电梯安全监管领域本体模型构建方法研究

丁日佳 石芬芬 郝素利

（中国矿业大学（北京）管理学院 北京 100083）

1 引言

近年来，伴随社会经济高速发展，城市化进程加快和人民群众生活水平的不断提高，中国当前已经成为全球电梯的制造和使用大国。截至2022 年底，我国电梯保有量已突破900 万台，达到了964.46 万台的体量规模[1]。电梯作为人民日常生活出行中必不可少的工具也得到了较多的关注，人民的电梯安全意识也在逐渐增强。目前电梯的安全事故时有发生，电梯安全问题不仅仅能够体现我国政府的安全治理水平，同时也与人民的生命财产安全密切相关。此外，随着大型化、高参数、高危险性设备数量不断增加，“人机矛盾”日益凸显，且监察人员在现场监管过程中常常要熟记大量的法律法规、技术规范等文件资料，需要全面了解设备、企业、人员等相关信息，且在进行行政处罚时，能够准确识别违法行为，并给出整改建议，这无疑增加了监管人员的监管压力，影响了监管人员的效率，此外，随着智慧化和信息化水平的提升，电梯安全智慧监管数据的数据量也呈爆炸式增长，例如在监管过程中形成的行政处罚文书、事故报告、整改案例等，那么如何从海量、异构的数据中全面、准确地检索出所需要的信息，并以一种智能的方式推荐给决策者，已然成为研究的热点问题。领域本体理论为解决这一问题提供了新的思路。

基于此，为了提高电梯安全监管领域内知识表达能力，进一步降低电梯安全监管知识共享的成本，实现电梯安全监管过程中的监管知识表达和现场监管决策支持，提高现场监管人员的监管效率，本文采用本体理论对电梯安全监管领域的知识进行建模，创新性地提出了电梯安全监管领域本体模型构建方法。首先，了解电梯安全监管决策知识的需求，对电梯安全监管知识的范围进行界定。其次，从制度维、对象维、事件维3个维度出发分析了电梯安全监管领域的知识体系。然后，围绕电梯安全监管专业领域、法律法规领域、行政处罚领域、安全事故4 个领域，定义了电梯安全监管领域本体的核心概念、属性和关系。最后，通过本体实例的创建，完成电梯安全监管领域本体模型的构建，并用Protégé软件对电梯安全监管领域本体进行可视化展示。本文的主要研究目的是探讨电梯安全监管领域知识管理的新模式，提高电梯安全监管领域知识表达能力，为监管人员在现场监察时提供一定决策支持，有效解决现场监察人员“不会罚”“不会查”“不会防”“不会写”等问题，提高现场监察人员的效率。

2 文献综述

“本体”是共享概念模型明确的形式化规范说明[2]，是知识库标注化实现的重要手段，能够充分实现知识共享和复用，并且通过本体技术还能够完成知识推理工作[3]。近年来，语义网络得到了快速的发展，国内外学者对语义本体技术进行了大量理论和实践研究，一些信息技术公司已经对本体技术展开了应用研究。例如谷歌推出的知识图谱[4]，微软公司提出的MS Concept Graph（微软概念图）项目[5]，该项目构建了大规模的概念本体[6]。Oracle 公司研发的Oracle Spatial and Graph 平台，这个平台支持540 亿个三元组的存储[7]。此外，欧美政府对语义本体技术也有很大的兴趣，如英国政府的GDS（数字服务）项目[8]。目前语义本体也得到了众多学者的关注，主要集中在公共安全、教育、突发事件、地理信息等方面的研究。例如鲍婷婷等分析了“互联网+教育”领域结构，构建了“互联网+教育”领域本体，并将领域本体进行可视化处理[9]。李雯静等结合事件本体理论，构建了实验室安全隐患管理事件本体知识库[10]。王世文等对异源平台网络舆情数据属性与属性值的提取，利用UML 完成本体数据模型的构建[11]。徐鲲等针对水利安全监测领域，提出了一种知识模型构建方法，完善了安全监测大坝BIM 的语义信息[12]。赵雪芹等对图像知识元的结构组成进行了分析，并利用Protégé 软件进行了可视化展示，同时提出了数字人文图像语义关联展示思路[13]。张斌等通过本体理论方法构建了地理空间数据特征的概念模型框架[14]。此外，领域本体模型在知识推理方面也进行了初步的探讨，目前研究主要集中在建筑施工、煤矿安全等领域，刘聪琳结合本体理论对建筑安全事故进行知识建模，通过自动化决策方法，提升建筑安全管理水平[15]。郭晓黎等构建了煤矿安全事件本体以及安全监控预警模型，促进了煤矿安全事故的知识共享，提高了风险预测的能力[16-17]。综上所述，语义本体和知识库构建相关理论和技术能够有效解决知识管理问题，这对我国电梯安全监管领域存在的问题带来了希望，即采用语义关联技术对电梯安全监管领域进行管理，能够将电梯安全监管领域积累的大量文本知识进行有效的管理，并且在已有知识的基础上发现新的知识，并通过本体模型可视化对知识进行直观的展示。

