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288 基于地理本体的小区应急预案研究基于地理本体的小区应急预案研究 王王 芳，刘厚泉，孔德香芳，刘厚泉，孔德香 (中国矿业大学计算机科学与技术学院，徐州 221008) 摘摘 要：要：针对城市小区应急决策空间位置的复杂性，对基于地理本体的城市小区灾害应急预案进行研究。通过对地理空间拓扑关系具体分 类，将其以公理形式添加到网络本体语言建模原语中，为分析灾害发生地的空间特征与发生地之间的空间关系提供推理能力。实例证明， 该方法能有效提高决策的智能程度和效率。 关键词：关键词：地理本体；网络本体语言；小区灾害应急预案；决策 research of district emergency plan based on geographic ontology wang fang, liu hou-quan, kong de-xiang (school of computer science and technology, china university of mining and technology, xuzhou 221008) 【abstract】aiming at complexity of urban district decision-making space situation, this paper researches district disaster emergency plan based on geographic ontology. it provides reasoning ability for the analysis of spatial relationship between disaster location spatial features and disaster location by specifically classifying for geographical topological relationship, adding them into the web ontology language(owl) modeling primitives in the form of axiom. example proves that this method can raise the level of intelligence and efficiency of decision making. 【key words】geographic ontology; web ontology language(owl); district disaster emergency plan; decision-making 计计 算算 机机 工工 程程 computer engineering 第第36卷卷 第第12期期 vol.36 no.12 2010 年年 6 月月 june 2010 开发研究与设计技术开发研究与设计技术 文章编号：文章编号：10003428(2010)12028803文献标识码：文献标识码：a 中图分类号：中图分类号： tp393 1 概述概述 城市小区包含建筑、道路、通信、有线电视、热力、油气、 供水、供电等多种基础设施，具有很复杂的空间属性信息。 如果小区某处发生一起管道油气泄露事故，那么应急人员不 仅要对事故发生点进行抢修，还要防止油气对周围学校、居 民区等人员比较密集的场所造成伤害。事实上，因为小区设 施的空间复杂性、应急者知识的有限限制了决策者对上述问 题考虑的完善性。 现有基于本体的应急决策系统1-2很少将地 理事物的空间关系添加到本体概念中，降低了对地理空间特 征分析的能力。地理本体3具有复杂的位置关系、拓扑关系、 量度关系以及部分-整体关系， 除了要表示地理概念的属性特 征外，还要表示地理概念的空间特征，尤其是空间关系。因 此，将地理本体引入城市小区应急决策中是很有意义的。 本文以某管道公司针对石油管道可能发生的灾害研发出 的一套决策支持系统为研究背景，将地理本体引入应急决策 系统中，提出基于地理本体的小区应急预案。 2 城市小区地理本体建模城市小区地理本体建模 2.1 城市小区本体概念模型城市小区本体概念模型 城市小区本体概念模型如图1所示。 小区本体 形式化 小区知识 应用需求 目的 小区本体概念模型 概念 属性 实例 通信应急本体 电力系统 应急本体 非原子的地理 概念再进行分解 消防应急本体维修应急本体医疗应急本体 语义关系 空间关系 概念化 图图1 城市小区本体概念模型城市小区本体概念模型 城市小区本体建模是指根据特定目的和应用需求，非形 式化的灾害应急知识通过形式化方法明确地描述小区中的各 种概念及其关系、实例和公理等。从本体建模的整个过程看， 本体概念模型的建立是其中最重要组成部分，是根据应用目 的和需求，确定小区各个概念之间的关系以及建立描述小区 概念等级层次结构的分类树或者概念格的过程。城市小区地 理本体建模的具体步骤如下： (1)小区信息的概念化、形式化 通过对小区相关的文献、论著、调查研究报告和图集等 资料的搜集和整理，结合领域专家知识，获得有关小区的一 系列概念，包括泵、阀门、法兰等，对小区灾害的灾害特征 分类，如表1所示。 表表1 灾害特征分类灾害特征分类 名称 分类 灾害类型油气泄露与物料损失、油气火灾、油气污染、电力中断、电气火 灾、水泄露、污水污染、暖气泄露、供暖中断、信号中断 灾害起因油气管道爆裂、电系统故障、供排水系统故障、供暖故障、通信 设备故障 受损材料油气管道、供电设备、供排水设备、供暖设备、通信设备 灾害级别初级、一般、重大、特大 根据灾害应急的特点，本文将应急决策分为10种灾害 类型、5种应急内容。 灾害类型采用英文字母标识，见表2，应急内容采用5位 二进制数进行编码标识，见表3。 