基于本體的艦船火災(zāi)損管推理系統(tǒng)研究

，，

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064;2.浙江大學(xué) 智能系統(tǒng)與控制研究所，杭州 310027)

艦船火災(zāi)損管推理系統(tǒng)是一個數(shù)據(jù)分析推理系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測的不同火災(zāi)實時信息推理得出相應(yīng)的火災(zāi)態(tài)勢并選擇對應(yīng)的滅火措施。如基于傳感器信息推測出火災(zāi)發(fā)生地點、火災(zāi)等級、火災(zāi)蔓延速度及火災(zāi)持續(xù)時間等具體狀況，進(jìn)而輔助制定相應(yīng)的滅火決策?；馂?zāi)損管推理系統(tǒng)的推理條件來自主控制端發(fā)送過來的火災(zāi)數(shù)據(jù)，得出推理結(jié)論后將返回給主控制端作為滅火意見供控制人員參考，從而提高控制人員做出準(zhǔn)確的滅火決策的速度和效率，從而避免由于錯失滅火良機(jī)造成的人員危害和經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。

本文將本體技術(shù)引入到火災(zāi)損管推理系統(tǒng)中，通過本體建模技術(shù)對艦船火災(zāi)過程中涉及到的實體對象建模，并以此作為損管推理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在實體對象本體模型基礎(chǔ)上建立SWRL(semantic web language)推理規(guī)則[6]，然后將艦船火災(zāi)中涉及到的本體對象和SWRL推理規(guī)則轉(zhuǎn)化為專家系統(tǒng)外殼(java expert system shell,Java)推理機(jī)的事實庫和規(guī)則庫[7]。對于某火災(zāi)，根據(jù)發(fā)生的地點，等級，蔓延速度，持續(xù)時間建立火災(zāi)實例，對此實例經(jīng)過Jess推理機(jī)推理得出符合實際情況的推理結(jié)果，并給出建議滅火策略。

1 基于本體的火災(zāi)實體建模

1.1 本體的定義及其描述語言

本體(Ontology)的概念源于哲學(xué),即“對世界上客觀存在物的系統(tǒng)地描述”。在人工智能界，最早給出Ontology定義的是Neches等人，他們將Ontology定義為“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”。最著名并被引用得最為廣泛的定義由Gruber 提出，即“本體是概念模型的明確的規(guī)范說明”[8]。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為本體的概念包括4個主要方面:①概念化(conceptua lization):客觀世界的抽象模型;②明確(explicit):概念及它們之間聯(lián)系都被精確定義;③形式化(formal):精確的數(shù)學(xué)描述;④共享(share):本體中反映的知識是其使用者共同認(rèn)可的。在計算機(jī)領(lǐng)域討論Ontology,要點在如何表達(dá)共識,即概念的形式化,涉及到Ontology的描述語言和建設(shè)方法等。

1.2 火災(zāi)過程涉及對象本體構(gòu)建

艦船火災(zāi)損管推理系統(tǒng)的目的是要根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時的具體情況通過推理系統(tǒng)得到應(yīng)該采取的消防措施，供控制人員參考，以及時做出安全正確的滅火決策，從而達(dá)到最好的滅火效果。根據(jù)領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法以及一般本體的構(gòu)建步驟，對于火災(zāi)過程中涉及對象本體的構(gòu)建過程如下。

1)本體領(lǐng)域范圍確定。在艦船火災(zāi)損管領(lǐng)域，涉及到的基本概念見表1。

2)實體對象屬性定義。火災(zāi)本體的屬性分為對象屬性(object property)和數(shù)據(jù)屬性(datatype property)。對象屬性是火災(zāi)類、設(shè)備類和人員類之間的關(guān)系，而數(shù)據(jù)屬性是每個類自身的性質(zhì)。本文只對火災(zāi)類建立數(shù)據(jù)屬性，包括火災(zāi)發(fā)生地點、火災(zāi)等級、火災(zāi)發(fā)生時間、火災(zāi)持續(xù)時間和火災(zāi)蔓延速度等。

表1 火災(zāi)損管領(lǐng)域本體概念表

(1)對象屬性。基本定義域(domains)，即對象屬性對于哪些是有效的；作用域(Ranges)，即對象屬性的作用范圍；公理(axiom)有functions、transitiv、symmetric、reflexive和inverse function等反向?qū)傩?。本文用到Function和Transitive兩種。

