應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺設(shè)計

摘要：為驗證和優(yōu)化應(yīng)急情報系統(tǒng)功能，并為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶提供操作演練機(jī)會，開展針對應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺設(shè)計研究。首先，對該平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)層、工具層、應(yīng)用層3 個層次；其次，對各層次的模塊功能及實現(xiàn)方法進(jìn)行介紹。結(jié)果表明，該平臺可以實現(xiàn)情報生產(chǎn)和決策指揮功能，為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶驗證功能、學(xué)習(xí)操作提供實踐支持。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急情報系統(tǒng)；功能驗證；平臺設(shè)計

中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

應(yīng)急情報系統(tǒng)是專門針對事故、災(zāi)害和緊急事件提供應(yīng)急服務(wù)的情報系統(tǒng)。該系統(tǒng)以情報流程為核心，包括情報規(guī)劃、情報收集、情報處理、情報分析和情報應(yīng)用等環(huán)節(jié)，是應(yīng)急管理部門開展應(yīng)急活動的重要保障[1]。應(yīng)急情報系統(tǒng)的功能和流程較為復(fù)雜，需要不斷完善系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運行細(xì)節(jié)、提高運行人員的操作能力，才能保證應(yīng)急情報系統(tǒng)在應(yīng)對突發(fā)事件時的處理效率。因此，基于應(yīng)急情報系統(tǒng)設(shè)計方案，構(gòu)建應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺，以驗證和優(yōu)化系統(tǒng)功能，同時為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶提供教學(xué)演練平臺。結(jié)果表明，應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺對于系統(tǒng)改進(jìn)和相關(guān)人才培養(yǎng)具有重要價值。

1 應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺設(shè)計方案

應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺由情報生產(chǎn)及決策界面、數(shù)據(jù)庫、知識庫、案例庫、情景模板、模擬仿真和案例匹配等模塊組成。該平臺以情報生產(chǎn)及決策界面為核心，調(diào)用其他模塊，共同實施應(yīng)急情報生產(chǎn)及決策方案制定。應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖1 所示，根據(jù)功能可將其劃分為3 層：應(yīng)用層包含情報生產(chǎn)及決策界面，該層是應(yīng)急情報系統(tǒng)在具體應(yīng)用中的實際操作層；工具層是系統(tǒng)的中間層，可向上為應(yīng)用層提供工具，可向下調(diào)用數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)，以完成應(yīng)用層交付的各項任務(wù)；數(shù)據(jù)層用于存儲情報對象數(shù)據(jù)和案例，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)。

2 模塊功能及實現(xiàn)

根據(jù)應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺由下向上的結(jié)構(gòu)順序，對各模塊的功能及實現(xiàn)方法進(jìn)行逐一介紹。

2.1 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是應(yīng)急情報的本質(zhì)，是對突發(fā)事件進(jìn)行細(xì)致全面的描述，包括對突發(fā)事件所涉及的各類對象狀態(tài)及其狀態(tài)變化的行為規(guī)律，使決策者能夠進(jìn)一步掌握突發(fā)事件的實時情況以及可能的發(fā)展態(tài)勢，從而為后續(xù)的指揮決策提供依據(jù)。數(shù)據(jù)庫存儲了應(yīng)急情報系統(tǒng)收集的各類對象的相關(guān)數(shù)據(jù)。在實際工作中，數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊協(xié)同工作，由于該應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)平臺屬于軟件平臺，因此不包含情報收集模塊和情報處理模塊。情報收集模塊是由各類傳感器構(gòu)成的可廣泛收集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)采集范圍較為廣泛，這些數(shù)據(jù)不僅包括基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、視頻監(jiān)控等信息技術(shù)設(shè)備所采集的數(shù)字化信息，也包括從互聯(lián)網(wǎng)、社交軟件獲取的由目擊者群體發(fā)布的消息。此外，實地調(diào)研與訪談等手段所獲取的一手資料也屬于情報數(shù)據(jù)。情報數(shù)據(jù)被采集后需要對其進(jìn)行預(yù)處理，在此過程中，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，以去除歧義和測量錯誤，從而確定數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)對象，形成高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源并存入數(shù)據(jù)庫。

