徐敬海 聶高眾
1)南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,南京 210009
2)中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029
中國是一個(gè)地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家,在地震預(yù)報(bào)還未達(dá)到實(shí)用性的現(xiàn)實(shí)情況下,震后開展地震應(yīng)急救援工作具有非常重要的意義(聶高眾等,2012)。這方面的工作主要體現(xiàn)在地震應(yīng)急預(yù)案和基于GIS的地震應(yīng)急指揮系統(tǒng)的研究和建設(shè)上(李志強(qiáng)等,2005;姜立新等,2012)。從近幾次重大地震的應(yīng)急看,這些工作已取得了一定的成效,但也表現(xiàn)出一些不足,集中體現(xiàn)在應(yīng)急處置對(duì)策的針對(duì)性不強(qiáng)上,也缺少智能性(張禎等,2011;王永昕等,2012)。多個(gè)因素造成了這個(gè)問題,如應(yīng)急預(yù)案?jìng)?cè)重于應(yīng)急組織的管理,重點(diǎn)在于回答應(yīng)急事件誰來做,而忽略了應(yīng)急事件如何做的問題(徐敬海等,2014)。相關(guān)的應(yīng)急指揮系統(tǒng)也大多以應(yīng)急預(yù)案為參考,重點(diǎn)圍繞應(yīng)急預(yù)案中相關(guān)需求的數(shù)字化輔助功能進(jìn)行開發(fā),從而造成有些功能在滿足實(shí)際應(yīng)急需求時(shí)存在一定的困難。徐敬海等(2013)探討了應(yīng)用地震應(yīng)急決策知識(shí)輔助地震應(yīng)急的方法,并初步分析了地震應(yīng)急決策知識(shí)的分類,為此問題的解決提供了一種有益的探索。然而已有的地震應(yīng)急決策知識(shí)大多以非結(jié)構(gòu)化的形式存在,如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)可識(shí)別的地震應(yīng)急決策知識(shí)模型是提高地震應(yīng)急智能性、應(yīng)急對(duì)策針對(duì)性的關(guān)鍵之一。將地震應(yīng)急決策知識(shí)作為一種地理空間領(lǐng)域知識(shí),借鑒地理空間知識(shí)的建模方法可較好地支撐其應(yīng)用。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,地理空間知識(shí)的獲取與應(yīng)用也是目前地理信息科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。地理空間知識(shí)的建模與表示緊隨知識(shí)工程和計(jì)算語言學(xué)的發(fā)展,表現(xiàn)為從概念層次上的抽象表示到語言上的形式化表示。如錢海忠等(2006)和沙宗堯等(2003)采用產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)等對(duì)地理空間知識(shí)的建模表達(dá)與應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。近幾年本體及地理本體在地理空間知識(shí)表達(dá)中得到了應(yīng)用,如Brodaric(2007)利用OWL來描述地理信息科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí),李德仁等(2009)提出了時(shí)空模糊本體的概念,并實(shí)現(xiàn)了交通領(lǐng)域知識(shí)建模,黃茂軍等(2005)通過擴(kuò)展OWL原語來表示空間關(guān)系。Gahegan等(2006)、Zhao等(2009)和Yue等(2011)以本體為基礎(chǔ),分別研究了一種地理空間知識(shí)傳輸與應(yīng)用的框架和面向地理信息服務(wù)與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的地理信息處理方法。本文將沿著此思路,應(yīng)用地理本體技術(shù)研究地震應(yīng)急決策知識(shí)建模方法。
