基于自然語言解析的應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建方法研究

齊小謙，賈 菲，馮士妥，關(guān)珍博，譚永坤

(1．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2．陸軍航空兵研究所，北京 101121)

基于自然語言解析的應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建方法研究

齊小謙1，賈 菲2，馮士妥1，關(guān)珍博1，譚永坤1

(1．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081；2．陸軍航空兵研究所，北京 101121)

為提高應(yīng)急處置決策的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，快速構(gòu)建應(yīng)急處置預(yù)案，從應(yīng)急處置文書的自然語言解析入手，提出了基于本體的應(yīng)急處置領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)模型，分析研究了借助本體模型來形成應(yīng)急處置預(yù)案的構(gòu)建方法，從語義層面實(shí)現(xiàn)了相關(guān)知識(shí)的共享和重用。結(jié)合應(yīng)急處置行動(dòng)的語義推理過程，說明應(yīng)急處置預(yù)案的形成與調(diào)整能夠適應(yīng)復(fù)雜情況變化。該技術(shù)已應(yīng)用于應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的使用效率。

應(yīng)急處置預(yù)案；信息抽取；語義推理；關(guān)聯(lián)分析

0 引言

應(yīng)急處置預(yù)案制定是應(yīng)急處置決策過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是反映事件情況、明確保障任務(wù)、組織任務(wù)行動(dòng)、選擇行動(dòng)目標(biāo)、表達(dá)處置決心的主要手段[1]。制定有效、可行的應(yīng)急處置預(yù)案是應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)中一項(xiàng)繁重的信息化作業(yè)，傳統(tǒng)的工作模式需花費(fèi)作業(yè)人員大量時(shí)間和精力，極易造成使用瓶頸并延誤行動(dòng)進(jìn)程。提高決策籌劃的時(shí)效性和準(zhǔn)確性是提升應(yīng)急處置能力的重要方法[2]。本文提出使用自然語言處理技術(shù)，研究任務(wù)分解、行動(dòng)規(guī)劃等業(yè)務(wù)流程的語義分析與推理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處置預(yù)案的快速構(gòu)建，縮短從任務(wù)提出到行動(dòng)方案生成的時(shí)間，向快捷高效的應(yīng)用模式進(jìn)行積極探索和轉(zhuǎn)變。

在自然語言解析方面，國(guó)內(nèi)有不少針對(duì)漢語描述的分析研究，主要集中在詞與詞的關(guān)系分析方面，強(qiáng)調(diào)概念與概念之間、概念中屬性與屬性之間的關(guān)系，構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的知識(shí)資源[3]。同西方語言相比，漢語的自然語言理解和關(guān)聯(lián)推理具有更高難度，深層次研究與應(yīng)用仍有較大提升空間，在應(yīng)急處置決策領(lǐng)域內(nèi)屬于一個(gè)新的應(yīng)用方向。

1 應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建總體設(shè)計(jì)

在應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)中，制定一項(xiàng)應(yīng)急處置預(yù)案主要涵蓋情況分析、任務(wù)分解、行動(dòng)規(guī)劃和方案綜合等幾部分。本文提出以應(yīng)急處置構(gòu)想等專用文書為素材，采用自然語言解析技術(shù)獲取應(yīng)急處置任務(wù)、行動(dòng)時(shí)間和行動(dòng)方法等關(guān)鍵信息，為執(zhí)行人員快速理解應(yīng)急處置意圖和調(diào)整部署提供先機(jī)條件，繼而轉(zhuǎn)化為應(yīng)急處置行動(dòng)，極大節(jié)省人工時(shí)間和精力，以適應(yīng)決策籌劃對(duì)時(shí)間、數(shù)據(jù)和環(huán)境的敏感性要求[4]。

