山洪災害應急預案知識圖譜構建與應用

摘要：基于知識圖譜技術，對山洪災害應急預案知識進行有效組織，采用本體理論的分層結構，對應急預案中的應急事件、應急組織、應急監測和應急任務四個核心要素進行定義與描述；采用自底向上的數據層構建流程，按照匹配與規則的模式進行實體與關系抽取，建立相應的應急預案實體庫，實現從非結構化的數據資源到結構化知識三元組的轉變，利用 Neo4j的實現可視化展示，為山洪災害應急預案領域“數據—信息—知識”的轉變提供了方法依據。

關鍵詞：山洪災害；應急預案；知識圖譜；實例應用

一、前言

我國是受自然災害影響最為嚴重的國家之一，涉及的災害類型多、發生災害的頻率高、分布地域面積廣、造成的經濟損失重，對人民的生命財產安全造成嚴重危害[1]。我國是一個多山的國家，山區包括山地、丘陵和高原等地形類型，山區面積約占國土總面積的2/3。據調查，全國所有旳縣級行政區中，有75%在山區，而這75%旳山區縣級行政區會集了全國56%旳人口。由于山區居住的人口數量多、密度大、分布廣，以及典型的季風氣候導致的降雨時空分布不均和復雜的地形地質特性等，每年汛期都有山洪災害發生，造成較大的人員傷亡和財產損失。山洪、泥石流和滑坡等災害對山區人民的生命財產安全構成嚴重威脅，全國有將近7400 萬人直接受到影響[2]。

針對不同類型的災害，應急管理部頒布了《國家防汛抗旱應急預案》等多項專項應急預案，明確了應對策略和處置程序。各級政府及部門編制了相對應的專項應急預案并開展針對性的應急演練。這些應急預案的編制和實施，對于提高我國應對突發事件的能力、減少災害損失、保障人民群眾的生命財產安全具有重要的意義。比如山洪災害應急預案是指在現有工程設施條件下，針對可能發生的各類山洪災害而預先編制的應急方案、對策和措施，是指導防汛指揮決策和防洪調度、搶險救災的依據。我國特殊的地形條件、人口空間分布和降雨時空不均等因素導致山洪災害風險長期存在[3]，需要采取創新的措施和科技手段，提升山洪災害預警和應急管理的水平。將最先進的應急技術和管理手段應用到山洪災害防治工作當中，有利于提升基層責任人組織協調、科學決策能力。

山洪災害防治發展到新階段，數字化、智能化迭代升級是其必由之路，必須運用數字化技術、思維、認知，以數字化和智能化為山洪災害防治賦能、提質、增效。因此，基于知識圖譜技術，對山洪災害應急預案知識進行有效組織，是實現智能化輔助決策目標的重要手段。現有應急預案知識圖譜對山洪災害應急預案方向涉及較少，雖然預案知識圖譜構建方法具有通用性，但山洪災害應急預案對象及關系有特殊性，因此本文對山洪災害應急預案知識圖譜構建，可以為山洪災害防治賦能、提質、增效提供參考。

二、應急預案模式層構建

本文在構建應急預案模式層過程中，首先對不同行業的應急預案文本進行深入的結構分析，從中提取預案文本內容的核心要素，這些要素的提取為進一步構建應急預案本體提供基礎。接下來，在行業專家的參與下，利用本體構建方法，構建出以應急事件、應急組織、應急監測和應急任務為核心概念的應急預案綜合本體。在構建應急預案本體時，定義核心要素之間的語義關系。然后，對應急預案中核心要素的概念層次關系、屬性關系以及關聯關系統一描述。概念層次關系的建立可以更好地理解不同概念之間的層次結構。屬性關系的描述可以更好地理解概念的性質和特征。關聯關系的建立則可以更好地理解不同概念之間的聯系和影響。

（一）模式層構建方法

應急預案知識圖譜模式層構建對專家先驗知識的依賴性較強，為了對應急預案進行深入的理解和分析，首先需要對其文本結構要素及特征進行詳細的探究，以幫助對應急預案的領域概念進行明確定義，也是構建應急預案本體模型的重要前提[4]。在應急預案中，歸類出核心要素是應急事件、應急組織、應急監測和應急任務。這些要素在應急預案中扮演著重要角色，相互關聯、相互影響，構成了完整的應急預案。針對這些核心要素，本文提出了相關概念的形式化模型，以便更加清晰地表達應急預案中的概念和關系。該模型可以對應急預案進行形式化的描述，對應急事件、應急組織、應急監測以及應急任務等準確地刻畫。

（二）模式層本體類及層次

在領域專家的參與下明確了應急預案本體構建中涉及的核心概念父類及子類，應急預案本體類構建以此為基礎，需要將抽象的語言描述轉化為計算機可以理解和識別的機器語言，完成對應急預案本體類的構建。本文主要使用 OWL DL語言描述應急預案本體，基于 Gruber本體構建規則，采用七步法構建方法流程，構建出應急預案本體類及類層次。