地震應(yīng)急處置過程中經(jīng)常需要用到不同專業(yè)、不同行業(yè)領(lǐng)域和不同區(qū)域的地震應(yīng)急管理專家和其他相關(guān)應(yīng)急處置人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及以前的典型地震應(yīng)急處置案例。地震應(yīng)急具有龐雜性、復(fù)雜性和部門間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,這些特性決定了對(duì)統(tǒng)一應(yīng)急事件、應(yīng)急過程等相關(guān)應(yīng)急對(duì)象表達(dá)方式的多樣性。這種多樣性表現(xiàn)為地震應(yīng)急中應(yīng)急現(xiàn)象表達(dá)的多語義性。對(duì)于同一個(gè)應(yīng)急對(duì)象,在現(xiàn)實(shí)世界中的幾何、物理等屬性一致,但卻可能對(duì)應(yīng)著多種語義,如地震應(yīng)急中的災(zāi)害信息,在有的部門可能表述為“死亡人數(shù)”,有的部門卻可能表述為“罹難人數(shù)”,有的部門又有可能表述為“死亡人口”。會(huì)產(chǎn)生同一應(yīng)急對(duì)象,不同部門存在不同的描述和理解。即有可能出現(xiàn)同詞不同義,或者同義不同詞的現(xiàn)象。
不同部門、行業(yè)、上級(jí)單位與下級(jí)單位,或不同的地震應(yīng)急指揮部門對(duì)同一應(yīng)急對(duì)象的不同表述便是地震應(yīng)急中的語義異構(gòu)性。這種語義異構(gòu)性會(huì)在地震應(yīng)急中造成一定的混亂,有時(shí)甚至?xí)诤艽蟪潭壬嫌绊懙卣饝?yīng)急工作的順利開展。尤其當(dāng)兩個(gè)地震應(yīng)急系統(tǒng)之間需要協(xié)同完成應(yīng)急指揮工作時(shí),不同應(yīng)急系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果難以共享。
地震應(yīng)急決策知識(shí)的應(yīng)用需要服務(wù)于不同部門的應(yīng)急指揮人員,同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮人員與計(jì)算機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)的互動(dòng)。因此對(duì)同一應(yīng)急對(duì)象的表述、應(yīng)急知識(shí)的表述不能存在這種語義歧義性。為消除地震應(yīng)急決策知識(shí)表達(dá)中的這種語義異構(gòu)性,將地理本體技術(shù)應(yīng)用于地震應(yīng)急決策知識(shí)的表達(dá),有利于實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)急知識(shí)表達(dá)的語義互操作,服務(wù)于地震應(yīng)急決策知識(shí)的重用與共享。
從知識(shí)的建模過程看,復(fù)雜知識(shí)的建模都是由基本的知識(shí)粒度開始,如基本事實(shí)、基本假設(shè)等。Gahegan等(2006)闡述了地理空間知識(shí)表達(dá)的11種“知識(shí)原料(knowledge ingredients)”,本文結(jié)合地震應(yīng)急決策知識(shí)建模需要對(duì)“知識(shí)原料”改裝,提出了服務(wù)于地震應(yīng)急決策知識(shí)的建模原語,如圖1所示。該建模原語以地理本體為基礎(chǔ),包括抽象地理建模原語、地理建模原語和地震應(yīng)急領(lǐng)域原語。以Thing為所有本體的父類,如果需要實(shí)現(xiàn)特殊的應(yīng)急功能,也可以應(yīng)急領(lǐng)域中常用的ABC或SUMO等上位本體為父類。抽象地理建模原語由地理項(xiàng)和空間關(guān)系組成。二者為抽象類,并不能直接實(shí)現(xiàn),為地理建模原語提供統(tǒng)一的接口。將地理建模原語除了作為父類派生,產(chǎn)生了地震應(yīng)急領(lǐng)域建模原語。地震應(yīng)急預(yù)案是震后地震應(yīng)急的關(guān)鍵,通過分析地震預(yù)案結(jié)構(gòu),以及震后地震應(yīng)急主要工作內(nèi)容,同時(shí)考慮地震應(yīng)急領(lǐng)域?qū)<业慕ㄗh,將應(yīng)急事件、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)急處置對(duì)策和應(yīng)急事件關(guān)聯(lián)作為地震應(yīng)急領(lǐng)域的建模原語。模型中的地理建模原語和地震應(yīng)急領(lǐng)域原語共同組成了地震應(yīng)急決策知識(shí)的“基本原料”,為其建模奠定了基礎(chǔ)。
圖1 地震應(yīng)急決策知識(shí)建模原語Fig.1 Modeling primitives of earthquake emergency knowledge.