應(yīng)急處置文書解析包括語義分析和語義推理兩部分。語義分析主要完成自然語言描述的詞法分析和句法分析，將由人來閱讀、理解信息的過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎?jì)算機(jī)自動(dòng)抽取信息的過程。語義推理是在語義分析基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步通過表達(dá)規(guī)則與推理規(guī)則的關(guān)聯(lián)映射，推理得到形式化的行動(dòng)過程和指揮命令等深層語義描述[5]。基于自然語言解析的應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建是以應(yīng)急處置構(gòu)想文書為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合應(yīng)急處置決策領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)建立語義知識(shí)本體庫(kù)，對(duì)處置任務(wù)、應(yīng)急行動(dòng)等關(guān)鍵信息進(jìn)行深層次、精細(xì)化語義分析和推理，支持構(gòu)建應(yīng)急處置預(yù)案，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到知識(shí)以及從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的精確指揮，總體流程設(shè)計(jì)如圖1所示[6]。

圖1 應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建總體流程

2 構(gòu)建領(lǐng)域知識(shí)本體

本體(Ontology)是共享概念模型的形式化規(guī)范說明，具有優(yōu)良的層次結(jié)構(gòu)、較好的信息組織能力以及知識(shí)表達(dá)能力[7]。基于本體的知識(shí)表達(dá)方法能夠保證在共享過程中對(duì)于知識(shí)理解的一致性和唯一性，并且能夠全面表達(dá)知識(shí)間的復(fù)雜語義關(guān)系[8]。

本體具有概念、關(guān)系、屬性、公理以及實(shí)例等基本元素，能夠系統(tǒng)化、規(guī)范化地表示領(lǐng)域知識(shí)。根據(jù)應(yīng)急處置決策的特點(diǎn),借鑒各種本體研究成果，設(shè)計(jì)了領(lǐng)域本體的層次模型(如圖2所示)，包括基礎(chǔ)本體層、應(yīng)用本體層和領(lǐng)域子本體層3個(gè)層次知識(shí)表示結(jié)構(gòu)[9]。

圖2 應(yīng)急處置決策領(lǐng)域本體結(jié)構(gòu)模型

基礎(chǔ)本體包括概念、關(guān)系、約束、公理、函數(shù)和實(shí)例等基本元素，可以對(duì)整個(gè)應(yīng)急處置預(yù)案進(jìn)行分詞描述，包括平臺(tái)、人員、設(shè)施和地名等元數(shù)據(jù)[10]。

應(yīng)用本體是對(duì)基礎(chǔ)本體的細(xì)化，主要對(duì)一些常用知識(shí)和關(guān)系加以描述，包括時(shí)間、空間、使命和行動(dòng)等。

領(lǐng)域子本體是對(duì)應(yīng)用本體的形式化表達(dá)，描述各子領(lǐng)域的關(guān)系和公理信息,完成應(yīng)急處置決策領(lǐng)域知識(shí)系統(tǒng)化建模。

應(yīng)急處置預(yù)案屬于應(yīng)急處置決策領(lǐng)域結(jié)構(gòu)模型中的應(yīng)用本體，可進(jìn)行如下描述：

AABP_Ontology:=

AABPRelations，AABP_Functions，AABP_

Axioms，AABP_Instances>

AABP_Concepts表示該本體模型中概念集合，主要包括使命任務(wù)、參與力量、行動(dòng)過程、時(shí)間描述、空間描述以及資源和環(huán)境等。

AABP_Relations表示概念間關(guān)系的集合，主要?dú)w納為等級(jí)關(guān)系、屬性關(guān)系、等同關(guān)系、相關(guān)關(guān)系、引用關(guān)系和論述關(guān)系等。

AABP_Functions表示函數(shù)的集合，包括常用的正則表達(dá)式和相似度計(jì)算等。

AABP_Axioms表示公理的集合，是進(jìn)行邏輯推理和規(guī)律判斷的基礎(chǔ)，將上述3類應(yīng)用進(jìn)行有機(jī)組合，形成新的知識(shí)或得到判斷結(jié)論。

AABP_Instances表示概念實(shí)例的集合，實(shí)例代表元素，是概念的具體表現(xiàn)，種類較多，主要涉及以下內(nèi)容：

① 使命本體包含搶險(xiǎn)救災(zāi)、反恐維穩(wěn)和安保警戒等；

② 行動(dòng)本體包含機(jī)降運(yùn)輸、邊境巡邏和搜索營(yíng)救等；

③ 狀態(tài)本體包含情況說明、影響程度和變化狀態(tài)等；

④ 資源本體包含平臺(tái)(直升機(jī)、車輛和快艇等)和設(shè)施(機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、工事、港口、發(fā)電廠、水壩和核電站等)；

