謝　天　韋瑤瑤

(1. 南華大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院； 2. 南華大學(xué)政治與公共管理學(xué)院)

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面向核災(zāi)害應(yīng)急的跨部門集成空間框架

謝天1韋瑤瑤2

(1. 南華大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院； 2. 南華大學(xué)政治與公共管理學(xué)院)

摘要：針對核應(yīng)急跨部門集成過程中面臨的領(lǐng)域異構(gòu)性問題，從“情景-任務(wù)-組織-資源”的視角分析了核應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)基本要素、結(jié)構(gòu)和運行邏輯；結(jié)合空間映射和本體論技術(shù)，提出了MDIS集成框架，通過定義空間要素及其屬性、關(guān)聯(lián)、約束，建立MDIS空間結(jié)構(gòu)模型，將源物理空間的核應(yīng)急集成問題遷移到目標(biāo)MDIS空間；界定了由部門領(lǐng)域異構(gòu)性產(chǎn)生的MDIS空間互操作問題，并提出通過構(gòu)建MOM和MAM中介模型實現(xiàn)空間互操作的處理方法；為支持跨部門核應(yīng)急決策問題在MDIS空間的計算和求解，設(shè)計了基于MAS的MDIS空間推理系統(tǒng)；最后，通過應(yīng)用示例驗證了本方法的有效性。

關(guān)鍵詞：核災(zāi)害； 情景； 跨部門集成； 核應(yīng)急

圖1　福島核事故災(zāi)害情景及其應(yīng)對需求

核災(zāi)害在演化機理和應(yīng)對方式上具有較強的突發(fā)時效性和跨部門特性[1，2]，具體表現(xiàn)為：①突發(fā)時效性。根據(jù)核事故災(zāi)害鏈演化狀態(tài)，應(yīng)急響應(yīng)被由低向高劃分為應(yīng)急待命、廠房應(yīng)急、場區(qū)應(yīng)急和場外應(yīng)急4級。核事故往往誘因復(fù)雜，前兆不明顯，具有隨機性和爆發(fā)性，若不能及時有效地實施應(yīng)急干預(yù)和救援，將核泄漏等擴散性災(zāi)害控制在場區(qū)以內(nèi)，容易產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，需要啟動最高級別的場外應(yīng)急響應(yīng)，實現(xiàn)場內(nèi)外應(yīng)急組織聯(lián)動應(yīng)對。由于事件情景擴散和轉(zhuǎn)化迅速，使應(yīng)急活動具有強烈的時效性特征，應(yīng)急(聯(lián)動)方案的制定和執(zhí)行面臨巨大的時間壓力和有效性考驗。②跨部門特性。日本“311福島核事故”的教訓(xùn)表明，若未能迅速將事故控制于場區(qū)內(nèi)，就容易引發(fā)火災(zāi)、核泄漏、網(wǎng)絡(luò)輿情、社會恐慌、交通堵塞、人員傷亡等相互影響的次生、衍生災(zāi)害，從核工業(yè)系統(tǒng)快速擴散蔓延到社會各領(lǐng)域，形成非常規(guī)的災(zāi)害鏈?zhǔn)窖莼?yīng)。此類場外核事故災(zāi)害鏈的應(yīng)對，往往需要綜合調(diào)用核電、消防、醫(yī)療、交通、公安、網(wǎng)絡(luò)等多個部門的方法、數(shù)據(jù)、組織、資源來協(xié)作處理，既需要關(guān)鍵核設(shè)施部門把握整體態(tài)勢，又需要社會應(yīng)急力量多方參與、共享資源，從組織、領(lǐng)導(dǎo)體制和運作機制上進行敏捷化集成，實現(xiàn)多部門、多主體的聯(lián)動處置(見圖1)，對跨部門的應(yīng)急組織集成技術(shù)提出了更高的要求。由于領(lǐng)域的差異性，社會核應(yīng)急各部門系統(tǒng)間往往存在認(rèn)知和溝通障礙，核應(yīng)急資源信息和知識難以集成互操作。這種部門系統(tǒng)間的領(lǐng)域異構(gòu)性成為核應(yīng)急資源跨部門集成過程中的關(guān)鍵問題：①信息交互格式、專業(yè)術(shù)語等差異造成了跨部門集成過程中的語法、語義異構(gòu)性，使核應(yīng)急資源無法實現(xiàn)有效共享和互操作；②業(yè)務(wù)流程、組織結(jié)構(gòu)等方面的差異造成了跨部門集成的語用異構(gòu)性，核應(yīng)急組織難以有效實現(xiàn)協(xié)同決策與聯(lián)動響應(yīng)。圍繞上述問題，目前國內(nèi)外相關(guān)研究仍顯不足，且存在諸多局限性，暫未形成較為系統(tǒng)、全面的跨領(lǐng)域集成方案。

1理論依據(jù)

(1)空間映射理論相對于狀態(tài)數(shù)據(jù)和內(nèi)容描述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行規(guī)則等方面是反映系統(tǒng)特征的更為重要方面，也是造成跨部門資源信息集成復(fù)雜性和異構(gòu)性的根源。空間映射理論[3]認(rèn)為這些邏輯關(guān)系是可被提取和映射的，從而源空間難以描述和求解的復(fù)雜集成問題可以通過特征抽象被遷移或轉(zhuǎn)化到目標(biāo)空間處理。信息空間、物理空間、社會空間存在必然的映射和相互作用關(guān)系，基于語義網(wǎng)技術(shù)，信息資源分類空間模型和復(fù)雜語義鏈接網(wǎng)絡(luò)被提出[4]以從多個維度實現(xiàn)對不同領(lǐng)域、類型、形式的系統(tǒng)資源進行形式化描述。假設(shè)核災(zāi)害情景和應(yīng)急資源所在的物理“源空間”與信息集成處理所在的“目標(biāo)空間”存在著必然的聯(lián)系，即可通過信息空間對物理空間的感知、抽象、處理來控制和影響物理空間。

