吳攀鑫， 劉鵬， 舒雅， 余錢坤， 丁恩杰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221008； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

隨著煤礦開采力度不斷加大，安全事故處于高發(fā)態(tài)勢(shì)，煤礦安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻[1-2]。煤礦安全的首要目標(biāo)是確保作業(yè)人員生命安全，通過(guò)有效技術(shù)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)人員的危險(xiǎn)操作，為作業(yè)人員提供安全預(yù)警已成為研究熱點(diǎn)。本體可提供一種統(tǒng)一、規(guī)范化的知識(shí)表示形式，解決數(shù)據(jù)集成中的異構(gòu)問題，提高信息互操作性，有效實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的共享與重用[3-6]。目前已有研究人員將本體應(yīng)用到煤礦領(lǐng)域，用來(lái)監(jiān)控煤礦生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)及時(shí)預(yù)警。藥慧婷[7]構(gòu)建了煤礦掘進(jìn)工作面本體模型，為掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)；張帝等[8]構(gòu)建了基于本體的煤礦底板突水預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)，有效實(shí)現(xiàn)了突水事故預(yù)測(cè)預(yù)防；景江波[9]以瓦斯事故為研究對(duì)象，構(gòu)建了基于時(shí)空約束的瓦斯事故本體，為瓦斯事故預(yù)警提供了支持與保障。但目前煤礦領(lǐng)域本體側(cè)重于對(duì)事故的預(yù)測(cè)，尚無(wú)針對(duì)煤礦作業(yè)人員操作安全性的本體研究。本文利用OWL(Web Ontology Language，本體語(yǔ)言)構(gòu)建煤礦主要工種本體，通過(guò)研究煤礦領(lǐng)域?qū)I(yè)文獻(xiàn)中的安全生產(chǎn)規(guī)定，基于Jena推理機(jī)自定義安全規(guī)則，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員操作安全性的推理，為人員安全提供智能化分析保障。

1 OWL和Jena推理機(jī)

1.1 OWL

OWL由XML(Extensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)和RDF(Resource Description Framework，資源描述框架)發(fā)展而來(lái)。OWL采用抽象的形式化語(yǔ)言定義各種實(shí)體、屬性及實(shí)體間的邏輯關(guān)系，具有結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)清晰、形式化強(qiáng)、機(jī)器可解釋性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在知識(shí)工程、信息檢索、智能問答等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[10]。

1.2 Jena推理機(jī)

Jena推理機(jī)是一個(gè)基于Java的語(yǔ)義網(wǎng)應(yīng)用框架，該框架中包含多種API，支持對(duì)RDF、RDFS(Resource Description Framework Schema，資源描述框架模式)、OWL等進(jìn)行查詢、推理等操作[11]。Jena推理機(jī)使用ModelFactory類將本體模型與推理機(jī)綁定，推理生成模型對(duì)象InfGraph，然后通過(guò)本體模型接口對(duì)其進(jìn)行查詢檢索[12]。Jena推理機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Jena推理機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Jena reasoner

2 基于OWL的煤礦主要工種本體構(gòu)建

本文在七步法[13]和IDEF-5法的基礎(chǔ)上構(gòu)建煤礦主要工種本體，流程如圖2所示，具體步驟如下。

圖2 本體構(gòu)建流程Fig.2 Flow of ontology construction

(1) 收集與分析領(lǐng)域本體概念。通過(guò)研究煤礦實(shí)際生產(chǎn)狀況，參考《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)、《煤礦安全技術(shù)操作規(guī)程匯編》等專業(yè)文獻(xiàn)，確定領(lǐng)域本體中涉及的概念。煤礦主要工種見表1。

(2) 確定本體框架，定義類和類的層次體系。構(gòu)建煤礦主要工種本體的目的在于及時(shí)判斷作業(yè)人員安全狀態(tài)，而作業(yè)人員安全與否與自身操作方法、設(shè)備故障和環(huán)境異常變化息息相關(guān)。為全面描述井下生產(chǎn)實(shí)況，本文以作業(yè)人員(OperatingPersonnel)、操作方法(OperatingMethod)、操作設(shè)備(Apparatus)、地點(diǎn)(Location)、環(huán)境(Environment)、事故(CoalMineAccident)和狀態(tài)(State)7個(gè)大類為基礎(chǔ)框架構(gòu)建煤礦主要工種本體，如圖3所示。在7個(gè)大類之下定義了很多子類，用來(lái)具體描述煤礦生產(chǎn)相關(guān)信息。部分子類中英文對(duì)照見表2。

