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  • 作者：孙立坚 刘晓东 徐胜华  文章来源：独上高楼  发布日期：2008-11-18  浏览次数：38
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  • 突发事件快速信息发布理论框架研究[1]

     

    孙立坚1 刘晓东1 徐胜华1,2

    （1、中国测绘科学研究院，北京 100039； 2、武汉大学，武汉 430079）

     

    [摘要] 本文首先提出了突发事件快速信息发布的理论框架，界定了突发事件快速信息发布的内涵和外延，提出了一个工作流的分层概念模型和一个与之有关的基于XML的元数据分层描述，由此形成了一个基于XML元数据的从高层的业务应用到底层的分步、动态资源的逐层绑定的运行机制，初步解决了从突发事件业务工作流到底层分布服务和资源的装配问题；通过量化符号矩阵，提出了量化的符号提取算法，引入模糊数学领域的模糊综合评价方法为符号的提取提供了评价依据。试验结果表明，该算法具有较好的处理性能和较高的可伸缩性。

    [关键词] 突发事件 信息发布 工作流 XML 模糊综合评价

     

    The Study On Theory of Emergency Information Published Rapidly

    SUN Li-jian1，ZHU Yi1，LIU Xiao-dong1，XU Sheng-hua1,2

    （Chinese Academy of Surverying and Mapping,Beijing 100039,Wuhan University,Wuhan 430079）

    Abstract: This paper is about the new theory about emergence information published rapidly, we define the connotation and extension of emergence information published rapidly, then put forward a layered concept model for workflow and a hierarchical descriptive model of XML metadata, and upon which established a mechanism for workflow assembly and execution navigated by XML metadata. We also put forward the symbol  matrix and an arithmetic of symbol pick-up by fuzzy comprehensive evaluation. By analyzing an example,the effectiveness and practice of the present method are proved.

    Keywords: emergency information published rapidly workflow XML fuzzy comprehensive evaluation

     

    0引 言

    我国是一个灾害多发的国家，仅气象灾害每年平均造成4000多人死亡，有近四亿人次受灾，有近五千万公顷农作物受灾[1]，绝大多数的自然灾害、事故灾难等突发事件与空间位置直接或间接相关。目前以遥感、地理信息系统、全球定位系统为代表的空间信息技术已经成为各国政府应急响应普遍采用的高科技手段。在四川“5.12”汶川特大地震的抗震救灾工作中，空间信息技术在灾害监测、灾情评估、抢险救灾、次生灾害预防、灾后恢复重建的选址与规划等工作中发挥了重要作用。我国高度重视突发事件的预防和处理，建立了国家应急处理机制，这对于“提高政府保障公共安全和处置突发公共事件的能力，最大程度地预防和减少突发公共事件及其造成的损害，保障公众的生命财产安全，维护国家安全和社会稳定，促进经济社会全面、协调、可持续发展。[2]”具有非常重要的意义。其中突发事件的信息发布是获取灾情信息以满足不同受体信息需要的重要渠道，是指挥、协调、维护社会稳定的关键手段。

    目前世界各主要发达国家对于突发事件应急处置相继建立了比较完善的制度，并开展了相关领域的研究，而相对于国外而言，目前在国内，突发事件应急管理的研究相对要滞后些,尤其是在突发事件信息管理方面。目前我国的信息发布内容还大多停留在原始数据及文字级上，已有处理发布信息系统也大多人工处理多，自动化程度低及发布形式简单，因此亟待开展应急信息发布理论、发布内容（突发事件有密切关联的地理位置、灾情属性等重要信息）及相关技术（可视化、自动化快速发布）的研究。

    1、突发事件信息快速发布的界定

    研究突发事件信息发布，首先要对其概念的内涵和外延有清晰的界定。因为只有了解了“是什么”，才会准确的认识“做什么”。总之辨明突发事件信息发布的界定，是研究突发事件信息发布框架的基础，同时也能帮助我们在研究过程中既做到有的放矢又不失全面完备。本文分突发事件与信息发布两个方面进行界定。