(2)語義網(wǎng)技術(shù)本體技術(shù)通過概念類、屬性和實例來表示知識組織關(guān)系，并運用公理和函數(shù)實現(xiàn)對語義推理的支持[5]?；诒倔w網(wǎng)絡(luò)語言(OWL)，可實現(xiàn)物理空間核應(yīng)急系統(tǒng)情景、任務(wù)、組織、資源在語義空間的統(tǒng)一形式化表達；語義網(wǎng)規(guī)則語言 (SWRL)是一種基于OWL的規(guī)則描述語言[6]，可將跨部門核應(yīng)急約束與響應(yīng)過程轉(zhuǎn)化為推理規(guī)則，通過智能推理，獲得滿意的跨部門集成應(yīng)對方案。另外，SWRL屬于產(chǎn)生式推理規(guī)則范疇，具有較低的計算時間復(fù)雜度，可提高跨部門集成化決策效率。

(3)系統(tǒng)互操作理論作為異構(gòu)領(lǐng)域系統(tǒng)集成過程中最基本的特征，互操作衡量的是系統(tǒng)及其構(gòu)件之間互聯(lián)互通、相互理解、協(xié)同處理等方面的難易程度，包括數(shù)據(jù)(語法)、內(nèi)容(語義)和業(yè)務(wù)邏輯(語用)3個層面[7]。語法層面業(yè)內(nèi)已形成許多較為成熟的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)，如Web服務(wù)描述語言、可擴展標(biāo)記語言等[8，9]，確保參與互操作的系統(tǒng)構(gòu)件雙方能準(zhǔn)確地接收和共享信息。如何消除異構(gòu)系統(tǒng)在術(shù)語、概念、屬性和邏輯之間的二義性、冗余性，解決語義和語用層面的互操作問題，成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。POKRAEV[10]在博士論文中分析和歸納了語義和語用層面互操作問題，綜合運用語義網(wǎng)技術(shù)和“技術(shù)-業(yè)務(wù)分離”的模型驅(qū)動架構(gòu)技術(shù)，通過構(gòu)造語義和語用中介模型的思路，分別提供語義和語用層面服務(wù)集成的互操作局部解決方案，為本研究提供了理論參考。

基于上述理論，通過提取核電突發(fā)事件鏈及其涉及領(lǐng)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)對機理方面的特征，將物理空間的事件情景、組織、資源、活動和聯(lián)動響應(yīng)邏輯等映射到語義知識空間，①可對不同部門異構(gòu)信息和知識在該空間進行統(tǒng)一的形式化表達建模，規(guī)避語法層面的異構(gòu)性；②基于該空間，建立部門異構(gòu)信息內(nèi)容、含義方面的語義映射，實現(xiàn)語義層面集成；③基于該空間，對不同部門異構(gòu)無序的業(yè)務(wù)流程，進行有序化再定義，實現(xiàn)語用層面的應(yīng)急組織協(xié)同?；诖怂悸?，綜合考慮應(yīng)對核電突發(fā)事件鏈跨部門應(yīng)急集成過程中存在的異構(gòu)性問題，以互操作為切入點，提出面向核電安全應(yīng)急的跨部門集成空間框架。

2物理世界核應(yīng)急集成要素分析

根據(jù)“情景-應(yīng)對”的非常規(guī)突發(fā)事件應(yīng)急管理范式[11]，在核應(yīng)急響應(yīng)階段，通過實時監(jiān)測與信息收集，對核事故情景鏈進行綜合研判，啟動相應(yīng)類型與等級的核應(yīng)急預(yù)案(如核設(shè)施搶修、火災(zāi)救援、人員疏散、醫(yī)療救援、資源運輸?shù)瓤绮块T協(xié)作的預(yù)案組合)；并結(jié)合現(xiàn)有應(yīng)急資源、組織執(zhí)行能力，以及情景演化狀態(tài)，通過不同領(lǐng)域、粒度層面子預(yù)案的細(xì)化重組，對初始預(yù)案和行動例程進行可執(zhí)行化動態(tài)調(diào)整，形成由響應(yīng)流程構(gòu)成的整體響應(yīng)執(zhí)行方案；通過調(diào)配相應(yīng)各部門的人員、資源，實現(xiàn)跨部門組織資源應(yīng)急聯(lián)動，協(xié)作執(zhí)行響應(yīng)救援任務(wù)；根據(jù)救援與災(zāi)害情景狀態(tài)演變效果，動態(tài)調(diào)整核應(yīng)急響應(yīng)方案，形成“情景分析-方案形成-組織執(zhí)行-資源保障”的集成化閉環(huán)響應(yīng)過程。

因此，可將物理世界抽象為由情景-任務(wù)-組織-資源4類要素構(gòu)成的復(fù)雜大系統(tǒng)，各類要素在不同時刻下的結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)均不同。①核電災(zāi)害鏈情景反映應(yīng)急響應(yīng)需求，一個時刻的事件鏈情景具有特定的子事件結(jié)構(gòu)，隨著事件的演化而涌現(xiàn)出新的情景狀態(tài)。②應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)是應(yīng)急預(yù)案的具體化，由可執(zhí)行的流程、活動構(gòu)成的任務(wù)鏈(預(yù)案鏈)，具有順序、并行、分支、循環(huán)等一般性邏輯結(jié)構(gòu)。③核應(yīng)急組織是應(yīng)急任務(wù)的執(zhí)行者(人)，來源于不同部門，在常態(tài)下，具有不同的職能與組織結(jié)構(gòu)，其業(yè)務(wù)流程間具有較強的異構(gòu)性；在戰(zhàn)時應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)下，進行組織整合與重構(gòu)，形成跨部門的核應(yīng)急組織鏈，執(zhí)行跨部門的應(yīng)急聯(lián)動響應(yīng)任務(wù)。④核應(yīng)急資源鏈?zhǔn)怯裳b備、設(shè)備、信息服務(wù)、資金等構(gòu)成的各類分散分布的核應(yīng)急資源網(wǎng)絡(luò)(見圖2)，為應(yīng)急任務(wù)的執(zhí)行提供支持。不同的可用核應(yīng)急資源由不同部門的組織支配，即使是閑置社會應(yīng)急資源，亦可將其歸入社會核應(yīng)急組織部門。進而，理論上通過組織的按需跨部門重構(gòu)，可實現(xiàn)資源的綁定。

