李 蓓,王 鵬,楊 政,李 巖

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局,寧夏 銀川 750001)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能及時(shí)空智能等高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,煤礦發(fā)展正逐步邁向信息化、智能化階段,礦山智能化建設(shè)將是我國煤礦發(fā)展的必然趨勢。礦山應(yīng)急作為煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)其全流程的智能化管理是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。事故應(yīng)急救援和決策,具有反應(yīng)時(shí)間緊迫、決策信息模糊和災(zāi)變狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn),而礦山應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)又區(qū)別于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù),具有多源、多元、異構(gòu)、時(shí)空性、相關(guān)性、非線性、隨機(jī)性等特征,傳統(tǒng)應(yīng)急工作無法實(shí)現(xiàn)高效信息集成與快速處理。為此,就如何從與礦山應(yīng)急救援相關(guān)的大量安全、地質(zhì)、事故等信息中搜索特定信息,并經(jīng)過分析各自屬性及其相互之間的關(guān)系,形成煤礦事故基本概念邏輯結(jié)構(gòu),從而構(gòu)建煤礦災(zāi)害事件本體,以期為后續(xù)礦山應(yīng)急數(shù)據(jù)信息快速集成及發(fā)布提供技術(shù)依據(jù)與支撐。

1 煤礦災(zāi)害事件本體構(gòu)建理論基礎(chǔ)

1.1 本體構(gòu)建理論

本體是人腦對客觀世界認(rèn)知信息加工的系統(tǒng)性產(chǎn)物,具有客觀性、認(rèn)知性、社會性、語言性和演化性的實(shí)質(zhì),旨在解決2個(gè)系統(tǒng)交換信息所需的共同基礎(chǔ)性知識。隨著人工智能的發(fā)展,越來越多的研究者開展與本體相關(guān)的研究工作,主要目的是構(gòu)建內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)清晰、檢索快速、推理強(qiáng)大的知識系統(tǒng),從而服務(wù)于醫(yī)療、建筑、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。目前用于構(gòu)建本體的方法主要有3類,一是基于自然語言詞匯的本體,二是基于概念的本體,三是基于事件的本體。其中前2種研究較早,基本以概念層次結(jié)構(gòu)為主線,側(cè)重于描述靜態(tài)特征,普遍存在“網(wǎng)球問題”。而基于事件本體研究是從近些年剛開始,國內(nèi)外相關(guān)研究都相對較少,尚處于起步階段,對于事件本體還未形成統(tǒng)一認(rèn)識。例如,劉宗田等[1]指出,事件本體主要以相關(guān)事件類的層次(邏輯)結(jié)構(gòu)為主線;張旭潔[2]提出事件本體具有動態(tài)性,從而能夠很大程度地降低相關(guān)關(guān)系的復(fù)雜性。由此可見,事件本體作為一種面向事件的知識表示方法,能夠很好地描述事物、事物間的關(guān)系及事物本身狀態(tài)的變化,滿足煤礦應(yīng)急中災(zāi)害事件描述的動態(tài)性要求。因此,采用基于事件的本體模型進(jìn)行煤礦災(zāi)害事件本體構(gòu)建。

1.2 事件及事件表示

事件是事件類的實(shí)例,目前普遍定義為是在某個(gè)特定的時(shí)間和環(huán)境下發(fā)生的,由若干角色參與,表現(xiàn)出若干特定動作特征、狀態(tài)變化特征以及語言描述特征的一段獨(dú)立的過程[3-5]。形式上,事件表示為e,可以用六要素定義為一個(gè)六元組結(jié)構(gòu),e=(o,a,t,v,p,l),具體見表1。

表1 事件六要素Table 1 Six elements of event

1.3 事件類及事件類表示

事件類是指具有共同特征的所有事件的集合,可以用EC表示:EC=(E,A,O,T,V,P,L),E表示事件的集合,稱為事件類的外延;A,O,T,V,P,L分別是E的每個(gè)事件在對應(yīng)要素上具有的共同特性的集合,表示事件類的內(nèi)涵,具體見表2。

