識建模是本體的一個重要應用。目前，關于本體構建的方法還不成熟，每個本體開發組都有自己的構建原則、設計標準和開發階段。對于本體構建的方法而言，沒有一個是“完全正確”的，也無法找到一個“完全正確”的本體構建方法[4]。七種典型的本體構建方法的成熟度依次為：七步法、Methontology法、IDEF5法、TOVE方法(評價法)、骨架法(企業建模法)、SENSUS法和KACTUS法。這些方法各具特色，方法之間沒有優劣之差，它們是面向不同應用需求的本體構建方法，因此要根據不同的領域選擇不同的方法[5]。

三、應急領域本體的構建

（一）應急領域本體的數學模型

為了能針對應急領域構建本體，本文提出了應急領域資源的本體描述模型，該模型將領域資源抽象成概念集、屬性集、關系集。本模型對資源的描述是開放式的，可以擴充領域中新的資源及其描述，在領域本體的構建中，這種開放式的描述是十分適合的，可以使領域本體不斷的進化和完善。以下對應急領域本體中的概念作定義：

定義1 概念，進行規范化描述的概念，是概括一類事物表現出來的特征，是事物本質的反應。

定義2 屬性，描述某一特定概念中的相關特征或者性質，每個概念都有一組屬性進行描述。

定義3 關系，概念間內在聯系的描述。

定義4 應急領域本體，可以用一個三元組O=(C,P,R) 來描述，其中：

C={C1，C2，…，Cn}表示不同分類的服務主體；

P={P1，P2，…，Pn}表示分類的領域服務活動；

R={R1，R2，…，Rn}表示C到P之間的映射關系集合。

本體中存在的關系：

1．is_Kind_of繼承關系：表達概念之間的繼承關系。

2．is_Part_of組合關系：表達概念之間部分與整體的關系。

3．is_Property_of屬性關系：表達某個概念是另一個概念的屬性。

4．is_Synonym_of同義關系：表達概念之間的同義關系。

實際應用中，上面的幾種關系并不能滿足全部概念之間的關系，為滿足應用的需要，在領域本體建模過程中，可以根據某個特定領域的具體情況對概念之間的關系進行相應的定義。

（二）應急領域本體的層次模型

從中國應急系統的應用實際出發，根據《國家突發公共事件總體應急預案》為參考，應急領域本體層次結構如圖2所示。

圖2 應急領域本體層次結構

（三）應急領域本體的建模方法

應急領域本體的構建，需要整合的資源一方面包括概念及相應的規范等，另一方面包括領域內系統中已有的信息資源。針對于應急領域的特點，主要構建步驟如下：

1．確定本體的領域與范圍 首先明確需要構建的本體所覆蓋的專業領域和應用范圍。

2．領域信息的收集和分析 可通過專家、書籍、網絡等方式收集領域信息，充分了解領域知識。

3．確定領域中重要的概念和關系 收集和分析領域信息之后，確定領域中的重要概念和概念之間的關系，作為領域本體的核心概念集。由于領域知識背景良莠不齊，這個過程并不強求得到能反映領域知識最關鍵的概念及關系。但應滿足以下兩個基本要求：一是確定的重點概念及其關系一定是領域相關的；二是能夠采用精確的術語表達上述重點概念及關系[6]。

4．建立本體框架 按照一定的邏輯規則將概念集分組，并得到領域本體的框架結構。

5．對領域本體編碼、形式化 選用合適的本體描述語言對建立的領域本體進行編碼、形式化[7]。

6．集成相關的已有本體 在創建本體時除了自己定義，也應該通過調研找到該領域中現存的本體，加以重用[8]。

7．評價與優化 目前沒有對本體評價的標準，但有一些基本指標，即上述的構建原則[9]。此外，本體模型的構建是螺旋上升的，需要不斷迭代優化。通過原型法，先建立出核心的本體模型，在之后的使用過程中不斷擴展，完善優化。抽取應急領域本體，是構建的重要任務之一。根據對領域的分析，提出了應急領域的本體構建框架，如圖3所示。

圖3 應急領域的本體構建框架

（四）應急領域本體的構建

為了對應急領域更好的理解，構建本體給出以下關于對服務客體，服務主體，服務領域和服務客體的相關定義：

定義5 服務客體，服務領域面對的主要用戶。

定義6 服務主體，提供服務的主要實踐對象。

定義7 服務領域，按照服務的功能進行劃分的領域。

定義8 客體服務，向用戶鄰接層所提供的服務。

根據上述定義，應急領域本體模型，如圖4所示。

圖4 應急領域本體模型

其中服務領域包含的服務，如表1所示：

表1 應急領域的服務定義

由于篇幅的原因，僅以服務主體為示例展示本體的結構信息。一級服務主體分為監控預警部門、突發事件管理部門、物資保障部門、交通管理中心、政府行政部門、媒體中心和應急恢復中心。在一級的基礎上可繼續細分為二級服務主體。如表2所示。

表2 應急領域服務主體的定義

四、利用Protégé建立應急領域本體

本文使用美國斯坦福大學開發的本體編輯工具Protégé構建應急服務本體。它能夠定義類和類層次、屬性、屬性值、屬性關系和屬性約束，以及類和屬性間的關系，而且本體結構以樹形的層次目錄結構顯示，允許用戶在概念層次上進行領域模型設計。

圖5是對于應急領域中的服務主體、服務領域以及服務客體中的本體概念、屬性、關系所構建的結構，層次直觀明了，對應急領域的本體構建有一定的應用價值。通過推理進而發現概念的一致性關系，形成映射，也為今后的本體映射方法研究打下基礎。

圖5 應急領域本體構建

五、結語

信息時代的到來，數據和信息充斥著每個角落。如何充分利用所需要的信息，逐漸成為人們關注的核心。本體理論能夠促進知識和信息的共享和重用，為領域本體的構建奠定了堅實的基礎。本文在介紹了本體理論的基礎知識之后，主要研究如何在應急領域應用本體，給出了應急領域本體的構建方法，以便方便快捷地獲取、交流信息。在內容上有待進一步探討研究的方面如下：

1．現有的本體構建方法參差不齊。在本體評價方面，也就是構建得到的本體是否符合用戶的應用，這還沒有一個統一的標準，也是今后應該研究的主要內容。

2．根據應急領域不同于其他領域的特點，研究適用于應急領域的本體，創新構建方法，更好地實現共享與重用。

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