圖2　基于“情景-任務(wù)-組織-資源”的　　核應(yīng)急系統(tǒng)集成要素分析

3跨部門集成空間(MDIS)

3.1MDIS結(jié)構(gòu)模型的提出

面向核災(zāi)害鏈應(yīng)急的跨部門集成空間結(jié)構(gòu)見圖3，集成過程包括3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

圖3　面向核電事件鏈應(yīng)急響應(yīng)的MDIS空間結(jié)構(gòu)模型

(1)空間映射與建模多個子事件按一定結(jié)構(gòu)形成核電災(zāi)害鏈，其應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)復(fù)雜，往往需要調(diào)用多個部門的組織、資源要素協(xié)同完成。根據(jù)“情景-任務(wù)-組織-資源”的集成化響應(yīng)過程，MDIS空間由情景空間、任務(wù)空間、部門空間。情景空間是核災(zāi)害鏈節(jié)點事件及其屬性特征在MDIS映射的子空間集合?？筛鶕?jù)現(xiàn)有核電突發(fā)事件演化機理[12]，識別事件鏈結(jié)構(gòu)，及其節(jié)點事件類型、級別等屬性特征。任務(wù)空間是應(yīng)對特定節(jié)點事件的應(yīng)急任務(wù)要素及其屬性特征在MDIS映射的子空間集合， 結(jié)合事件應(yīng)對預(yù)案和專家經(jīng)驗，分析和提取事件應(yīng)對的應(yīng)急任務(wù)需求；識別、提取多部門應(yīng)急組織、資源和能力要素類型、屬性、結(jié)構(gòu)、運行規(guī)律等與特定突發(fā)事件情景相關(guān)的重要特征。一方面，可基于情景模板、預(yù)案和經(jīng)驗來定義可重構(gòu)的任務(wù)組件[13]；另一方面，也可根據(jù)當(dāng)時的環(huán)境需求，臨時定義集成任務(wù)結(jié)構(gòu)。部門空間包括組織與資源子空間，是社會各部門核應(yīng)急組織、資源要素及其屬性特征在MDIS映射的子空間集合，可根據(jù)要素實時狀態(tài)進行動態(tài)構(gòu)建和更新。通過構(gòu)造情景、任務(wù)、組織與資源的空間模型，實現(xiàn)核應(yīng)急集成化響應(yīng)問題從物理空間到MDIS空間的映射，空間映射和建模原理在后面詳細(xì)討論。

(2)空間互操作處理基于統(tǒng)一的語義空間映射與建模技術(shù)，可基本保證MDIS語法層面的互操作性，而由于構(gòu)建過程并非同步進行，各應(yīng)急部門間存在固有的語義和語用異構(gòu)性，部門空間要素對于可能產(chǎn)生的跨部門核應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)來說是雜亂無序的，領(lǐng)域空間要素間仍存在不一致性。因此，需要對可能產(chǎn)生部門空間要素內(nèi)容歧義的語義表達進行預(yù)定義，并建立不同部門組織-資源子空間之間的協(xié)調(diào)和理解機制，以保證跨部門組織和資源信息在MDIS的互操作性。具體處理原理在第4部分詳細(xì)討論。

(3)空間決策響應(yīng)根據(jù)核災(zāi)害情景進行決策響應(yīng)，是MDIS的集成目標(biāo)。在空間集成預(yù)處理基礎(chǔ)上，第5部分引入多代理系統(tǒng)(MAS)技術(shù)設(shè)計MDIS空間分布式集成推理框架，以支持基于語義的核應(yīng)急跨部門決策推理功能。

3.2MDIS結(jié)構(gòu)模型的定義

本體作為語義建模的有效方法，可將物理空間的核應(yīng)急系統(tǒng)映射到語義空間。定義該建模方法的基本范式，可以實現(xiàn)物理世界事件情景和跨部門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在MDIS空間的規(guī)范化分析、提取、映射、描述和管理功能。MDIS空間結(jié)構(gòu)可表示為三元組MDIS::={OC, CA, CL, CR}，是本體概念類(OC)、類屬性(CA)、類關(guān)聯(lián)(CL)和約束關(guān)系(CR)的集合。其中OC表示空間本體類的集合，它是構(gòu)成MDIS空間的基本要素類型，是具有同類屬性本體實例的抽象；CA表示空間本體類數(shù)值屬性的集合，是跨部門核應(yīng)急組織資源實例語義匹配的計算依據(jù)；CL表示本體概念類以及屬性間的邏輯關(guān)聯(lián)；CR表示概念類/實例、屬性/屬性值之間的約束關(guān)系，可用語義規(guī)則或各種語義匹配算法[14, 15]來定義。

(1)MDIS空間要素及其屬性的定義MDIS應(yīng)涵蓋情景、任務(wù)、組織、資源4類空間要素，跨部門集成過程的實質(zhì)就是根據(jù)情景變化、建立“情景-任務(wù)-組織-資源”的動態(tài)匹配關(guān)系。其中，① 核災(zāi)害情景可表示為構(gòu)成核災(zāi)害鏈的子事件(Event)的集合，可表示為事件空間本體(ESO)，其屬性描述結(jié)構(gòu)可定義為EA={Event_ID, Event_Name, Event_Type, Event_Level, Event_Location, Event_RelevantPlan,…}；② 核應(yīng)急任務(wù)(Task)是應(yīng)對不同子事件應(yīng)急預(yù)案的集合，可表示為任務(wù)空間本體(TSO)，需根據(jù)組織、資源的實際狀態(tài)調(diào)整，以形成可執(zhí)行的響應(yīng)方案，其屬性描述結(jié)構(gòu)可定義為TA={Task_ID, Task_Name, Task_Type, Task_RelevantEvent, Task_RelevantDepartment, Task_ResourceDemand, Task_SpaceConstraint, Task_TimeConstraint, …}；③ 核應(yīng)急組織(Organization)是執(zhí)行應(yīng)急任務(wù)組織單元的集合，可表示為組織空間本體(OSO)，其屬性描述結(jié)構(gòu)可定義為OA ={Staff_ID, Staff_Name, Staff_Department, Staff_Location, …}；④ 核應(yīng)急資源(Resource)物資、信息、設(shè)備等軟硬核應(yīng)急裝備資源的集合，由不同的社會應(yīng)急部門的組織支配，可表示為資源空間本體(resource space ontology，RSO)，其屬性描述結(jié)構(gòu)可定義為OR={Resource_ID, Resource_Name, Resource_Type, Resource_Quantity, Resource_Location, Resource_Cost,…}