以震級(jí)-烈度衰減關(guān)系為例說明圖1所示框架的應(yīng)用,為表達(dá)震級(jí)-烈度衰減關(guān)系,需要用到主要建模單元,包括地震事件、烈度影響場(chǎng)、震級(jí)烈度關(guān)系。其中地震事件和烈度影響場(chǎng)的建模均基于“應(yīng)急事件”建模原語。地震事件建模需要包含的主要信息為地震三要素(震級(jí)、震中位置、發(fā)震時(shí)間),這三要素都可以理解為一種地理變量,由于應(yīng)急事件派生自地理單元項(xiàng)(地理變量),因而可實(shí)現(xiàn)三要素的表達(dá)。烈度影響場(chǎng)的繪制,通常會(huì)用到GIS中的拓?fù)洳僮?以橢圓形衰減模型為例,會(huì)用到拓?fù)錅p操作),這種操作是一種地理空間關(guān)系,而地理空間關(guān)系是地震應(yīng)急領(lǐng)域原語的基類之一。震級(jí)烈度關(guān)系的建模表達(dá)基于“應(yīng)急事件關(guān)聯(lián)”建模原語。震級(jí)與烈度間的關(guān)系可用地理函數(shù)和地理變量共同表達(dá),其中地理函數(shù)和地理變量作為地理單元項(xiàng)是地震應(yīng)急領(lǐng)域原語的基類。
基于建模原語,參考徐敬海等(2013)中論述的地震應(yīng)急決策知識(shí)分類框架,從地震應(yīng)急決策知識(shí)組成的角度,本文設(shè)計(jì)了地震應(yīng)急決策知識(shí)框架模型,如圖2所示。該框架包括基本地震應(yīng)急決策知識(shí)層、規(guī)則地震應(yīng)急決策知識(shí)層和過程地震應(yīng)急決策知識(shí)層。在這由低到高的3個(gè)層次中,知識(shí)的粒度不斷變大,也逐漸由靜態(tài)的描述性知識(shí)過渡到動(dòng)態(tài)知識(shí)。
基本地震應(yīng)急決策知識(shí)層是粒度最小的地震應(yīng)急知識(shí),表現(xiàn)為地震應(yīng)急決策中的概念、公理、元知識(shí)等,如應(yīng)急基本術(shù)語和信息便是此類知識(shí)。地震應(yīng)急中的元知識(shí)也位于此層中,通常元知識(shí)可以告訴應(yīng)急系統(tǒng)如何正確地使用其他類型的地震應(yīng)急決策知識(shí)。如對(duì)于震后建筑物震害預(yù)測(cè)模型的使用前提和震后人員傷亡模型使用的注意事項(xiàng)等描述信息所形成的一種知識(shí)。基本地震應(yīng)急決策知識(shí)層,是整個(gè)地震應(yīng)急決策知識(shí)體系中粒度最小的知識(shí),其建模可以直接用圖1中的地理建模原語和地震應(yīng)急領(lǐng)域原語實(shí)現(xiàn),本文將不再對(duì)其做進(jìn)一步介紹。同時(shí)該層知識(shí)還為知識(shí)體系中其他知識(shí)的建模提供了基礎(chǔ)。
圖2 地震應(yīng)急決策知識(shí)框架模型Fig.2 Concept frame model of earthquake emergency knowledge.
規(guī)則地震應(yīng)急決策知識(shí)層是由規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)組成,表現(xiàn)為一個(gè)或者多個(gè)相關(guān)規(guī)則集的組合。常用邏輯關(guān)系可描述為:IF<前提條件>THEN<結(jié)果>。前提條件可以是單一的前提條件也可以是由復(fù)合條件組成。
過程地震應(yīng)急決策知識(shí)層由各種過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)組成。過程性知識(shí)是描述某個(gè)應(yīng)急事件的過程,計(jì)算機(jī)或人可以按照此過程執(zhí)行。過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)一般按照應(yīng)急問題求解過程組織知識(shí),強(qiáng)調(diào)具體應(yīng)急問題的求解步驟。除了強(qiáng)調(diào)求解步驟的表達(dá),同時(shí)還需要注意表達(dá)每個(gè)步驟的使用條件,因此過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)需用到規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)和基本地震應(yīng)急決策知識(shí)。
下面將重點(diǎn)介紹其中過程性和規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)基于原語的建模實(shí)現(xiàn)。
規(guī)則是知識(shí)的一種重要的表達(dá)方式,在各種規(guī)則知識(shí)表達(dá)中,產(chǎn)生式規(guī)則是目前應(yīng)用最廣泛的規(guī)則表達(dá)方法之一,也是其他規(guī)則知識(shí)表達(dá)的基礎(chǔ)。本文所論述的規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí),也是通過應(yīng)用產(chǎn)生式規(guī)則而實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生式規(guī)則的基本結(jié)構(gòu)包括前提和結(jié)論兩部分:前提(IF部分)描述狀態(tài),結(jié)論(THEN部分)描述在狀態(tài)存在的條件下所做的某些動(dòng)作。實(shí)際使用中,規(guī)則常常跟變量結(jié)合在一起,使得規(guī)則更加通用,同時(shí)還能減少所需的規(guī)則數(shù)量并提高規(guī)則庫的可管理性和可定制性。為此本文基于參數(shù)化規(guī)則設(shè)計(jì)了規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)模型,如圖3所示。