作者简介：作者简介：王 芳(1983)，女，硕士研究生，主研方向：语义网， 语义本体；刘厚泉，副教授；孔德香，工程师 收稿日期：收稿日期：2010-01-15 e-mail： 289 表表2 灾害类型灾害类型 灾害原因 灾害类型 灾害代号 油气泄露与物料损失 a1 油气火灾 a2 油气管道爆裂a 油气污染 a3 电力中断 b1 供电系统故障b 电气火灾 b2 水泄露 c1 供排水管道爆裂c 污水污染 c2 暖气泄露 d1 供暖管道爆裂d 供暖中断 d2 通信设备故障e 信号中断 e1 表表3 应急内容应急内容 应急内容 编码 维修应急 10000 消防应急 01000 通信应急 00100 医疗应急 00010 电力系统应急 00001 每一种灾害类型可能会对应很多应急内容。因此，采用 对应急种类编码取或的方式，得到每个灾害类型所需要的应 急内容编码，进行基于规则的推理。推理规则如下： 12 n ijn xy cccc=+? 其中， i x是第i种灾害类型的代号，i1,10；cj为第j种应 急内容，j1,5；n为第i种灾害类型所需要的应急内容数。 根据推理规则和初始的灾害类型，经过推理可得灾害类 型与应急内容对应规则，见表4。 表表4 灾害类型与应急内容的对应规则灾害类型与应急内容的对应规则 灾害类型代码 应急内容代码 a1 10000 a2 11110 a3 11000 b1 10001 b2 11111 c1 10000 c2 10000 d1 10000 d2 10000 e1 10100 当一种灾害类型出现时，系统可方便推理需要哪几种应 急内容，可增加系统智能性。 (2)小区地理概念的语义因子分解 对以上术语非原子的地理概念再进行分解，直至不可再 分为止。 (3)小区有关术语(概念)的关系分析 小区有关术语(概念)的关系主要包括： 1)语义关系 父概念/子概念关系(kind-of)：2个概念之间的从属或 上下关系，如阀门与总阀门、分阀门；管道与主管道、分管道。 整体/部分关系(part-of)：某个地理概念的对象由多个 其他概念的对象组合而成，如管道与法兰、泵与法兰等。 实例关系(instance-of)：表达概念和概念的实例之间的 关系，类似于面向对象中的类和对象之间的关系，如管道与 水管道、油管道；水管道与自来水管道、污水管道等。 属性关系(attribute-of)：表达某个概念是另外一个概念 的属性。如管道与使用年限、生产厂家、已用时间、使用情 况等。 2)空间关系：包括拓扑、方位和度量关系。 2.2 地理本体的空间关系分类地理本体的空间关系分类 空间特征是指物体的位置、形状和大小等几何特征，以 及与相邻物体的空间关系。因此，构建地理本体必须考虑空 间特征和复杂的位置关系、拓扑关系、量度关系以及部分- 整体关系，而不像一般本体主要考虑子类-父类这种继承关 系。文献4将2个区域的空间关系分为8种，如图2所示。 a b ab ab a b (a)a与b相离 (b)a与b相邻接 (c)a重叠于b (d)a相等于b (didjoint) (touch) (overlap) (equal) a b ba a b ba (e)a包含b (f)a包含于b (g)a覆盖b (h)a被b覆盖 (contains) (within) (cover) (coveredby) 图图2 8种常见空间关系种常见空间关系 图2中的8种空间关系可以用公理的形式通过一阶谓词 形式化表示： (a)int( , ):( , )( , ) (b)( , ):( , )( , )( , ) (c)( , ):( , )( , ) ( , )( , )( , ) (d)( , ): ( , disjox yz partof z xpartof z y touch x yo x yz ip z xip z y overlap x yo x ypartof x y partof y xip z xip z y equal x ypartof x = = = )( , ) (e)( , ):( , ) (f)( , ):( , ) (g)( , ):( , )( ( , )( , ) (h)( , ):( , )( ( , )( , ) ypartof y x contain x yip y x within x yip x y cover x ypartof y xz b z xo y z coverby x ypartof x yz b z yo x z = = = = 其中，( , )partof x y表示x是y的一部份；( , )o x y表示x和 y有重叠，即( , )( , )z partof z xpartof z y；( , )b x y表示x 是y的边界；( , )ip x y表示x是y的内部部分，即part ( , )( ( , )( , )of x yz b z yo x z 。 将这8种空间关系以公理的 形式添加到了网络本体语言(web ontology language, owl) 建模原语中，使地理本地的owl表示具有空间特征的支持。 如城市小区中水管与污水管之间存在地理位置上的重叠关 系，电线和水管之间存在相离关系，那么具有空间关系的本 体表示如下： 城市小区地理本体描述了应急决策中的基本知识，应急 预案将结合地理本体为决策者提供决策方案，其中包括预案 地点空间特征的推理。 3 应急预案中的应急预案中的owl描述及空间特征推理描述及空间特征推理 3.1 应急预案中的形式化表示应急预案中的形式化表示 预案5是针对未来某种情况的假设或“想定”条件预先 做出的决策方案，是生成决策方案的基础，可以支持辅助领 导者决策。