城鎮燃氣管網應急處置知識圖譜構建與應用

姚衛華, 葛悅, 鄧兵兵, 葉雯靜, 徐亞博

(北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所, 北京 100054)

中國城市化進程的深入推進使得能源供給的策略不斷向清潔能源傾斜,在低碳生活和節能減排的態勢下,城鎮燃氣行業發展迅速。據《城鄉建設統計年鑒》顯示,2022年全國燃氣用戶共計約3.18億戶,普及率已超98%。隨著燃氣使用量以及用戶與日俱增,全國各地燃氣事故時有發生,據《全國燃氣事故分析報告(2022年·全年綜述)》顯示,僅在2022年間,全國共收集到媒體報道的國內(不含港澳臺)燃氣事故802起,造成66人死亡,487人受傷,其中較大事故10起。針對各類燃氣事故,實施標準化、規范化的應急處置流程和措施,提升事件處置效能,盡可能減少事故損失有賴于標準知識的科學運用。

標準文獻作為法規的量化和延伸,在燃氣管網安全管理中的作用日漸突出。目前,城鎮燃氣管網標準文獻的傳播和存儲形式以電子版、紙質版為主,無法實現標準文獻間知識交叉關聯,以及標準文獻知識的快速檢索和精確匹配。《國家標準化發展綱要》中明確提出要不斷提升標準的數字化水平。標準數字化轉型既是數字技術變革的必然結果,也是行業領域標準應用的突破口,這為圖譜化標準運用于燃氣管網事故應急輔助決策提供了重要前提。現通過建立燃氣管網災害情景應對標準要素知識圖譜,以提升事故分析效率,提高事故標準化、規范化處理水平,從而控制城市燃氣管網事故的事態發展。

1 相關研究

標準作為一種規范性程度相對較高的信息資源,具有圖譜化的先天條件。選擇圖譜作為標準的語義化組織基礎,能夠較好地規范標準文件解構,表達標準內容的知識邏輯。Ren等[1]搭建了以標準知識圖譜結構和應用為內容的框架;張慧等[2]以標準前言及規范性引用文件為切入點,編制出以標準文獻描述與組織機構的關聯關系為內容的圖譜;楊躍翔等[3]建立了標準文獻的通用框架以及標簽集,利用可擴展標記語言(eXtensible markup language,XML)標注實施知識抽取,闡釋出通用型標準文獻知識圖譜的建立方法;尤薇佳等[4]利用機器學習和模板匹配等方法進行知識抽取,構建知識圖譜以實現對突發事件標準中知識的跨標準協同查詢。在專業標準文獻方面,知識圖譜技術已在食品安全[5]、綠色標準[6]、建筑安全[7]等方面進行了應用。

在事故應急輔助決策方面,學術界利用知識圖譜方法在對事故案例、應急預案、管理規程等分析的基礎上,在電力、煤礦、鐵路、自然災害等事故應急中進行應用。周義棋等[8]采取基于規則和深度學習的知識抽取方式對應急預案進行知識抽取,提出電網應急預案知識圖譜的構建方法;王群弼[9]使用了基于依存句法分析方法抽取了電力調度管理規程的三元組,構建了電力調度管理規程知識圖譜;姜磊等[10]從歷史數據中提取源荷狀態,構建以調壓裝置狀態、系統數據與控制策略為核心實體的配電網電壓控制知識圖譜;葉帥[11]針對煤礦領域文獻、安全事故案例等信息進行分析,根據煤礦知識體系劃分實體和關系的類型形成知識網絡,構建了煤礦領域知識圖譜;朱慶等[12]圍繞鐵路隧道鉆爆法施工事件,以安全、質量、進程三維度建立對應領域的知識圖譜;李鈺[13]面向自然災害應急領域,分別構建知識圖譜的數據層和模式層,設計了自頂向下與自底向上相結合的知識圖譜構建方法;杜志強等[14]將自然災害、應急任務、數據分析、模型方法等四要素融入洪澇災害應急的知識圖譜之中;陶坤旺等[15]總結了面向一體化綜合減災的知識圖譜關鍵技術,包括知識抽取、信息融合、知識建模和知識存儲;李聰等[16]從人-物-環-管的角度對燃氣泄漏過程進行梳理,分析火災爆炸等次生事故包含的實體、屬性和關系,建立燃氣管網泄漏事件圖譜。李思潔等[17]以燃氣突發事件應急處置案例為研究對象,對燃氣突發事件及其應急處置信息進行知識抽取、知識表示,建立了相應的知識圖譜。

