基于多层次语义约束的煤矿灾害事件本体模型构建*

李 蓓,王 鹏,杨 政,李 岩

(宁夏回族自治区煤炭地质局,宁夏 银川 750001)

0 引言

随着互联网、人工智能及时空智能等高新技术的发展和应用,煤矿发展正逐步迈向信息化、智能化阶段,矿山智能化建设将是我国煤矿发展的必然趋势。矿山应急作为煤矿安全生产的重要组成部分,实现其全流程的智能化管理是亟待解决的关键问题之一。事故应急救援和决策,具有反应时间紧迫、决策信息模糊和灾变状态复杂等特点,而矿山应急救援数据又区别于传统的互联网大数据,具有多源、多元、异构、时空性、相关性、非线性、随机性等特征,传统应急工作无法实现高效信息集成与快速处理。为此,就如何从与矿山应急救援相关的大量安全、地质、事故等信息中搜索特定信息,并经过分析各自属性及其相互之间的关系,形成煤矿事故基本概念逻辑结构,从而构建煤矿灾害事件本体,以期为后续矿山应急数据信息快速集成及发布提供技术依据与支撑。

1 煤矿灾害事件本体构建理论基础

1.1 本体构建理论

本体是人脑对客观世界认知信息加工的系统性产物,具有客观性、认知性、社会性、语言性和演化性的实质,旨在解决2个系统交换信息所需的共同基础性知识。随着人工智能的发展,越来越多的研究者开展与本体相关的研究工作,主要目的是构建内容丰富、结构清晰、检索快速、推理强大的知识系统,从而服务于医疗、建筑、军事等多个领域。目前用于构建本体的方法主要有3类,一是基于自然语言词汇的本体,二是基于概念的本体,三是基于事件的本体。其中前2种研究较早,基本以概念层次结构为主线,侧重于描述静态特征,普遍存在“网球问题”。而基于事件本体研究是从近些年刚开始,国内外相关研究都相对较少,尚处于起步阶段,对于事件本体还未形成统一认识。例如,刘宗田等[1]指出,事件本体主要以相关事件类的层次(逻辑)结构为主线;张旭洁[2]提出事件本体具有动态性,从而能够很大程度地降低相关关系的复杂性。由此可见,事件本体作为一种面向事件的知识表示方法,能够很好地描述事物、事物间的关系及事物本身状态的变化,满足煤矿应急中灾害事件描述的动态性要求。因此,采用基于事件的本体模型进行煤矿灾害事件本体构建。

1.2 事件及事件表示

事件是事件类的实例,目前普遍定义为是在某个特定的时间和环境下发生的,由若干角色参与,表现出若干特定动作特征、状态变化特征以及语言描述特征的一段独立的过程[3-5]。形式上,事件表示为e,可以用六要素定义为一个六元组结构,e=(o,a,t,v,p,l),具体见表1。

表1 事件六要素Table 1 Six elements of event

1.3 事件类及事件类表示

事件类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,称为事件类的外延;A,O,T,V,P,L分别是E的每个事件在对应要素上具有的共同特性的集合,表示事件类的内涵,具体见表2。

表2 事件类六要素Table 2 Six elements of event class

2 煤矿灾害事件(类)之间的关系

事件之间的关系是来源于人们对客观世界长期的积累认识,所以可以说事件关系是相对稳定的。事件本体研究领域认为,当2个事件类的实例之间大概率存在某种关系时,则认为2个事件类之间存在这种关系[6]。而判断2个事件类之间是否存在某种关系,一方面可以通过大量的数据统计确定,另一方面也可以由领域专家直接给出。分析以往的事件本体研究,总结得出事件类关系可分为2类,即分类关系和非分类关系,分类关系主要有继承关系和上下位关系;非分类关系相对较多,包括因果关系、跟随关系、组成关系、共轭关系、并发关系等十几种。由此可见事件类间的关系众多且冗杂,而煤矿灾害事件本体实例指向相对明确,构建其相关事件本体模型即可满足,因此事件类间关系相对不那么复杂[7-9]。在分析以往矿山安全事故案例时,结合矿山安全事件属性,根据事件(类)含义及其关系特征,可以发现煤矿灾害事件(类)的关系主要有继承关系、组成关系、因果关系、跟随关系、并发关系、条件关系、排斥关系等。以煤矿水害相关灾害事件为例,分析煤矿灾害事件(类)之间关系。例如,事件“煤矿安全事故”与“井下透水”为继承关系,“井下透水”为下级事件,“煤矿安全事故”为上层事件,“井下透水”继承了“煤矿安全事故”所有相关属性,并加入其特有属性。事件“井下透水”由事件“涌水量”“围岩性质”等组成,则事件“井下透水”与“涌水量”“围岩性质”为组成关系,见表3。

