基于情景和本体的非常规突发事件建模
王肃，杜军平，高田
(北京邮电大学 计算机学院 智能通信软件与多媒体北京市重点实验室，北京，100876)
摘要：非常规突发事件具有突然爆发、难以预料的特点，传统的基于数据模型的突发事件处理系统对没有定义和不可预料的情况难以做出迅速反应。提出了情景-本体-局部数据模式三层映射模型，该模型能灵活地建立情景集合来描述新生突发事件，关联情景和事实数据，有效地应对突发事件。使用情景分析方法，结合多Agent技术，设计和实现了针对非常规突发事件建模的多Agent系统。
关键词：情景；本体；非常规突发事件；多Agent
中图分类号：TP311 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-0835-06
Unconventional emergency modeling based on scenario and ontology
WANG Su, DU Jun-ping, GAO Tian
(Beijing Key Laboratory of Intelligent Telecommunication Software and Multimedia,
School of Computer Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
Abstract: With the characteristics of sudden outbreak and inadequate precursors of unconventional emergency, the traditional emergency disposal systems based on data model can hardly reponse to the undefined and unexpected situation quickly. The three layers model of scenario-ontology-data schema mapping was proposed. By using the mapping model, the scenarioe sets can be built agilely to describe the new unconventional emergency type, the scenarioes and factual event data are linked and the unconventional emergencies will be reponsed and disposed effectively. And the method of scenario-based analysis, combined with multi-agent technology, was used to design and implement the multi-agent system of unconventional emergency modeling.
Key words: scenario; ontology; unconventional emergency; multi-Agent
非常规突发事件具有前兆缺失、发生和演变机理复杂、直接以及次生衍生危害严重等特点[1-2]，很难进行事先预防，因此，需要创新的应急管理思想。非常规突发事件的应急管理是“情景依赖型”的[3]，经济结构、社会体制、历史文化等所构成的“情景”都会影响应急管理决策的制订和执行。因此，对非常规突发事件的应急管理正在发生从“预测-应对”到“情景-应对”的重大演变[4]。
王飞跃等[5-6]在“情景-应对”研究中介绍了平行应急管理系统，通过实际与虚拟、计算机与人工的结合，对各种各样的情景进行同时预警，相当于一个仿真系统。刘铁民等[7-8]认为，“情景-应对”就是在对以往事件发生以及运行规律的认识和收敛的基础上，形成和制定相应的应对措施。另一种说法就是如何运用分散的积木、拼图(即应急准备的要素)搭建情景的过程。LI等[9]评估了处理非常规突发事件不同的方法，如模糊数学、统计分析、3S(RS, GPS, GIS)与情景分析的优缺点，认为情景分析的优点是适合表现复杂和多样的事件，精确性较高。