(2)數(shù)據(jù)屬性?；径x域(domains)和對象屬性類似，指數(shù)據(jù)屬性對于哪些類有效；作用域(ranges)和對象屬性不同，這里指的是數(shù)據(jù)屬性的類型，大致的類型有以下幾種：string、dataTime、dateTimeStamp、integer、float、short、real、boolean和double等；公理(axiom)和對象屬性一樣，在數(shù)據(jù)屬性中本論文中只用了Function。對象屬性見表2。

表2 火災(zāi)損管領(lǐng)域本體數(shù)據(jù)屬性

3)建立實例。對于每一個類都建立一個實例，其中fire類下的子類是決定推理結(jié)果的。對于每一個子類的取值不同，會導(dǎo)致推理出不同的損管措施，即采用不同的滅火設(shè)備，所以是作為初始化條件輸入的。

建立類實例時需要設(shè)置每個實例的對象屬性的作用實例，本文的目標(biāo)是根據(jù)火災(zāi)的信息來推理滅火措施，即使用哪些滅火器去滅火，而滅火器是屬于設(shè)備類，設(shè)備類擁有has-FireHappenDuration、has-FireHappenTime、has-FireLocation、has-FireRating和has-FireSpeed對象屬性，所以對于設(shè)備類的實例可設(shè)置對象屬性到火災(zāi)類實例的關(guān)系，如：設(shè)備類有一個實例Device-1，這種設(shè)備有以下屬性：火災(zāi)等級為FireRating-General,火災(zāi)蔓延速度為FireSpeed-Q,火災(zāi)發(fā)生地點為FireLocation-Deck，火災(zāi)持續(xù)時間為FireHappenDuration-One,則可以判斷這個設(shè)備是火災(zāi)警報類FireAlarm，干粉滅火器類DryPowder，水基型滅火器類WaterBased，也就是說當(dāng)火災(zāi)的信息為上述情況推理結(jié)果為執(zhí)行火災(zāi)警報器報警、干粉滅火器和水基型滅火器滅火。

2 基于SWRL的火災(zāi)損管推理規(guī)則

由于本體本身并沒有建立規(guī)則的功能，所以使用SWRL來建立火災(zāi)損管推理的規(guī)則。SWRL(semantic web language)是集本體和規(guī)則于一體的一種語言，SWRL的規(guī)則部分由RuleML所演變而來，并結(jié)合OWL(web ontology language，Web本體描述語言)，目前已成為W3C規(guī)范之一。

2.1 火災(zāi)損管推理規(guī)則

根據(jù)之前已經(jīng)建立起來的火災(zāi)涉及對象本體來建立火災(zāi)損管推理規(guī)則，依據(jù)自定義的推理機(jī)制得到特定條件下發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)該采取的消防措施。通過下面的火災(zāi)實例及其對應(yīng)處理措施編寫對應(yīng)推理規(guī)則。

在機(jī)艙中發(fā)生一般火災(zāi)，火災(zāi)的蔓延速度是180 m/h，持續(xù)時間是1 min，這種情況采取的消防措施是火災(zāi)報警器報警，艙室值班人員拿手提滅火器滅火。

在SWRL的框架中，條件判斷的限制式是建立在Atom公理中，而真正的規(guī)則是建立在Imp中，在Imp中包含的head和body這兩者的限制式來源則是由Atom提供，這些限制式可以被不同的規(guī)則重復(fù)使用。下面將根據(jù)上例來定義對應(yīng)推理規(guī)則，包括Atom限制式和Imp規(guī)則。

2.2 建立Atom限制式

在火災(zāi)損管推理規(guī)則中將用到兩種限制式。

C(x)：C是OWL本體中定義的類，表示x是屬于C類的一個實例。

P(x,y)：P是OWL的對象屬性，而x、y可以是變量、OWL individuals或是OWL data value，這里基本上都是OWL individuals，即實例對象。

表3 火災(zāi)損管推理規(guī)則中的Atom表

2.3 建立Imp規(guī)則

基于上述Atom限制式，構(gòu)造火災(zāi)損管推理Imp規(guī)則如下。

Device(?X)^has-FireLocation(?x, Hang-er)^has-FireRating(?x, General)^has-FireSpeed(?x,Q)^has-FireHappenDuration(?x,One)->FireAlarm(?x)^DryPow-der(?x)^WaterBased(?x)實例X是設(shè)備,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生地點為機(jī)艙,火災(zāi)等級為一般火災(zāi),火災(zāi)蔓延速度為180 m/h,火災(zāi)持續(xù)時間為1 min時,符合上述條件的消防設(shè)備為:火災(zāi)報警器,手提式干粉滅火器或水基滅火器。