表2 事件類六要素Table 2 Six elements of event class

2 煤礦災(zāi)害事件(類)之間的關(guān)系

事件之間的關(guān)系是來源于人們對客觀世界長期的積累認(rèn)識,所以可以說事件關(guān)系是相對穩(wěn)定的。事件本體研究領(lǐng)域認(rèn)為,當(dāng)2個(gè)事件類的實(shí)例之間大概率存在某種關(guān)系時(shí),則認(rèn)為2個(gè)事件類之間存在這種關(guān)系[6]。而判斷2個(gè)事件類之間是否存在某種關(guān)系,一方面可以通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定,另一方面也可以由領(lǐng)域?qū)＜抑苯咏o出。分析以往的事件本體研究,總結(jié)得出事件類關(guān)系可分為2類,即分類關(guān)系和非分類關(guān)系,分類關(guān)系主要有繼承關(guān)系和上下位關(guān)系;非分類關(guān)系相對較多,包括因果關(guān)系、跟隨關(guān)系、組成關(guān)系、共軛關(guān)系、并發(fā)關(guān)系等十幾種。由此可見事件類間的關(guān)系眾多且冗雜,而煤礦災(zāi)害事件本體實(shí)例指向相對明確,構(gòu)建其相關(guān)事件本體模型即可滿足,因此事件類間關(guān)系相對不那么復(fù)雜[7-9]。在分析以往礦山安全事故案例時(shí),結(jié)合礦山安全事件屬性,根據(jù)事件(類)含義及其關(guān)系特征,可以發(fā)現(xiàn)煤礦災(zāi)害事件(類)的關(guān)系主要有繼承關(guān)系、組成關(guān)系、因果關(guān)系、跟隨關(guān)系、并發(fā)關(guān)系、條件關(guān)系、排斥關(guān)系等。以煤礦水害相關(guān)災(zāi)害事件為例,分析煤礦災(zāi)害事件(類)之間關(guān)系。例如,事件“煤礦安全事故”與“井下透水”為繼承關(guān)系,“井下透水”為下級事件,“煤礦安全事故”為上層事件,“井下透水”繼承了“煤礦安全事故”所有相關(guān)屬性,并加入其特有屬性。事件“井下透水”由事件“涌水量”“圍巖性質(zhì)”等組成,則事件“井下透水”與“涌水量”“圍巖性質(zhì)”為組成關(guān)系,見表3。

表3 煤礦災(zāi)害事件(類)之間的關(guān)系Table 3 Relationship between coal mine disaster event

3 煤礦災(zāi)害事件本體模型設(shè)計(jì)

3.1 煤礦災(zāi)害事件概念語義分類

以突發(fā)性煤礦災(zāi)害事件為基本單元,研究概念、屬性和關(guān)系之間的關(guān)系,建立事件本體模型,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一語義描述,形成事件語義層次的形式化表達(dá)。依據(jù)原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《煤礦生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理規(guī)定》(暫定)對煤礦災(zāi)害事件類型、致因以及特征進(jìn)行限定,一般將煤礦災(zāi)害類型分為頂板事故、瓦斯事故、機(jī)電事故、運(yùn)輸事故、爆破事故、水害事故、火災(zāi)事故及其他共8大類。在此基礎(chǔ)上,引入地質(zhì)災(zāi)害概念,按照災(zāi)類、災(zāi)型和災(zāi)種三級劃分(與圖1中一級二級三級對應(yīng)),建立煤礦災(zāi)害事件類型概念。以煤礦水害事故為例,煤礦災(zāi)害事件概念語義分類如圖1所示。

圖1 煤礦災(zāi)害概念類語義分類Fig.1 Concept semantics classification of coal mine disaster

3.2 煤礦災(zāi)害事件描述屬性

一般情況下,災(zāi)害事件描述包括:災(zāi)害基本屬性、災(zāi)情屬性、孕災(zāi)環(huán)境屬性、致災(zāi)因子屬性和承載體屬性5個(gè)方面。結(jié)合煤礦生產(chǎn)安全事故特點(diǎn),確定煤礦災(zāi)害事件描述屬性,具體見表4。

