梅文健 郭永刚

西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000

随着越来越多的大坝建设和投入使用，其面临的强震威胁日益增加，大坝强震问题已然成为确保大坝安全的一个重要挑战。无论是在大坝建设过程中的设计、勘探、施工、验收等阶段还是大坝运营管理过程中的巡查、维护、修复、加固等关键环节均需要大量的知识和技术支持，包括地震对大坝的影响、强震设计原则、强震监测和预警技术、抗震加固技术等方面[1]。然而，这些知识和技术往往以设计施工图纸、技术规范、运行规程、安装维护手册、专家经验等形式存在，存在着管理分散、服务目标单一、自动化程度低、更新不及时等问题[2]。这些问题极大地制约了大坝强震领域的知识管理和知识服务水平，对大坝的安全生产和高效运维带来了不利影响。为了解决这些问题，亟需借助新一代知识建模和知识表示技术，构建大坝强震知识库，将大坝强震相关的知识数字化、智能化、智慧化[3]。这将有助于专业技术人员主动、快速、全面掌控业务信息，丰富判断和决策手段，提高应对强震灾害的能力和减轻灾害损失。同时，这也将促进大坝工程的可持续发展。

本体是一种形式化的知识表示方法，它能够以清晰、准确和统一规范的方式描述知识，并具备良好的概念层次结构和强大的逻辑推理能力[4]。而基于本体的知识建模技术是一种将本体论作为基础的方法，用于组织和表示领域知识的形式化技术。在大坝强震知识库的应用中，可以利用基于本体的知识建模技术来捕捉和描述大坝强震相关的概念、实体、属性以及它们之间的关系。本体作为知识库的核心，定义了大坝结构、地震参数、抗震设计等概念，并明确它们之间的关联和层次结构。通过基于本体的知识建模技术，我们能够对大坝强震知识进行形式化的表示，使得知识具有可机读性和语义明确性。这样的表示方式不仅支持知识的共享和集成，还能够通过推理和推断来获取新的知识。同时，本体的层次结构和关系定义使得知识库的内容可以按需组织和检索，以满足用户的具体需求。

本文将基于本体的知识建模技术引入到大坝强震知识管理中,开展了设计建立大坝强震知识库的研究，以实现大坝强震知识的规范化管理及方便快捷的应用，在一定程度上可满足大坝的科研与工程建设需求。

1 大坝强震知识库构建流程设计

本研究基于文献调研、专家咨询和现场实践等多种途径，广泛收集包括大坝工程设计原理、监测技术、抗震设计和防护措施等知识在内的多种类型及形式的知识源。通过对历史上发生的大坝强震事件的国内外案例、相似案例，以及相关领域研究成果等进行综合分析，并借鉴现有的地震监测数据和抗震试验数据等数据，结合国内外工程机构在实践中形成的设计经验或抗震设防标准，完成对大坝强震知识库的设计。大坝强震知识库的构建流程为：收集、整理和分析大坝强震相关的知识，并使用本体关系方法对大坝强震知识进行建模和描述，这一过程包括本体设计、本体构建、知识表示这几个步骤，从而将不同概念之间的关系定义为本体关系，并将概念描述映射到本体关系图谱中，从而将大坝强震知识库中的不同概念之间的关系进行表达，实现知识的相互关联[4,5]。最后，还需要对知识库进行持续的维护和更新，包括数据清洗、数据更新、算法优化、界面美化等，以保证知识库的持续发展和提高其应用价值。这种构建方法能够提高知识库的可扩展性和可维护性，促进知识的创新和应用，为大坝强震安全监测提供深入、全面、系统的知识支持，图1为大坝强震知识库构建流程图。

图1 大坝强震知识库构建流程

1.1 知识采集

在大坝抗震研究和知识库构建过程中，需要综合运用多种知识来源，包括教科书、专家经验、抗震设计规范、典型案例、抗震加固方案、历史地震记录、地震监测数据、文献资料和网络资源等[6]，以构建更为全面、准确、可靠的大坝强震知识库，表1 为不同知识来源的特点和采集策略。教科书、抗震设计规范、抗震加固方案和文献资料是大坝抗震研究的基本原则和知识库中知识的主要来源。专家经验主要来自于具有大坝抗震设计和评估经验的资深工程师和从事大坝抗震相关领域专家的研究和实践经验，是大坝抗震知识库中知识的另一重要来源。历史地震记录和地震监测数据是大坝抗震研究中不可或缺的数据来源，能够提供大坝所在区域的地震活动特征、地震发生的频率、震级分布、强震参数等信息，为大坝抗震研究提供宝贵的数据支持。同时，典型案例也可以为大坝抗震研究提供实践经验和借鉴，以构建更加可靠、安全的大坝抗震模型。此外，网络资源也是大坝抗震研究中的重要参考来源，可以为研究人员提供更为广泛的实践经验，帮助他们更好地理解和解决大坝抗震问题。

