英语原文共 8 页

基于信息融合的面向本体的应急管理决策支持系统

耀西汉 徐伟

信息学院和智慧城市研究中心 信息学院和智慧城市研究中心

中国人民大学 中国人民大学

中国北京，100872 中国北京，100872

Hyc@ruc.edu.cn Weixu@ruc.edu.cn

摘要

提出了一种基于本体的应急管理决策支持系统。首先提出了一种应急本体的数据和模型集成方法，然后根据提出的本体设计了一个基于五层框架的应急管理决策支持系统。在所提出的决策支持系统中，多源数据作为模型的输入和输出进行集成，用于对决策支持数据进行预处理。最后，以天津港口爆炸事故为例，说明所提出的决策支持系统的有效性。

类别和主题描述符

H.4 [信息系统应用]: 杂项

一般条款

管理，设计

关键词

应急管理; 决策支持系统; 本体集成; 本体建模; 信息融合

1. 介绍

非常规应急管理研究包括自然灾害、社会保障、事故灾害和公共卫生。当前，面对频繁发生的自然灾害和安全问题，应急管理越来越受到社会的重视。如何在非常规突发事件发生的最短时间内提取信息，制定正确的决策是政府关注的焦点。随着应急管理的发展，决策支持系统的应用为应急管理提供了智能化、有效的辅助决策支持。尤其是随着信息的急剧增加，决策支持系统可以帮助决策者更快地获取所需的信息。

经过 40 多年的发展，决策支持系统已经发展成为智能决策支持系统, 支持系统和执行信息系统。随着用户决策质量要求的提高，由数据库和模型库组成的简单的双库体系结构逐渐转变为多库体系结构。这种复杂的多库体系结构给信息的起源和检索带来了新的挑战。为了满足用户的需求，迫切需要一种新的信息组织形式来规范复杂而庞大的信息系统。

本体的应用可以解决应急管理中信息的异构性和响应滞后等问题。本文采用本体集成的思想，指出本体集成在应急管理系统中具有举足轻重的作用。

论文的其余部分组织如下。第二部分总结了应急管理决策支持的相关文献，第三部分给出了本体集成的框架，并详细介绍了本体集成的各个部分。第四部分开发了应急管理支持决策系统的体系结构，阐述了本体集成方法在应急管理支持决策系统中的作用。第五部分对天津港口爆炸事件的案例进行了说明，第六部分给出了本文的研究结论和未来工作。

1. 文学评论

应急管理，又称危机管理，是非正常公共危机的主要管理工具。在现代公共危机管理领域，应急管理理念最早出现在上世纪 80 年月，随着社会经济的发展, 我国进入社会问题，突发事件发生率居高不下。2003年，2003 的 “非典” 进一步催生了应急管理学科，自那时以来，相关研究得到了蓬勃发展。汶川地动在2008年增强应急治理新高度，详细研讨了深度和应急治理框架的综合修建是这一时期的特色。应急管理的核心是如何在一定的时间限制下做出有效、高效的决策。因此，决策支持系统是该领域的有用工具。在决策支持系统的研究中，国内外学者主要从三个方面进行：理论模型和应急资源管理，应急决策支持功能，如何设计决策支持。在理论模型和应急资源管理技术方面，Yoon [1]提出了一种基于计算机的学习原型来解决运输安全问题和运输资源分配。Ngai[2]描述了团队应急管理系统原型的上下文。它主要用于处理物流中的突发事件。Vescoukis [3]描述了面向服务的地理位置环境危机管理规划和决策体系结构。该系统利用实时地理空间数据集支持应急环境建模和物流作业。海高 [4] 将重点放在应急管理中的医疗资源配置。该系统是基于领域本体的大规模集成，用于改进通信和决策管理。Hadiguna [5] 提出了基于 Web 的决策支持系统模型，并评估了疏散公共资源配置的可行性。

决策支持系统是由 Gorry [6] 于上世纪 70 年月初提出的。跟着迷信的成长，智能决议计划支撑体系、团体决议计划支撑体系、司理信息体系等的运用日趋普遍。在应急决策支持系统中, Papamichail [7] 提出在智能决策支持系统中使用专家系统技术，帮助决策者了解决策问题，并选择更好的解决方案。Maio [8] 提出了一种支持知识处理和资源发现的模糊认知图。Yu[9] 描述了一种基于距离的决策方法来解决非常规突发事件的决策问题。Liu[10] 构建了基于故障树分析的应急决策模型，分析了突发事件的发展,紧急情况下的决策。王 [11] 在复杂性理论中引入信息熵的概念，以更好地理解和测量应急响应系统的复杂性。Fogli [12] 在应急治理决议计划支撑体系中，提出了一种基于常识的设计办法。

虽然这些系统和方法对应急决策支持系统的发展做出了很大的贡献，但设计仍存在局限性。例如，面对海量异构的信息源，若何分派信息和模子是体系高效运转的症结。

本体概念开端出现在决议计划支撑体系范畴。Wang [13] 提出了一种基于本体建模的医学诊断决议计划支撑体系框架，是本体在决议计划支撑中的运用。Haghighi[14] 在智能决策支持系统中的应用大型会议医疗应急管理。亚当等人[15]分析了美国关键基础设施的复杂事件。

