基于预案的突发地质灾害智能应急决策支持模型研究

【摘要】我国地貌形态多样、地质构造复杂,地壳断裂活动普遍,加之人类活动影响,是世界上地质灾害最严重、受威胁人口最多的国家之一,崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等受地质作用影响的地质灾害隐患多、分布广。受极端气象、地震、工程建设加剧等因素的影响,近年来我国地质灾害频发群发,人民群众生命财产遭受了严重的损失,对社会经济可持续发展产生了重大影响。随着社会经济的快速发展,大规模基础设施建设与水资源和矿产资源的不断开发对地质环境的影响仍在持续,而且本世纪前期气候变化和地震均趋于活跃期,因此从引发地质灾害的内外因来看,我国地质灾害的发生还将呈现出灾害种类多、分布地域广、发生频率高的趋势。在地质灾害应急管理与决策过程中通过采取有效的信息化手段,提高对突发地质灾害事件的快速反应能力,从而尽量降低灾害造成的损失,具有重要的理论意义和实用价值。地质灾害应急行动过程通常涉及跨区域、跨领域的多个部门,需要部门之间的相互协调与合作,而信息资源的共享与协同服务是应急决策支持系统的基础支撑。地质灾害应急管理的信息化水平在不断提升,空间信息技术也已经深入地质灾害应急管理与决策支持的各方面。但是,作为应急决策的重要依据和知识载体,由各级部门制定的地质灾害应急预案目前仍然主要以自然语言描述的静态文本形式存在,在地质灾害应急响应与决策过程中存在以下问题。(1)应急响应与决策过程需要多个部门的信息共享与协同服务,而目前很多决策所需信息是在灾害事件发生后通过人工方式向有关部门询问获得,不仅浪费了大量的宝贵时间,而且难以实现快速的信息融合与决策支持分析。(2)静态文本预案是非结构化文档,为应急决策过程提供的信息有限,而且无法实现预案知识的共享和重用,难以有效支持应急决策方案的制定。(3)预案是根据处置突发事件的经验预先制定的处置方法,而灾害的发生通常是不可预测的,在应急处置过程中出现应急资源不充足、应急力量变动、信息不确定等情况时,基于文本预案的决策形式具有很大的局限性。本文的研究旨在为突发地质灾害应急决策提供高效、智能、直观的知识支撑,辅助决策者迅速做出决策,目标是通过有效的技术手段在正确的时机以适当的形式为应急管理或决策人员提供合适的知识。首先,在出现地质灾害灾情或险情时,面对复杂的应急态势,能够快速获取决策所需信息并进行智能化的分析,有针对性的为决策者提供可用的决策支持信息。其次,利用GIS的信息分析与展示优势,为决策者提供友好的人机交互界面与直观可视化的信息,确保决策过程高效、有序进行,但是计算机决不能代替人做出决策。本文在查阅与调研国内外相关文献与资料的基础上,围绕地质灾害应急管理与决策过程中信息融合与协同服务不足、基于文本预案决策形式不足等问题,通过研究应急管理体系与机制、应急决策知识以及决策体系,设计了面向服务的地质灾害智能化应急决策支持体系。重点研究了基于本体建模理论的地质灾害应急决策知识表达方法,对基于预案的地质灾害应急决策所需知识作了形式化表达。并提出了事件态势驱动的地质灾害智能化应急决策支持模型,以实时应急态势为驱动,将知识本体推理技术与空间辅助决策支持技术相结合,对地质灾害应急决策所需基础空间数据、专题数据以及应急决策知识进行无缝融合,为基于应急预案的智能化决策支持提供一种可行的方案。主要开展了以下几个方面的研究：(1)分析与研究了地质灾害应急管理与决策体系。首先明确了地质灾害应急管理的原则与目标以及应急管理的对象范围,对地质灾害应急管理组织体系进行了研究,并从应急管理生命周期与工作阶段两个角度对应急管理机制做了详细的分析,将应急管理生命周期中的预防、准备、响应和恢复的应急管理内容与日常管理、汛期预警、临灾响应及灾后恢复四个阶段的工作进行映射。然后进一步对与地质灾害应急决策紧密关联的地质灾害预防与预警、灾险情速报与处理、应急响应与处置等三个应急业务过程作了详细的分析。在分析应急管理体系与机制的基础上,对地质灾害应急决策的特征及体系作了详细分析。地质灾害应急决策需要大量知识的支持,因此对地质灾害应急决策所需知识的组成、结构与特征进行详细分析,指出应急预案中由人力知识与技能知识构成的隐性知识是决策支持的重要依据,提出利用本体建模理论对以预案为基础的应急决策知识进行形式化表达的思路。最后提出了面向服务的地质灾害智能化应急决策支持体系,明确了本文的研究重点是：在该决策支持体系下,将应急决策知识本体与空间信息技术相结合,为应急响应与处置过程提供智能决策支持。