(3) 定義類的屬性，實(shí)現(xiàn)類之間關(guān)于屬性的約束。煤礦主要工種本體中的概念之間存在復(fù)雜的語(yǔ)義關(guān)系，如作業(yè)人員采取某種操作、作業(yè)人員在某處作業(yè)、設(shè)備出現(xiàn)故障、工作面環(huán)境出現(xiàn)異常狀況等，可通過(guò)添加對(duì)象屬性的方式來(lái)表征概念之間復(fù)雜的語(yǔ)義關(guān)系。同時(shí)，煤礦領(lǐng)域涉及大量數(shù)據(jù)，如甲烷濃度、作業(yè)深度、溫度、壓力、運(yùn)行速度、電壓、持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)等，通過(guò)添加數(shù)據(jù)屬性的方式可準(zhǔn)確描述作業(yè)人員、設(shè)備和環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。本文通過(guò)研究煤礦領(lǐng)域?qū)I(yè)資料，抽象得到煤礦主要工種對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性，并添加到本體中實(shí)現(xiàn)類的約束。部分屬性中英文對(duì)照見表3。

表1 煤礦主要工種Table 1 Main types of work in coal mine

圖3 煤礦主要工種本體框架Fig.3 Ontology framework of main types of work in coal mine

中文英文采煤爆破工CoalMiningBlaster端頭支護(hù)工EndSupportWorker提升機(jī)司機(jī)HoistDriver主排水泵司機(jī)MainDrainageDriver通風(fēng)設(shè)施工VentilationFacilityWorker帶式輸送機(jī)BeltConveyor采煤機(jī)Shearer液壓支架HydraulicSupport轉(zhuǎn)載機(jī)Transloader瓦斯抽放泵GasDrainagePump主要通風(fēng)機(jī)MainVentilator盲巷BlindRoadway煤與瓦斯突出GasBurst

表3 部分屬性中英文對(duì)照Table 3 Partial property in both Chinese and English

(4) 創(chuàng)建類的實(shí)例，有效表征煤礦生產(chǎn)情境。如定義ZhangSan是采煤打眼工的一個(gè)實(shí)例，具有workIn WorkingPlace2，wear SafetyHelmet1，use DrillingTool1的屬性，WorkingPlace2是WorkingPlace的一個(gè)實(shí)例，SafetyHelmet1是SafetyHelmet的一個(gè)實(shí)例，DrillingTool1是DrillingTool的一個(gè)實(shí)例，且具有屬性(hasState)不合格(Unqualified)，實(shí)例可視化如圖4所示。這些實(shí)例表示的情境信息為采煤打眼工ZhangSan正在工作地WorkingPlace2工作，佩戴有安全帽SafetyHelmet1，使用著打眼工具DrillingTool1，且該打眼工具不合格。

圖4 實(shí)例可視化Fig.4 Instance visualization

(5) 本體評(píng)估。本文通過(guò)基于Tableaux算法的Pellet推理機(jī)對(duì)本體進(jìn)行語(yǔ)義一致性評(píng)估，該推理機(jī)不僅支持對(duì)OWL本體的推理，還包含許多與外部推理機(jī)連接的知識(shí)庫(kù)接口，支持更為強(qiáng)大的推理功能[14]。對(duì)本體進(jìn)行語(yǔ)義一致性評(píng)估，可確保本體的邏輯性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)本體的使用打下基礎(chǔ)。

3 基于Jena的安全規(guī)則推理

基于Jena推理機(jī)對(duì)煤礦主要工種本體進(jìn)行安全規(guī)則推理，保障井下作業(yè)人員安全。其主要步驟：① 在構(gòu)建的煤礦主要工種本體基礎(chǔ)上，參考《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)、《煤礦安全技術(shù)操作規(guī)程匯編》等專業(yè)文獻(xiàn)中的安全生產(chǎn)規(guī)定，采用Jena自定義規(guī)則語(yǔ)法制定安全規(guī)則。② 基于Jena API編寫基于煤礦主要工種本體的安全規(guī)則推理程序，導(dǎo)入自定義安全規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)人員安全狀態(tài)的推理。

3.1 自定義安全規(guī)則

通過(guò)研究《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)、《煤礦安全技術(shù)操作規(guī)程匯編》等文獻(xiàn)中的安全生產(chǎn)規(guī)定，為煤礦各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要工種自定義了500余條安全規(guī)則，部分安全規(guī)則見表4。

表4 部分安全規(guī)則Table 4 Partial safety rules

3.2 推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)

根據(jù)已構(gòu)建的煤礦主要工種本體和安全規(guī)則，采用Jena前向鏈推理引擎進(jìn)行推理，流程如圖5所示，主要步驟：① 由ModelFactory類創(chuàng)建空的本體模型，然后調(diào)用read()方法讀取煤礦主要工種本體。② 注冊(cè)推理機(jī)，并通過(guò)rulesFromURL導(dǎo)入安全規(guī)則。③ 利用推理機(jī)對(duì)煤礦主要工種本體進(jìn)行推理，解析得到推理后的本體模型，該本體模型包含原有本體的數(shù)據(jù)和推理后的隱性知識(shí)[16]。