在本平臺中，首先確定突發(fā)事件的情景本體，本體是突發(fā)事件包含的多種類型實體及屬性，以及實體間的關(guān)系；其次，基于本體設(shè)計方案，對情報數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并采用Neo4j 數(shù)據(jù)庫記錄數(shù)據(jù)。

2.2 知識庫

知識庫用于存儲已知的突發(fā)事件所涉及各類對象的知識和規(guī)律。一般來說，其核心內(nèi)容是對象的行為規(guī)律，如對象在各種條件下采取行為的規(guī)則、對象屬性受情景條件觸發(fā)的變化規(guī)律等。知識庫是應(yīng)急情報系統(tǒng)開展模擬仿真的知識基礎(chǔ)，充實知識庫有一定難度，因此在建設(shè)應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺時，應(yīng)重視知識庫的共享及協(xié)同優(yōu)化，提高知識庫質(zhì)量。在應(yīng)用中，行為規(guī)律可以使用函數(shù)或狀態(tài)矩陣來表示，本文采用Python 程序編寫函數(shù)，形成工具函數(shù)庫，作為平臺知識庫使用。

2.3 案例庫

案例庫負(fù)責(zé)對已發(fā)生的突發(fā)事件應(yīng)急處置案例進(jìn)行全過程記錄和存儲，為未來的應(yīng)急決策提供參考。案例庫所記錄的案例包含兩類信息：一是突發(fā)事件發(fā)展過程的詳細(xì)信息；二是事件過程中的應(yīng)急處置策略信息。其中，兩類信息應(yīng)是與過程對應(yīng)的，即突發(fā)事件發(fā)展過程應(yīng)由若干個場景信息構(gòu)成。場景可根據(jù)地理區(qū)域和時間進(jìn)行劃分，其包含多種類的對象及其狀態(tài)屬性，多個場景可以表征整個事件的狀態(tài)演變過程。此外，應(yīng)急管理部門在各個場景下所采取的應(yīng)急處置方案以事件的方式進(jìn)行記錄，包括事件主體即處置行為發(fā)起部門，由受控對象構(gòu)成的事件客體，包括處置行為的具體信息（如處置力度、時長）、處置的時空信息等。應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶可以通過情景匹配，在案例庫中迅速找到與當(dāng)前情景類似的過往案例，從而為指揮決策提供參考依據(jù)。

本平臺采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急情報案例表示模型構(gòu)建案例庫，并采用Neo4j 數(shù)據(jù)庫記錄案例信息[2]。

2.4 情景模板

應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶在情報生產(chǎn)及決策界面進(jìn)行操作時，需要根據(jù)突發(fā)事件的具體情況做出決策，這就需要用戶對突發(fā)事件情景具有有效認(rèn)知。情景模板本質(zhì)上是一套情報數(shù)據(jù)表征規(guī)則，通過將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的組織和表示方式進(jìn)行規(guī)范，使其更符合應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶的認(rèn)知習(xí)慣。本應(yīng)急情報系統(tǒng)采用Neo4j 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)并利用非結(jié)構(gòu)化方式記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以便系統(tǒng)性地描述對象屬性和對象關(guān)系。因此，在本平臺中可以省略情景模板，由應(yīng)用層直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

