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发布时间：2022-01-20 11:00所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：目前煤矿领域本体侧重于对事故的预测，尚无针对煤矿作业人员操作安全性的本体研究。为及时发现作业人员的危险操作来为作业人员提供安全预警，提出了一种煤矿主要工种本体构建及安全规则推理方法。根据煤矿实际生产状况，将煤矿生产中的作业人员、操作设备、操
摘要：目前煤矿领域本体侧重于对事故的预测，尚无针对煤矿作业人员操作安全性的本体研究。为及时发现作业人员的危险操作来为作业人员提供安全预警，提出了一种煤矿主要工种本体构建及安全规则推理方法。根据煤矿实际生产状况，将煤矿生产中的作业人员、操作设备、操作方法、地点、环境、事故和状态等信息形式化表示，利用本体语言构建了覆盖采煤系统、掘进系统、机电运输、地质测量、通风瓦斯、综合防尘和选煤厂等多个生产系统的煤矿主要工种本体。根据煤矿领域专业文献中的安全生产规定，基于Jena自定义规则语法制定了安全规则，并基于安全规则实现对煤矿主要工种本体中作业人员操作安全性的推理。实验结果表明，基于煤矿主要工种本体及安全规则来判断作业人员安全状态有效可行，为煤矿安全生产提供了一种辅助保障手段。
关键词：煤矿工种;本体;安全规则;推理;Jena;操作安全性
0引言
随着煤矿开采力度不断加大，煤矿领域事故处于高发态势，煤矿安全形势十分严峻[1-2]。煤矿安全的首要目标是确保作业人员生命安全，通过有效技术手段及时发现作业人员的危险操作来为作业人员提供安全预警已成为研究热点。本体可提供一种统一、规范化的知识表示形式，解决数据集成中的异构问题，提高信息互操作性，有效实现领域知识的共享与重用[3-6]。
目前已有研究人员将本体应用到煤矿领域，用来监控煤矿生产，实现危险及时预警。药慧婷[7]构建了煤矿掘进工作面本体模型，为掘进工作面的安全生产提供了指导;张帝等[8]构建了基于本体的煤矿底板突水预测知识库，有效实现了突水事故预测预防;景江波[9]以瓦斯事故为研究对象，构建了基于时空约束的瓦斯事故本体，为瓦斯事故预警提供了支持与保障。但目前煤矿领域本体侧重于对事故的预测，尚无针对煤矿作业人员操作安全性的本体研究。本文利用OWL(WebOntologyLanguage，本体语言)构建煤矿主要工种本体，通过研究煤矿领域专业文献中的安全生产规定，基于Jena推理机自定义安全规则，可有效实现对作业人员操作安全性的推理，为人员安全生产提供智能化分析保障。
1OWL和Jena推理机
1.1OWLOWL由XML(ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言)和RDF(ResourceDescriptionFramework，资源描述框架)发展而来。OWL采用抽象的形式化语言定义各种实体、属性及实体间的逻辑关系，具有结构严谨清晰、形式化强、机器可解释性强等优点，在知识工程、信息检索、智能问答等领域有着广泛应用[10]。
1.2Jena推理机Jena推理机是一个基于Java的语义网应用框架，该框架中包含多种API，支持对RDF，RDFS(ResourceDescriptionFrameworkSchema，资源描述框架模式)，OWL等进行查询、推理等操作[11]。Jena推理机使用ModelFactory类将本体模型与推理机绑定，推理生成模型对象InfGraph，然后通过本体模型接口对其进行查询检索[12]。
2基于OWL的煤矿主要工种本体构建本文在七步法[13]和IDEF-5法的基础上构建煤矿主要工种本体，具体步骤如下。
(1)收集与分析领域本体概念。通过研究煤矿实际生产状况，参考《煤矿安全规程》(2016年版)、《煤矿安全技术操作规程汇编》等专业文献，确定领域本体中涉及的概念。
(2)确定本体框架，定义类和类的层次体系。煤矿主要工种本体的目的在于及时判断作业人员安全状态，而作业人员安全与否与自身操作方法、设备故障和环境异常变化息息相关。为全面描述井下生产实况，本文以作业人员(OperatingPersonnel)、操作方法(OperatingMethod)、操作设备(Apparatus)、地点(Location)、环境(Environment)、事故(CoalMineAccident)和状态(State)7个大类为基础框架构建煤矿主要工种本体。
(3)定义类的属性，实现类之间关于属性的约束。煤矿主要工种本体中的概念之间存在复杂的语义关系，如作业人员采取某种操作、作业人员在某处作业、设备出现故障、工作面出现异常环境状况等，可通过添加对象属性的方式来表征概念之间复杂的语义关系。同时，煤矿领域涉及大量数据，如甲烷浓度、作业深度、温度、压力、运行速度、电压、持续运转时长等，通过添加数据属性的方式可准确描述作业人员、设备和环境的数据信息。本文通过研究煤矿领域专业资料，抽象得到煤矿主要工种对象属性和数据属性，并添加到本体中实现类的约束。