将本体的概念引入到应急管理决策支持系统中。然而，决策支持系统在以往的文章中使用本体相对简单，本体的使用也是领域本体的具体知识，并没有充分体现本体在复杂、不确定的情况。然而，应急管理是多区域、多部门协同的综合问题，这将关系到不同系统在相同服务需求下的一致性。

因此，本文综合了前者的经验和不足，并引入了应急本体的概念来解决这些问题。此外，本文重点研究了数据和模型的本体集成，并描述了如何利用不同的本体来解决应急管理决策支持系统中的复杂问题。

1. 数据模型集成的应急本体

基于本体的决策支持系统的过程如图 1 所示，整个决策支持系统包括三个部分: 输入部分、系统操作部分和输出部分。在该系统中，用户可以在输入部分导入应急管理要求。然后，系统将提取需求的关键字，并将该关键字映射到事件本体和任务本体。将输入信息重构为输入部分的结构化信息。然后，通过推理引擎，将结构化信息与模型本体和数据本体相匹配。如果模型和数据不匹配成功，结果将为空，应急管理要求将提交专家进行手动分析。如果模型和数据匹配成功，数据将在匹配模型中输入或在解释引擎中输入。解释引擎将模型或数据的结果转换为可视化（自然语言，图像，语音，视频等）。 最后，解决方案将提交给域专家。域专家将分析和修改解决方案。 之后，解决方案将响应决策者（系统用户）。 我们将在本节的其余部分描述该系统过程的本体和引擎。

图 1 数据模型集成的应急本体过程

3.1 事件本体

事件本体是一个领域本体。它包括大量非常规应急关键词在不同的应急领域 (如企业安全事故，化学泄漏，火灾等)。本体的功能是从初始信息中识别正确的关键词和要求。

3.2 任务本体

任务本体也是一个范畴本体。它包含了年夜量的任务关键词在分歧的应急范畴 (如疏散、供给医疗机构、控制舆情等)。本体的功能是从初始信息中识别正确的关键字和要求。

3.3 模型本体

模型本体包括模型库、模型管理系统。模型库的功能是存储由领域专家总结的应急管理模型。模型管理系统的目的是连接数据本体的数据库，确保模型成功运行。

3.4 数据本体

数据本体包括领域数据库和数据管理系统。领域数据库的功能是收集和存储领域数据，如基础数据、物理数据、心理数据和领域知识。基本数据包括非常规突发事件的基本介绍。物理数据包括非常规突发事件的地理信息、受灾人数等信息来自物理世界。心理上数据包括不同区域的情感分布和从互联网中提取的社交媒体信息。

3.5 规划引擎

计划引擎连接事件本体和任务本体。事件本体包括事件关键字和不同领域的信息。任务本体包括许多不同领域的应急管理任务关键字。计划引擎可以将事件本体中的关键字映射到任务本体。

3.6 推理引擎

应急管理要求通常包括许多语义特征。需求是一个非结构化信息。为了将其转化为条理信息，在决议计划支撑体系的进程中提出了推理引擎。该推理引擎可以连接该决策支持系统的输入部分和系统操作部分。

3.7 解释引擎

说明发动机是输出部分的主要组成部分。将模型本体或数据本体的结果转化为自然语言、图像、语音和视频等视觉信息。

1. 系统框架

在应急本体方面，开发了应急管理决策支持系统框架，如图 2 所示。

图 2 决策支持系统框架

从图 2 可以看出，所提出的决策支持系统由 5 层组成，包括基础设施层、数据层、模型层、应用层和用户层。层是基于应急本体连接的。当检测到突发事件时，基于事件本体和任务本体对应急管理任务进行确认。然后，从数据本体和模型本体两个方面给出了决策支持和应急响应。以下各节列出了五层的详细信息。

4.1 基础架构层

作为应急管理决策支持系统的底层支撑，基础设施层为数据层提供了基本的数据源。同时，基础设施层也为决策者提供了基础设施，从而提高了决策的效率和质量。

4.2 数据层

决策支持系统的数据从基础设施层提供的不同数据源中采集，获取相关数据，并存储在相关数据仓库中，为模型层提供实时数据。数据类型包括基本数据、物理数据、 web 数据、心理数据和知识库。表 1 总结了数据层中的不同类型的数据。

表 1 决策支持系统中的数据类型

4.3 模型层

应急管理决策支持系统的模型层可分为模型库、模型运行系统和模型管理系统三个部分。这三个部分负责不同功能的模型层，这些总结表 2。

表 2 决策支持系统模型

从表 2 可以看出，模型库在模型层中是必不可少的。对于不同类型的突发事件，决策者会制定不同类型的任务和要求，因此，模型库的建设至关重要。模型管理的维护主要有两个方面。一方面，对于不同的突发事件，相关任务需要更新相应的模型。另一方面，需要在模型库中维护现有模型。模型运行系统是模型层的关键模块。模型系统的主要功能是操作不同的模型，并给模型经理反馈。最后，模型管理系统在模型层中也是非常重要的。模型管理系统的主要功能是将不同的任务与相应的模型进行匹配,到运行系统的模型。

4.4 应用层

根据不同的数据源和模型，应急管理决策支持系统可以在实际应用中使用。应用层主要包括事件检测、应急决策、数据支持和案例研究。主要应用的具体插图如表 3 所示。

表 3 主要应用程序