下文对决策支持系统，提出一个通用的案例定义， 即一个案例可用多元组表示：, , ,ce s r m=(?x has touch ?z)； rule2:(?x has touch ?y),(?y has cover ?z)-(?x has touch ?z)； 将这2条规则放入jena推理机中，然后基于前面owl 代码相关联的文档进行推理，代码如下： model schema=modelloader.loadmodel(“file:data/geo.owl”); /将地理本体概念文件读入推理机 model data= modelloader.loadmodel(“file:data/cases.owl”); /把案例文件读入推理机 string rules=“rule1:(?x has touch ?y),(?y has contains ?z)-(?x has touch ?z)”+“rule2:(?x has touch ?y),(?y has cover ?z)-(?x has touch ?z)”; reasoner reasoner=new genericrulereasoner(rule.parserules (rules); /把规则加入到已有推理规则中 reasoner=reasoner.bindschema(schema); infmodel infmodel=modelfactory.createinmodel(reasoner,data); resource db=infmodel.getresource(“urn:x-hp:eg/db”); for(stmtiterator i=imfmodel.liststatements(null,null,db); i.hasnext();) statement stmt=i.nextstatement(); system.out.println(“-”+printutil.print(stmt); 得到如下的输出结果： -(eg:place_1 has touch place_3); -(eg:place_1 has touch place_4) (下转封三) 293 等值面，即可按照默认等级短时间内生成所需的等值面，并 附带图例，如图4所示。 图图4 等值面展示等值面展示 5 结束语结束语 实例结果表明，在webgis的系统应用中，第(1)种方法 绘制出等值面的时间在125 s左右(使用控件可以稍微提升效 率)， 第(2)种方法绘制出等值面的时间在6 s左右(不计算其服 务器端生成时间)，本文生成方法绘制出等值面的时间在15 s 左右。第(1)种方法的效率太低且实现复杂，第(2)种方法虽然 时间稍短，但占用服务器资源太大，产生大量冗余，且不容 易渲染，交互性差。本文生成方法摆脱了繁杂的代码编写， 节省大量的人力物力，极大地提高开发应用的效率，为在 webgis技术进行地理数据高级空间分析提供了可行的方法。 下一步研究方向为： 优化各种参数的设置(尤其是容差值的具 体配置)，提高web服务的稳定性和安全性。 参考文献参考文献 1 冯文钊, 彭立芹, 张 宏, 等. 基于.net 平台和 web service 方 式的 webgis 系统集成j. 计算机工程, 2004, 30(21): 64-66. 2 姚 燕, 朱 江, 薛 蕾. web gis 在气象通信信息系统中的应 用与研究j. 计算机工程, 2008, 34(10): 271-273. 3 esri中国社区s archiver. arcgis9.3新功能介绍z. (2008-08-15). /esri/archiver/tid-32763.html. 4 林雪淋. arcgis9.2的地理处理应用c/第7届arcgis暨erdas 中国用户大会论文集. 北京: 出版者不详, 2006. 5 蒋波涛. arcgis9.2 的地理处理(geoprocessing)框架介绍c/ 第 7 届 arcgis 暨 erdas 中国用户大会论文集. 北京: 出版者 不详, 2006. 6 李全杰. gridgis 实现技术研究d. 桂林: 桂林工学院, 2008. 7 兰小机, 王 剑. 基于 arcgis server 9.2 的 tasks 研究与应用j. 测绘科学, 2008, 33(6): 204-206. 8 霍其润. 基于 b/s 模式的雨量等值线算法的研究与实现d. 南京: 河海大学, 2003. 9 刘 俊, 李顺新, 陈建勋. 基于 mapx 组件的等雨量线生成算法 的研究j. 地理空间信息, 2005, 3(5): 14-16. 10 史杏荣, 俞能海, 张永谦. 基于组件对象技术的webgis研究j. 计算机工程, 2001, 27(6): 4-6. 11 许春杰, 邹乐君, 沈晓华. 基于web service的webgisj. 测绘 通报, 2003, (1): 41-43. 12 朱方洲, 左银龙. 基于 webservice 的分布式应用系统设计与实 现j. 电脑学习, 2003, (4): 11-12. 13 jeremy b. publishing and using a geoprocessing model within a map documenteb/ol. (2006-12-08). /dev/ blogs/arcgisserver/archive/tags/geoprocessing/default.aspx. 编辑 陆燕菲 (上接第290页) 通过上文分析，将自定义的规则加入到本体推理机中， 得到了理想的输出结果。在灾害应急中，可以依据需要构建 更复杂的规则库，以便分析灾害发生地的空间特征。 4 评价评价 本文以前面介绍的实际项目为实验平台来验证地理本体 在决策支持系统中的应用效果，系统中以地理本体表示城市 小区各相关知识。表5是系统运行后的统计信息。 表表5 系统运行后的统计信息系统运行后的统计信息 灾害 类型 预案 类型 位置 坐标 起因 风力 所需车辆数 人员 应急范围 油气 火灾 消防 应急 x=2.0 y=2.5 油气 自燃 二级 12 10 市第四中学、 市百货大楼 油气 污染 医疗 应急 x=3.2 y=1.5 管道 破裂 三级 13 15 市财校、铁路 小区、民乐园 油气 泄漏 抢修 应急 x=4.2 y=0.5 管道 破裂 三级 5 6