基于知識的水利空間數(shù)據(jù)自動建模技術(shù)研究

程 祥，殷贛華

（1.北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038；2.北京市測繪設(shè)計研究院基礎(chǔ)地理信息中心研發(fā)室，北京 100038）

一、引 言

2010年1 月，國務(wù)院下發(fā)了《關(guān)于開展第一次全國水利普查的通知》（國發(fā)［2010］4號），決定在3年內(nèi)完成我國水利普查工作，這是新中國成立60多年來首次開展全國性水利普查。第一次全國水利普查包括河湖基本情況普查、水利工程基本情況普查、經(jīng)濟社會用水情況調(diào)查、河湖開發(fā)治理保護情況普查、水土保持情況普查、水利行業(yè)能力建設(shè)情況普查，以及灌區(qū)和地下水取水井兩個專項普查。水利普查數(shù)據(jù)成果包括了自然類、管理類、設(shè)施類、用水類共4大類40小類要素數(shù)據(jù)。與通常的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)或地形數(shù)據(jù)相比，水利普查后形成的空間數(shù)據(jù)具有其特殊性:一方面，具有空間關(guān)系的水利各要素間需要存儲拓撲信息；另一方面，具有業(yè)務(wù)關(guān)系的各要素也需要存儲關(guān)聯(lián)關(guān)系信息。在數(shù)據(jù)采集和處理過程中，成果數(shù)據(jù)的空間關(guān)系不進行顯示存儲，主要通過預(yù)先定義的拓撲關(guān)系準則對數(shù)據(jù)進行約束，而業(yè)務(wù)關(guān)系則要求通過關(guān)系表進行顯示保存。水利數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)模型關(guān)系復(fù)雜，依靠人工處理進行實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系建模和維護，不僅工作量大，而且容易出錯。因此，實現(xiàn)智能化、自動化的水利空間數(shù)據(jù)關(guān)系建模，具有重要意義。

空間數(shù)據(jù)的自動處理一般包括兩種方式:一是對多種處理功能進行邏輯抽象，并建立算法庫，通過算法庫中算法的組合及參數(shù)配置來實現(xiàn)各種自動化處理功能；二是在更高層次上建立知識庫系統(tǒng)，依托知識庫和規(guī)則處理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理。前者不需要復(fù)雜的建模，應(yīng)用廣泛，但靈活性低、擴展性差，一旦需求發(fā)生變更，就可能需要修改算法庫；后者具有很強的靈活性和擴展性，通過知識庫的擴充和定制就能夠滿足更多需求。本文則采用第二種方法來實現(xiàn)水利空間數(shù)據(jù)的自動化建模。

二、產(chǎn)生式知識庫

所謂知識庫，是指針對某些領(lǐng)域問題求解的需要，采用若干知識表達方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和應(yīng)用互相聯(lián)系的知識片集合。普通的應(yīng)用程序與基于知識的系統(tǒng)間的區(qū)別在于:一般的應(yīng)用程序是把問題求解的知識隱含在程序的編碼中，而基于知識的系統(tǒng)則是將應(yīng)用領(lǐng)域的問題求解知識顯示進行顯示的表達，并單獨組織在一個相對獨立的軟件實體中。根據(jù)知識的應(yīng)用領(lǐng)域、背景、屬性和使用特征，知識庫可以被構(gòu)造成有結(jié)構(gòu)的、便于利用的組織形式。通常，知識庫中的知識是有層次的，最低層是事實知識；中間層是用來控制邏輯的知識（如規(guī)則、過程等）；最高層是策略，以中間層知識為控制對象。在當前的主流知識庫應(yīng)用系統(tǒng)中，產(chǎn)生式規(guī)則是知識的常用表示和應(yīng)用形式。

“產(chǎn)生式”是1943年美國數(shù)學(xué)家Post首先在一種計算形式體系中提出的術(shù)語。20世紀70年代，Newell和Simon等學(xué)者在對人類認知模型研究中，開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。從那時開始，產(chǎn)生式系統(tǒng)成為專家系統(tǒng)的最基本結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生知識表示則在人工智能中得到了廣泛應(yīng)用。產(chǎn)生式系統(tǒng)雖然在形式上很簡單，但在一定意義上模仿了人類思考的過程。

