基于本體的城市軌道交通線網應急預案形式化描述與匹配

賀國旗 張彧鋒 韓泉葉，

（1.陜西廣播電視大學資源建設與現代教育技術中心，710061，西安；2.中鐵第一勘察設計集團有限公司發號處，710043，西安∥第一作者，副教授）

城市軌道交通網絡化運營后，涉及面廣，影響面大，一旦發生突發事件，應迅速啟動應急預案，轉入應急處理過程，將事件的影響降到最低，這是網絡化運營和管理遵循的原則［1］。但目前城市軌道交通線網中使用的應急預案多以文本和電子文檔為主，信息化程度低，沒有統一的編制格式，在應急處置過程中，不能挖掘有效信息并迅速轉化為應急處置方案［2］。因此，如何表示出讓計算機也能理解的本體應急預案，并通過檢索、推理等技術快速生成應急處置方案，為有效合理地組織救援單位、救援資源，實施救援提供智能決策。城市軌道交通線網的本體預案是描述線網領域概念語意模型的重要手段，其目標是捕獲線網領域知識，提供對線網領域知識的共同理解，確定線網領域內共同認可的詞匯。

1 城市軌道交通線網應急預案

應急預案包含了事件應急處理的所有規則和原理，以及處理流程的框架知識，定義了應急的組織機構、啟動預案的條件、事件處置的原則、應急資源、事件處置流程等。預案是對事件進行詳細分析，提取關鍵節點信息并對其進行數字化描述，包含事件處置的原則和事件處置的經驗。建立預案的目的是為事件的應急處置提供決策支持［3］。

應急預案的實質以某事件為中心，研究與該事件有關的所有關聯實體之間產生的聯動效應，并用計算機進行表示和處理。在城市軌道交通線網中，針對應急事件處理過程中涉及的相關實體間的關系進行梳理，得到如圖1所示的實體網狀圖。

在對北京、廣州、深圳等地城市軌道交通線網應急預案分析的基礎上，得出城市軌道交通線網預案主要包括的內容如下：

（1）在預案的適用范圍中，定義了啟用本預案的條件，描述事件類型、事件級別、事件地點和時間。

（2）在預案的組織機構中，定義了事件處理的組織結構、部門、相關人員以及他們的角色等。

（3）在資源中，定義了事件處理所涉及的所有資源的集合、資源的聯動、資源的狀態將對工作流的執行產生的影響。

（4）在工作流模板中，定義了任務的運行順序和運行條件，每個任務可以有一個或多個Agent完成，也可以由一個或多個軟件系統完成，還可以是人與軟件合作完成。任務的運行順序和運行條件用來定義并實現任務的運行、任務的同步和數據流的傳遞。任務通常是由動作的主體、動作的客體和動作來定義。動作的主體和動作的客體是抽象的角色和資源。

預案還包含預案目標、預案技術條件等其它內容。

圖1 城市軌道交通線網突發事件處理實體網狀圖

2 城市軌道交通線網本體預案

2.1 城市軌道交通線網本體預案模型

前因—行為—后果（ABC）本體模型是NSFHarmony項目研究成果之一，它給出了事件處理的通用概念模型［4］，基本能夠表達清楚事件對象隨時間的狀態和變化。若要用ABC 本體模型表達城市軌道交通線網應急事件處理的知識，還有不足的地方，如：缺少對任務、組織、部門等概念的描述。因此，為了更好地表達城市軌道交通線網應急事件處理的知識，需要對城市軌道交通線網中相關概念和應急處理中相關要素進行抽象，然后在ABC 本體模型的基礎上進行詞匯擴充，擴充的詞匯如下：

（1）Emergency——用于描述線網中的應急處理事件，是Event的擴展子類，其屬性為事件類型和事件級別（Category和Level）［5］。事件類型和事件級別是該事件應急預案的觸發源。

（2）Task——用于描述事件處理過程的若干個功能單位，一個事件的處理需要多個任務去完成相應的功能，Task 是 Temporality 的擴展子類。各Task之間存在著先后、并行等制約關系，Task 由Agent執行，需要使用資源Resource。Task的屬性有名稱、功能、目標、使用資源、執行條件等。