3 电梯安全监管领域本体构建方法研究

常见的本体建模方法包括骨架法[18]、七步法[19]、IDEF5 法[20]、METHONTOLOGYF 法[21]、TOVE 法[22]、KACTUS 法[23]、SENSUS 法[24]等领域本体构建方法。本文基于七步法本体构建的流程，首先分析了电梯安全监管领域的知识需求，从制度维、对象维、事件维对电梯安全监管知识体系进行了分类，根据法律法规、部门规章、安全技术规范、国家标准等术语词汇，形成电梯安全监管领域通用知识概念体系，同时结合行政处罚案例、事故报告等经验知识形成电梯安全监管领域的专业概念体系，为知识抽取提供基础，电梯安全监管领域本体建模过程如图1 所示。

图1 电梯安全监管领域本体建模流程图

3.1 电梯安全监管领域知识范围确定

随着电梯数量逐渐增加，对监管人员的要求也在逐渐增加，本文基于国家“十四五”重点研发计划课题，对现场监管人员进行了深入调查，发现目前在监管过程中可能存在的问题主要集中在4 个方面。1）“不会罚”问题，对是否构成违法行为的判断、法律法规适用条款、自由裁量基础、历史相同相近处罚等方面存在疑虑。2）“不会查”问题，主要集中在不懂事故如何取证、设备存在的风险点等问题。3）“不会防”问题，主要集中在安全风险如何预防、安全事故如何预防等问题。4）“不会写”问题，主要集中在行政处罚文书、改正通知书等书面材料撰写过程中存在的问题。为了解决监管过程中“不会罚”“不会查”“不会防”“不会写”的问题，本文对目前在监管过程中形成的典型资料进行了收集。首先，电梯领域的法律、行政规范、部门规章、安全技术规范、技术标准是在电梯安全监管发展历程中，形成的大量的与安全相关的知识，这些安全知识经过不断的总结和提炼，形成规范化知识，是电梯安全监管过程中重要的监管依据，能够有效解决“不会查”的问题。其次，行政处罚案例中分析了众多企业的违法行为，并对企业违法行为做出了处罚建议，能够有效解决现场监管人员“不会罚”“不会写”的问题。最后，电梯安全事故案例中积累了很多的教训，可以通过分析事故原因、事故发生规律，总结出新的经验教训，能够有效解决“不会防”“不会查”的问题。基于以上分析可知，本文拟构建的电梯安全监管领域本体模型主要包含法律、行政规范、部门规章、安全技术规范、技术标准、典型事故案例、行政处罚案例以及从中抽取的各种专业领域知识。电梯安全监管知识范围示意图如图2 所示。

图2 电梯安全监管领域知识范围示意图

3.2 电梯安全监管领域知识架构分析

结合电梯监管知识需求分析，本文构建了电梯安全监管知识三维结构模型，如图3 所示。该知识体系包含3 个维度：1）制度维，主要包含法律法规、技术规范、标准等；2）对象维，主要包含生产单位、经营单位、使用单位、维保单位、检验检测机构等；3）事件维，主要从事前预防、事中控制、事后处置3 个角度分析了电梯安全监管事件。其中，制度维是电梯安全监管的基本保障，是监管人员现场监察时的重要依据。对象维是对监管对象的总结，通过监管对象相关知识的分析，有助于监管人员快速识别监管对象存在的安全问题。事件维重点分析了电梯安全监管领域事前、事中、事后对电梯安全监管事件的控制。

图3 电梯安全监管知识三维结构模型

3.3 定义本体的核心概念

结合电梯安全监管领域知识范围以及知识架构的分析，本文将电梯安全监管领域划分为4 个子域：电梯安全监管专业子域、法律法规子域、安全事故子域以及行政处罚子域。每个安全监管子域的知识都存在一定的差异，基于此，本文对4 个子域逐步进行分析。