目前，在基于情景分析、突发事件应急处理与决策方面的研究有很多有益的探索和成果[10-11]。但是，目前的非常规突发事件建模和应急系统存在一些局限性：使用面向对象的方法构建的系统一旦成型，就很难处理没有预先定义的情况；动态仿真与计算平台可以很好地重建场景，但是智能性较弱；使用以往案例数据建立的数学模型处理未知的情景，存在不适用性。如何将情景建立应用到事件建模和应急处理还缺少具体的实现。Li等[9]认为使用情景分析方法，很难将以往的情景去匹配特定的非常规突发事件。本文提出并建立情景-本体-数据模式三层映射模型，能灵活地建立情景集合来描述新生突发事件，处理突发事件中的未知情况和未有先例的情况，更有效地应对突发事件。以旅游突发事件处理规定为例建立本体，验证了映射模型的有效性，最后叙述通过情景分析方法来设计和实现系统的阶段和过程。
1 系统概述
当非常规突发事件发生时，立刻要做的是应急处理，要求迅速建立事件的情景集合，用来指导和指挥应急行动。由于非常规突发事件的特性，以往的情景集合和经验知识可能无法完全适用于当前的情况，需要人工参与来建立针对特殊事件情况的情景集合。情景集合的建立需要专家经验，而专家决策的依据来自事件信息源的数据，这部分工作通常由数据分析人员来完成，两者之间必须相互关联。专家和数据分析人员的分工不同，但是都需要了解对方的知识和技能才能确保数据得到正确的利用。在现实当中可能无法满足这个条件，并且由于知识认知的不一致性增加出错的可能性。使用本体作为情景和数据的相互映射的中介，可以有效地解决两类工作人员的工作领域耦合问题。建模系统可以为单个特定的非常规突发事件建模，也可以作为非常规突发事件应急平台的一部分，与其他子系统结合使用。
2 情景-本体-数据模式映射模型
目前尚没有形成具有共识的情景定义[12]。本文中的情景可以用一个七元组来表示Scenario=áTrigger, Descriptor, Actor, Input, Action, OutputData, Exception- Scenario?。其中：Trigger是指情景启动的触发条件；Descriptor是对情景的简要语言描述；Actor是情景中涉及到的参与人员；Input是从外界环境得到的数据或者条件，随着外界环境发生变化而改变；Action是情景启动后执行的行为集合；OutputData是情景行为执行过程中产生的数据；ExceptionScenario是发生异常情况时的替代情景。图1所示为基于情景和本体的非常规突发事件的建模。
图1 基于情景和本体的非常规突发事件建模
Fig.1 Model of unconventional emergency based on scenario and ontology
建模系统中采用了情景-本体-数据模式三层映射的方式，是希望能够方便地对情景中的元数据进行操作(即CURD行为)。通过本体将知识专家和数据分析员工作解耦，专家可以用符合规范的近似自然语言来描述情景元数据，并将术语映射到本体概念。当实时数据到达时，数据分析员将数据对象映射到本体就可以触发情景，执行行为，两者都不需要去了解对方的专业知识。以《北京市旅游突发事件报告制度规 定》[13]中的部分内容建立情景。Descriptor中包含了术语。术语是能够描述和定义特定领域的相关概念的词语集合，术语与领域知识密切相关。
情景描述：发生较大旅游突发事件的单位应当立即报告所在地区县旅游局和市旅游局， 并根据事故处置情况及时续报。较大旅游突发事件指一次突发事件造成旅游者5～9人重伤或1～4死亡的，或一次造成20～49人严重食物中毒或有1～4人死亡的，或经济损失在10万元以上100万元以下的。
旅游类非常规突发事件本体包括此类突发事件涉及的各个方面，如突发事件的分类与定性、阶段分析、相关法律、应急管理、预警预报和风险评估等[14]。依据非常规突发事件专家知识库或者特定的事件情景集合建立的本体描述了当前情景中共有和通用的概念与子概念、概念所含的属性与概念间的关系。图2所示模型展示了和案例情景相关的部分本体。
图2 情景-本体-数据模式映射模型
Fig.2 Scenario-ontology-data schema mapping model
数据模式扩展自实体-关系模型，将数据对象和现实世界关联起来，使语义显性化，用来表示来自不同信息源的语义数据模式。数据可以来自数据仓库或不同的信息源。当某个情景被加入到情景库时，情景术语能够被辨别出来并映射到本体中的相应概念；当有信息来自信息源时，使用语义方法获取其中的数据并存储在与数据模式相关的数据库中，同时将数据模式映射到本体，这样就实现了情景和现实数据的关联。根据输入数据和触发条件，启动相应的情景，执行行为列表来处理事件或转换到其他情景。信息源提供的信息和数据会存储到数据模式中关联的数据库中，数据模式映射到本体后，本体利用和情景的映射，匹配与输入数据和触发条件相符的情景并予以启动。