規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)由多條地震應(yīng)急規(guī)則組成,其中每條地震應(yīng)急規(guī)則由規(guī)則前提和規(guī)則動(dòng)作組成。規(guī)則前提在模型中表現(xiàn)為規(guī)則條件或(和)規(guī)則變量。規(guī)則條件由一個(gè)或多個(gè)原子地震應(yīng)急事實(shí)組成,在形式上可表現(xiàn)為一個(gè)具體陳述。而規(guī)則變量通常通過該布爾表達(dá)式與應(yīng)急變量的值進(jìn)行匹配得到,這個(gè)過程也稱為綁定。規(guī)則動(dòng)作是定義行為的一些表達(dá)式,這些表達(dá)式根據(jù)前提條件執(zhí)行。總體上所有的規(guī)則知識(shí)模型單元都可以通過圖1中的建模原語來進(jìn)行構(gòu)造。
過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)給出一些地震應(yīng)急的客觀規(guī)律,告訴怎么做,此類知識(shí)的表示就是求解過程,通常知識(shí)表示與推理相結(jié)合,是對(duì)地震應(yīng)急決策知識(shí)的動(dòng)態(tài)描述??傮w上過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)沒有固定的表示形式,如何描述知識(shí)取決于具體應(yīng)急決策中的問題。如程序便是一種常見的過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)描述形式,該方法可提高知識(shí)應(yīng)用的效率,但在添加新知識(shí)和擴(kuò)充新的功能時(shí)存在一定的困難。
考慮到過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)內(nèi)容與特點(diǎn),借用工作流的基本原理表示過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)。工作流概念起源于生產(chǎn)組織和辦公自動(dòng)化領(lǐng)域,是針對(duì)日常工作中具有固定程序活動(dòng)而提出的一個(gè)概念,目的是通過將工作分解成定義良好的任務(wù)或角色,按照一定的規(guī)則和過程來執(zhí)行這些任務(wù)并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控,達(dá)到提高工作效率的目的。借鑒工作流概念,過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)模型如圖4所示。
圖3 規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)模型Fig.3 Modeling of the rule knowledge.
圖4 過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)模型Fig.4 Modeling of the procedural knowledge.
此模型中過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)由3類結(jié)點(diǎn)構(gòu)成:工作結(jié)點(diǎn)、控制結(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)。其中工作結(jié)點(diǎn)是過程性知識(shí)的操作,由各種基本知識(shí)組成,控制結(jié)點(diǎn)由規(guī)則性知識(shí)組成,數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)保存了過程知識(shí)運(yùn)行中用到的各種數(shù)據(jù)。三者相互聯(lián)系,共同作用構(gòu)成了過程性知識(shí)。
選擇蘇州市基礎(chǔ)地理信息,應(yīng)用應(yīng)急決策知識(shí)建設(shè)了城市智能地震應(yīng)急輔助決策系統(tǒng),系統(tǒng)使用了目前常見的易于建模的多種地震應(yīng)急決策知識(shí),如:震級(jí)-烈度衰減知識(shí)、建筑物震害預(yù)估知識(shí)、人員傷亡預(yù)估知識(shí)和多種地震次生災(zāi)害預(yù)估知識(shí)等?,F(xiàn)選取地震應(yīng)急中常用的建筑物震害預(yù)估知識(shí),介紹知識(shí)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)過程。此知識(shí)是地震應(yīng)急中常用的,通常通過程序模塊直接實(shí)現(xiàn)。但這種實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用方法,常常依賴于特定的程序模塊,不利于知識(shí)的共享與應(yīng)用。如對(duì)其中部分內(nèi)容的調(diào)整會(huì)引起整個(gè)程序模塊的修改。采用文中的應(yīng)急知識(shí)模型,可將該知識(shí)單獨(dú)建模表達(dá),獨(dú)立于特定的知識(shí)實(shí)現(xiàn)程序模塊,便于該知識(shí)的使用與共享,如知識(shí)的修改。根據(jù)文中的分析可認(rèn)為建筑物震害預(yù)測(cè)知識(shí)是一種過程性地震應(yīng)急決策知識(shí),其建模過程中基本知識(shí)和規(guī)則知識(shí)均會(huì)用到。
其基本原理為:在已知地震影響場(chǎng)的情況下,根據(jù)震前的震害評(píng)估矩陣,計(jì)算震時(shí)可能造成的建筑物損失。如圖5所示,假定某一地區(qū)由4個(gè)區(qū)ABCD組成,其中地震影響場(chǎng)為IF,現(xiàn)僅以計(jì)算A區(qū)中磚混結(jié)構(gòu)“輕微破壞”震害為例,其計(jì)算原理如圖6所示。
圖5 震害預(yù)估示例區(qū)Fig.5 Illustration district of disaster evaluation.