表3 煤矿灾害事件(类)之间的关系Table 3 Relationship between coal mine disaster event

3 煤矿灾害事件本体模型设计

3.1 煤矿灾害事件概念语义分类

以突发性煤矿灾害事件为基本单元,研究概念、属性和关系之间的关系,建立事件本体模型,实现统一语义描述,形成事件语义层次的形式化表达。依据原国家安全生产监督管理总局《煤矿生产安全事故报告和调查处理规定》(暂定)对煤矿灾害事件类型、致因以及特征进行限定,一般将煤矿灾害类型分为顶板事故、瓦斯事故、机电事故、运输事故、爆破事故、水害事故、火灾事故及其他共8大类。在此基础上,引入地质灾害概念,按照灾类、灾型和灾种三级划分(与图1中一级二级三级对应),建立煤矿灾害事件类型概念。以煤矿水害事故为例,煤矿灾害事件概念语义分类如图1所示。

图1 煤矿灾害概念类语义分类Fig.1 Concept semantics classification of coal mine disaster

3.2 煤矿灾害事件描述属性

一般情况下,灾害事件描述包括:灾害基本属性、灾情属性、孕灾环境属性、致灾因子属性和承载体属性5个方面。结合煤矿生产安全事故特点,确定煤矿灾害事件描述属性,具体见表4。

表4 煤矿灾害事件描述属性Table 4 Description attribute of coal mine disaster event

3.3 煤矿灾害事件本体模型

3.3.1 事件本体

为了更好地描述煤矿灾害事件本体,将衍生、引发和群发3种语义关系引入煤矿灾害事件对象的语义关系中,其近似代表着事件对象语义关系中的继承关系、跟随关系和并发关系[10-12]。结合实际分析,以某矿120101工作面发生煤矿水害事故为例,构建煤矿灾害事件本体,如图2所示。

图2 煤矿灾害事件本体Fig.2 The ontology of coal mine disaster

其中,事件本体是共享的、客观存在的事件类系统模型明确形式化规范说明,可表示为EO(Event Ontology)。根据煤矿灾害事件概念、属性和关系需求分析,煤矿灾害事件本体的逻辑结构可定义为一个四元组EO=,如图3所示。

图3 煤矿灾害事件本体顶层类Fig.3 Top-level class of coal mine disaster ontology

3.3.2 事件信息

Ei(Eventinformation,事件信息)表示发生的煤矿灾害事件的各类信息特征,包括灾害事件发生的时间、位置、等级以及灾害过程描述等。通过煤矿灾害事件信息,可以掌握该灾害事件的基本情况及灾害大部分信息,是后续事故处理及应急数据信息筛选的基础。

3.3.3 事件类型

Et(Eventtype,事件类型)是对发生的煤矿灾害事件的具体类型的描述。煤矿灾害类型的语义分类依照原国家安全生产监督管理总局《煤矿生产安全事故报告和调查处理规定》(暂定)而定,各类灾害的具体划分依照各相关条例规程进行细分,如水害分类可参照《矿井水文地质规程》和《煤矿防治水工作条例》,这样可以确保灾害类型分类的标准性和语义一致性。

3.3.4 事件关系

Re(Relationshipevent,事件关系),结合前文分析,一个煤矿灾害事件在与其他煤矿灾害事件的语义关系描述中,存在继承关系、组成关系、因果关系等关联关系。与之对应的是它们之间的一对一(衍生)、一对多(引生)、多对多(群发)的关系,从而描述煤矿灾害事件相互间包含与被包含的逻辑关系,可将灾害事件语义关联至应急数据。

3.3.5 应急数据

Rd(Relationshipdata,应急数据)的作用是更好地描述煤矿灾害事件数据的多源、异构、动态性等特征。除了事件关系外,通过引入事件语义约束、数据语义约束和时效性语义约束的多层次映射关系,分别与应急数据中空间、事件以及属性所对应,来更好地描述煤矿灾害事件与应急数据的关联关系。

4 结语

将事件本体引入到煤矿应急领域,对事件及事件类的基本概念、元素构成进行分析,对煤矿灾害事件的种类及类之间的关系进行了研究。结合煤矿灾害事件概念、属性和关系,完成了煤矿灾害事件本体模型构建及逻辑结构定义,为后续煤矿灾害事件与应急数据表达及集成框架搭建奠定了研究基础。最后,实现以信息系统应急分析需求为导向的多层次语义约束框架下的应急数据快速集成与分发,服务于煤矿安全应急工作。