綜上所述,當前基于標準文獻構建知識圖譜的研究停留在通用型標準文獻內容拆解、信息抽取以及實現方法;用于應急決策的知識圖譜研究停留在事故案例、管理規程、應急預案等方面的知識抽取和構建。針對燃氣管網應急標準的圖譜化系統性不強。現運用知識圖譜對城鎮燃氣管網應急標準體系進行分析,利用Neo4j實現對燃氣管網應急處置環節的知識可視化。研究結果力求從海量標準文獻中獲取關聯知識,更好地服務于由散亂的舊有應急知識獲取到智聯的新型知識服務的轉化,提升標準文獻知識在應急處置環節的工具效能,提供符合應急響應實踐需求的知識脈絡。

2 知識圖譜構建方法概述

2012年谷歌公司提出了用于知識表達的方法——知識圖譜,這種結構化語義的知識庫,是以三元組的形式對實體及其關聯關系進行建模,以建立基于實體或屬性相互連接的網狀結構[18-19]。目前,知識圖譜廣泛應用于智能問答、數據分析、數據推薦、輔助決策等領域。知識圖譜通過命名實體識別、實體間關系抽取等技術,將真實世界中的廣闊自然語言文本中的實體、關系以節點和邊的形式,以<頭實體-關系-尾實體>的三元組形式構建結構化的語義知識網絡,并可以憑借圖的形式展現出來,賦予了機器理解世界知識的能力。

知識圖譜的構建方式主要包括自頂向下、自底向上以及混合3類。自頂向下是通過提出要素、實體、關系和屬性的類型,建立知識要素框架,形成基本知識系統,即模式層;與之相反,自底向上的數據層構建是從標準文獻等數據源途徑進行知識抽取,逐步形成并不斷更新概念與概念間關系的組織架構,所依賴的數據源數據量龐大。而混合方式是在具備預定義模式層的條件下,隨著不斷地知識抽取,對模式層實施修正,提升知識組織架構的置信度。

由于標準文本結構規范、特征明顯,但應急處置核心要素專業性需求高,且重視數據間的關聯關系。因此,本文研究中采用自頂向下與自底向上相結合的方式構建燃氣管網應急處置知識圖譜。首先,通過專家分析法分析標準文本的內容,采用自頂向下的方式構建模式層。之后,在模式層的指導下,采用自底向上的方式構建數據層,進行實體、關系以及屬性的知識抽取,建立知識圖譜,相關流程展示如圖1所示。

圖1 燃氣管網應急處置知識圖譜的構建Fig.1 Construction of knowledge graph for emergencyresponse of gas pipeline network

知識圖譜構建的關鍵技術主要包括知識抽取、知識融合、知識更新等。知識抽取是指面向非結構化的數據,通過自動化的技術,抽取出結構化的信息和可用的知識單元。在早期知識抽取主要通過啟發式算法與規則相結合的方式來實現,現在常用的方法有借助本體與詞匯集,借助多層神經網絡和自然語言處理等。實體是知識圖譜中的最基本元素,其抽取的完整性、準確率、召回率等將直接影響到知識庫的質量。

知識融合是指將信息融合到一起進行統一,以消除矛盾和歧義。來自不同數據源的概念可能在含義、指代粒度上有所不同,存在的問題主要有:命名相同概念可能指代不同的實體;命名不同的概念可能指代相同的實體;概念指代的粒度不同。

知識更新是指在已有的知識庫和數據的基礎上進一步對知識進行推理,或將新知識代替已有知識,從而豐富、擴展和補充知識庫。

3 燃氣管網應急標準文件

采用國家標準全文公開系統、中華人民共和國住房和城鄉建設部官網等資源,以燃氣、管道、應急等為關鍵詞,下載獲取燃氣應急標準文獻PDF格式共400余份,涵蓋突發事件預防準備、監測預警、處置救援和恢復重建等應急管理全流程。部分燃氣管網應急標準如表1所示。為了彌補標準在職責分工、工作流程等方面約束內容的缺失,同時下載整理燃氣應急相關的法律法規、應急預案等文件。因此,本文提及的應急標準文件涵蓋標準、法律法規、應急預案等。

表1 部分燃氣管網應急標準文獻Table 1 Part of gas pipeline network emergency standard literatures

相較于法規、規范性文件以及其他文獻,標準具有以下顯著特征。

(1)標準的版權規定客觀上造成了其全文獲取的便利性不佳。以圖像掃描并存儲為主要傳播方式導致計算機無法直接讀入標準信息。以文字識別技術作為輔助手段實施文字轉化,雖然間接上解決了數據可讀性問題,但信息的傳播效率沒有顯著提升。