知識圖譜模式層本體庫包含了應急預案領域的核心要素，包括應急事件、應急組織、應急監測和應急任務。該本體庫明確各核心要素的內涵和外延，并對其間的語義關系進行定義和描述。這些語義關系包括各要素之間的關聯、屬性及相互影響等方面，應急預案知識圖譜模式層的綜合本體庫可表示為：

OEmergency={OCT，OIN，OMS，OFP，R} （1）

式中，OEmergency表示應急預案綜合本體庫，OCT表示應急事件，OIN表示應急組織，OMS表示應急監測，OFP表示應急任務，R表示應急事件、應急組織、應急監測、應急任務之間的語義關聯關系。

三、應急預案數據層構建

本文在應急預案數據層構建過程中，首先對已有應急預案領域文本數據源，采用自底向上的方式構建數據層。在這個思路下，對應急預案非結構化文本數據預處理，處理過程包括數據清洗、數據格式化、數據轉換、特征提取以及機器學習模型選擇與訓練等，經過以上步驟，采用匹配與規則的模式進行實體與關系抽取，通過將文本與預定義的規則進行匹配，從而識別并提取實體和規則之間的關系，再通過實體相似度的計算進行知識融合。

（一）數據層構建方法

應急預案知識圖譜的數據層構建是一個多步驟的過程，涉及數據收集、清洗、實體識別、關系抽取等多個環節。它的目標是提供一個形式化的、結構化的知識表示框架，用于描述和理解應急預案中的各種實體及其之間的關系。在模式層中，應急預案本體的概念框架對預案中的概念和關系進行了明確的定義和描述。根據這個框架，可以針對已有的應急預案文本數據，采用自底向上的方式進行數據獲取和融合。

（二）實體與關系抽取

實體與關系抽取是構建知識圖譜的重要環節，通過實體關系抽取可以獲取知識實體間的相互關系，能夠更好地理解知識實體間的規律，完成知識圖譜的構建。實體與關系抽取就是將已識別出的知識實體相互進行關聯，從而生成知識三元組數據，其主要形式為實體1、關系、實體 2。實體與關系抽取是一個重要的文本分類問題，旨在識別和判斷實體之間的特定關系類別，并輸出實體與關系的三元組數據。這個過程對于構建知識圖譜和提供結構化的知識表示至關重要。在當下應急預案文本數據日益增長愈發重要的情況下，利用信息提取相關技術，獲得應急預案文本數據中知識實體間的關系，能夠發現應急預案文本數據中隱含的規律，同時實現應急預案知識圖譜的構建和可視化，能夠全面地展示故障間的關系規律，為應急管理提供重要的決策依據。

本文實體與關系抽取過程中，通過Python的StanfordCoreNLP工具利用中文賓州樹庫（Chinese TreeBank，CTB）作為訓練文本庫。其中，分詞和詞性標注，中文賓州樹庫中的文本已經進行了分詞和詞性標注，可以直接使用。實體識別，利用已有的命名實體識別（Named Entity Recognition，NER）算法對中文賓州樹庫中的文本進行實體識別。關系抽取，通過分析實體的上下文、句法結構等信息，推斷它們之間的語義關系。

四、實例應用

本文實例應用研究的某縣山洪災害應急預案，是在現有工程設施條件下，針對可能發生的山洪災害所預先制定的防御方案、對策和措施，是某縣實施指揮決策和防御調度、搶險救災的依據，本文研究文本數據源見表1。

將某縣山洪災害應急預案融合后的實體、關系、屬性知識元以三元組形式存儲在Neo4j圖數據庫中將應急預案知識三元組數據存儲到Neo4j數據庫中后，利用Neo4j數據庫中自帶的可視化平臺實現對應急預案知識圖譜的可視化。

以某縣山洪災害應急監測、應急任務流程為例，2010年10月15日從下午2時至16日上午8時，某縣遭遇強降雨天氣，縣部分鄉鎮累計降雨量在120毫米左右，其他各鄉鎮累計降雨量均在50毫米以上。部分河道超警戒水位3至4米，3條道路交通中斷。

通過某縣山洪災害應急預案知識圖譜，可以推送獲取災前、災中、災后的監測、處理流程，如圖1所示，具體信息數據和技術支持如下：

（一）山洪災害應急預案知識圖譜中的應急監測

通過監測平臺可以采集案例中“2010年10月15日從下午2時至16日上午8時累計降雨量在120毫米左右，其他各鄉鎮累計降雨量均在50毫米以上以及46宗大小型水庫水位上漲，縣所有水庫均超過警戒水位。河流水位上漲迅速，保城河水位已超出警戒線3米多”。山洪災害應急預案知識圖譜實際監測數據，并根據預警指標發出預警。