(2)MDIS空間的類關(guān)聯(lián)定義類關(guān)聯(lián)CL可表示為二元謂詞組的形式，指空間本體概念類與概念類，概念類與屬性間的語義關(guān)聯(lián)，包括：

① 繼承類關(guān)聯(lián)“Is_SubClass_Of”，描述父子類關(guān)聯(lián)，表示某概念類OC1是另一概念類OC2的子類。如在核應(yīng)急資源空間本體中，穩(wěn)定碘是一種防輻射藥品，可表示為Is_SubClass_Of(?iodine, ?medicine)。

② 組合類關(guān)聯(lián)“Combine”用于描述空間概念類之間的組成結(jié)構(gòu)，包括前后件關(guān)聯(lián)“Is_Predecessor/Successor_Of”的簡單序列組合結(jié)構(gòu)，以及并列“parallel”、分支“Split”、匯合“Join”、嵌套“Nested”等復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。如在核應(yīng)急任務(wù)空間本體中，需要先撤離可能受輻射人員，再服用穩(wěn)定碘藥品以實現(xiàn)碘甲狀腺阻斷等輻射防治工作，可表示為Is_Predecessor_Of(?Evacuating, ?RadiationPreventing)。

③ 類-屬性關(guān)聯(lián)“Is_Attribute_Of”，用于建立MDIS空間屬性與其所屬本體概念類之間的語義關(guān)聯(lián)。如在核應(yīng)急組織空間本體中，某應(yīng)急救援人員隸屬于某部門，即擁有屬性部門，可表示為Is_Attribute_Of(?Department, ?Staff)。

④ 等價關(guān)聯(lián)“Equivalent”，用于表示具有相同語義的空間概念類之間的關(guān)聯(lián)。如在核應(yīng)急資源空間中，穩(wěn)定碘被某些部門稱為碘，被另一些部門成為防輻射藥品，可建立二者間等價關(guān)聯(lián)，表示為 Equivalent(?Iodine, ?RadiationPreventingMedicine)。

⑤ 互斥關(guān)系“Exclusive”，用于區(qū)別于上述幾類關(guān)聯(lián)，表示空間概念類、屬性間無相關(guān)性的關(guān)聯(lián)語義。如核應(yīng)急救援裝備中的滅火器與運輸直升機是相互獨立的MDIS空間概念類，可表示為Exclusive(?Extinguisher, ?Helicopters)。

上述5種關(guān)聯(lián)可較為清晰地在MDIS空間構(gòu)造跨部門核應(yīng)急系統(tǒng)，也可在此基礎(chǔ)上擴展新的語義關(guān)聯(lián)以豐富MDIS空間的結(jié)構(gòu)模型。

(3)MDIS空間約束關(guān)系定義此類約束用以描述MDIS空間中子空間要素間的動態(tài)語義匹配關(guān)系，包括組織-資源綁定(O-R Binding)、情景-任務(wù)匹配(S-T Matching)、任務(wù)-組織(T-O Performing)執(zhí)行3類約束關(guān)系。

鑒于特定核應(yīng)急資源(裝備、物資)通常需要專門人才使用，隸屬關(guān)系穩(wěn)定，可認(rèn)為組織-資源已實現(xiàn)靜態(tài)綁定關(guān)系。情景-任務(wù)匹配約束可定義為：ej=ΩET(T,t1,t2,…,tn)，表示某核災(zāi)害情景下的子事件ej空間概念需要空間概念t1,t2,…,tn表示的核應(yīng)急響應(yīng)任務(wù)來應(yīng)對，它們之間的邏輯關(guān)系稱為響應(yīng)任務(wù)T約束。任務(wù)-組織匹配約束可定義為：tj=ΩTO(O,o1,o2,…,on)，表示某應(yīng)急任務(wù)tj空間概念需要空間概念o1,o2,…,on表示的核應(yīng)急響應(yīng)組織來應(yīng)對，它們間的邏輯關(guān)系稱為組織O約束。

有效地表達空間結(jié)構(gòu)和運行規(guī)則是實現(xiàn)集成與決策的關(guān)鍵。OWL與SWRL具備良好的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與規(guī)則表達能力，運用OWL建模空間本體，SWRL規(guī)則用于描述和推理約束關(guān)系，將MDIS空間轉(zhuǎn)化為基于語義的形式化模型(相關(guān)語法可參考文獻[15])。

4MDIS互操作

4.1MDIS互操作問題的界定

集成互操作問題主要表現(xiàn)在語法、語義和語用3個層面?；贛DIS空間映射建模，可實現(xiàn)跨部門系統(tǒng)在MDIS空間的統(tǒng)一形式化表達；同時，包括XML、SOAP、WSDL等諸多較為成熟的底層通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)已在業(yè)界提出和應(yīng)用，因此，MDIS的語法異構(gòu)性在本文中暫不討論。

MDIS空間的語義互操作性指在不同的部門子空間，用相同的概念類指代相同的事物。語義互操作問題通常是由于不同部門、組織對物理世界中要素理解、抽象和表達方式的差異造成的。通過不同部門組織(資源)間發(fā)送和接收的消息序列來產(chǎn)生語用互操作行為，以支持MDIS空間的跨部門資源整合。MDIS空間語用互操作性指某部門子空間發(fā)送的消息能否實現(xiàn)參與跨部門集成的另一部門所預(yù)期的效果，能否保持行為的一致性。借鑒數(shù)據(jù)庫、信息系統(tǒng)、智能代理系統(tǒng)等領(lǐng)域語義互操作性問題的廣泛分類研究，文獻[10]分析和歸納了異構(gòu)系統(tǒng)可能存在的基本語義、語用互操作問題。