    1.1突发事件的界定

    突发事件是一类无秩序的意外事件，由于人们对该事件的知识和信息掌握甚少，所以由事件产生的一系列问题都是属于结构不良或非结构化问题。突发事件是人们对难以预测事件的通称。如果突发事件不能得到有效应对和及时处理，往往诱发危机，突发事件可以看作危机的前期。同一般事件相比，突发事件具有以下三个特征：突发性、严重性、紧迫性。

    引起突发事件的因素比较多，而且错综复杂，有系统内部的也有外部的，也有自然的和人为的，结合近年来的区域灾害系统理论，可把突发事件（B）看作是人（P）、物（S）、孕突发环境（E）三种基本因素综合作用的产物，即

    B  =  P∩S∩E                            (1)

    上式中，P和S是突发事件产生的充分条件，E是影响P和S的背景条件，针对目前的研究范围，E是地球物理系统，包括大气圈、岩石圈、水圈和生物圈[3]。按照突发事件的起因，可以将突发事件分为：条件突发事件和随机突发事件，前者是指由于人的错误判断、错误行为、物的因素和自然因素作为直接原因和间接原因所引发的突发事件，这类事件的发生中带有一定程度的必然性，可以通过分析事件发生的条件和前因后果，估计其可能发生的概率，类似这样的事件有地震、洪涝灾害、爆炸等自然灾害；后者是指由于人的意愿改变、管理不当或社会因素作为直接或间接原因引起的突发事件。类似这样的事件对人类健康有害的传染病、外交争端以及战争。突发公共事件按照其性质、严重程度、可控性和影响范围等因素，一般分为四级：Ⅰ级（特别重大）、Ⅱ级（重大）、Ⅲ级（较大）和Ⅳ级（一般）[2]。

    1.2信息发布的界定

    这里要界定的不是信息发布的理论方法，而是关于信息发布对象的界定。我们首先定义事件发生、损失脆弱性及风险的概念。

    (1) 事件发生（Hi）：在暴露时间 范围内,发生强度等于或大于 的灾害事件的概率。它由物理过程触发因子 （如50年内可能的最大降雨量）的出现概率 乘以某地区承受等于或大于 强度灾害事件的敏感度 而得到，即 Hi = 。

    (2) 损失脆弱性（Ve）：在发生i强度灾害事件时, 某种单元受到影响或遭受损失风险的内在倾向。Ve可以通过Hi进行评估，也可以结合历史库或专家库进行评估。

    (3) 风险（Re）：在强度等于或大于i的灾害事件发生时，影响单元e的损失发生的概率（例如在给定时间t内, 超出某些社会和和经济的影响概率）；Re = f(Hi,Vi)。换句话说, 风险可以被理解为潜在破坏的地理分布或可能出现的社会和经济损失的空间分布。

    突发事件信息因为技术、时效及突发事件本身性质的特点往往描述各异，但是通过分析各种突发事件信息，我们认为突发事件获取信息至少包含事件发生（Hi）,而损失脆弱性（Ve）及风险（Re）则不是必须包含的，而突发事件发布信息则必须包含事件发生（Hi），同时损失脆弱性（Ve）及风险（Re）至少包含一项（如对于专家，我们可能需要发布把突发事件信息及与专家需要突发事件有关的其他信息，而对于普通社会大众则发布突发事件信息及预警预报信息即可）。自然及社会经济背景数据是进行突发事件信息发布的基础。背景数据主要包括地形、水系、人口、居民点、交通线、电力线、通信线、城乡居民点、经济产值及其它重要的设施目标等要素。其中，人口、居民点、经济产值等要素数据采用我国现行的行政区划系统组织管理，数据最低行政区划等级控制在乡镇一级。通过区分事件发生（Hi）而损失脆弱性（Ve）及风险（Re）而将自然及社会经济背景数据部分地包容进去。

    1.3信息发布速度的界定

    时间是度量信息发布速度的单位，不同的应急事件的信息获取、分析、处置因为技术及要求不同而有差异。快速信息发布就是有效利用各种先进的技术手段，在满足突发事件处置要求的时间内，以尽可能短的时间将含有加工的各类与突发事件有关的信息通过一定的渠道发布的过程。制约信息发布时间 的基本要素有：