以上的規(guī)則實例只是根據(jù)前面場景給定定義的，在具體情況下規(guī)則的定義是非常靈活的，可以根據(jù)系統(tǒng)需求的改變隨時變動，而且規(guī)則的數(shù)量也可以增加和減少，在系統(tǒng)開發(fā)中可以不斷地完善。

3 JESS推理過程

在火災(zāi)損管推理系統(tǒng)中使用了Jess推理機(jī)作為推理引擎，該引擎支持正向和逆向推理，核心由事實庫、規(guī)則庫和推理機(jī)三大部分組成。因為Jess自身不能解析OWL和SWRL規(guī)則，所以需要把OWL本體和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)化為Jess能夠處理的事實和規(guī)則，在本文系統(tǒng)中采用Protégé的JessTab插件和Jess引擎，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

Jess的推理過程可以分為三步，①將火災(zāi)本體和SWRL推理規(guī)則轉(zhuǎn)化為Jess可以使用的事實庫和規(guī)則庫，這是推理的基礎(chǔ)。②建立推理的對象，也就是實例，這個實例是設(shè)備類的實例，并且使用主控端發(fā)送過來的火災(zāi)信息進(jìn)行初始化；即火災(zāi)等級類(FireRating)的實例、火災(zāi)發(fā)生地點(FireLocation)的實例、火災(zāi)蔓延速度(FireSpeed)的實例和火災(zāi)持續(xù)時間(FireHappenDuration)的實例。③初始化的方法是通過類的對象屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，分別為has-FireRating、has-FireLocation、has-FireSpeed和has-FireHappenDuration。

3.1 推理實例建立

建立推理規(guī)則后，在Jess推理引擎中建立如下的設(shè)備類(Device)實例，作為測試用例。使用火災(zāi)信息初始化設(shè)備實例，并給出推理結(jié)果，以驗證通過基于SWRL規(guī)則的Jess推理機(jī)，是否能得到正確的推理結(jié)果，實例見表4。

表4 測試實例Device_1及其屬性和預(yù)想推理結(jié)果

3.2 推理結(jié)果驗證

在設(shè)備類實例建立并初始化之后，使用SWRLJessTab中的RunJess工具來運(yùn)行Jess推理，可得到如下的結(jié)果。

設(shè)備實例Device_1的屬性中火災(zāi)發(fā)生地點為機(jī)庫，火災(zāi)等級為一般火災(zāi)，火災(zāi)蔓延速度為180 km/h，火災(zāi)持續(xù)時間為1 min，根據(jù)所建立的火災(zāi)本體實例的屬性信息(表2)可知：Device_1的火災(zāi)發(fā)生地點類的實例為Hanger，火災(zāi)等級實例為General，火災(zāi)持續(xù)時間實例為One，火災(zāi)蔓延速度實例為Q，所以對應(yīng)到SWRL推理規(guī)則中的body部分如下所示。

Device(Device_1)

^has-FireLocation(Device_1, Hanger)^has-FireRating(Device_1,General)

^has-FireSpeed(Device_1,Q)^has-FireHappenDuration(Device_1,One)

這個推理規(guī)則的body部分剛好和推理規(guī)則Rule-1相符合，所以推理結(jié)果如下。

->FireAlarm(Device_1)^DryPowder(Device_1)^WaterBased(Device_1)

在Protégé中的推理結(jié)果見圖1。

圖1 規(guī)則Rule-1的推理結(jié)果

在規(guī)則Rule-1選中的前提下，推理結(jié)果中只有Device_1，并且Device_1屬于火災(zāi)報警器類(firealarm)、干粉滅火器類(DryPowder)和水基型滅火器類(WaterBased),即說明采取的滅火措施是火災(zāi)報警器報警，同時用干粉滅火器和水基型滅火器滅火。

4 結(jié)束語

介紹火災(zāi)損管推理系統(tǒng)的組成部分與構(gòu)建過程，從火災(zāi)涉及對象本體的建模，到SWRL推理規(guī)則的建立，最后對基于火災(zāi)本體和SWRL推理規(guī)則的Jess推理過程，進(jìn)行了非常詳細(xì)的描述，并且通過預(yù)設(shè)火災(zāi)處理情景建立的火災(zāi)實例對火災(zāi)推理系統(tǒng)進(jìn)行了測試，驗證了推理系統(tǒng)的可靠性。

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