(2)利用本体建模理论构建了基于预案的地质灾害应急决策知识本体模型PEOMG。首先对本体建模的相关理论、技术和方法基础进行研究和了解,包括本体的定义和分类、本体描述语言、语义网规则语言以及本体构建方法论,并且对本体在信息共享、信息检索、知识服务及决策支持等应用场景的功能做了分析。通过分析国家级、省市级、县级等多个不同级别的地质灾害应急预案文本,提取以预案为基础的应急决策知识建模要素,包括应急管理实体、应急行动过程以及应急业务规则。以本体建模的相关理论、技术和方法为基础,以ABC事件本体模型为顶层本体,通过重用其中的概念和属性并结合地质灾害应急管理的特点对概念及属性进行扩充,基于网络本体语言OWL对应急管理实体和应急行动过程进行知识建模。在应急管理实体和应急行动过程本体定义的概念和属性的基础上,利用语义网规则语言SWRL对应急业务规则作形式化表达,为基于知识本体推理的地质灾害智能化应急决策支持奠定基础。最后以某县级地质灾害应急预案为对象进行知识本体建模,验证了PEOMG的一致性和有效性。(3)提出了事件态势驱动的地质灾害智能化应急决策支持模型,重点对该模型中的应急态势感知模型、决策知识服务模型以及决策推理与分析进行了研究。态势感知是应急决策过程中的重要环节,是决策者与应急环境之间的桥梁,为决策方案的制定提供实时应急态势信息。首先提出了地质灾害应急态势感知三层模型,包括感知应急情境中的元素、理解当前的应急态势以及预测将来的应急状态,以实现应急决策事件态势的实时感知。然后从事件态势信息流的角度研究了应急决策知识服务的过程。地质灾害预警信息流与速报信息流是应急态势感知的主要途径,对于应急决策知识的动态获取具有重要的驱动作用。通过建立决策知识本体服务目录提供对应急决策知识的服务描述与获取方式。通过解析预警信息流或速报信息流中的特征元素,获得事件信息、态势信息以及时空信息,与知识本体概念进行动态映射,提取所需知识项。在此基础上,以事件实时态势信息为驱动,研究了基于应急决策知识本体与空间信息技术的地质灾害应急决策推理与分析方法。一方面,通过知识本体推理使决策者在宏观上明确应急响应级别、应急响应与处置的任务,根据预案中的人力知识和技能知识指导决策者组织相应的机构开展应急行动；另一方面,在时间紧迫、资源紧缺的情况下,考虑到预案知识不能为具体的指挥调度过程提供直观的依据,将空间辅助决策分析融入预案智能执行的过程,在微观上以直观可视化的形式为指挥调度与态势标绘提供技术支持,形成优势互补、宏观和微观结合的智能化决策支持技术体系。(4)设计并实现了突发地质灾害应急预案智能化原型系统,对突发地质灾害智能应急决策支持模型的理论方法进行验证。通过梳理应急预案执行流程,对区域地质灾害预警响应和单体地质灾害应急响应的流程进行分析与设计。基于面向服务的架构思想对系统作了体系结构设计,并以预案执行的流程为依据对系统功能进行合理的组织,实现了基于预案的应急管理与决策支持过程的数字化、智能化与可视化,验证了基于知识本体推理与空间辅助决策技术进行智能化应急决策支持的理论方法和技术体系的可行性。通过论文研究,主要的创新和特色在于：(1)在综合各级地质灾害应急预案内容的基础上,通过分析基于预案的地质灾害应急决策所需知识和技术框架,基于网络本体语言OWL和语义网规则语言SWRL建立了基于预案的地质灾害应急决策知识本体模型PEOMG。通过PEOMG可以在人与人之间以及人与计算机之间实现应急决策知识共享、重用与互操作,为地质灾害应急决策过程提供了一种语义协调机制。以PEOMG为模型基础,利用本体推理技术为预案流程的智能化执行提供了一种方法。(2)提出了事件态势驱动的地质灾害智能化应急决策支持模型。以事件态势信息流为驱动,通过Jena与Pellet组合进行决策知识推理,使决策者在宏观上可以明确应急响应级别、应急响应与处置的任务,同时将空间辅助决策支持技术融入知识本体推理过程,在微观上以直观可视化的形式为指挥调度与实时标绘提供支持,从而形成优势互补、宏观和微观结合的智能化决策支持技术体系。
【作者】刘晓慧；
【导师】吴信才；
【作者基本信息】中国地质大学，地图制图学与地理信息工程，2014，博士
【关键词】地质灾害；应急决策支持；应急预案；知识本体推理；GIS；

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