(2)標準具有規范、明確的構成要素,其包含封面、目次、前言、引言、范圍、規范性引用文件、術語和定義、核心技術要素等。其中,標準核心技術要素文本的專業性強,內容復雜,且包含了大量燃氣領域的專有名詞和專業術語,如管道非開挖修復更新、帶壓開孔、對開三通、犧牲陽極陰極保護、強制電流陰極保護等。這些專業詞匯無法利用通用的語言處理技術應用于標準文本中。

(3)標準文獻的實體往往由多個詞語嵌套構成,實體的界限模糊。例如,鋼質管道搶修作業,地下泄漏點開挖作業等。應急處置有一定的工作流程,各種動作之間有時序關系,如燃氣泄漏搶修宜在降壓或停氣后進行等。而且,每種施工工藝均有適用的工藝條件和施工過程等,施工工藝復雜。

充分考慮上述特點,對燃氣應急標準文本內容實施解析和歸納,提出燃氣管網應急處置環節的主要概念及屬性,明確關聯性,以建立針對性的知識圖譜。

4 燃氣管網應急處置知識圖譜構建

4.1 模式層設計與構建

作為知識圖譜的組織架構,模式層描述了特定領域內的實體、關系以及屬性。其明確了概念、屬性,定義了概念間的關系,劃定數據層的實體、關系和屬性的抽取機語義關聯的范圍。

城鎮燃氣管網突發事件應對是指在突發事件發生之前、期間以及之后,突發事件應對主體,按照相關規定和經驗,合理調用應急物資,開展預防、準備、響應及恢復的工作。基于這一定義,城鎮燃氣管網突發事件處置知識圖譜的模式層由應對主體、應對客體、應急物資、應急管理、參考依據5個核心要素以及它們之間的相互關系構成。 知識圖譜的模式層如圖2所示。

圖2 燃氣管網應急處置知識圖譜模式層Fig.2 Scheme layer of gas pipeline network emergency rescue knowledge graph

(1)應急主體要素分類。在燃氣管網突發事件應急處置過程中,參與應急救援的核心要素為“應急主體”,是指在突發事件處理中對客體有認識和實踐能力的人或組織。參與救援的人或組織作為應急處置過程中的中堅力量,其人員素養和能力水平等因素決定了應急處置的工作質量和效率。應急主體要素可分為政府機構、非政府組織、個體或群體3類。其中,非政府組織可進一步細分為燃氣公司、燃氣使用單位、電力公司、專業應急救援隊伍、社會應急力量等;燃氣公司又可進一步細化為現場指揮、新聞組、協調組、控壓小組等。

(2)應急客體要素分類。應急客體是指突發事件應對過程中需要應對、救援的對象,包括突發事件以及需要救助、重建或恢復的承災載體。突發事件細分類事故類型、事故等級、燃氣氣質、發生地點、發生部位、發生時間等。其中,事故類型細分泄漏、火災、爆炸、中毒和窒息等。事故等級細分類特別重大、重大、較大、一般;燃氣氣質細分為人工煤氣、天然氣、液化石油氣等;發生地點細分為戶外、戶內、廠站等。發生部位細分為管段、閥門、連接附件等;參照GB/T 32572—2016《自然災害承災體分類與代碼》中規定,承災載體細化為傷亡情況、財產損失、周邊環境、管道破壞等。

(3)應急物資要素分類。應急物資是指為突發事件應對全過程中所需的物資保障。參照GB/T 38565—2020《應急物資分類及編碼》、DB11/T 1913—2021《專業應急救援隊伍能力建設規范 燃氣》等規定,應急物資細分為基本生活物資、工程材料與機械加工設備、應急裝備及配套物資;其中應急裝備及配套物資又細分為個體防護類、搶險救援類、綜合保障類;個體防護類又細分為頭部防護、眼面防護、呼吸防護、軀干防護、手部防護、足部防護、墜落防護等;搶險救援類細分為檢測/監測裝備、搶修作業裝備、破拆裝備、有限空間作業裝備、備件;綜合保障類細分類車輛、通信、照明、警戒等。

(4)應急管理要素分類。應急管理是指在突發事件發生之前、期間以及之后高效開展預防、準備、響應及恢復工作。參照《突發事件應對法》,應急管理細分為預防準備、監測預警、處置救援、恢復重建4個階段。預防準備又細分為風險管理、應急預案體系建設、應急物資儲備、應急演練、培訓等;監測預警細分為監測、預警;處置救援細分為信息報送、指揮研判、行動救援、信息發布、救援結束;恢復重建細分為調查評估、恢復、重建、救援。部分三級要素還可以進行進一步細分,比如,行動救援根據燃氣事故類型細分為濃度檢測及環境監測、控邊及疏散、自救互救、查漏定位、管道控壓、開挖亮管、制定方案、作業修復、收尾恢復等。