⑤ 時(shí)間本體包含天文時(shí)間、作戰(zhàn)時(shí)間、相對(duì)時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)等內(nèi)容；

⑥ 空間本體包括區(qū)域范圍、地理位置(經(jīng)度、緯度和高程)以及作戰(zhàn)半徑。

應(yīng)急處置預(yù)案應(yīng)用本體建立了應(yīng)急處置決策領(lǐng)域形式化共享概念模型，為文書解析提供了語義分析基礎(chǔ)。

3 文書語義分析

針對(duì)常用應(yīng)急處置文書特定的文本格式，利用概念間關(guān)系和規(guī)律準(zhǔn)則等，進(jìn)行淺層次、局部的語法分析，得到描述中關(guān)于時(shí)間、空間、使命及行動(dòng)過程等信息，生成淺層語義分析結(jié)果[11]。

應(yīng)急處置文書文檔結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)清晰，關(guān)于處置任務(wù)和情況變化等描述均有明確體現(xiàn)。每個(gè)部分由一個(gè)帶序號(hào)標(biāo)題以及若干自然段組成，每個(gè)自然段包含1個(gè)或多個(gè)完整句子，每一個(gè)句子表述一個(gè)要求，其中包含若干關(guān)鍵信息，例如行動(dòng)名稱和資源數(shù)量等。為獲取指定信息，分析過程通常可以是面向結(jié)果、淺層的或部分的。在詞法分析階段，采用語義直接標(biāo)注；在句法分析階段，需通過現(xiàn)有的知識(shí)庫(kù)，找出代表指定信息的詞匯和短語等語言結(jié)構(gòu)，而不需清楚每一個(gè)語句的完整句法結(jié)構(gòu)。具體處理步驟如下:

① 段落分析。針對(duì)應(yīng)急處置文書格式嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)，每一個(gè)段落可以表達(dá)一項(xiàng)完整的含義，信息提取以段落為基本單位。為獲取當(dāng)前情況、劃分行動(dòng)目標(biāo)范圍、分解應(yīng)急處置任務(wù)、規(guī)劃任務(wù)行動(dòng)，進(jìn)行有針對(duì)性的語段分解。結(jié)合應(yīng)急處置文書的行文特點(diǎn)進(jìn)行語段、語句劃分，單句段落層次編號(hào)和去除無關(guān)文本的處理，盡量將文本轉(zhuǎn)化為有完整語意的中文單句序列。

② 文本分詞。采用基于正則表達(dá)式匹配技術(shù)，以應(yīng)急處置文書中的處置任務(wù)、行動(dòng)規(guī)劃、配屬裝備、行動(dòng)目標(biāo)和區(qū)域范圍等信息為主題進(jìn)行正則匹配，得到文本分詞結(jié)果。

正則表達(dá)式由本體中的詞典和規(guī)則動(dòng)態(tài)解析生成。正則匹配是指將文書中的語句與轉(zhuǎn)換規(guī)則庫(kù)的句型逐項(xiàng)進(jìn)行配對(duì)，如果配對(duì)成功則視為解析成功。解析規(guī)則分為中間規(guī)則和終止規(guī)則，通過規(guī)則迭代，結(jié)合專業(yè)詞典內(nèi)容，最終生成正則表達(dá)式[12]。采用迭代算法進(jìn)行規(guī)則迭代，對(duì)文書內(nèi)容進(jìn)行獨(dú)立語句的循環(huán)解析操作，根據(jù)已構(gòu)建的匹配規(guī)則進(jìn)行搜索，一旦掃描到某條轉(zhuǎn)換規(guī)則可匹配當(dāng)前的獨(dú)立語句，可將語句中匹配該轉(zhuǎn)換規(guī)則產(chǎn)生的文本內(nèi)容替換成規(guī)則內(nèi)容項(xiàng)的符號(hào)化表示，將詞典中相應(yīng)詞匯與規(guī)則進(jìn)行鏈接替換，直至得到最終的形式化語義表示即可[13]，規(guī)則迭代流程如圖3所示。