情景元数据中的数据可以是动态的，可以被修改以适应需要。情景本身也可以被添加、修改和删除。修改后的情景可能需要重新映射到本体。情景的建立必须进行一致性检查，确保一个情景中的数据之间不能出现相互冲突或者不符合逻辑判断的情况，不同情景之间的数据和逻辑判断也不能相互矛盾。因此，建议至少在建立情景库和专家知识库初期，知识专家必须参与进来，系统地建立情景库和专家知识库，保证知识的正确性和权威性。类似地，数据模式也是可变的，但系统希望数据模型相对稳定，因为对于有改动的数据模式，每次变动都需要将其重新映射到本体。来自异构的实时信息源提供的数据结构可能随时不同，如果变化很频繁，就需要使用数据模式归一化方法将不同的数据模式统一到通用的数据模式。
3 与现实的接口
当情景被触发启动，情景中的行为依序执行。为使情景行为具有一定的智能性，可以根据输入数据的改变而执行适当的行为或转换情景，需要使用情景分析的方法[15-16]，结合多Agent技术[17]来设计和研发系统。
情景是对系统运行情况的一个模拟，使用情景技术可以帮助理解待建系统执行的情况，促进对待建系统领域的理解；在建立系统之前可以通过描述待建系统的情景来分析系统的外部行为特征，发现与系统相关的执行者及其之间的关系，分析这些执行者对系统的期望和需求，从中提取出系统的实现目标，从而得到系统的功能性需求和非功能性需求。情景这种模拟系统运行的技术能够增进系统分析人员和实际用户或者系统相关参与者对系统的理解，有利于相互之间的交流。系统的设计和实现过程分为3个阶段：系统规范、框架设计和详细设计。系统规范阶段的目标是根据需求建立情景集合，确定系统和外界数据和消息交互，明确系统的基本功能。系统规范阶段如图3所示。
框架设计阶段要确定Agent的类型，得出系统的总体架构，确定Agent之间的信息交互和通信协议。框架设计阶段如图4所示。
详细设计阶段工作是明确Agent内部的行为执行流程和产生的数据结构，将情景逐步分析和细化。详细设计阶段如图5所示。
图3 基于情景建模的多Agent系统的系统规范阶段
Fig.3 System specification of multi-agent system of scenario-based modeling
图4 基于情景建模的多Agent系统的框架设计阶段
Fig.4 Architectural design of multi-agent system of scenario-based modeling
图5 基于情景建模的多Agent系统的详细设计阶段
Fig.5 Detailed design of multi-agent system of scenario-based modeling
系统设计与实现是一个迭代的过程，第三阶段结束后要对当前的系统架构进行检查验证，评估系统的完整性和一致性。所谓完整性是指模型中包含所有系统相关的执行者，执行者对系统的目标都已分析出来，执行者之间的关系没有被遗漏。所谓一致性是指这些执行者对系统的期望和目标没有冲突和不一致。如果在检查过程中发现有缺陷或错误，在下一次迭代进行改进，直至得到满足完整性和一致性的系统为止。
4 结论
提出了情景-本体-数据模式三层映射方法。情景的定义和数据映射比较灵活，增强了系统的适应性和实时性，有利于专家和数据分析员的分工协作。使用情景分析方法结合多Agent技术实现了非常规突发事件建模系统。其中三层映射模型和情景分析方法的应用具有一定的普遍性，不仅限于描述和处理非常规突发事件，可以根据其他领域情景的进行改进以适应新的应用。目前三层映射方法的局限性在于情景中的术语和数据模式发生变化时还需要人工参与将它们重新映射到本体，这增加了工作量和出错概率。将来可以采用自然语言理解技术来实现三层之间的自动映射。另外，基于情景分析的设计方法有必要与面向Agent的编程方法进一步结合以实现更加灵活和智能的 系统。
参考文献：
[1] 薛澜, 钟开斌. 突发公共事件分类、分级与分期:应激体制的管理基础[J]. 中国行政管理, 2005(2): 102-107.
XUE Lan, ZHONG Kai-bin. Classification of types, levels and stages for emergencies: Managerial foundation of government emergency response system[J]. Chinese Public Administration, 2005(2): 102-107.
[2] 秦启文, 等. 突发事件的管理与应对[M]. 北京：新华出版社, 2004.
QIN Qi-wen, et al. Management and response[M]. Beijing: Xinhua Press, 2004.