    （1）原始信息获取周期 ：获取含有突发事件的基本原始信息是进行信息处理、发布的出发点。影响原始信息获取时间主要是技术和突发事件本身，如，某卫星获取数据周期为24小时、移动目标（卫星通信定位）数据在某地区获取周期为10秒；再如国家对于洪灾的灾情信息获取周期一般不超过6小时，而对于传染病的信息获取周期一般不超过24小时。即使是同样的突发事件，在不同阶段的数据获取周期也不一样，一般是性质越严重、严重程度越高、可控性越差和影响范围越大的阶段数据的获取周期越短，反之则越长。

    （2）信息处理能力（处理时间 ）：信息处理能力包括各种软硬件设备、技术路线及算法，是信息发布整个过程中可伸缩性最大的一个环节。不同的处理能力，系统的处理效率、准确度、发布效果差异很大，是决定信息发布的关键。

    （3）应急事件的性质（应急事件信息发布周期 ）：我国将重大突发事件分为自然灾害、事故灾害、公共卫生事件和公共安全事件4大类、15亚类和95子类，对于不同的突发事件各部门及各级政府都建立了相关的应急预案，绝大多数预案对相关的突发事件信息发布（含周期、范围、时效等）作了要求，一般是性质越严重、严重程度越高、可控性越差和影响范围越大的事件的信息发布周期越短，反之则越长。

    综上所述，一般来说，理想状态的信息发布时间 可如下表示：

          + , 不确定或 确定但无约束，0 , <∞

     =                                                                      (2)

         Max(( + ), )， 确定且约束，0 , , <∞

    对于公式2，如果 + > ，  = + ，则我们认为这是一次无效的发布，即发布时间大于突发事件处置需要。一般情况下， + < ,当 确定且约束，0 , , <∞时，即部门或各级政府对信息发布周期做了硬性规定，则此时  = ，为确定值，因此不在此次研究范围之内。本文旨在研究当 不确定或 确定但无约束，0 , <∞时，  = + ，而 为原始信息获取周期，仅受外部条件制约，也不在此次研究范围之内，因此，本文研究的目标将是如何使 最小。采用工作流及信息发布处理的新算法将提高系统的自动化程度，降低人工干预程度，不仅降低 ，而且使信息发布的准确率提高。

    2、基于工作流的分层突发事件信息发布模型

    工作流是一种重要的协作机制[5]，目的是实现整个或部分业务过程的自动化描述和运行。服务工作流是指为完成某一业务功能而对一个或多个Web/Grid服务的调用序列，服务是服务工作流的组成单位。Web服务与其他服务构成了服务环境，即工作流的运行环境。服务环境包含了服务以及服务所使用的资源。服务环境中的所有实体都是资源，如数据文件、处理能力、存储系统、数据库等。服务也可以看成一类特殊的资源。本部分针对突发事件信息发布，提出了一个基于工作流的从高层业务工作流到底层服务工作流的分层描述模型。按照任务粒度和抽象层次将工作流从高到低逐层进行建模，自上而下分别定义了业务工作流、抽象工作流和执行工作流等。

    2.1概念定义

    （1）业务工作流（Business WorkFlow，BWF）（或应用工作流）是完成特定业务功能并采用业务术语描述的工作流，BWF通常由业务应用者（突发应急指挥者或领域专家）基于领域知识制定，这一层工作流主要是面向业务领域的通用预案和业务方案等。

    BWF主要由任务节点组成，为支持跨领域、跨系统的语义共享与互操作，业务工作流中的任务节点均使用规范的业务术语描述。在业务工作流层，需要考虑BWF运行过程中，业务用户如何与工作流进行交互，及时控制工作流的恰当执行，保证工作流按照要求完成预定的处置。

    （2）抽象工作流(Abstract WorkFlow，AWF)（或抽象服务工作流）是为完成某一特定的业务功能，采用一个组织内定义的标准资源类（抽象服务或抽象资源）描述的工作流，工作流中的任务节点采用抽象服务（服务类、接口等）描述，数据节点采用抽象数据（数据类）描述。该层一般是由BWF部署到服务环境中执行时所生成的中间层工作流，为下一层执行工作流绑定具体资源和服务提供支持。