表1 不同知识来源的特点和采集策略

对于储存在上述载体中的知识，需要进一步筛选和提炼出具有权威性、代表性、实用性和可借鉴性的知识[7]，并进行分类整理和归纳，使其易于理解和使用，保证了知识的科学性、一致性和协调性，以便构建高质量的大坝强震知识库，从而为大坝的抗震设计、加固和监测提供更加有力的支持，进而提高大坝的抗震能力和安全性。

1.2 知识体系构建

在大坝强震知识库的构建中，笔者采用基于本体的知识建模技术，通过本体设计、本体构建和知识表示这几个步骤来组织和管理大坝强震相关的知识。大坝强震知识来源广泛，包括地震学、工程学、地质学等多个领域，信息量丰富，结构复杂且更新速度快。

在本体设计中，我们将大坝强震知识抽象为单一实体或概念，并为之打上相应的标签，以便更好地组织和管理所收集的知识。例如，笔者定义了大坝（水利工程设施）、地震（自然灾害）和强震监测仪（仪器设备）等实体，以及地震工程（学科）、强震监测（方法）和强震监测系统（系统）等概念。同时获取了这些实体和概念之间的关系，例如大坝与地震实体之间相互影响，大坝受地震影响；而地震与地震工程实体之间的关系是地震产生地震工程，地震工程的研究对象是大坝等。以及为实体和概念定义属性和特征，例如大坝的名称、类型、高度等属性和特征，这样的本体构建为大坝强震知识库提供了清晰的结构，图2为“大坝”实体的本体设计。

图2 大坝强震知识库“大坝”实体的本体设计

本体构建是将上述本体设计中的实体、概念、关系、属性和特征等以合适的格式进行表示的过程，常见的表示方法包括三元组、RDF（资源描述框架）和OWL（Web本体语言）等。在本例中，我们选择采用三元组的方式进行知识表示。三元组由三个元素组成，分别是主语、谓语和宾语。主语通常表示实体或概念，宾语可以是实体、概念或属性，而谓语描述主语和宾语之间的关系［9］。通过使用三元组表示方法，我们可以将大坝强震知识以结构化的方式存储和管理，表2为大坝强震知识三元组示例。

表2 大坝强震知识三元组示例

知识表示是将大坝强震相关的知识以本体的形式表示并导入到本体中。在已经设计实体之间的关系及其特征和属性的基础上，笔者可以根据已有的知识和数据，为每个实体或概念创建实例，并设置属性和特征的取值，建立实体之间的关系。例如，为每个具体大坝创建对应的实例，并为其设置属性值。这些属性可以包括大坝的名称、类型、高度、地理位置、设计标准等，通过为每个实例设置具体的属性值，可以准确地描述每个大坝的特征和属性。在实体之间的关系方面，笔者已经考虑到了大坝与地震实体之间的相互影响关系。因此，在知识表示的过程中，可以将相关的大坝实例和地震实例连接起来，以表示它们之间的关联。

此外，还可以利用知识图谱、知识网络等可视化技术，对大坝强震知识进行呈现，图3为大坝强震知识图谱示例。通过这些技术的应用，可以更好地呈现和理解大坝强震相关知识。在知识体系构建过程中，关联模型和鉴别模型也发挥了重要作用。由于关联模型提供了一种有效的方法，通过它可以将各种实体和知识关联起来，用于描述实体之间的关系、实体的属性、实体的分类等信息，而鉴别模型则能够帮助我们识别并区分不同实体和关系的特征和属性。因此在知识体系构建过程中，可以利用关联模型作为框架，将鉴别模型嵌入到关联模型数据库中，以解决在本体中处理和存储相似事件和不同事件的问题［10］，从而更好地建立大坝强震知识体系。同时，为了充分挖掘和利用大坝强震知识库中存储的地震学术语库，可以采用上述的关联模型和鉴别模型之间的联系来提取其中有价值的数据，并应用到大坝强震知识体系的建模中。通过这种方法，可以更好地完善和丰富大坝强震知识体系的内容和细节，有助于建立更加完善和系统化的大坝强震知识体系，从而更好地支持大坝强震的防治工作。