[3] CAO Jie, YANG Xiao-guang, WANG Shou-yang. Key scientific problems in public emergency management[J]. Journal of Public Management, 2007, 4(2): 84-95.
[4] HAN Zhi-yong, WENG Wen-guo, YANG Lie-xu, et al. Study on unconverntional emergencies management[J]. Backgrounds, Targets, and Organization of the Major Research Plan, 2009(4): 215-22.
[5] 王飞跃, 邱晓刚, 曾大军, 等. 平行系统的非常规突发事件计算实验平台研究[J]. 复杂系统与复杂性科学, 2010, 7(4): 1-9.
WANG Fei-yue, QIU Xiao-gang, ZENG Da-jun, et al. A computational experimental platform for emergency response based on parallel systems[J]. Complex Systems and Complexity Science, 2010, 7(4): 1-9.
[6] 王飞跃. 平行应急管理系统PeMS 的体系框架及其应用研究[J]. 中国应急管理, 2007(12): 22-28.
WANG Fei-yue. Research on architecture and application of the parallel emergency system PeMS[J]. China Emergency Management, 2007(12): 22-28.
[7] 刘铁民. 重大事故性质与规律认识[J]. 中国应急管理, 2007, 1(9): 18-21.
LIU Tie-min. Understanding of Nature and low of major accidents[J]. China Emergency Management, 2007, 1(9): 18-21.
[8] 李湖生, 刘铁民. 突发事件应急准备体系的研究进展及关键科学问题[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(6): 5-10.
LI Hu-sheng, LIU Tie-min. The research progresses and key scientific problems on emergency preparedness system[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2009, 5(6): 5-10.
[9] LI Shuang, LIU Liang, XIAO Wen, et al. Emergency management and management sciences (ICEMMS)[C]//2010 IEEE International Conference on Digital Object Identifier. 2010: 326-329.
[10] Guo D, Ren B, Wang C. Integrated agent-based modeling with GIS for large scale emergency simulation[J]. Advances in Computation and Intelligence, 2008, 5370: 618-625.
[11] Shibuya S. A multi-agent based modeling of dynamical human behavior in indoor emergency situation[C]//Proceedings of the Iasted International Conference on Modelling and Simulation, 2003: 413-418.
[12] 李仕明, 刘娟娟, 王博, 等. 基于情景的非常规突发事件应急管理研究.2009突发事件应急管理论坛.电子科技大学学报: 社会科学版, 2010, 12(1): 1-3, 14.
LI Shi-ming, LIU Juan-juan, WANG Bo, et al. Unconventional incident management research based on scenarios—“The First International Forum on Incident Management” (IFIM09) Overview[J]. Journal of UESTC: Social Sciences Edition, 2010, 12(1): 1-3, 14.
[13] 北京市旅游局关于印发《北京市旅游突发事件报告制度规定》的通知. 京旅发, 2009: 4.
Notice of Beijing Tourism Administration about Issue of “Provision of Beijing Tourism Emergencies Reporting System”. 2009: 4.
[14] 牛文元. 国家突发公共事件应急管理中的科学问题[J].中国应急管理, 2007(3): 35-38.
NIU Wen-yuan. Scientific problems of national public emergencies management[J]. China Emergency Management, 2007(3): 35-38.
[15] Kei Kurakawa. A scenario-driven conceptual design information model and its formation[J]. Research in Engineering Design, 2004, 15: 122-137.
[16] Leite J, Hadad G, Doorn J. Scenario construction process[J]. Requirements Engineering, 2000, 5(1): 61.
[17] Moulin B, Brassard M. A scenario-based design method and environment for developing multi-agent systems[C]//Proc of the 1st Australian Workshop on DAI. 1996: 216-232.
(编辑 袁赛前)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(91024001, 61070142)；北京市自然科学基金资助项目(4111002)
通信作者：杜军平(1963-)，女，河北人，教授，从事智能信息处理研究；电话：13501233431；E-mail: junpingdu@126.com