（3）Resource——用于描述應急處理過程中使用的資源實體，是Actuality的擴展子類。應急資源的數目龐大、種類繁多，在預案生成事件處置方案的過程中，Resource會被實際使用的資源實例化。實際使用的資源包括應急設備設施、救援物資、生活物資、通信資源等。資源的屬性包括名稱、所屬機構、型號、使用狀態、負責人、聯系電話、下次維護時間等。

（4）Role——用于描述Agent參與到動作中的角色，是Abstraction 的擴展子類。Role能夠反映一類Agent在執行動作時的職能，在預案中是抽象服務工作流的執行者。Role的屬性有角色名稱、角色職能責、角色人員列表、角色擁有知識列表等。

（5）orgnization——用于描述應急處理中Agent的類型，是Agent的擴展子類。orgnization可以由多個部門組成，其屬性有名稱、部門列表、可充當角色列表等。

（6）Person——用于對工作人員的抽象，是Agent的擴展子類。描述具有一定職能的工作崗位人員，Person的屬性有人員級別、所屬部門、人員職責等。

（7）Knowledge用來描述應急處理中使用到的領域知識，是Abstraction的擴展子類。

用E－R 圖（Entity Relationship）描述上述擴充的詞匯在城市軌道交通線網應急領域知識的語義模型，說明其概念和概念之間的關系。圖2中矩形表示實體；橢圓表示屬性；菱形表示實體之間的關系。

不包含屬性的城市軌道交通線網應急領域本體模型如圖3所示。

圖2 城市軌道交通線網應急事件處理E－R 圖

圖3 城市軌道交通線網應急領域本體模型

2.2 城市軌道交通線網本體預案的形式化描述

本體描述規范經過長期的發展和演變，最終固定為資源描述框架RDF和Web本體語言OWL兩種規范，RDF定義了“主體－屬性－客體”三元組形式的知識表示結構，OWL為RDF引入了OWL：Class，OWL：Property 等詞匯使知識描述更加便捷［6－8］。城市軌道交通線網的應急預案本體 MEOntology可采用如下的五元組來描述。

（1）ME－Concepts：＝｛C｝表示城市軌道交通線網應急預案ABC 本體模型中概念的集合，用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case”＞表示各類突發事件處置經驗知識的集合。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Information of Emergency plan”＞表示線網應急預案的基本屬性信息，包括預案號、預案類型、預案級別、適用的范圍和條件等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Event”＞ 表示應急處理的具體緊急事件，屬性包括事件類型、事件級別、事件發生的時間地點和事件情景描述，通過follows與場景Situation 關聯。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case Subject”＞ 表示應急組織或應急人員的子類。如醫療機構、線網應急辦公室或值班員等。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Emergency Object”＞ 表示受突發事件影響的客觀存在的對象，事件處理客體可以是應急資源、設備設施、組織或人員等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Process”＞ 表示突發事件處理在時間維上的描述，包括接警、信息報送、信息發布、處置操作、續警、消警。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Task”＞ 表示突發事件處理中的具體功能單元。用＜OWL：Class rdf：ID＝”Orgnization”＞ 表示應急事件處理的實施主體，包括線網指揮機構、工作機構、處置機構、110、119、120 機構。用 ＜OWL：Class rdf：ID＝“Orgnization”＞ 表示應急處理中有明確職責和功能的組織單元。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Resource”＞表示應急處理過程中使用到的資源。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Constraint”＞表示預案中任務之間的制約關系。

（2）ME－Relations：＝｛R（c1，c2）｜c1，c2∈MEConcepts｝用于表示城市軌道交通線網應急預案ABC本體模型中概念間關系的集合。如：Composeof用于描述概念c1，c2，c3，…，cn，如果c1的實例是由c2，c3，…，cn的實例組成，則c1與c2，c3，…，cn間存在Compose－of關系。如應急小組是有多名應急人員組成，即 GroupCompose－of（Person2）……。Uses用于描述應急預案中實體間的使用與被使用的關系，如事件處理主體（Emergency Subject）使用資源（Resource），即 Emergency Subject Agent Uses.Resource。Executes用于描述應急處理主體與任務之間的施動、受動關系，如人員執行任務，即Agent Executes.task。has Role用于描述對應急處理實體賦予一定職責和權限的過程，如人員張三是應急處理協調組組長，即Agenthas Role.GroupHeader。Have用于描述概念和屬性的從屬關系，如角色應具有某種能力，即RoleHave.Capacity。Follows用于描述應急處理過程中，Situation與Event之間的轉移關系。