產(chǎn)生式規(guī)則是產(chǎn)生式系統(tǒng)的主體，是產(chǎn)生式系統(tǒng)知識表示的核心。一般產(chǎn)生式的結(jié)構(gòu)可表示為自然語言形式，事實上，在自然語言表達中，人們廣泛使用的各種“原因—結(jié)果”、“條件—結(jié)論”、“前提—操作”、“事實—進展”及“情況—行為”等結(jié)構(gòu)，都可歸結(jié)為產(chǎn)生式的知識表達形式。產(chǎn)生式規(guī)則基本形式是

式中，A是產(chǎn)生式的前提，用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件（前件）；B是一組結(jié)論或操作，用于指出當前提A所指示的條件滿足時應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作（后件）。其中，前件就是前提，后件是結(jié)論或動作，前件和后件可以是由邏輯運算符AND、OR、NOT組成的表達式。如果前提滿足，則可得到結(jié)論或者執(zhí)行相應(yīng)的動作，即后件由前件來觸發(fā)。所以，前件是規(guī)則的執(zhí)行條件，后件是規(guī)則體。

三、水利關(guān)系模型的知識表示

水利空間數(shù)據(jù)關(guān)系的自動化建模處理主要包括4個方面的內(nèi)容:數(shù)據(jù)采集和編輯時的自動空間關(guān)系約束、數(shù)據(jù)處理完成后的空間關(guān)系自動檢查、數(shù)據(jù)采集時的業(yè)務(wù)關(guān)系自動創(chuàng)建、數(shù)據(jù)處理完成后的關(guān)聯(lián)關(guān)系自動檢查。

1.數(shù)據(jù)采集和編輯時的自動空間關(guān)系約束

由于各要素存在一些相互的空間拓撲關(guān)系，在數(shù)據(jù)采集和編輯時，需要對這些空間關(guān)系進行自動維護和約束。具體形式包括錯誤提醒和自動錯誤處理。如按照空間關(guān)系，水閘工程必須要和水系軸線、引調(diào)水工程或渠道中的一個對象相交。而在采集和編輯過程中，如果水閘工程沒有和這些要素相交，則提示錯誤信息。再比如河湖排污口應(yīng)該落在河湖邊界上，在采集河湖排污口時，如果沒有落在河湖邊界上，則提示錯誤信息；在編輯移動河湖邊界時，對應(yīng)的河湖排污口應(yīng)該隨之自動移動。

根據(jù)以上情況，產(chǎn)生式規(guī)則中If…Then…語句中的前件可分為3部分內(nèi)容:一是當前的處理狀態(tài)；二是當前的處理數(shù)據(jù)類型；三是數(shù)據(jù)分析。通過這3部分內(nèi)容結(jié)合來作為前件。對于水閘工程，規(guī)則語句如下:

If（當前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)編輯，當前處理對象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與引調(diào)水工程不相交并且水閘工程與渠道不相交）Then（提示錯誤信息）

對于河湖排污口的采集，規(guī)則語句如下:

If（當前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集，當前處理對象類型為河湖排污口，河湖排污口與河湖邊線不重疊）Then（提示錯誤信息）

對于河湖邊線的編輯，規(guī)則語句如下:

If（當前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)編輯，當前處理對象類型為河湖邊線，存在與河湖邊線重疊的河湖排污口）Then（河湖排污口自動聯(lián)動）

2.數(shù)據(jù)處理完成后的空間關(guān)系自動檢查

數(shù)據(jù)采集和編輯完成后，需要對各要素之間的拓撲關(guān)系是否正確進行自動檢查，將錯誤的空間關(guān)系記錄下來以供用戶定位和查看。與數(shù)據(jù)采集和編輯時的自動空間關(guān)系約束不同，此時后件的處理動作變成了錯誤信息記錄。以水閘工程為例，規(guī)則語句如下:

If（當前處理狀態(tài)是質(zhì)量檢查，當前處理對象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與引調(diào)水工程不相交并且水閘工程與渠道不相交）Then（記錄錯誤信息）

3.數(shù)據(jù)采集時的業(yè)務(wù)關(guān)系自動創(chuàng)建

各要素間業(yè)務(wù)關(guān)系的建立主要包括3個渠道:一是通過外業(yè)采集，然后導(dǎo)入到采集軟件；二是人工在數(shù)據(jù)采集時指定；三是通過空間關(guān)系進行自動構(gòu)建。通過空間關(guān)系進行自動構(gòu)建時，同樣可以基于產(chǎn)生式規(guī)則進行描述。以水閘工程和水系軸線為例，水閘工程除和水系軸線存在空間關(guān)系外，還存在業(yè)務(wù)關(guān)系，業(yè)務(wù)關(guān)系也可以根據(jù)是否具有空間關(guān)系進行建立。具體規(guī)則如下:

