基于本体的城市轨道交通线网应急预案形式化描述与匹配

贺国旗 张彧锋 韩泉叶，

（1.陕西广播电视大学资源建设与现代教育技术中心，710061，西安；2.中铁第一勘察设计集团有限公司发号处，710043，西安∥第一作者，副教授）

城市轨道交通网络化运营后，涉及面广，影响面大，一旦发生突发事件，应迅速启动应急预案，转入应急处理过程，将事件的影响降到最低，这是网络化运营和管理遵循的原则［1］。但目前城市轨道交通线网中使用的应急预案多以文本和电子文档为主，信息化程度低，没有统一的编制格式，在应急处置过程中，不能挖掘有效信息并迅速转化为应急处置方案［2］。因此，如何表示出让计算机也能理解的本体应急预案，并通过检索、推理等技术快速生成应急处置方案，为有效合理地组织救援单位、救援资源，实施救援提供智能决策。城市轨道交通线网的本体预案是描述线网领域概念语意模型的重要手段，其目标是捕获线网领域知识，提供对线网领域知识的共同理解，确定线网领域内共同认可的词汇。

1 城市轨道交通线网应急预案

应急预案包含了事件应急处理的所有规则和原理，以及处理流程的框架知识，定义了应急的组织机构、启动预案的条件、事件处置的原则、应急资源、事件处置流程等。预案是对事件进行详细分析，提取关键节点信息并对其进行数字化描述，包含事件处置的原则和事件处置的经验。建立预案的目的是为事件的应急处置提供决策支持［3］。

应急预案的实质以某事件为中心，研究与该事件有关的所有关联实体之间产生的联动效应，并用计算机进行表示和处理。在城市轨道交通线网中，针对应急事件处理过程中涉及的相关实体间的关系进行梳理，得到如图1所示的实体网状图。

在对北京、广州、深圳等地城市轨道交通线网应急预案分析的基础上，得出城市轨道交通线网预案主要包括的内容如下：

（1）在预案的适用范围中，定义了启用本预案的条件，描述事件类型、事件级别、事件地点和时间。

（2）在预案的组织机构中，定义了事件处理的组织结构、部门、相关人员以及他们的角色等。

（3）在资源中，定义了事件处理所涉及的所有资源的集合、资源的联动、资源的状态将对工作流的执行产生的影响。

（4）在工作流模板中，定义了任务的运行顺序和运行条件，每个任务可以有一个或多个Agent完成，也可以由一个或多个软件系统完成，还可以是人与软件合作完成。任务的运行顺序和运行条件用来定义并实现任务的运行、任务的同步和数据流的传递。任务通常是由动作的主体、动作的客体和动作来定义。动作的主体和动作的客体是抽象的角色和资源。

预案还包含预案目标、预案技术条件等其它内容。

图1 城市轨道交通线网突发事件处理实体网状图

2 城市轨道交通线网本体预案

2.1 城市轨道交通线网本体预案模型

前因—行为—后果（ABC）本体模型是NSFHarmony项目研究成果之一，它给出了事件处理的通用概念模型［4］，基本能够表达清楚事件对象随时间的状态和变化。若要用ABC 本体模型表达城市轨道交通线网应急事件处理的知识，还有不足的地方，如：缺少对任务、组织、部门等概念的描述。因此，为了更好地表达城市轨道交通线网应急事件处理的知识，需要对城市轨道交通线网中相关概念和应急处理中相关要素进行抽象，然后在ABC 本体模型的基础上进行词汇扩充，扩充的词汇如下：

（1）Emergency——用于描述线网中的应急处理事件，是Event的扩展子类，其属性为事件类型和事件级别（Category和Level）［5］。事件类型和事件级别是该事件应急预案的触发源。

（2）Task——用于描述事件处理过程的若干个功能单位，一个事件的处理需要多个任务去完成相应的功能，Task 是 Temporality 的扩展子类。各Task之间存在着先后、并行等制约关系，Task 由Agent执行，需要使用资源Resource。Task的属性有名称、功能、目标、使用资源、执行条件等。