（3）ME－Functions：＝｛F：S1S2……SnTS｜S1，S2，….Sn，S ME＿ConceptsME＿Relations，T ME＿Concepts｝用于表示城市軌道交通線網應急預案ABC本體模型中情景隨著時間等進行轉換的規則集合，Si表示應急事件所處的情景，T為情景轉移的條件。

（4）ME－Axioms：＝｛A：S1S2……SnS｜S1，S2，…SnME＿Concepts ME＿RelationsME－Functions，SME＿ConceptsME＿Relations｝用于表示城市軌道交通線網應急預案ABC 本體模型中永真公理的集合。

（5）ME－Instances：＝｛instance｜instanceMEConceptsME＿Relations｝用于表示應急預案中的概念、關系和情景的實例化。

城市軌道交通線網中應急疏散角色形式化描述如表1所示。

2.3 線網應急預案的匹配與實例化

線網中每個應急預案都用本體表示，把預案中的關鍵字用本體模型中的概念來描述，對預案的匹配與查找就是對本體的匹配與查找。從數據庫的角度考慮，本體預案庫由規則本體庫和案例本體庫組成，規則本體庫是指按照規則On ＜Event＞if＜Condition＞Do＜Action＞生成的應急事件處理知識庫，它表示針對某一事件，如果條件滿足了，就執行Action。城市軌道交通線網中的應急事件處理，有其自身的特性，很多調度類知識比較簡單，易于表示成規則，此時就采用規則推理；而對于有些具有預測功能的知識，不易表示成規則，此時需要使用案例推理。案例庫里存放著過去突發事件處理的歷史經驗，將新發生的事件與已有案例進行對比，從而得到該事件的處置方法。事件發生時，計算機通過傳感器等捕捉到該事件的關鍵字，將其轉化為語義本體，并與本體預案中的相關概念進行對比，本體應急預案的匹配是在應急事件的推理過程中實現的［9］。應急事件與本體預案之間的相關度通過式（1）和式（2）進行計算。

表1 應急疏散角色及其形式化描述

式中：

集合［c］＝｛c1，c2，…cm｝——和c有關概念的集合，如車站、煙霧、火等；

本體集合Ω＝ ｛o1，o2，…on｝，o1，o2，…，on——分別表示應急預案本體；

函數f（ci，oj）——概念ci在本體oj中出現的頻率；

n——本體集合中本體的數量；

n＇——集合中包含概念c的本體數量；

Si，j—概念ci在本體oj中的權重。

式（2）用來計算［c］中的概念與每個預案本體的相關程度。

在得到匹配的應急本體后，對應急本體進行查詢，以便應急本體實例化。SPARQL是W3C推薦的基于RDF的本體查詢語言，與RDF類似，SPARQL查詢也是一個三元組模式，三元組中可以出現變量。本文用Java應用程序調用Jena的SPARQL功能實現對本體進行查詢，從而進行實例化。

3 結語

以ABC 本體模型為上層本體，結合城市軌道交通線網應急安全領域知識，對ABC 本體詞匯進行擴充，建立了城市軌道交通線網的應急領域本體模型，進而使用OWL本體描述語言和RDF對線網應急預案進行形式化描述。最后對線網應急預案的匹配、查找與實例化方法進行了討論。

［1］韓泉葉，王曉明，黨建武.軌道交通線網應急事件分類分級模型研究［J］.城市軌道交通研究，2011，14（10）：37.

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［6］李文雄，閆茂德，王建偉.智能交通系統本體數據集成［J］.中南大學學報，2013，44（7）：3038.

［7］曹妍.本體理論在城市智能交通系統語義集成中的應用研究［D］.大連：大連海事大學，2010.

［8］黃坷萍，蔣昌俊.基于本體的城市交通知識分析和推理［J］.計算機科學，2007，34（3）：192.