4.2MDIS空間互操作問題的解決

跨部門核應(yīng)急集成過程中，某部門組織(或資源)往往通過請求和調(diào)用另一部門提供的資源來實現(xiàn)跨部門協(xié)作。如應(yīng)對“核泄漏”事件時，先由信息部門向公眾發(fā)布撤離集結(jié)通知，再由治安部門幫助公眾到達集結(jié)點，由醫(yī)療部門協(xié)助發(fā)放和服用穩(wěn)定碘藥品以實現(xiàn)碘甲狀腺阻斷等輻射防治工作，集結(jié)完成后，再向運輸部門發(fā)送請求運輸?shù)南?。然而，MDIS空間的跨部門集成者往往不是部門子空間的抽象和構(gòu)造者，無法改變系統(tǒng)原有的結(jié)構(gòu)和運行方式，難以在空間映射建模過程中消除部門子空間之間固有的異構(gòu)性(見圖4)。STANISLAV[10]綜合運用語義網(wǎng)和模型驅(qū)動架構(gòu)技術(shù)，提出分別構(gòu)造語義和語用兩類中介模型的思路，以避免破壞原被集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)服務(wù)集成的互操作調(diào)解過程。故作為補償方式，本研究為避免破壞原MDIS空間結(jié)構(gòu)，借鑒構(gòu)造中介模型的思路，一方面，通過構(gòu)造中介本體模型(mediated ontology model，MOM)來翻譯和交換不同部門本體概念、屬性的符號表達，以保證語義層面部門間消息的準(zhǔn)確理解和交互；另一方面，通過構(gòu)造中介行為模型(MAM)來確保部門間協(xié)作行為邏輯的一致性。

圖4　MDIS空間互操作處理原理

圖5　MDIS空間語義和語用互操作處理示例

(1) MOM定義MOM通過定義參與互操作的部門空間概念類所等價的鏡像概念語義關(guān)聯(lián)來確保消息內(nèi)容及其含義的一致性。這樣既保證了原部門本體結(jié)構(gòu)和屬性不被破壞，又可通過其等價的鏡像本體概念建立準(zhǔn)確的匹配關(guān)系。MOM的構(gòu)造原理以概念粒度不一致問題為例(圖5-①)，核工業(yè)領(lǐng)域空間用概念OC_StreamExplosion表示核電事件鏈中的蒸汽爆炸事件，而消防領(lǐng)域僅從爆炸事件的粗粒度層面定義此類事件，在MDIS空間表示為OC_Explosion。雖然在應(yīng)對過程中指代同類事件，但存在粒度不一致性沖突。解決此類問題可通過細(xì)分消防部門空間的概念為兩個(或更多)完全無關(guān)的小粒度概念，并通過等價關(guān)系將本應(yīng)等價的小粒度概念關(guān)聯(lián)起來。首先，基于語義關(guān)聯(lián)equivalentClass分別構(gòu)造與StreamExplosion等價的鏡像概念ExplosionA以及與Explosion等價的鏡像ExplosionB。其次，基于語義關(guān)聯(lián)IsSubClassOf構(gòu)造ExplosionB的兩個子空間，分別為ExplosioC(表示蒸汽爆炸事件)和ExplosioD(表示其他類型的爆炸事件)；最后，建立ExplosioC和ExplosioA之間的等價語義關(guān)聯(lián)equivalentClass。

基于OWL的形式化知識表達方法借助推理引擎可自動發(fā)現(xiàn)集成過程中不同部門本體概念間等價、子類、互斥等蘊含的關(guān)系。語義中介模型實質(zhì)是構(gòu)建了不同部門子空間概念的關(guān)聯(lián)，隱性消除了語義不一致性。其關(guān)聯(lián)過程可通過protégé軟件現(xiàn)有本體基礎(chǔ)上構(gòu)造新的本體概念和屬性類實現(xiàn)。

(2)MAM定義異構(gòu)系統(tǒng)交互行為與可能存在的部門語用業(yè)務(wù)邏輯互操作問題有關(guān)。MAM通過定義中間調(diào)解行為來確保參與互操作的部門組織行為與預(yù)期跨部門的應(yīng)急響應(yīng)邏輯的一致性。該模型首先定義參與集成互操作消息接收方部門和消息發(fā)送方部門組織本體概念，隨后定義參與消息調(diào)解的本體概念，并通過關(guān)聯(lián)這些概念的功能操作和映射關(guān)系，組合組織概念得到協(xié)作行為模型。以冗余指令問題的處理為例，我們可定義行為中介組織本體概念(圖5-②)，包括兩個(不相關(guān)的)小粒度組織本體OCM1、OCM2。OCM1接收消息M1并忽略掉它，隨后OCM2接收消息M2，并將其發(fā)送給OCB。同理可處理各種可能發(fā)生的業(yè)務(wù)邏輯互操作問題，提出相應(yīng)的MAM設(shè)計模板，以調(diào)解消息接收方和發(fā)送方協(xié)同響應(yīng)邏輯的不一致。

(3)MOM和MAM適應(yīng)性討論利用MOM能否完全消除MDIS部門空間的語義異構(gòu)性？其測試過程可在實際推理時基于Tableau 算法，自動發(fā)現(xiàn)不同部門核事故情景或應(yīng)急資源本體概念間存在的不一致性問題，并拋出異常。針對所拋出的異常，再調(diào)整或定義新的MOM模型來不斷完善。

基于文獻[14]闡述的語用互操作性的基本滿足條件為：至少存在一個行為組合結(jié)果，可同時滿足所有參與集成的行為交互約束及行為邏輯約束。因此，關(guān)于如何考量MAM能否實現(xiàn)MDIS部門空間之間的語用互操作？可將跨部門核應(yīng)急集成響應(yīng)邏輯、約束映射到Petri Net，通過仿真計算，分析該集成方案中各部門應(yīng)急行為是否具備可達性和可行性。若完全可達，且未出現(xiàn)錯誤，則說明在MAM模型的調(diào)解下，實現(xiàn)了MDIS空間的語用互操作。限于篇幅，集成方案的Petri網(wǎng)轉(zhuǎn)化過程可參考文獻[15]。

5基于MAS的MDIS空間分布式推理系統(tǒng)設(shè)計

5.1MDIS空間基本推理任務(wù)