圖5 推理流程Fig.5 Reasoning flow

4 實(shí)驗(yàn)分析

基于本體的推理是在本體實(shí)例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，本文以煤礦主要工種本體中的實(shí)例庫(kù)為數(shù)據(jù)集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)例庫(kù)中包括了煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的主要工種、設(shè)備和環(huán)境狀況等類的相關(guān)實(shí)例，類的實(shí)例之間通過(guò)對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)約束，規(guī)范地描述煤礦井下生產(chǎn)情境信息。在煤礦主要工種本體的基礎(chǔ)上，結(jié)合自定義安全規(guī)則，可實(shí)現(xiàn)對(duì)本體中作業(yè)人員實(shí)例安全狀態(tài)的有效推理。

本文設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)基于OWL的煤礦主要工種本體構(gòu)建及安全規(guī)則推理方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

(1) 實(shí)驗(yàn)1：采煤系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理(以Rule1為例)。在本體中添加一個(gè)采煤打眼工(CoalMiningDriller)實(shí)例Lee，其具有的屬性是workIn Place1和takeOperation WetTypeDrilling1，Place1是工作地點(diǎn)(WorkingPlace)的一個(gè)實(shí)例，WetTypeDrilling1是濕式打眼(WetTypeDrilling)的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)Rule1對(duì)該本體表達(dá)的生產(chǎn)情境進(jìn)行推理，得到Lee是安全的。采煤系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理過(guò)程的OWL描述如圖6所示。

圖6 采煤系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理Fig.6 Safety state reasoning of personnel in coal mining system

實(shí)驗(yàn)2：掘進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理(以Rule2為例)。在本體中添加一個(gè)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)(RoadheaderDriver)實(shí)例Wang，其具有的屬性是workIn Place2，Place2是工作地點(diǎn)(WorkingPlace)的一個(gè)實(shí)例，Place2具有的屬性是hasEnvironment RoofCaving1，RoofCaving1是冒頂(RoofCaving)的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)Rule2對(duì)該本體表達(dá)的生產(chǎn)情境進(jìn)行推理，得到Wang處于危險(xiǎn)狀態(tài)，需及時(shí)進(jìn)行處理。掘進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理過(guò)程的OWL描述如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)人員安全狀態(tài)推理Fig.7 Safety state reasoning of personnel in roadway heading system

實(shí)驗(yàn)3：機(jī)電運(yùn)輸作業(yè)人員安全狀態(tài)推理(以Rule3為例)。在本體中添加一個(gè)機(jī)車司機(jī)(LocomotiveDriver)實(shí)例Zhang，其具有的屬性是workIn Place3和takeOperation RunningRedLight1，Place3是工作地點(diǎn)(WorkingPlace)的一個(gè)實(shí)例，RunningRedLight1是闖紅燈(RunningRedLight)的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)Rule3對(duì)該本體表達(dá)的生產(chǎn)情境進(jìn)行推理，得到Zhang處于危險(xiǎn)狀態(tài)，需及時(shí)進(jìn)行處理。機(jī)電運(yùn)輸作業(yè)人員安全狀態(tài)推理過(guò)程的OWL描述如圖8所示。

圖8 機(jī)電運(yùn)輸作業(yè)人員安全狀態(tài)推理Fig.8 Safety state reasoning of electromechanical and transportation personnel

(4) 實(shí)驗(yàn)4：通風(fēng)瓦斯作業(yè)人員安全狀態(tài)推理(以Rule4為例)。在本體中添加一個(gè)防突工(OutburstPreventionWorker)實(shí)例Bob，其具有的屬性是workIn Place4，Place4是工作地點(diǎn)(WorkingPlace)的一個(gè)實(shí)例， Place4具有的屬性是hasFacility GasSensor1，GasSensor1是瓦斯傳感器(GasSensor)的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)Rule4對(duì)該本體表達(dá)的生產(chǎn)情境進(jìn)行推理，得到Bob是安全的。通風(fēng)瓦斯作業(yè)人員安全狀態(tài)推理過(guò)程的OWL描述如圖9所示。

圖9 通風(fēng)瓦斯作業(yè)人員安全狀態(tài)推理Fig.9 Safety state reasoning of ventilation and gas personnel

5 結(jié)語(yǔ)

將煤礦井下生產(chǎn)情境信息抽象成本體概念，構(gòu)建了覆蓋多個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的煤礦主要工種本體；依據(jù)煤礦領(lǐng)域?qū)I(yè)文獻(xiàn)中的安全生產(chǎn)規(guī)定，利用Jena自定義規(guī)則語(yǔ)法制定了安全規(guī)則，并基于安全規(guī)則對(duì)煤礦主要工種本體中作業(yè)人員的操作安全性進(jìn)行推理，及時(shí)判斷井下作業(yè)人員安全狀態(tài)，有助于提高煤礦安全生產(chǎn)管理水平。