（二）山洪災害應急預案知識圖譜中的應急事件

可以提供案例中“往某鄉的兩條道路的兩座橋梁被淹一米多深，無法通行；前往某鄉必須繞行數十公里，走某縣城至熱作所農場的老路才能抵達；16日上午9時許，通往該縣某鄉的道路受山體滑坡影響已完全中斷”，指出危險區、安全區以及工程措施情況。

（三）山洪災害應急預案知識圖譜中的應急組織

可以提供案例中責任人、責任單位以及分工。某縣防汛防風防旱指揮部負責全縣搶險救災工作的組織協調和統一指揮，各鄉鎮人民政府要緊急調動應急搶險隊伍開展搶險救災工作，在第一時間到達現場。當地政府、基層組織按照制定的轉移撤離方案及時將災害點、危險區的居民和其他人員轉移到安全地帶。水利部門應當會同國土、建設、氣象等相關部門提出應急措施，減輕和控制災害損失。民政、糧食、衛生、醫藥、交通、公安等相關部門，應當及時設置避難所和救濟物資供應點，妥善安置災民生活，做好醫療救護、衛生防疫和社會治安工作。交通部門保證物資設備和人員的安全運送。

（四）山洪災害應急預案知識圖譜中的應急任務

可以推薦搶險救援流程，第一步，搶救被掩埋的人員和正處于危險地的遇險者，迅速轉移到安全地帶，對傷病員進行及時搶救。第二步，緊急疏散位于危險地帶及危險建筑內的人員，對緊急轉移的人員作好臨時安置，發放糧食、衣物、安排好災民日常生活。第三步，作好宣傳和安全保衛工作，及時處理各類遺體，進行防疫消毒，控制衍生性病毒的發生和蔓延。第四步，對可能造成新的危害的山體、建筑物等要安排專人檢測、防御。第五步，迅速組織力量搶修通信、交通、供電、供水等生命線工程，及時向上級部門報告災情，請求援助。

實例應用表明，在某縣山洪災害應急預案知識圖譜的構建和可視化展示基礎上，可進一步實現智能搜索等應用，從而幫助某縣更好地提取山洪災害應急關鍵信息，為決策制定提供準確有效的信息數據和技術支持。

五、結語

山洪災害應急預案知識圖譜的構建與應用是一個具有現實指導意義的研究領域，未來可以在此領域開展更多的研究工作，以推動其在災害應急領域的發展和應用。

（一）知識圖譜的完善與更新

在構建山洪災害應急預案知識圖譜時，需要不斷收集和整理新的災害案例和相關研究，不斷完善和更新知識圖譜，以保證其準確性和實時性。

（二）知識的推理與優化

通過對知識圖譜進行推理，可以得出更準確、更深入的結論，為應急決策提供更有價值的支持。此外，還可以通過優化算法，提高推理的效率。

（三）知識的可視化與解釋

通過可視化技術，可以將復雜的知識以易于理解的方式呈現出來，幫助用戶更好地理解和應用知識。同時，還需要研究如何解釋知識圖譜中的結果，以幫助用戶理解推理過程。

（四）知識的應用與評估

將構建好的知識圖譜應用于實際的山洪災害應急工作中，可以檢驗其有效性和實用性。同時，還需要對知識圖譜的應用效果進行評估和反饋，以不斷完善和優化知識圖譜。

（五）跨領域知識的融合

可以將其他相關領域的知識融合到山洪災害應急預案知識圖譜中，以擴展和豐富其內容。例如，可以融合氣象、地質、水利等領域的知識，以更好地支持應急決策。

參考文獻

[1]張海波，戴新宇，錢德沛，等.新一代信息技術賦能應急管理現代化的戰略分析[J].中國科學院院刊，2022，37（12）：1727-1737.

[2]閃淳昌，周玲，秦緒坤，等.我國應急管理體系的現狀、問題及解決路徑[J].公共管理評論，2020，2（02）：5-20.

[3]王紹玉，郝春新.關于推進防災減災與提高城市可持續發展能力的思考[J].國際地震動態，2002（03）：4-7.

[4]唐攀，王紅衛，王喆，等.一種應急預案本體模型及其應用研究[J].計算機應用研究，2011，28（11）：4160-4165+4170.

基金項目：1.水利部重大科技項目“數字孿生平臺關鍵技術研發與應用”（項目編號：SKS-2022156）；2.認知智能全國重點實驗室開放課題任務書“基于測控一體化閘門的灌區輸配水智能調控研究與應用”（項目編號：COGOS-2024HE04）

作者單位：訊飛智元信息科技有限公司

■ 責任編輯：王穎振 鄭凱津