If（當前處理狀態(tài)是數(shù)據(jù)采集，當前處理對象類型為水閘工程，水閘工程與水系軸線相交）Then（建立水閘工程和水系軸線的業(yè)務(wù)關(guān)系）

4.數(shù)據(jù)處理完成后的業(yè)務(wù)關(guān)系自動檢查

數(shù)據(jù)處理完成后，同樣需要對業(yè)務(wù)關(guān)系進行檢查，此時后件的處理動作是記錄錯誤信息記錄，具體規(guī)則如下:

If（當前處理狀態(tài)是質(zhì)量檢查，當前處理對象類型為水閘工程，（水閘工程與水系軸線相交并且水閘工程與水系軸線不存在業(yè)務(wù)關(guān)系）或（水閘工程與水系軸線不相交并且水閘工程與水系軸線存在業(yè)務(wù)關(guān)系））Then（記錄錯誤信息）

四、水利數(shù)據(jù)關(guān)系知識庫構(gòu)成

水利數(shù)據(jù)關(guān)系知識庫主要由產(chǎn)生式規(guī)則庫、推理機、外部接口和知識管理系統(tǒng)4部分構(gòu)成，知識庫的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 知識庫的組成

1.產(chǎn)生式規(guī)則庫

通過知識庫的建模，專業(yè)的水利空間數(shù)據(jù)自動化建模知識并以產(chǎn)生式規(guī)則的形式進行表示。產(chǎn)生式規(guī)則庫則是這些產(chǎn)生式規(guī)則的集合。

2.推理機

推理機由空間算子庫和邏輯執(zhí)行器兩部分組成。其中，空間算子庫是各類空間關(guān)系判斷處理算法的庫體，邏輯執(zhí)行器則用于解譯并執(zhí)行產(chǎn)生式規(guī)則。邏輯執(zhí)行器中的邏輯包括分支邏輯、合并邏輯和循環(huán)邏輯等邏輯算子。空間算子和邏輯算子構(gòu)成了推理機的執(zhí)行模型。圖2解釋了一條產(chǎn)生式規(guī)則的推理機構(gòu)成。

圖2 推理機的構(gòu)成示意

推理機的執(zhí)行模型采用參數(shù)關(guān)聯(lián)的方式實現(xiàn)規(guī)則的邏輯化。圖3是執(zhí)行模型的參數(shù)關(guān)聯(lián)示意。

推理機的運行模式是通過循環(huán)檢測各執(zhí)行模型所需數(shù)據(jù)和參數(shù)是否齊備，先齊備的先執(zhí)行。圖4闡述了推理機的運行模式。

圖3 執(zhí)行模型的參數(shù)關(guān)聯(lián)示意

圖4 推理機的運行模式

3.外部接口

外部接口是知識庫與外部系統(tǒng)和用戶的接口，包括處理數(shù)據(jù)的調(diào)用接口、自動處理的響應(yīng)接口、處理結(jié)果的反饋接口等。

4.知識維護系統(tǒng)

知識維護系統(tǒng)負責對產(chǎn)生式規(guī)則的添加、刪除等維護和管理。通過圖形化的規(guī)則定制和管理界面，可以實現(xiàn)無需編碼的知識管理和擴充，從而提高整個系統(tǒng)的易用性、易維護性和擴展性。

五、應(yīng)用與結(jié)論

將本文的知識庫系統(tǒng)應(yīng)用于北京市水務(wù)普查空間數(shù)據(jù)采集與處理軟件，成功實現(xiàn)了水務(wù)數(shù)據(jù)采集和編輯時的自動化糾錯、質(zhì)量自動檢查，以及業(yè)務(wù)模型自動創(chuàng)建等功能，并得到實際生產(chǎn)的檢驗（如圖5所示）。

圖5 軟件總體界面

圖6是基于知識庫水務(wù)空間數(shù)據(jù)關(guān)系的質(zhì)量檢查功能界面。

圖6 質(zhì)量檢查功能界面

圖7是數(shù)據(jù)采集和編輯時，知識庫在操作錯誤后的自動提示界面。

圖7 操作錯誤時的自動提示

目前，北京市水務(wù)普查數(shù)據(jù)處理工作已經(jīng)基本完成，該系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中取得了良好效果。實踐證明，該系統(tǒng)大大提高了水務(wù)數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化程度，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，為北京市水務(wù)普查做出了積極貢獻。

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