（3）Resource——用于描述应急处理过程中使用的资源实体，是Actuality的扩展子类。应急资源的数目庞大、种类繁多，在预案生成事件处置方案的过程中，Resource会被实际使用的资源实例化。实际使用的资源包括应急设备设施、救援物资、生活物资、通信资源等。资源的属性包括名称、所属机构、型号、使用状态、负责人、联系电话、下次维护时间等。

（4）Role——用于描述Agent参与到动作中的角色，是Abstraction 的扩展子类。Role能够反映一类Agent在执行动作时的职能，在预案中是抽象服务工作流的执行者。Role的属性有角色名称、角色职能责、角色人员列表、角色拥有知识列表等。

（5）orgnization——用于描述应急处理中Agent的类型，是Agent的扩展子类。orgnization可以由多个部门组成，其属性有名称、部门列表、可充当角色列表等。

（6）Person——用于对工作人员的抽象，是Agent的扩展子类。描述具有一定职能的工作岗位人员，Person的属性有人员级别、所属部门、人员职责等。

（7）Knowledge用来描述应急处理中使用到的领域知识，是Abstraction的扩展子类。

用E－R 图（Entity Relationship）描述上述扩充的词汇在城市轨道交通线网应急领域知识的语义模型，说明其概念和概念之间的关系。图2中矩形表示实体；椭圆表示属性；菱形表示实体之间的关系。

不包含属性的城市轨道交通线网应急领域本体模型如图3所示。

图2 城市轨道交通线网应急事件处理E－R 图

图3 城市轨道交通线网应急领域本体模型

2.2 城市轨道交通线网本体预案的形式化描述

本体描述规范经过长期的发展和演变，最终固定为资源描述框架RDF和Web本体语言OWL两种规范，RDF定义了“主体－属性－客体”三元组形式的知识表示结构，OWL为RDF引入了OWL：Class，OWL：Property 等词汇使知识描述更加便捷［6－8］。城市轨道交通线网的应急预案本体 MEOntology可采用如下的五元组来描述。

（1）ME－Concepts：＝｛C｝表示城市轨道交通线网应急预案ABC 本体模型中概念的集合，用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case”＞表示各类突发事件处置经验知识的集合。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Information of Emergency plan”＞表示线网应急预案的基本属性信息，包括预案号、预案类型、预案级别、适用的范围和条件等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Event”＞ 表示应急处理的具体紧急事件，属性包括事件类型、事件级别、事件发生的时间地点和事件情景描述，通过follows与场景Situation 关联。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Emergency Case Subject”＞ 表示应急组织或应急人员的子类。如医疗机构、线网应急办公室或值班员等。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Emergency Object”＞ 表示受突发事件影响的客观存在的对象，事件处理客体可以是应急资源、设备设施、组织或人员等。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Process”＞ 表示突发事件处理在时间维上的描述，包括接警、信息报送、信息发布、处置操作、续警、消警。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Task”＞ 表示突发事件处理中的具体功能单元。用＜OWL：Class rdf：ID＝”Orgnization”＞ 表示应急事件处理的实施主体，包括线网指挥机构、工作机构、处置机构、110、119、120 机构。用 ＜OWL：Class rdf：ID＝“Orgnization”＞ 表示应急处理中有明确职责和功能的组织单元。用 ＜ OWL：Class rdf：ID ＝“Resource”＞表示应急处理过程中使用到的资源。用＜OWL：Class rdf：ID＝“Constraint”＞表示预案中任务之间的制约关系。