針對地理分散、信息異構(gòu)、職能各異的社會核應(yīng)急相關(guān)部門，建立其MDIS空間模型，物理空間跨部門的核應(yīng)急響應(yīng)決策問題被遷移到MDIS空間，進而可利用語義推理計算的方式求解，推理算法可通過構(gòu)造語義規(guī)則來實現(xiàn)[14,15]。鑒于核應(yīng)急系統(tǒng)涉及諸多部門，集中式的知識表達和推理方式難以描述異步更新的部門空間本體信息，極大地限制了知識存儲、交互、與協(xié)同求解的效率。

MDIS空間(見圖3)包括情景、任務(wù)、(部門)組織、(部門)資源空間等部件，是物理空間核災(zāi)害情景、應(yīng)對邏輯、以及跨部門核應(yīng)急系統(tǒng)的知識映射與表達?；贛DIS的核應(yīng)急響應(yīng)的集成化決策過程可理解為“在異構(gòu)部門系統(tǒng)可互操作前提下，確定資源-組織、情景-任務(wù)、任務(wù)-組織動態(tài)匹配關(guān)系的語義推理過程”。故MDIS空間至少具有三階段基本推理任務(wù)(見表1)。

表1　各階段基本推理任務(wù)及其描述

5.2MDIS空間推理系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

為支持MDIS空間各部件的信息/知識傳輸、交互和分布式協(xié)作推理等核應(yīng)急集成化決策功能的實現(xiàn)，結(jié)合多代理系統(tǒng)(MAS)技術(shù)[16]，根據(jù)MDIS空間結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計分布式推理系統(tǒng)模型(見圖6)。

(1)構(gòu)造智能推理代理(SRA)，執(zhí)行基本推理任務(wù) 每個SRA包括知識庫、規(guī)則庫、事實庫和推理引擎四部件。知識庫基于OWL技術(shù)封裝了MDIS空間本體模型；規(guī)則庫封裝了各階段語義推理規(guī)則，通過事實庫導(dǎo)入實時本體實例信息，推理引擎通過推理演算可得到以跨部門集成的核應(yīng)急方案。

PhaseⅠ是各部門空間內(nèi)知識推理，推理次數(shù)依據(jù)參與核應(yīng)急響應(yīng)的部門數(shù)而定，為支持異步并行推理， 可構(gòu)造多個部門空間推理代理(DSRA)。DSRA封裝了各部門空間本體和資源-組織綁定規(guī)則，其主要功能是對組織、資源等各部門系統(tǒng)要素本體實例進行管理和通信，通過語義推理確定資源-組織隸屬綁定關(guān)系。

圖6　MDIS空間分布式推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

PhaseⅡ、PhaseⅢ是跨部門空間知識推理，可分別構(gòu)造情景空間推理代理 (SSRA)和任務(wù)空間推理代理(TSRA)。SSRA封裝了情景空間本體和情景-任務(wù)匹配規(guī)則，其功能是對中核災(zāi)害鏈?zhǔn)录缺倔w實例進行管理和通信，通過語義推理確定情景-任務(wù)動態(tài)匹配關(guān)系。TSRA封裝了任務(wù)空間本體和任務(wù)-組織執(zhí)行規(guī)則，其功能是特定情景事件下的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案和行動計劃組合本體實例進行管理，通過導(dǎo)入組織本體實例信息，推理發(fā)現(xiàn)各類子任務(wù)的執(zhí)行主體組合。

(2)構(gòu)造互操作代理(IA)由于不同部門空間以及跨部門任務(wù)空間之間可能存在的互操作問題，引入MOM和MAM模型，通過IA封裝所有可能出現(xiàn)并需要映射轉(zhuǎn)化的部門空間中介本體和中介行為，從語義-語用層面支持各部門空間代理互操作通信。

完整的推理流程包括：①各部門空間通過DSRA實現(xiàn)各自相應(yīng)OSO、RSO實例信息、“O-R”綁定規(guī)則的導(dǎo)入，完成PhaseⅠ的Binding推理任務(wù)，返回并更新DSRA本體庫的組織-資源實例綁定信息；②SSRA將情景空間核災(zāi)害子事件本體實例信息、“S-T”匹配規(guī)則導(dǎo)入推理引擎，同時TSRA將TSO實例信息導(dǎo)入推理引擎，完成PhaseⅡ的Matching推理任務(wù)，返回并更新SSRA、TSRA本體庫的情景-任務(wù)實例匹配信息；③通過TSRA-IA-DSRA交互，DSRA通過IA處理，將可互操作的各部門OSO實例信息發(fā)送給TSRA，通過將TSO和OSO實例信息、“T-O”執(zhí)行規(guī)則導(dǎo)入TSRA的推理引擎可完成PhaseⅢ的Performing推理任務(wù)，并將任務(wù)-組織實例執(zhí)行關(guān)系的結(jié)果返回，以更新TSRA和DSRA本體庫，完成一次完整的跨部門集成推理的執(zhí)行過程。

6應(yīng)用示例

(1)背景某地區(qū)發(fā)生核泄漏事件，該地區(qū)附近有一學(xué)校(公眾約1000人)。其預(yù)案應(yīng)對過程包括人員集結(jié)、輻射防護、人員撤離3個任務(wù)節(jié)點。目前可用資源及其所屬的組織關(guān)系包括：集結(jié)任務(wù)可由學(xué)校部門的組織“教師”在設(shè)施資源“操場”處執(zhí)行(操場容量1500人)；輻射防護任務(wù)可由衛(wèi)生部門的組織“醫(yī)療人員”通過分發(fā)并指導(dǎo)服用藥品資源“穩(wěn)定碘”完成(穩(wěn)定碘儲備2000人份)；由于該地區(qū)運輸能力不足，人員撤離任務(wù)可從相鄰地區(qū)借調(diào)“直升機運輸隊”或“汽車運輸隊”來執(zhí)行撤離任務(wù)(完成撤離任務(wù)直升機運輸隊需花費時間60分鐘，汽車需花費180分鐘)。