2.5 模擬仿真

模擬仿真模塊是基于現(xiàn)有的突發(fā)事件情景及掌握的有關(guān)情景內(nèi)各類對象的行為規(guī)律，在采用各類處置行為的條件下，對突發(fā)事件的演化行為進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶的決策過程提供更多依據(jù)[3]。在本平臺中，模擬仿真模塊采用多主體仿真方式：首先，選擇主體仿真突發(fā)事件涉及的各類對象，依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的突發(fā)事件情景信息對主體的初始屬性進(jìn)行設(shè)置；其次，基于知識庫中的關(guān)于對象的行為規(guī)律知識，設(shè)置主體的行為參數(shù)；最后，設(shè)置一定時長的仿真過程，模擬突發(fā)事件的演變過程，實現(xiàn)對突發(fā)事件態(tài)勢的預(yù)測。在具體方法上，采用Python 語言編寫的Mesa 仿真模塊實現(xiàn)上述流程。

2.6 案例匹配

案例匹配模塊作為檢索工具，為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶查找、推薦與當(dāng)前突發(fā)事件相似或符合用戶搜索需求的歷史案例。情景匹配算法是案例匹配模塊的核心[4]，其具體操作流程如下。

首先，建立若干情景維度，每個維度可代表突發(fā)事件情景的特征。其次，計算案例情景與當(dāng)前情景在各維度上的距離。常用的距離計算方法包括歐氏距離、標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離和夾角余弦距離等方法[5]。再次，采用權(quán)值計算等方法將各維度距離轉(zhuǎn)化為總體距離。目前，由于收集了大量歷史案例，因此可以構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來計算總體距離，其優(yōu)勢在于可基于歷史數(shù)據(jù)設(shè)置各維度權(quán)值，降低算法的主觀性。最后，依據(jù)總體距離進(jìn)行升序排列，將距離較小的案例作為備選案例，推薦給決策人員。本平臺將情景劃分為情景內(nèi)對象種類數(shù)量和各種類對象數(shù)量兩個維度，采用標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離法計算各維度距離，采用權(quán)值計算法計算總體距離，其中兩個維度的權(quán)值均設(shè)定為0.5。

2.7 情報生產(chǎn)及決策界面

情報生產(chǎn)及決策界面由Python 語言的PyQt5工具包開發(fā)，提供具備情報生產(chǎn)和決策方案制定功能的操作界面。在本平臺中，該界面包含4 個子界面，分別為數(shù)據(jù)顯示子界面、案例顯示子界面、情報生產(chǎn)子界面和動態(tài)仿真子界面。

數(shù)據(jù)顯示子界面分為數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)顯示兩個部分，用于查詢和展示數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)檢索用于設(shè)置數(shù)據(jù)查詢條件，由于本平臺所采用的Neo4j 數(shù)據(jù)庫是以對象為中心組織數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)檢索也以對象為查詢條件。具體來說，檢索框為一個多選框，選項為數(shù)據(jù)庫中記錄的當(dāng)前突發(fā)事件的所有相關(guān)對象，當(dāng)選擇單個對象為檢索條件時，返回結(jié)果為一個對象及其所有屬性值；當(dāng)選擇多個對象為檢索條件時，返回結(jié)果為多個對象、對象屬性值和對象間關(guān)系及其屬性值。數(shù)據(jù)顯示由圖顯示和圖表顯示兩個部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)查詢結(jié)果會以圖譜形式出現(xiàn)在圖顯示部分，當(dāng)用戶點擊圖譜中的對象節(jié)點或連接對象節(jié)點的邊時，圖表中會同步顯示該節(jié)點或邊的名稱及屬性值。

案例顯示子界面分為案例匹配和案例顯示兩個部分，用于查詢和顯示案例庫中的案例。案例匹配負(fù)責(zé)構(gòu)建案例匹配條件，其核心功能是設(shè)置當(dāng)前突發(fā)事件的查詢情景，以便利用案例匹配工具查找與當(dāng)前情景相似的案例。具體來說，需要對應(yīng)急情景的時間范圍和對象范圍進(jìn)行設(shè)置，利用數(shù)據(jù)輸入框設(shè)置時間范圍，利用多選框設(shè)置對象范圍，可選擇范圍包含突發(fā)事件所有對象。設(shè)置好應(yīng)急情景后，點擊查找鍵即可返回查詢結(jié)果。案例顯示包含兩個表格（表格1 和表格2）和一個圖顯示界面，查詢結(jié)果返回表格1 中，結(jié)果為多個案例名稱以及通過匹配算法獲得的總體距離值。在點擊表格1 的案例名稱后，會在圖顯示界面顯示該案例的圖譜，點擊圖譜中的節(jié)點或邊框，表格2 即可以顯示所選擇的對象或?qū)ο箝g關(guān)系對應(yīng)的屬性值。