(5)參考依據要素分類。參考依據是指支撐突發事件應對領域各要素的規范性文件,包括法律法規、政策文件、應急預案、各級標準。這些依據從理論和實踐經驗兩個層面為應急處置提供工作條件,能夠有效規范、約束應急救援的科學性,或者為應急處置工作提供支撐。參考依據細化為依據層級和依據內容,其中依據層級細分為法律法規、政策文件、應急預案、各級標準;依據內容細分為標準號、標準中文名稱、適用條款號、適用內容等。

4.2 關系類型設計與構建

基于模式層輸出的關于燃氣管網應急領域的概念,要進一步挖掘概念間的關聯,其對構建本體模型具有重要意義。標準系統內的概念關系定義參考了楊躍翔等[3]給出的標準文獻本體概念間的關系。除此之外,結合燃氣管網事故應急領域的關鍵環節和步驟,得到燃氣管網應急處置本體概念間的關系。一級概念層部分關系描述如圖3所示。

圖3 燃氣管網應急處置核心要素及關系Fig.3 Core elements and relationships of emergency response forgas pipeline networks

參考依據明確了應急管理的流程,應急主體的職責與分工,以及應急客體、應急物資的概念和范疇。應急物資為應急主體提供保障,應急主體遵守或者利用參考依據的指導,對應急客體進行全流程應急管理工作。燃氣泄漏行動救援進行檢測孔內燃氣濃度檢測時,需遵守CJJ/T 215—2014《城鎮燃氣管網泄漏檢測技術規程》3.2.6的有關要求,比如,檢測孔位于管道上方;其數量與間距應符合找出泄漏燃氣濃度峰值的要求等,CJJ/T 215—2014行業標準為應急管理中的行動救援提供約束要求。燃氣應急預案約束了應急主體的職責與分工。GB/T 38565—2020《應急物資分類及編碼》、DB11/T 1913—2021《專業應急救援隊伍能力建設規范 燃氣》等規定了應急物資的分類等,為應急主體提供保障。

4.3 數據層設計及構建

構建數據層需要對知識實施抽取、融合及更新3個主要步驟。

(1)知識抽取。模式層的知識架構為知識抽取的實施提供基本指導,在海量的非(半)構化數據中利用特定的抽取方法,獲取以實體、關系及屬性為內容的結構化信息。對于標準的數據層構建而言,其核心工作在于標準化文獻的語義處理,就是將原始標準素材通過文件轉化工具,轉化為標準文獻XML文件,借助XML的語言為標準文獻供給可操作性原始數據。

楊躍翔等[3]在國家標準《基于XML的國家標準結構化置標框架》的基礎上,參照美國國家信息標準協會(National Information Standards Organization,NISO)標準標簽集,將標準標簽集進行了拓展和細化,標簽集涵蓋75個元素,包括標準文獻的封面信息、前言部分信息等基本要素以及各個段落中文本的標簽。基于拓展后的標簽集,對相關的標準文獻采用光學字符識別(optical character recognition,OCR)文字識別技術,利用XMLSPY進行標準文獻XML轉化,實現標準文獻的結構化處理。結果樣例如圖4所示。

圖4 標準文獻XML格式轉化示例圖(部分)Fig.4 XML format conversion example diagram of standard document(part)

由于燃氣突發事件應急處置專業性較強,領域詞典的構建研究較少。伊然等[20]提出了一種基于Word2Vec的事故災難領域詞典構建方法,運用TF-IDF算法,使用Word2Vec模型,通過人工識別的方法辨析出事故災難詞典。本文研究采用該領域詞典構建方法和流程,以燃氣管網應急標準文獻為語料庫,構建出燃氣突發事件應急領域詞典。構建流程如圖5所示。

圖5 燃氣管網應急處置領域詞典構建流程Fig.5 The process of building gas pipeline network emergency rescue domain dictionary

根據400余份燃氣管網應急領域的標準文獻凝練術語4 088個,將其納入領域詞典(表2),對上一階段的種子詞、候選詞比對去重,最終獲得燃氣管網應急處置領域的詞典總計包含7 023個詞。

表2 燃氣管網應急處置術語(部分)Table 2 Terms of gas pipeline network emergency rescue(part)