圖6 震害預(yù)估原理Fig.6 Principle of disaster evaluation.
為實(shí)現(xiàn)該知識(shí)的應(yīng)用,首先采用Protégé建模表達(dá)此知識(shí),如圖7所示。其中Thing為所有本體的超類,通過派生產(chǎn)生地理單元項(xiàng)及應(yīng)急領(lǐng)域基本原語。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的基礎(chǔ)性知識(shí)包括地震影響場(chǎng)、震害矩陣等。規(guī)則性知識(shí)采用SWRL語言描述如圖7中最右邊的窗口,過程性知識(shí)由工作結(jié)點(diǎn)、控制結(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)等構(gòu)成。其中有些類既是基本知識(shí),也是過程知識(shí)組成部分,如地震影響場(chǎng)既是數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中的輸入數(shù)據(jù),也是基礎(chǔ)性知識(shí),是同等類(equivalent class)的關(guān)系。震級(jí)烈度衰減關(guān)系以“應(yīng)急事件關(guān)聯(lián)”為基類,實(shí)現(xiàn)了地震災(zāi)害發(fā)生應(yīng)急事件與災(zāi)情評(píng)估應(yīng)急事件之間的關(guān)聯(lián)。
通過Protégé實(shí)現(xiàn)該知識(shí)的建模描述,可表達(dá)其中各知識(shí)組成單元的邏輯關(guān)系,為其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。但知識(shí)中包含大量的空間操作、數(shù)據(jù)操作等知識(shí)單元,Protégé并不能直接實(shí)現(xiàn)。因此本文采用Jena解析protégé知識(shí)文件提取其中相關(guān)的本體類,Jena是一個(gè)Java包,Java語言功能強(qiáng)大,可以為知識(shí)中各種類的操作提供支持。然后對(duì)于知識(shí)中描述的各種空間操作,采用ArcGIS ArcEngine實(shí)現(xiàn),Java能較好地與ArcEngine融合,從而能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的應(yīng)用,其中建筑物震害預(yù)估知識(shí)應(yīng)用結(jié)果如圖8所示。采用Protégé實(shí)現(xiàn)建筑物震害預(yù)測(cè)知識(shí)的建模表達(dá),可以實(shí)現(xiàn)該知識(shí)建模與知識(shí)應(yīng)用程序模塊的獨(dú)立,便于知識(shí)的共享與使用。
圖7 建筑物震害預(yù)估知識(shí)地理本體建模Fig.7 Geo-ontology modeling of building disaster evaluation knowledge.
圖8 城市智能地震應(yīng)急決策系統(tǒng)界面Fig.8 Interface of city intelligent earthquake disaster emergency decision-making assisting system.
如何增強(qiáng)地震應(yīng)急的智能性是目前地震減災(zāi)研究中的關(guān)鍵問題之一,地震應(yīng)急決策知識(shí)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用為此問題的解決提供了一種思路。本文從地理空間知識(shí)的角度,分析了地震應(yīng)急知識(shí)建模中的語義互操作需求,為滿足這種需求提出了基于地理本體的建模原語。該建模原語由抽象地理建模原語、地理建模原語和地震應(yīng)急領(lǐng)域原語組成。接著提出了地震應(yīng)急決策知識(shí)的框架模型,從建模的角度將地震應(yīng)急決策知識(shí)分為基本地震應(yīng)急決策知識(shí)層、規(guī)則性地震應(yīng)急決策知識(shí)層和過程性地震應(yīng)急決策知識(shí)層。通過應(yīng)用建模原語,分別實(shí)現(xiàn)了不同層地震應(yīng)急決策知識(shí)的建模。最后結(jié)合蘇州市基礎(chǔ)地理信息,開發(fā)了城市智能地震應(yīng)急輔助決策系統(tǒng),通過該系統(tǒng)初步展示了地震應(yīng)急決策知識(shí)模型的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。從而探索了地震應(yīng)急決策知識(shí)應(yīng)用與智能地震應(yīng)急的實(shí)現(xiàn)方法,也為地理空間知識(shí)的建模與應(yīng)用提供了參考。未來將進(jìn)一步對(duì)更多地震應(yīng)急決策知識(shí)開展深入實(shí)驗(yàn)研究,并進(jìn)一步豐富地震應(yīng)急決策知識(shí)的內(nèi)容與內(nèi)涵,深入探索地震應(yīng)急決策知識(shí)應(yīng)用與服務(wù)方法,提高地震應(yīng)急決策知識(shí)模型的應(yīng)用深度和覆蓋面。