情報生產(chǎn)子界面用于設(shè)置情報產(chǎn)品的功能目標(biāo)，并顯示所生成的情報產(chǎn)品內(nèi)容。該界面分為產(chǎn)品功能設(shè)置和信息顯示兩個部分。在產(chǎn)品功能設(shè)置部分，需要利用選擇框?qū)Ξa(chǎn)品種類、產(chǎn)品包含對象和分析方法進(jìn)行選擇。其中，產(chǎn)品種類根據(jù)應(yīng)急情報專家的建議分為信息查詢、信息統(tǒng)計、預(yù)警、預(yù)測等。產(chǎn)品包含對象由數(shù)據(jù)庫內(nèi)容決定，包括數(shù)據(jù)庫記錄的當(dāng)前突發(fā)事件相關(guān)的所有對象。分析方法選擇知識庫中記錄的與產(chǎn)品類型對應(yīng)的分析工具。確定上述選項后即可開始情報生產(chǎn)。信息顯示用于展示情報產(chǎn)品內(nèi)容，其具體功能與數(shù)據(jù)顯示子界面中的數(shù)據(jù)顯示部分一致。

動態(tài)仿真子界面包含情景初始化、應(yīng)急策略設(shè)置、仿真時長設(shè)置和結(jié)果顯示4 個部分，旨在對當(dāng)前突發(fā)事件的演變情況進(jìn)行仿真預(yù)測。情景初始化是對參與仿真的對象及其屬性和行為方式進(jìn)行初始化設(shè)置，包括基于選擇框的對象選擇，所選擇的對象集合與數(shù)據(jù)庫中記錄的對象集合一致。在確定對象集合后，可逐一點擊對象，并對其對應(yīng)的屬性值和行為方式進(jìn)行設(shè)置，其中，行為方式選項來自知識庫所記錄的各類對象的行為知識。應(yīng)急策略是為掌控應(yīng)急場景態(tài)勢發(fā)展而針對場景內(nèi)對象采取的控制策略。在應(yīng)急策略設(shè)置中，需設(shè)置受控制對象、控制策略、控制開始時間和持續(xù)時長，其中，控制策略在設(shè)定的控制策略集合中選取。仿真時長設(shè)置用于設(shè)置仿真過程運行的總時隙數(shù)。結(jié)果顯示用于展示仿真結(jié)果，其具體功能與數(shù)據(jù)顯示子界面中的數(shù)據(jù)顯示部分一致。

3 結(jié)語

應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺從結(jié)構(gòu)上可劃分為3 層：數(shù)據(jù)層用于提供數(shù)據(jù)、知識、案例基礎(chǔ)；工具層用于處理數(shù)據(jù)層內(nèi)容并提供給應(yīng)用層；應(yīng)用層用于數(shù)據(jù)展示、情報生產(chǎn)、事態(tài)預(yù)測以及決策方案制定。本平臺基于Python 語言開發(fā)，并與Neo4j 數(shù)據(jù)庫、Mesa 多主體仿真工具包協(xié)同使用。應(yīng)急情報系統(tǒng)驗證及教學(xué)軟件平臺可以為應(yīng)急情報系統(tǒng)用戶進(jìn)行功能驗證、實踐操作提供支持。未來將進(jìn)一步豐富案例庫內(nèi)容，使本平臺的功能更加貼近實戰(zhàn)水平。

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