分析與建模：一方面，由于預(yù)案中關(guān)于集結(jié)任務(wù)的描述通常是：由“組織人員”在“集結(jié)地”執(zhí)行。對于本例來說，現(xiàn)有集結(jié)的執(zhí)行組織“教師”與可用資源“操場”與之存在語義不一致；另一方面，在任務(wù)序列的組織執(zhí)行者“教師”、“醫(yī)療人員”、“司機”之間不存在明確的消息傳遞載體，無法實現(xiàn)跨部門的響應(yīng)邏輯。

針對兩類集成異構(gòu)性問題：一方面，構(gòu)造由“組織人員”和“集結(jié)地”本體類組成的MOM，并分別建立兩者與“教師”和“操場”的本體概念類等價關(guān)系，以支持語義層面互操作；另一方面，構(gòu)造由“人員信息”、“集結(jié)人員信息”、“已服藥人員信息”、“已撤離人員信息”本體類組成的MAM，分別作為“教師”、“醫(yī)療人員”、“司機”的輸入、輸出信息的消息載體，以完善跨部門的響應(yīng)邏輯，實現(xiàn)語用層面互操作。根據(jù)思路，可分別構(gòu)建事件、任務(wù)、部門空間本體結(jié)構(gòu)模型及MOM、MAM模型見圖7(OC為空間本體概念，括號中為該概念現(xiàn)有的本體實例)。

圖7　場景A的MDIS空間模型

圖8　本例推理結(jié)果截圖

推理與討論：利用Protégé軟件搭建本例MDIS模型的推理實驗系統(tǒng)，構(gòu)造相應(yīng)的本體、對象關(guān)系、屬性，以及約束推理規(guī)則，導(dǎo)入事件背景數(shù)據(jù)可分部推理得到跨部門集成方案。結(jié)合圖7空間模型，從第一步推理結(jié)果(圖8-①)看出，存在滿足組織執(zhí)行任務(wù)所需資源約束(如操場容量、藥品數(shù)量等)的可行跨部門響應(yīng)組織序列為“O1-O2-O31”和“O1-O2-O32”。經(jīng)過對總救援時間的比較計算推理，后者更優(yōu)于前者(圖8-②)。故最優(yōu)集成響應(yīng)方案為：“教師O1”在設(shè)施資源“操場R1”處執(zhí)行“集結(jié)任務(wù)T1”；接著，“醫(yī)療人員O2”分發(fā)“穩(wěn)定碘R2”執(zhí)行“輻射防護任務(wù)T2”；“直升機運輸隊O32”執(zhí)行“人員撤離任務(wù)T3”。在推理進程中軟件未提示異常，說明經(jīng)過構(gòu)造MOM，本模型滿足語義互操作性；同時，通過構(gòu)造MAM消息傳遞模型，使“O1-O2-O3”成為滿足所有參與部門集成行為約束的跨部門響應(yīng)組合序列，進而證明了其滿足語用互操作性。

7討論

(1)核事故應(yīng)急應(yīng)對的相關(guān)研究國際原子能機構(gòu)(IAEA)制定了一系列核災(zāi)害應(yīng)急準(zhǔn)備與響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系，用于指導(dǎo)特定核事故場景下具體響應(yīng)需求和處置計劃的快速形成，包括應(yīng)急需求計劃、區(qū)域核事故應(yīng)急中心、核應(yīng)急響應(yīng)與救援網(wǎng)絡(luò)等[17]。在核輻射監(jiān)測預(yù)警方面，美國的國家大氣釋放決策支持能力系統(tǒng)、日本的全球范圍環(huán)境應(yīng)急劑量信息預(yù)測系統(tǒng)、歐洲的實時在線核應(yīng)急決策支持系統(tǒng)等均具有對核輻射釋放與擴散范圍、程度預(yù)測的分析功能，為應(yīng)急響應(yīng)過程選擇防護干預(yù)措施提供決策支持[13]。黃挺等[18]對核設(shè)施的安全分析、輻射環(huán)境影響評價問題展開研究，對當(dāng)前和未來環(huán)境中輻射照射情景進行實時在線地診斷和預(yù)測。柴國旱等對反應(yīng)堆安全分析、核燃料與放射性物質(zhì)管理等問題展開研究，運用概率全評價、核事故過程模擬分析等方法對核電系統(tǒng)安全性進行風(fēng)險評估；基于GIS、信息集成等技術(shù)，核電站輻射連續(xù)監(jiān)測與防控、核事故應(yīng)急預(yù)警與控制、核應(yīng)急防護行動決策等系統(tǒng)被研究和開發(fā)；劉長安等以福島核事故為例，針對核電事故場外應(yīng)急需求，總結(jié)并介紹了輻射防護、人員撤離和隱蔽特征[19～21]。

不難看出，國內(nèi)外學(xué)者對核事故災(zāi)害應(yīng)急準(zhǔn)備、預(yù)測預(yù)警、響應(yīng)決策等各個應(yīng)急應(yīng)對環(huán)節(jié)展開詳細(xì)研究。然而，現(xiàn)有研究割裂了核電事故與其可能引發(fā)的次生衍生災(zāi)害之間的鏈?zhǔn)窖莼P(guān)聯(lián)，以支持協(xié)同決策、聯(lián)動響應(yīng)處置為目標(biāo)，從核災(zāi)害鏈的視角探索社會系統(tǒng)可用應(yīng)急資源跨部門集成方面的研究仍十分罕見。

(2)跨部門集成的相關(guān)研究國家自然科學(xué)基金委員會管理科學(xué)部2008年啟動了“非常規(guī)突發(fā)事件應(yīng)急管理重大研究計劃”，學(xué)者們圍繞跨部門、跨領(lǐng)域集成與應(yīng)急決策問題開展了深入研究：清華大學(xué)承擔(dān)的“情景-心理-決策的非常規(guī)突發(fā)事件應(yīng)急管理基礎(chǔ)科學(xué)問題與總集成升華平臺”致力于應(yīng)急決策過程中心理、管理、信息等不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)、案例、模型集成框架與技術(shù)研究；基于此集成升華平臺的理論成果，中科院、國防科技大學(xué)提出了人工社會與平行計算等技術(shù)，通過平行多主體建模與仿真技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輿情、公共衛(wèi)生等類型突發(fā)事件的情景仿真與綜合研判；在此基礎(chǔ)上，中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院致力于研究應(yīng)急預(yù)案的集成方法[22]；香港大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)針對多源信息與知識融合過程中互操作協(xié)議、本體模型的語義復(fù)雜度等方面展開研究[16,23]。

