顧及城市管理部件和事件關聯關系的本體建模方法

任遠航

（北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044）

1 概述

城市（管理）部件和城市事件是城市管理的主要對象，城市部件和事件之間并非孤立存在。城市部件作為重要的應急資源，能夠有效支持城市事件的響應行動，也是城市事件的作用對象和影響實體。然而，現有模型僅針對特定類型的城市事件或地理空間對象進行建模，未能結合已有國家標準的定義，且概念不夠集中無法充分描述城市事件與城市部件之間的關系[1-3]。因此，我們亟需一種能夠準確描述城市部件、事件的概念及其關聯關系的形式化描述方法。

本文針對以上問題，提出了城市部件與事件的本體模型，全面描述部件和事件本體的概念及其關系，并基于本體模型構建了面向應急響應的城市事件領域模型。該模型可作為指導應急響應部件調配、分析計算部件和事件關聯關系的重要依據。

2 相關工作

2.1 本體構建方法

傳統的關聯數據建模和形式化方法，如邏輯描述模型、E-R 模型[4]、網絡模型[5]、語義關聯模型等知識理解存在歧義。而本體可提供系統一致認可的概念模型，保證知識理解的精確性。UML（unified modelling language）語言可用于對真實世界物體進行建模。本文鑒于本體和UML 的優勢[6]按照以下流程進行建模：（1）確定本體的構建目的和范圍。（2）城市部件和事件本體建模，明確城市部件和事件本體的概念。（3）結合應急響應需求形成能夠描述城市部件和事件本體關系的城市事件領域本體模型，并形式化描述，最后映射成UML 圖。

2.2 相關概念定義

為統一對城市事件和部件的概念，本文定義了事件、城市事件和城市部件的概念。

定義1 事件（Event）:在一定的時間和空間范圍內，由若干個對象參與，具有若干動作特征并造成一定結果的事情。

定義2 城市事件（Urban Event）: 指人為或自然因素導致城市市容環境和環境秩序受到影響或破壞，需要城市管理專業部門處理并使之恢復正常的現象和行為。

定義3 城市（管理）部件（Urban Managed Component）：是指城市公共區域內的各項市政工程設施與市政公用設施。

3 城市部件和事件的本體模型

3.1 城市部件本體

本文結合地理本體建模方式[8]，從城市部件的分類、空間關系、屬性特征等方面，對城市部件的概念層次和關系進行形式化描述，如圖1 所示。

圖1 城市部件本體模型（UCOM）

城市部件包括公用設施、交通設施、市容環境設施、園林綠化設施和其他部件五大類，具體又可細分為65 小類[7]。城市部件是城市建設和運行所需的市政設施類地理實體，由于事件直接作用于地理實體并引發變化，所以城市事件可視為事件的子類直接作用于城市部件。城市部件間的關系包括時間關系、空間關系、語義關系。城市部件還具有時間、位置、標識等屬性特征。

3.2 城市事件本體

ABC 上層本體為事件提供了一個通用概念模型，本文結合ABC 本體構建了描述城市事件的動作、主體、時間等概念及概念間的關系描述的通用模型，以UML 的形式直觀地展示城市事件的本體結構，如圖2 所示。

圖2 城市事件本體模型（UEOM）

以下對城市事件的概念和概念間關系進行描述：

（1） 具象類Actuality 是真實存在的實體，Agent 是Actuality 的子類，表示事件的行為主體。

（2）時象類Temporality 描述對象屬性隨時間變化的方式，子類包括Event、Situation、Action。Event 通過precedes 和follows 屬性與情景建立關系，并與動作（Action）、行為主體(Agent)相互關聯。

（3）抽象類Abstraction 描述抽象的概念實體。

同時，城市事件是事件的一個子類，城市事件分為市容環境類、宣傳廣告類、施工管理類、街面秩序類、突發事件類和其他事件六大類，具體又可細分為83 小類[7]。

4 面向應急管理的城市事件領域模型

將上述城市事件與部件本體模型為上層本體，從應急管理角度，構建體現其間關聯關系的城市事件領域本體模型，并形式化描述，如圖3 所示。

圖3 面向應急管理的城市事件領域本體模型

本文參考Pérez 和Benjamins[8-10]歸納的5 種本體建模元語，將城市事件領域本體UERO 邏輯結構定義為一個五元組（1）：

UERO=< UE_Concepts, UE_Relations, UE_Properties,UE_Axions, UE_Instances >(1)

模型的邏輯結構形式化描述如下：

（1）概念

UE_Concept 表示與城市事件應急響應相關的概念集，定義為六元組：

UE_Concepts= {UE_s, Emergency_A, Emergency_O,Emergency_R, Emergency_E, Process} (2)

UE_s 表示城市事件基類。Emergency_A 應急行動是對城市事件應急做出反應的行動和措施。Emergency_O 應急組織是指參與城市事件響應的主體，包括組織機構、人員。Emergency_R 應急資源指城市事件應急響應可供調配的資源。如救援物資、通信保障資源、運輸保障資源、庇難所等。Emergency_E 應急環境是指事發位置所處并受影響的地理實體和環境實體。環境實體例如溫度、濕度、風向等。地理實體包括村莊、道路、基礎設施等。Process 表示城市事件的演變過程。包括出現過程、變化過程、持續過程、爆發過程、消亡過程。

（2）關系

UE_Relations 指概念間的關聯或相互影響。城市事件本體概念間的關系分為層級關系和非層級關系。層級關系定義城市事件概念在語義上的父子級關系。非層級關系包括因果關系（induce）、伴隨關系(follow)、組成關系（composed of）等。本體的相關概念間的關系是指實體的二元關系如繼承關系（kind of）、影響（affect）、誘發（induce）、屬性關系（property of）等。

（3）屬性

UE_Properties 表示對城市事件進行描述的概念集，包括對象屬性和數據屬性。對象屬性如城市事件的類型、標識I。數據屬性即城市事件概念特征數值屬性，如事件的預警等級。

（4）公理

UE_Axions 指城市事件永真公理集合。

（5）實例

UE_Instances 表示城市事件概念、關系或情景的實例化。

基于以上內容，可以看到城市部件本體和城市事件本體的多重關聯關系。其中城市事件可直接作用于城市部件并對其產生影響和變化，且城市部件可作為城市事件的應急資源與應急環境。如消防栓、防汛墻、防撞桶、充電樁等部件可在應急響應中作為救援物資使用。城市部件作為城市空間中的地理實體，是應急環境的一個子類。

5 結論

本文從智慧城市應急響應的角度對城市管理部件和事件的關系進行研究。引入本體的方法，一方面集成了已有的城市事件和部件的概念，形成更加通用、完備、準確的知識理解，滿足標準化的通用模型；另一方面從應急資源和應急環境的角度描述了部件和和事件本體的關聯關系，本體結合UML 圖形化的方式，使可視化表達更加清晰。從而證實了城市部件作為重要的應急資源，能夠有效支持城市事件的響應行動，同時也是城市事件的作用對象和影響實體。本研究是定量計算城市部件和事件的關聯關系的重要依據，對指導管理部門快速響應、合理調配資源具有重要意義。