圖3 文本分詞規(guī)則迭代流程

③ 語義標(biāo)注。應(yīng)急處置文書有著嚴(yán)格的用詞規(guī)范，語義標(biāo)注通過給詞加上語義類別標(biāo)簽，將原文的內(nèi)容抽象到一個(gè)較高層次，更加適合表達(dá)常用應(yīng)急處置遠(yuǎn)的形式化語義信息[14]。根據(jù)本體概念間關(guān)系，分詞標(biāo)注策略包括上下位關(guān)系、同義關(guān)系、反義關(guān)系、值-屬性關(guān)系、實(shí)體-值關(guān)系和相關(guān)關(guān)系等。例如，用上位詞表明其下位詞的語義類別，只需要從文本上下位語義中發(fā)現(xiàn)上位詞，“直升機(jī)”、“巡邏車”等的上位詞是“平臺(tái)”，“機(jī)場(chǎng)”或“港口”的上位詞是“設(shè)施”，只要在下位詞出現(xiàn)的地方標(biāo)上對(duì)應(yīng)的上位詞即可形成一種基本的語義單元[15]。

4 文書語義推理

本體在知識(shí)結(jié)構(gòu)表示方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但是這仍然不能滿足應(yīng)急處置決策專業(yè)應(yīng)用需求。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的專業(yè)知識(shí)，是本體無法全面表述的，這些知識(shí)內(nèi)容一般存儲(chǔ)在非結(jié)構(gòu)文本中。為了在結(jié)構(gòu)化的應(yīng)用本體和非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)內(nèi)容之間建立聯(lián)系，需要進(jìn)行更深層的語義關(guān)聯(lián)[16]。

在應(yīng)急處置決策領(lǐng)域知識(shí)本體基礎(chǔ)上，對(duì)常用文書的分詞語義進(jìn)行遞歸合并，使之成為有完整意義的事件表達(dá)。調(diào)閱系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)字典表等語義庫(kù)的詞匯以及相關(guān)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)，提取出專用關(guān)鍵詞，形成關(guān)聯(lián)分析表如表1所示。通過對(duì)事件進(jìn)行關(guān)鍵詞映射，形成事件類之間的概念關(guān)系，實(shí)現(xiàn)語義推理，如圖4所示，推理結(jié)果可以對(duì)人工制訂的計(jì)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證、修訂和增補(bǔ)[17]。

表1 關(guān)聯(lián)分析表

圖4 文書語義推理流程

5 應(yīng)急處置預(yù)案生成

在常用應(yīng)急處置文書中，特定保障力量部署及應(yīng)急處置行動(dòng)的表述，一般都有特定含義的字符串與之相對(duì)應(yīng)[18]。基于已規(guī)劃的關(guān)鍵詞知識(shí)庫(kù)，在分詞和短語識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行掃描及相關(guān)規(guī)則匹配，識(shí)別有關(guān)聯(lián)關(guān)系的語義塊，對(duì)行動(dòng)過程所發(fā)生的事件參數(shù)進(jìn)行描述，如巡視、機(jī)降和救援等參數(shù)，然后通過將時(shí)間和地點(diǎn)的信息與之關(guān)聯(lián)，將一個(gè)行動(dòng)過程本體表達(dá)成事件、地點(diǎn)和時(shí)間的模式，從而能夠監(jiān)視關(guān)鍵事件以及相關(guān)實(shí)體的狀態(tài)，支持對(duì)不同的事件快速觸發(fā)不同的決策。語義推理過程如圖5所示。

圖5 應(yīng)急處置行動(dòng)語義推理

應(yīng)急處置行動(dòng)的關(guān)聯(lián)分析可按照以下規(guī)則處理[19]：

應(yīng)急處置行動(dòng):={ 起始時(shí)間<時(shí)間、時(shí)間基準(zhǔn)>、涉及地點(diǎn)<地理位置>，力量編組<力量部署、保障機(jī)構(gòu)、保障平臺(tái)>,參與者<力量部署、目標(biāo)對(duì)象>，內(nèi)容<文字描述>……}。