    （3）执行工作流（ Executable WorkFlow，EWF）是抽象工作流实现服务和数据的选取与绑定后生成的工作流，该层工作流可以直接部署到服务环境中执行。因为服务环境是动态变化的，所以EWF在执行过程中的自适应性及健壮性是一个需要重点考虑的问题、问题包括资源调用失败、流程停顿、死锁、异常处理、资源的多种选择策略等，从而向下保证资源的有效调度，向上保证真个业务过程的可靠执行。EWF中的任务节点和数据节点分别使用服务事例和数据事例描述，表1给出了一个三层工作流词汇描述的示例。

    表1 三层工作流的词汇描述示例

    工作流层次     工作流中的任务                            工作流中的数据

    业务工作流  用业务术语描述，如“计算序列”             用业务术语描述，如“隔离区”

    抽象工作流  用抽象服务描述，如“灾情评估”             用虚拟资源描述，如“遥感11 m波段”

    执行工作流  用服务实施描述，如http://192.168.11.1:8090/-    用资源实例描述，如\\192.168.11.11\5wdrg\-

                gserver/EvaluateService                        G45C001003.raw

     

    2.2分层突发事件信息发布模型

    图1 分层突发事件信息发布模型

    （1）信息发布中心收到突发事件信息后，决策者根据当前的事件动态，根据突发事件应急预案或上级指挥部门的要求，制定一个发布方案，即业务工作流，并将该方案进行编序形成序列，这一层的工作流完全根据应急事件数据由业务术语描述，不涉及抽象的或具体的资源和服务概念。

    （2）业务工作流中的每一个业务节点都会映射为下一层的抽象工作流，对于形成的计算序列，首先进行信息提取，提取出需要进行分析的信息和需要发布的信息，然后调用数据获取服务，查询数据根据具体应急事件而不同，归纳起来包括资源数据仓库（包括GIS数据，气象、交通、人口、经济等数据）和技术数据仓库（案例库、分析标准、法律法规、图谱等数据），将这些不同格式的数据转换成XML格式，并通过数据传输服务传送到本地，并调用具体的各种应急分析服务。该层工作流所涉及的服务或者资源等都是一种抽象的概述，不涉及具体的资源或服务实例。

    （3）抽象工作流中的抽象服务和抽象资源需要映射成具体的服务和资源实例，形成执行工作流，并部署到服务环境中，才能最终完成工作流的执行，上一层的抽象服务“信息提取”、“数据传输”、“人员疏散”、“物资调度分配”、“符号匹配”、“制图打印”等在这里分别映射为“InfoExtract()”、“DataTransfer()”、“PeopleToSafe()”、“Distribute()”、“MapSymbol”、“MapPrint()”等服务事例，这些事例都是指在某一特定主机环境中且绑定具体资源的服务，由于服务环境是一种分布、动态的环境，因此，服务和资源实例的选取需要根据资源选择策略确定，这是需要考虑负载情况、传输带宽、服务质量等因素。

    3、基于XML的分层突发事件信息发布元数据

    元数据是关于数据的描述性信息[6]，是说明数据内容、质量、状况及其它有关特征的描述信息。网络环境的元数据主要包括各类网络资源的描述，如地址、服务、用户、权限等，也包含语法、语义等方面的描述性信息。XML是W3C组织创建的一组规范，具有良好的可靠性和互操作性，提供在应用程序和系统之间传输结构化的数据的方法，本文采用XML作为分层突发事件信息发布模型的元数据描述方法。

    3.1业务层元数据描述

    突发事件信息发布在业务层生成业务工作流，支持方案的半自动化触发，该层的元数据包含两方面的内容：业务知识元数据和语义信息元数据。

    业务知识元数据主要包括各类应急知识，如预案、范例以及业务规则等的描述和所以信息，该类元数据帮助用户给予一个事件的描述信息自动查找和匹配到相关的业务知识，如相关的预案及业务规则等，通过这些预案、业务规则可以形成一个初步的处置方案，形成业务工作流。语义信息元数据是某类突发应急知识的语义描述信息，语义信息元数据可以基于一定的语义规则定义，能够指导用户对业务工作流片断进行调整和优化。