上述研究主要是對(半)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、模型、案例的異構(gòu)信息集成。一方面，此類集成框架是基于現(xiàn)行各領(lǐng)域信息系統(tǒng)的二次集成技術(shù)，集成規(guī)模雖大，但由于海量雜亂無序的信息/知識匯聚，難以對特定類型(核)應(yīng)急決策問題進行快速建模與求解。另一方面，基于多主體建模、社會計算與平行仿真技術(shù)的建模難度與計算成本過高，目前主要用于傳染病、自然災(zāi)害、網(wǎng)絡(luò)輿情等某一類突發(fā)事件演化機理的研究中。從核電事件鏈視角，基于語義描述與邏輯推理的方法開展的跨部門集成方面的研究仍不多。由于語義建模的快捷性和一致性，可較高效、準(zhǔn)確地描述和求解問題獲得集成方案，可作為目前跨部門集成方法研究的新思路。

因此，區(qū)別于國內(nèi)外相關(guān)研究，MDIS框架的主要特點包括：①在跨部門系統(tǒng)建模方面，面向核事故災(zāi)害及其與應(yīng)急應(yīng)對的特殊需求，從“情景-任務(wù)-組織-資源”的整體視角分析跨部門核應(yīng)急系統(tǒng)，將物理空間分散核應(yīng)急系統(tǒng)結(jié)構(gòu)映射到MDIS空間統(tǒng)一表達；②綜合考慮語義、語用層面異構(gòu)性，提出MDIS空間跨部門的互操作處理方法；③基于計算復(fù)雜度較低的語義推理方式，設(shè)計空間推理系統(tǒng)以求解跨部門的核應(yīng)急集成方案，為核應(yīng)急響應(yīng)決策提供了集成化的新思路。

(3)結(jié)論與展望針對核應(yīng)急跨部門集成過程中面臨的領(lǐng)域異構(gòu)性問題，本研究從“情景-任務(wù)-組織-資源”的視角分析了核應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)基本要素、結(jié)構(gòu)和運行邏輯；結(jié)合空間映射、語義網(wǎng)等技術(shù)提出MDIS集成框架，通過定義空間要素及其屬性、關(guān)聯(lián)、約束，建立MDIS空間結(jié)構(gòu)模型，將源物理空間的核應(yīng)急集成問題遷移到目標(biāo)MDIS空間；界定了由部門領(lǐng)域異構(gòu)性產(chǎn)生的MDIS空間互操作問題，并提出通過構(gòu)建MOM和MAM模型實現(xiàn)空間互操作的處理方法；設(shè)計了基于MAS的MDIS空間推理系統(tǒng)，以支持跨部門核應(yīng)急決策問題在MDIS空間的計算和求解；最后，設(shè)計“核泄漏跨部門響應(yīng)”的應(yīng)用實例，闡述了本框架的實施原理，綜合考慮了語義、語用層面的空間異構(gòu)性處理問題，力圖驗證本方法的有效性和實用性。

本研究從核應(yīng)急的跨部門集成需求出發(fā)，所提框架具有共性和可擴展性，可與不同的非常規(guī)突發(fā)事件情景結(jié)合，應(yīng)用到不同的領(lǐng)域跨部門應(yīng)急集成過程中。然而，由于條件限制，示例中并未開發(fā)分布式推理系統(tǒng)，方法的可操作性離的實際應(yīng)用還有一定的差距：實際核應(yīng)急情景關(guān)系復(fù)雜，核應(yīng)急系統(tǒng)覆蓋多個社會部門系統(tǒng)，將導(dǎo)致空間模型、推理過程進一步復(fù)雜，模型規(guī)模、推理計算度也將隨之劇增，僅通過現(xiàn)行軟件難以滿足實驗要求。如何實現(xiàn)復(fù)雜情景細(xì)節(jié)-領(lǐng)域?qū)＜抑R-集成技術(shù)的融合，開發(fā)更符合實際核應(yīng)急需求的分布式MDIS建模與推理計算實驗原型系統(tǒng)，將成為后續(xù)研究的重心所在。

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(編輯劉繼寧)

Multi-Department Integrating Space Frame for Nuclear Disaster Emergency Managing

XIE TianWEI Yaoyao

(University of South China, Hengyang, Hunan, China)

Abstract：To deal with the heterogeneity in the cross-department integration processes for nuclear emergency system, the system elements, structures and operation logics are analyzed from the “Scenario-Task-Organization-Resource” perspective. With the technologies of Space Mapping and Ontology, the Multi-Department Integrated Space (MDIS) framework is proposed. Based on this framework, the space elements, the links and constraints of them are defined, and the MDIS structure model is constructed, and then the original problems of nuclear emergency response in physical space are transformed into the target problems of integration in the MDIS space. After that, the potential interoperability problems of the MDIS are discussed, and the relevant solutions based on constructing mediator models in MDIS are presented. Furthermore, for supporting the processes of multi-department nuclear emergency decision-making, the MDIS space reasoning system is designed based on multi-agents. Finally, with an example, the validity of this framework is verified.

Key words：nuclear disaster, scenario, multi-department integration, nuclear emergency management

通訊作者：謝天(1984～)，男，湖南醴陵人。南華大學(xué)(湖南省衡陽市421001)經(jīng)濟管理學(xué)院講師，博士。研究方向為應(yīng)急管理、信息管理與信息系統(tǒng)、集成化管理等。E-mail: thanksky709394@163.com

中圖法分類號：C93

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-884X(2016)02-0295-11

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助青年項目(71501087)；教育部人文社科研究資助青年項目(14YJCZH168)；湖南省自然科學(xué)基金資助青年項目(2015JJ3107)；湖南省教育廳課題資助項目(14C0976)；南華大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(2013XQD27)；南華大學(xué)管理科學(xué)與工程省重點學(xué)科資助項目

收稿日期：2015-10-06

DOI編碼： 10.3969/j.issn.1672-884x.2016.02.016