應(yīng)急處置文書信息解析完成之后，對(duì)候選素材信息的應(yīng)用范圍進(jìn)行匹配，完成對(duì)有效信息的加工與選擇，生成規(guī)定格式的應(yīng)急處置預(yù)案。其中，對(duì)于除應(yīng)急任務(wù)行動(dòng)外各項(xiàng)內(nèi)容(如情況通報(bào)、任務(wù)說明等素材)，將得到的各種語義資源按照應(yīng)急處置決策模板要求進(jìn)行提取，可直接填充方案中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)[20]。

對(duì)于應(yīng)急處置行動(dòng)過程的素材篩選，應(yīng)考慮行動(dòng)事件中不可避免的時(shí)序關(guān)系，需解決業(yè)務(wù)流程化關(guān)系中存在的沖突，利于快速調(diào)整應(yīng)用處置行動(dòng)計(jì)劃。本研究采用前置約束和后置約束的策略，根據(jù)各項(xiàng)行動(dòng)預(yù)期要求以及資源狀態(tài)進(jìn)行約束自動(dòng)匹配。當(dāng)某個(gè)行動(dòng)的前置約束滿足時(shí)，會(huì)自動(dòng)選擇該行動(dòng)節(jié)點(diǎn)有效，而后置約束則是當(dāng)處理完畢該節(jié)點(diǎn)后，考慮對(duì)其他事件狀態(tài)和資源狀態(tài)的影響情況，動(dòng)態(tài)修正各行動(dòng)節(jié)點(diǎn)的預(yù)計(jì)狀態(tài)，甚至對(duì)分支節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整(包括分支合并和變異出新的分支)，使我方應(yīng)急處置行動(dòng)的調(diào)整能夠快速適應(yīng)復(fù)雜情況變化。

6 結(jié)束語

本文主要針對(duì)常用應(yīng)急處置預(yù)案的特點(diǎn)和應(yīng)用，研究基于本體的應(yīng)急處置決策知識(shí)表達(dá)和語義推理，借助本體模型完成應(yīng)急處置預(yù)案的構(gòu)建，從語義層面實(shí)現(xiàn)了相關(guān)知識(shí)的共享和重用，技術(shù)成果已應(yīng)用在某型應(yīng)急指揮系統(tǒng)并取得良好使用效果。后續(xù)仍需對(duì)每個(gè)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行持續(xù)研究，包括如何提取有價(jià)值的關(guān)聯(lián)信息，如何更加合理、靈活地保留其語義信息和表示，以及如何有效結(jié)合非語義數(shù)據(jù)來滿足更廣泛的應(yīng)急處置決策業(yè)務(wù)需求。

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Research on Establishment Method of Emergency Response Plan Using Natural Language Processing

QI Xiao-qian1,JIA Fei2,FENG Shi-tuo1,GUAN Zhen-Bo1,TAN Yong-kun1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.PLAArmyAviationResearchInstitute,Beijing101121,China)

In order to improve the real-time performance and accuracy of emergency response decision,a method of automatically establishment emergency response plan based on the ontology is proposed in this paper.Starting from the natural language analysis of the operational texts,this paper proposes a knowledge representation model in the field of emergency response based on the ontology,and studies a method of establishment emergency response plan,which can realize the sharing and reusing of the relevant knowledge.Combining with the semantic reasoning process of emergency response action,it is verified that the emergency response plan established by using proposed method can adapt to the change of situation.In addition,the proposed method has been applied to the emergency decision system,improving system efficiency and accuracy.

contingency plan;information extraction;semantic reasoning;related analysis

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.09

齊小謙，賈菲，馮士妥，等.基于自然語言解析的應(yīng)急處置預(yù)案構(gòu)建方法研究[J].無線電工程,2017,47(7):38-41，50.[QI Xiaoqian,JIA Fei,FENG Shituo,et al.Research on Establishment Method of Emergency Response Plan Using Natural Language Processing[J].Radio Engineering,2017,47(7):38-41，50.]

2016-11-01

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201505002)。

TN95

A

1003-3106(2017)07-0038-04

齊小謙 男，(1979—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：指揮控制與決策支持技術(shù)。

賈 菲 女，(1981—)，工程師。主要研究方向：指揮信息系統(tǒng)。