1）基于安全监管环节的专业领域概念建模。本文基于监管的视角，从电梯安全全生命周期角度出发，分析电梯生产环节（设计、制造、安装、改造、修理）、经营环节、使用环节、维保环节、检验检测环节和安全监管环节涉及的概念。根据电梯安全监管知识范围以及架构分析，提取出电梯安全监管专业领域的顶层概念，其概念主要包含生产环节、经营环节、维保环节、检验检测环节、安全监管环节，结合法律法规、事故案例等数据，将专业领域概念补充完整，包含各个环节涉及的企业机构、设备设施、监管部门等概念。

2）基于混合粒度的法规规范概念建模。法律法规、技术规范、部门规章制度等电梯安全监管领域中重要的监管知识来源，法律法规一般具有名称、颁布日期、实施日期等属性。法律法规的结构一般包含章节条目、条款内容等。章节条目反映了法律法规内容原始组织结构，是上文内容的依据。章节条目具有编号、标题等属性。而条款内容是法律法规知识的直接载体。每项条款隶属于特定的章节条目，并通过一个或多个段落文本表达条款的具体内容。可以从条款内容中识别出电梯安全监管专业领域的相关概念。

3）基于实体关联的处罚案例概念建模。对行政处罚案例知识的建模，主要是为现场监管人员提供处罚相关的知识支撑，通过对行政处罚案例的知识建模，能够充分展示某企业的违法行为，以及承担的处罚结果。在行政处罚文书中主要包含处罚机关、处罚企业、处罚日期、违法行为、处罚依据、处罚结果等内容。

4）基于实体关联的事故案例概念建模。结合电梯安全事故调查报告的内容可知，电梯安全事故调查报告主要包含事故基本情况（事发时间、事发地点）、事故发生过程、事故应急救援情况、事故损失、事故电梯基本情况（电梯型号、电梯种类）、事故电梯作业人员资质情况、事故单位安全管理情况、事故原因（直接原因、间接原因、主要原因、次要原因）、事故性质、责任认定（主要原因、次要原因）、预防措施建议等内容。

3.4 定义本体的属性和关系

在确定核心概念后，下一步应该完成类与类之间关系的确定。基于此，本文围绕专业子域概念实体、法律法规子域概念实体、行政处罚子域概念实体、安全事故子域概念实体的类型，确定类与类之间的关系。

1）围绕专业子域概念实体的关系建模。从专业子域概念中可知，企业机构与生产活动、经营活动、使用、维保、检验检测存在“从事关系”，监管部门与安全监管存在“从事关系”，企业机构与设备设施存在“生产关系、经营关系、使用关系、检验检测关系”，监管部门与设备设施存在“监管关系”，监管部门与企业机构存在“监管关系”。此外，概念实体还存在属性关系，属于类属关系，企业机构的属性有企业名称和单位性质，设备设施的属性有设备品种、设备型号，电梯生产环节包含电梯的设计、制造、安装、改造、修理等活动。

2）围绕法律法规子域概念实体的关系建模。结合法律法规子域概念，法律法规类与章节条目存在“包含关系”，章节条目与规范条款也存在“包含关系”，规范条款与安全规则、术语词汇存在“包含关系”。同时法律法规子域概念实体与实体属性之间存在类属关系，法律法规、技术规范包含名称、性质、颁布日期、签发部门等等，规范条款包含条款号、条款内容，术语词汇包含术语和定义，安全规则包含约束对象、约束类型、规则内容。

3）围绕行政处罚子域概念实体的关系建模。由行政处罚子域相关概念可知，处罚机关与企业机构存在“处罚关系”，处罚机关与处罚日期存在“决定关系”，处罚机关与处罚依据存在“依据关系”，企业机构与所在地区存在“地址关系”，企业机构与违法行为存在“行为关系”，企业机构与处罚结果存在“承担关系”。此外，行政处罚子域概念实体与实体属性之间存在“类属关系”，处罚依据的属性包含法律法规名称、章节条目、条款内容，企业机构包含企业名称、所在地区、单位性质。