表4 煤礦災(zāi)害事件描述屬性Table 4 Description attribute of coal mine disaster event

3.3 煤礦災(zāi)害事件本體模型

3.3.1 事件本體

為了更好地描述煤礦災(zāi)害事件本體,將衍生、引發(fā)和群發(fā)3種語義關(guān)系引入煤礦災(zāi)害事件對象的語義關(guān)系中,其近似代表著事件對象語義關(guān)系中的繼承關(guān)系、跟隨關(guān)系和并發(fā)關(guān)系[10-12]。結(jié)合實(shí)際分析,以某礦120101工作面發(fā)生煤礦水害事故為例,構(gòu)建煤礦災(zāi)害事件本體,如圖2所示。

圖2 煤礦災(zāi)害事件本體Fig.2 The ontology of coal mine disaster

其中,事件本體是共享的、客觀存在的事件類系統(tǒng)模型明確形式化規(guī)范說明,可表示為EO(Event Ontology)。根據(jù)煤礦災(zāi)害事件概念、屬性和關(guān)系需求分析,煤礦災(zāi)害事件本體的邏輯結(jié)構(gòu)可定義為一個(gè)四元組EO=,如圖3所示。

圖3 煤礦災(zāi)害事件本體頂層類Fig.3 Top-level class of coal mine disaster ontology

3.3.2 事件信息

Ei(Eventinformation,事件信息)表示發(fā)生的煤礦災(zāi)害事件的各類信息特征,包括災(zāi)害事件發(fā)生的時(shí)間、位置、等級以及災(zāi)害過程描述等。通過煤礦災(zāi)害事件信息,可以掌握該災(zāi)害事件的基本情況及災(zāi)害大部分信息,是后續(xù)事故處理及應(yīng)急數(shù)據(jù)信息篩選的基礎(chǔ)。

3.3.3 事件類型

Et(Eventtype,事件類型)是對發(fā)生的煤礦災(zāi)害事件的具體類型的描述。煤礦災(zāi)害類型的語義分類依照原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《煤礦生產(chǎn)安全事故報(bào)告和調(diào)查處理規(guī)定》(暫定)而定,各類災(zāi)害的具體劃分依照各相關(guān)條例規(guī)程進(jìn)行細(xì)分,如水害分類可參照《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》和《煤礦防治水工作條例》,這樣可以確保災(zāi)害類型分類的標(biāo)準(zhǔn)性和語義一致性。

3.3.4 事件關(guān)系

Re(Relationshipevent,事件關(guān)系),結(jié)合前文分析,一個(gè)煤礦災(zāi)害事件在與其他煤礦災(zāi)害事件的語義關(guān)系描述中,存在繼承關(guān)系、組成關(guān)系、因果關(guān)系等關(guān)聯(lián)關(guān)系。與之對應(yīng)的是它們之間的一對一(衍生)、一對多(引生)、多對多(群發(fā))的關(guān)系,從而描述煤礦災(zāi)害事件相互間包含與被包含的邏輯關(guān)系,可將災(zāi)害事件語義關(guān)聯(lián)至應(yīng)急數(shù)據(jù)。

3.3.5 應(yīng)急數(shù)據(jù)

Rd(Relationshipdata,應(yīng)急數(shù)據(jù))的作用是更好地描述煤礦災(zāi)害事件數(shù)據(jù)的多源、異構(gòu)、動態(tài)性等特征。除了事件關(guān)系外,通過引入事件語義約束、數(shù)據(jù)語義約束和時(shí)效性語義約束的多層次映射關(guān)系,分別與應(yīng)急數(shù)據(jù)中空間、事件以及屬性所對應(yīng),來更好地描述煤礦災(zāi)害事件與應(yīng)急數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4 結(jié)語

將事件本體引入到煤礦應(yīng)急領(lǐng)域,對事件及事件類的基本概念、元素構(gòu)成進(jìn)行分析,對煤礦災(zāi)害事件的種類及類之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)合煤礦災(zāi)害事件概念、屬性和關(guān)系,完成了煤礦災(zāi)害事件本體模型構(gòu)建及邏輯結(jié)構(gòu)定義,為后續(xù)煤礦災(zāi)害事件與應(yīng)急數(shù)據(jù)表達(dá)及集成框架搭建奠定了研究基礎(chǔ)。最后,實(shí)現(xiàn)以信息系統(tǒng)應(yīng)急分析需求為導(dǎo)向的多層次語義約束框架下的應(yīng)急數(shù)據(jù)快速集成與分發(fā),服務(wù)于煤礦安全應(yīng)急工作。