（2）ME－Relations：＝｛R（c1，c2）｜c1，c2∈MEConcepts｝用于表示城市轨道交通线网应急预案ABC本体模型中概念间关系的集合。如：Composeof用于描述概念c1，c2，c3，…，cn，如果c1的实例是由c2，c3，…，cn的实例组成，则c1与c2，c3，…，cn间存在Compose－of关系。如应急小组是有多名应急人员组成，即 GroupCompose－of（Person2）……。Uses用于描述应急预案中实体间的使用与被使用的关系，如事件处理主体（Emergency Subject）使用资源（Resource），即 Emergency Subject Agent Uses.Resource。Executes用于描述应急处理主体与任务之间的施动、受动关系，如人员执行任务，即Agent Executes.task。has Role用于描述对应急处理实体赋予一定职责和权限的过程，如人员张三是应急处理协调组组长，即Agenthas Role.GroupHeader。Have用于描述概念和属性的从属关系，如角色应具有某种能力，即RoleHave.Capacity。Follows用于描述应急处理过程中，Situation与Event之间的转移关系。

（3）ME－Functions：＝｛F：S1S2……SnTS｜S1，S2，….Sn，S ME＿ConceptsME＿Relations，T ME＿Concepts｝用于表示城市轨道交通线网应急预案ABC本体模型中情景随着时间等进行转换的规则集合，Si表示应急事件所处的情景，T为情景转移的条件。

（4）ME－Axioms：＝｛A：S1S2……SnS｜S1，S2，…SnME＿Concepts ME＿RelationsME－Functions，SME＿ConceptsME＿Relations｝用于表示城市轨道交通线网应急预案ABC 本体模型中永真公理的集合。

（5）ME－Instances：＝｛instance｜instanceMEConceptsME＿Relations｝用于表示应急预案中的概念、关系和情景的实例化。

城市轨道交通线网中应急疏散角色形式化描述如表1所示。

2.3 线网应急预案的匹配与实例化

线网中每个应急预案都用本体表示，把预案中的关键字用本体模型中的概念来描述，对预案的匹配与查找就是对本体的匹配与查找。从数据库的角度考虑，本体预案库由规则本体库和案例本体库组成，规则本体库是指按照规则On ＜Event＞if＜Condition＞Do＜Action＞生成的应急事件处理知识库，它表示针对某一事件，如果条件满足了，就执行Action。城市轨道交通线网中的应急事件处理，有其自身的特性，很多调度类知识比较简单，易于表示成规则，此时就采用规则推理；而对于有些具有预测功能的知识，不易表示成规则，此时需要使用案例推理。案例库里存放着过去突发事件处理的历史经验，将新发生的事件与已有案例进行对比，从而得到该事件的处置方法。事件发生时，计算机通过传感器等捕捉到该事件的关键字，将其转化为语义本体，并与本体预案中的相关概念进行对比，本体应急预案的匹配是在应急事件的推理过程中实现的［9］。应急事件与本体预案之间的相关度通过式（1）和式（2）进行计算。

表1 应急疏散角色及其形式化描述

式中：

集合［c］＝｛c1，c2，…cm｝——和c有关概念的集合，如车站、烟雾、火等；

本体集合Ω＝ ｛o1，o2，…on｝，o1，o2，…，on——分别表示应急预案本体；

函数f（ci，oj）——概念ci在本体oj中出现的频率；

n——本体集合中本体的数量；

n＇——集合中包含概念c的本体数量；

Si，j—概念ci在本体oj中的权重。

式（2）用来计算［c］中的概念与每个预案本体的相关程度。

在得到匹配的应急本体后，对应急本体进行查询，以便应急本体实例化。SPARQL是W3C推荐的基于RDF的本体查询语言，与RDF类似，SPARQL查询也是一个三元组模式，三元组中可以出现变量。本文用Java应用程序调用Jena的SPARQL功能实现对本体进行查询，从而进行实例化。

3 结语

以ABC 本体模型为上层本体，结合城市轨道交通线网应急安全领域知识，对ABC 本体词汇进行扩充，建立了城市轨道交通线网的应急领域本体模型，进而使用OWL本体描述语言和RDF对线网应急预案进行形式化描述。最后对线网应急预案的匹配、查找与实例化方法进行了讨论。

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