图3 构建知识图谱示例

1.3 知识库的形成

在整合了多种大坝强震知识源并建立知识体系的基础上，同时考虑到专业工程机构对于大坝抗震设计的需求、基层地质环境管理部门对于地质灾害防治的管理需求以及社会公众的自我防灾知识需求，从而构建了大坝强震知识库。这些知识库有大坝基础知识库、强震基础知识库、震害案例知识库、抗震设计知识库、监测预警知识库、应急预案知识库、震害评估知识库、公众防灾知识库，见图4。这些知识库将为大坝强震防灾减灾提供重要支持和指导，也能够帮助相关部门和个人更好地了解大坝强震的危险性和应对方法。

图4 大坝强震知识库

在建立了大坝强震知识库之后，需要对各类知识进行分类和标签化，以建立清晰的联系。例如，大坝基础知识库中的某些条目会与抗震设计知识库中的相关条目形成关联。用户在查阅大坝基础知识时，可以通过这些关联快速获得相关的抗震设计知识。此外，知识库中的知识条目还会与实际的强震案例进行关联，使得用户能够从实际案例中获得更详细具体的知识。随着大坝强震研究的深入和技术的进步，新的知识、案例和技术不断产生，因此需要定期对知识库进行维护和更新，以保持知识库中信息的时效性和全面性。除了定期更新之外，还需要根据用户的反馈和使用情况，不断优化和改进知识库的内容，以提高其易用性和实用性。

2 大坝强震知识库内容

2.1 大坝基础知识库

大坝基础知识库内容不仅涵盖了大坝的不同类型和结构、主要构造要素、建造原理等大坝的结构和建造原理在内的大坝基础信息，还包括大坝建设过程中的设计阶段的基本原则、设计过程、设计文件的编制和评审；勘探阶段的方法、报告的内容和要求、结果的分析和评价；施工阶段的组织和管理、安全和质量控制；验收阶段的标准和程序、验收人员的职责和要求，以及大坝运营管理过程中的巡查阶段的目的和频次、记录和处理方式；维护阶段的计划和预算、人员的职责和要求；修复和加固阶段的内容和方法、效果评估等关键环节的内容。

2.2 强震基础知识库

针对大坝强震的特点，强震基础知识库应该包括能够满足大坝抗震需求的各种知识和技术。由于大坝结构的复杂性和重要性，同时考虑到大坝抗震的要求，因此强震基础知识库应该包括强震基本概念和特征、强震对大坝的影响和破坏机理、大坝抗震设防标准和规范等内容。

2.3 震害案例知识库

在大坝强震震害案例知识库的设计过程中，需要对不同特点的大坝进行分析和总结，以便更好地了解其受强震影响的程度和方式。同时，也要对不同类型的大坝强震事件进行分类和描述，并对监测预警数据进行分析和解读，以预测和评估震害情况。此外，还可以通过对现有震害案例的分析，总结经验和教训，提出相应的应对措施，并制定加固和修复方案以提高大坝的安全性能和抗震能力。在设计过程中提炼和总结的知识，以便构成了震害案例知识库。

2.4 抗震设计知识库

抗震设计知识库包括大坝抗震设计原则、抗震设计流程、抗震设计标准、抗震设计方法和抗震设计实践等方面的知识。此外，该知识库还涵盖了大坝抗震设计的关键要素，如地震动特征、大坝结构的材料和构造，以及大坝结构的动力响应等方面的知识。

2.5 监测预警知识库

根据大坝监测预警的技术和方法，结合大型水利工程监测预警的实际需求，构建一个完善的监测预警知识库应该包括振动传感器、应变计、水位计等设备的原理和应用，以及大坝监测预警如实时监测、远程监测等常用的方法。在监测预警数据的分析和处理方面，监测预警知识库应该包括数据采集、处理、分析和报警等内容，此外，监测预警知识库还应该包括大量的应用实践和案例分析，以帮助工程师和维护人员更好地理解监测预警系统的应用和实践，同时也能够为实际应用提供指导和借鉴。

2.6 应急预案知识库

应急预案知识库收集了一系列应对大坝强震灾害的预案和措施，旨在在震害发生时能够快速、有效的响应和处置，降低灾害损失。其内容包括了应急预案的编制原则和流程、应急响应组织结构和职责分工、应急响应流程和应急处置措施、应急救援技术和设备支持、应急信息管理和传递、应急演练和评估、应急预案的更新和完善等知识。

2.7 震害评估知识库

大坝强震灾害评估是为了确定大坝震后的受损程度和安全状况，为后续的抢险和修复提供依据。对于大坝强震灾害评估，需要依据一定的标准和方法进行，震害评估知识库涵盖了大坝地震灾害评估的标准和方法，包括震害等级划分、震害评估指标与标准、震害损失评估方法、震害评估相关规范和标准等内容［11］。