(4)创建类的实例，有效表征煤矿生产情境。如定义ZhangSan是采煤打眼工的一个实例，具有workInWorkingPlace2，useDrillingTool1，wearSafetyHelmet1的属性，WorkingPlace2是WorkingPlace的一个实例，SafetyHelmet1是SafetyHelmet的一个实例，DrillingTool1是DrillingTool的一个实例，且具有属性(hasState)不合格(Unqualified)。这些实例表示的情境信息为采煤打眼工ZhangSan正在工作地WorkingPlace2工作，佩戴有安全帽SafetyHelmet1，使用着打眼工具DrillingTool1，且该打眼工具不合格。
(5)本体评估。
本文通过基于Tableaux算法的Pellet推理机对本体进行语义一致性评估，该推理机不仅支持对OWL本体的推理，还包含许多与外部推理机连接的知识库接口，支持更为强大的推理功能[14]。对本体进行语义一致性评估，可确保本体的逻辑性与准确性，为后续本体的使用打下基础。3基于Jena的安全规则推理基于Jena推理机对煤矿主要工种本体进行安全规则推理，保障井下作业人员安全。其主要步骤：①在构建完成的煤矿主要工种本体基础上，参考《煤矿安全规程》(2016年版)、《煤矿安全技术操作规程汇编》等专业文献中的安全生产规定，采用Jena自定义规则语法制定安全规则。②基于JenaAPI编写基于煤矿主要工种本体的安全规则推理程序，导入自定义安全规则，实现对井下作业人员安全状态的推理。
3.1自定义安全规则
Jena中支持多种推理机，包括传递推理机(Transitivereasoner)、RDFS规则推理机(RDFSrulereasoner)、OWL推理机(OWLreasoner)及通用规则推理机(Genericrulereasoner)等[15]。煤矿领域存在大量复杂的安全规则，本文采用可支持自定义规则推理的通用规则推理机。
自定义安全规则语法格式：[rule：(?xR1?y)(?yR2?z)->(?xR3?z)]，其中x，y，z为类或实例，R1，R2，R3为属性关系。该规则表示x和y之间存在关系R1，y和z之间存在关系R2，由此可推理出x与z之间隐藏的关系R3。通过研究《煤矿安全规程》(2016年版)、《煤矿安全技术操作规程汇编》等文献中的安全生产规定，为煤矿各生产环节主要工种自定义了五百余条安全规则。
4实验分析
基于本体的推理是在本体实例的基础上实现的，本文以煤矿主要工种本体中的实例库为数据集进行实验。实例库中包括了煤矿生产过程中的主要工种、设备和环境状况等类的相关实例，类的实例之间通过对象属性和数据属性实现约束，规范地描述出煤矿井下生产情境信息。在煤矿主要工种本体的基础上，结合自定义安全规则，可实现对本体中作业人员实例安全状态的有效推理。本文设计以下实验对基于OWL的煤矿主要工种本体构建及安全规则推理方法的有效性进行验证。
(1)实验1：采煤系统作业人员安全状态推理(以Rule1为例)。在本体中添加一个采煤打眼工(CoalMiningDriller)实例Lee，其具有的属性是workInPlace1和takeOperationWetTypeDrilling1，Place1是工作地点(WorkingPlace)的一个实例，WetTypeDrilling1是湿式打眼(WetTypeDrilling)的一个实例。根据Rule1对该本体表达的生产情境进行推理，得到Lee是安全的。
(2)实验2：掘进系统作业人员安全状态推理(以Rule2为例)。在本体中添加一个掘进机司机(RoadheaderDriver)实例Wang，其具有的属性是workInPlace2，Place2是工作地点(WorkingPlace)的一个实例，Place2具有的属性是hasEnvironmentRoofcaving1，Roofcaving1是冒顶(Roofcaving)的一个实例。根据Rule2对该本体表达的生产情境进行推理，得到Wang处于危险状态，需及时进行处理。
(3)实验3：机电运输作业人员安全状态推理(以Rule3为例)。在本体中添加一个机车司机(LocomotiveDriver)实例Zhang，其具有的属性是workInPlace3和takeOperationRunningRedLight1，Place3是工作地点(WorkingPlace)的一个实例，RunningRedLight1是闯红灯(RunningRedLight)的一个实例。根据Rule3对该本体表达的生产情境进行推理，得到Zhang处于危险状态，需及时进行处理。
5结语
将煤矿井下生产情境信息抽象成本体概念，构建了覆盖多个生产系统的煤矿主要工种本体;依据煤矿领域专业文献中的安全生产规定，利用Jena自定义规则语法制定了安全规则，并基于安全规则对煤矿主要工种本体中作业人员的操作安全性进行推理，及时判断井下作业人员安全状态，有助于提高煤矿安全生产管理水平。
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作者：吴攀鑫1，刘鹏2，3，舒雅1，余钱坤1，丁恩杰2，3
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《煤矿主要工种本体构建及安全规则推理》