4）围绕安全事故子域概念实体的关系建模。由电梯安全事故子域概念可知，安全事故与事故原因存在“原因关系”，安全事故与事故处置存在“处置关系”，安全事故与企业人员之前存在“涉事人员关系”，安全事故与企业机构存在“涉事企业关系”，安全事故与设备设施之间存在“事故设备关系”，事故原因与不安全行为、不安全状态、管理缺陷、环境不安全存在“原因关系”，企业人员与不安全行为存在“行为关系”，设备设施与不安全状态存在“状态关系”，企业机构与管理缺陷存在“管理关系”，事故处置与应急救援、责任判定、经验教训存在“包含关系”。同理，在安全事故子域概念中的实体与实体属性存在“类属关系”，安全事故包含事故名称、事发时间、事发地点、事故损失、事故级别、事故性质，设备设施包含设备品种、设备型号、设备部件。

3.5 多维关联混合细粒度电梯安全监管领域知识结构模型

为了能够更加直观地展示电梯监管领域中不同实体概念之间的关系，本文采用王莉的方法，用改进的概念世界建模工具E-R 图表示电梯监管知识结构模型[25]，结果如图4 所示。在该模型中，改进了关系的表示方式，用箭头指向表示关系方向，同时保留关系的属性设置，能够更好地表达复杂的关系模型。

4 本体模型应用实例

通过定义本体的核心概念、本体的属性和关系，目前已经初步形成了电梯安全监管领域知识模型框架，对于本体的合理性以及实用性还需要进行研究，因此，还需要对设计好的本体模型进行实例的填充，基于此，本文以2021 年10 月28 日在北京市朝阳区发生的电梯安全事故为核心资料，结合XX 智能电梯有限公司、北京XX 物业管理有限公司的行政处罚文书以及涉及的相关的法律法规为例，完成电梯安全监管领域本体模型的填充工作，充分利用本体化Protégé 软件，对电梯监管领域的本体进行描述，展示电梯安全监管领域的相关知识。首先，定义Thing 的子类，主要包含企业人员、企业机构、处罚依据、处罚地区、处罚日期、处罚机关、处罚结果、安全事故、事故原因、安全规则、应急救援、术语定义、法律法规、责任判定等19 个大类。Thing 在本体模型中能够解释为电梯安全监管概念。其次，当安全监管领域大类创建之后，紧接着需要创建领域本体的19 个大类以及相关的属性。然后，定义类与类之间、类与属性之间的关系层次。最后，将收集的数据编辑进去，创建电梯安全监管领域的实例对象。本文将2021 年10 月28 日涉及的行政处罚案例、事故案例以及相关的法律法规等数据都作为实例添加成功后，完成OWL 文件的创建，并采用Protégé的OntoGraf 模块进行可视化展示，结果如图5 所示。

图5 电梯安全监管使用本体模型的知识表示

根据电梯安全监管使用本体模型的知识表示，其中虚线箭头表示类与类之间的不同关系，分别为法律名称是、章节条目是、规范条款是、事故名称是、事故地点是、事故原因是、事发时间是、事故性质是、事故损失是、处罚机关是、违法行为是、处罚结果是等关系。圆点标记的文本表示案例的类，菱形标记的文本表示相关的实例，此外，本文将涉及的企业信息进行了放大展示，通过企业机构相关知识的展示，可以快速理解企业机构的相关信息，为监管人员在现场监管中提供决策参考依据。例如，“XX 智能电梯有限公司”的公司地址在江苏省吴江区，是事故电梯的维保单位，且在“10.28”电梯挤压事故中负有主要责任，其主要的违法行为是未严格按照制造单位公示的鼓式制动器拆解指导、制动器检查表中的要求进行维护保养，处罚的结果为罚款120 000 元等。结果如图6 所示。

图6 企业机构相关知识搜索

5 结论

本文对电梯安全监管领域相关信息进行深入挖掘，提出了电梯安全监管领域本体模型构建的方法。首先，分析了电梯安全监管领域的知识范围，从制度维、对象维、事件维3 个维度出发分析了电梯安全监管领域知识体系架构。其次，利用本体理论定义了本体的核心概念、定义了本体的属性和关系，形成了多维关联混合细粒度电梯安全监管领域知识结构模型。最后，充分利用本体化Protégé 工具，完成电梯安全监管领域本体的描述，给出了电梯安全监管领域本体模型应用示例。基于本文的研究结论可知，在安全监管领域引入本体理论，可以有效提高监管知识的有效表达，对电梯安全监管知识的共享与重用具有重要的意义，能够在一定程度上解决现场监管人员“不会罚”“不会查”“不会防”“不会写”等问题，提高现场监管人员的效率。