2.8 公共防灾知识库

公共防灾知识库包括了震害常识、防护措施、处理方法和公共服务等方面知识，通过为公众普及科学、准确、及时的抗震防灾知识和应急响应方法，从而能够帮助人们了解到各类灾害的预防方法、应急响应流程和方法、防护措施和自救方法、处理方法和应急措施，以及公共服务的信息和资源，进而提高公众的抗震安全意识，为抗震灾害的防范和应对提供有力支持。

3 大坝强震知识库的应用

3.1 规范化知识整合与存储

将大坝强震领域的国内外文献、工程实践、技术方案、规范标准等知识进行编辑和加工，并将相关监测、预警和应对大坝强震等的知识进行收集、整理和分类，并对知识内容进行系统化编辑和标注，以及对元数据信息（如作者、来源、分类、关键词等）的添加和管理等方式使其遵循学术逻辑和语言规范后存储入知识库，并将知识内容按照一定的标准和规范进行组织、编排和呈现，从而为相关用户提供检索和利用服务。

3.2 大坝强震监测和预警

大坝强震知识库的监测和预警功能主要面向大坝工程师、研究人员和应急管理人员开发，以大坝强震监测数据为基础，实现对历史数据、工程实践、技术方案等相关信息的整理、分析和知识可视化展示，并可结合监测设备、分析软件和大坝强震监测系统的应用，助力工程师和研究人员进行大坝强震的监测和预测［12］。同时，监测和预警功能也可为预测大坝强震的发生、发展提供支持，并助力大坝强震风险预测模型的构建，该功能也可为应急管理人员提供服务，以预测大坝强震的影响范围和危害程度，从而制定最佳的应急响应和管理方案，保障大坝的安全。

3.3 大坝强震应急和救援

过去在大坝强震应急和救援过程中，需要时刻关注大坝的监测数据和震情预测，以便及时判断大坝的抗震能力和安全状况，这需要专业技术人员进行复杂的数据分析和判断。通过对大坝强震知识库的构建和应用，可以实现大坝强震应急和救援的快速反应和决策。大坝强震知识库中包含大量的强震监测和预警数据、应急预案和救援方案、抗震评估标准和技术规范等内容，通过结合现场实时监测数据和地震预测信息，可以在知识库中提取相应的大坝强震应急和救援措施、注意事项、处理方法、相关案例等信息，形成针对不同情形的强震应急和救援预警提示。这可以为现场指挥和决策提供科学依据和技术支持，加快抗震应急和救援的响应速度，提高抗震应急和救援的效率和准确性。

3.4 技术研究和创新

大坝强震知识库是一个准确、系统化的知识平台，能够为为大坝抗震技术的研究和创新提供了全方位的支持和帮助。首先，该知识库基于知识图谱的可视化特性，让专业人员可以直观地了解大坝抗震的关键知识和信息，有助于更好地设计和加固大坝。其次，大坝强震知识库涵盖了最新的技术支持和指导信息，帮助技术人员能够更好地开展大坝的抗震研究和工程实践。此外，基于大坝强震知识图谱的搜索引擎，能够为研究人员提供更加精准的检索和查询功能，使得他们能够快速准确地检索到与研究课题相关的大坝抗震设计、加固方法、监测技术、抗震设备等信息。

4 结论

本文针对大坝强震领域知识管理的现状和挑战，设计了大坝强震知识库，通过对知识的规范化整合与存储，提高了大坝强震领域知识的共享、应用和更新水平。本研究的主要结论如下：

（1）明确了大坝强震知识库的构建流程，包括知识采集、知识体系构建和知识库的形成，这一流程有助于将分散的大坝强震知识进行有机整合，形成一个系统化、结构化的知识库。

（2）设计了大坝强震知识库的内容，涵盖了大坝基础知识库、强震基础知识库、震害案例知识库、抗震设计知识库、监测预警知识库、应急预案知识库、震害评估标准知识库和公共防灾知识库等多个子库，实现了对大坝强震知识的管理和分类展示。

（3）阐述了大坝强震知识库在规范化知识整合与存储、大坝强震监测和预警以及技术研究和创新等方面的应用。通过大坝强震知识库，可以为工程师、地质学家、地震学家及相关研究人员提供高质量的大坝强震预防、监测、评估和治理等知识，并能够有效支撑大坝强震监测预警平台的构建。

（4）本研究为智慧化大坝强震知识服务体系的建设奠定了良好基础。通过实现大坝强震领域知识的数字化、智能化、智慧化，有助于提高专业技术人员应对强震灾害的能力和减轻灾害损失，促进大坝工程的可持续发展。在未来，可以加强大坝强震知识库与其他相关知识库的整合，进一步提高知识服务的质量和效率，为大坝强震领域的工作提供更加全面和有效的支持。