(2)融合與更新。融合是知識再加工的關鍵環節,通過實體消歧和共指消解兩種方式對知識體進行提純。在實體的表達中可能會存在多種語義模糊實體界限,由于燃氣行業有明確的術語規范,而且標準文本有嚴格的要求,相對規范且實體詞義僅限于燃氣領域,實體歧義和共指消解的問題基本不存在。

隨著燃氣工藝的技術演進、標準文獻的動態更新,知識圖譜的自我完善機制的建立和運行具有現實性。燃氣管網應急處置知識圖譜的動態更新機制可分為模式層和數據層,模式更新的主要內容在于根據新興概念的特征,對實體的類型以及關系的類型進行更新;而數據更新關注于標準自身的迭代,注重對知識質量及有效性的評估,根據評估結果及時修正無用知識,或增加新的概念數據。

5 知識圖譜的可視化實踐

Neo4j圖數據庫具有高性能、擴展便利、支持海量數據儲存以及易于維護等特征。采用該數據庫作為數據存儲的數據庫。由第三方破壞及腐蝕導致的泄漏事故占燃氣管網事故的82.1%,因此,以燃氣管網泄漏突發事件應急處置救援為例,通過對燃氣突發事件相關法律法規、應急救援預案、技術標準等文本資源通過知識抽取,形成不同節點與實體之間的關聯關系。將相關數據導人數據庫進行存儲與表示,從而實現燃氣管網應急處置知識圖譜的可視化。

知識圖譜本身具有Cypher語句查詢的功能,作為一個數據庫,燃氣管網應急處置知識圖譜具有指導操作和標準糾錯兩方面的應用前景。

(1)知識圖譜是標簽與圖形的結合,利用知識脈絡展現不同知識之間的邏輯連接。一般而言燃氣安全事件的處置是現場應急人員根據專業知識結合事故經驗制定處置方案,方案的好壞依賴于救援個體的能力水平,而應急處置的知識圖譜則提供了一種基于知識系統的科學研判機制,運用邏輯關聯以點觸發不斷拓展和深化知識范圍和層次,協助現場人員制定處置策略。通過知識圖譜化的過程及成果,對零散的知識源進行體系化、標準化和規范化處理,實現了知識驅動型的事件處置機制,提升現場處置的科學性。

(2)通過分析知識圖譜,可以檢測不同標準文獻之間是否存在不一致等知識沖突現象。比如,GB50028《城鎮燃氣設計規范》第10.2.39條,放散管管口應高出屋脊(或平屋頂)1 m以上或設置在地面上安全處;GB50041《鍋爐房設計標準》第13.3.4條,放散管的排出口應高出鍋爐房屋脊2 m以上;針對放散管的安裝高度存在不一致。GB50028《城鎮燃氣設計規范》附錄E.0.6,鍋爐房等可劃為非爆炸危險區域;GB50041《鍋爐房設計標準》第15.2.2條,燃油、燃氣鍋爐房的鍋爐間等有爆炸危險場所的等級劃分,應符合GB50058《爆炸危險環境電力裝置設計規范》的有關規定。針對鍋爐房是否防爆的規定存在不一致現象。另外,術語相同,定義不同也是較為典型的現象之一。例如爆炸下限在不同標準的具體表述上存在細微差別,如圖6所示。

6 結論

借助知識圖譜技術對燃氣應急標準文獻進行知識組織,搜集整理了400余份相關燃氣的國家、行業、地方和團體標準,以及對應的法律法規和應急救援預案等文件,提出了一種自頂向下與自底向上相結合,適用于燃氣管網應急處置環節的知識圖譜構建方法,形成了知識圖譜的模式層;針對燃氣管網應對標準文本的特性,梳理出燃氣應急領域專用詞典,綜合使用多種深度學習模型進行知識抽取,構建知識圖譜的數據層。最后,應用Neo4j對燃氣管網應急處置知識進行了可視化,可以較好地展示標準的知識語義關聯。

通過知識圖譜構建的手段打通燃氣管網領域標準數字化的技術路徑,將研究成果應用到城市燃氣管網事故應急處置現場,可以提高突發事件應對標準在實際應用中的使用效率,充分發揮標準的支撐作用,實現燃氣管網突發事件應急處置標準快速化應用的效果,提升實際過程中城市燃氣管網事故應急處置過程的科學性、標準化程度和專業化水平。建立燃氣突發事件應對標準要素知識圖譜,助力推動快速利用現有燃氣領域標準文件信息輔助進行科學精準應急決策。