    3.2任务层元数据描述

    业务工作流是一个任务节点序列，其中的任一个任务节点可以映射成抽象工作流的抽象服务和抽象资源序列，任务层元数据主要描述任务节点与抽象资源和服务的映射关系，基于这样一种映射关系，一个业务工作流文档就可以自动映射成使用抽象资源和抽象资源描述的抽象工作流。下面是一份形成序列后的XML任务描述（片断）：

      http://www.casmGDE.com/GDE/task-order>

       ”任务序列”

    信息提取” operation = “InfoExtract”>

      variable type = “string”/>

      variable type = “string”/>

    数据获取” operation = “DataQuery”>

      variable type = “string”/>

      variable type = “string”/>

    数据转换” operation = “Datatransform”>

      variable type = “string”/>

      variable type = “string”/>

    数据传输” operation = “Datatransfer”>

      variable type = “string”/>

      variable type = “string”/>

    …

      variable type = “string”/>

    3.3规范层元数据描述

    规范层元数据是对分布式服务环境中同一类服务、数据等资源的抽象描述。该层的抽象服务元数据，是各业务领域实现服务的依据，也是工作流调用服务的标准。该层元数据主要是一些继承信息抽抽象信息，是对一些标准的资源类的同一描述，每一个资源类可以有不同的具体实现（或实例），比如抽象服务类可能有“InfoExtract()”、“DataTransfer()”、“PeopleToSafe()”、“Distribute()”、“MapSymbol”、“MapPrint()”等；抽象数据类可能有“空间数据”，“属性数据”，“其他数据”等；

    3.4物理层元数据描述

    物理层元数据主要是对分布服务环境中服务实例、数据实例等具体资源的描述，各业务领域将自己的共享资源和服务等通过注册接口注册到物理层元数据库，形成物理层元数据记录，这部分记录的内容主要包括：资源URL、IP、服务容器类型等。物理层元数据不仅描述了各个共享的服务或数据资源实力的信息，同时还描述了资源实例宿主机器的硬件信息机译系统负载情况，供资源选择模块调用。信息发布中的元数据主要包括空间数据和属性数据，空间数据描述了图层名称、空间范围、数据库的类型、访问方法等。服务实例元数据的设计参考Web服务技术的UDDI规范的Globus Toolkit 3.x的Index Service规范，描述了服务的名称、功能、部署地点、服务端口、服务接口、服务参数信息以及访问权限等。

    4、信息发布事务处理

    突发事件信息发布根据发布程度和要求的不同，深入到突发事件应急管理的全过程，突发事件信息发布涉及突发事件应急响应的方方面面，如“事件关联分析”、“物资调度分配”、“灾情评估”等方面，所有这些工作都是是信息发布的基础，工作成果都可以作为信息发布的内容，这是一个庞大复杂的系统工程，目前国内外很多机构或学者都在具体领域开展了富有成效的研究，如在事件关联分析领域美国Agrawal等人提出的AIS、Apriori、AprioriTid和AprioriHybrid算法，美国Zaki等人提出DHP算法，美国Savasere等人的PARTITION算法以及芬兰Toivonen提出的Sampling算法 (取样算法)等多次扫描算法；国内刘伟东等[9]将灰色关联度方法引入到灾害评估中，杨继军等[10]将博弈论引入到物资调度中，这都是富有意义的领域研究，本文重点研究信息发布中的符号快速匹配技术及其算法。

    符号是表达信息的有效手段，它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成，是一种图形语言。它与文字语言相比较，最大的特点是形象直观，一目了然。单个符号可以表示个事物的空间位置、大小、质量和数量特征；同类符号可以反映各类要素的分布特点；各类符号的总合，则可以表明各类要素之间的相互关系及区域总体特征。因此，地图符号不仅具有确定客观事物空间位置、分布特点以及质量和数量特征的基本功能，还具有相互联系和共同表达环境诸要素总体特征的特殊功能。符号匹配是指从众多符号中提取出与突发事件有关的符号，以便对突发事件进行符号化表达。

    定义1（表示可信度）：现实世界中的事物是具体的，而符号是抽象的，因此抽象化的符号与其描述的事物存在一定的差距，表示可信度 就是描述这种差距的，定义表示可信度 为符号i代表事物j的认可程度。   1，i  符号，j