基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸知識庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 飛，鮑平鑫，陳 聯(lián)

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 聯(lián)合投送系，天津300161;3.66155 部隊(duì)，天津300182)

近年來，隨著部隊(duì)信息化建設(shè)地不斷發(fā)展，對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合保障能力提出了更高的要求。尤其是通過鐵路運(yùn)輸?shù)奈镔Y中軍用危險(xiǎn)貨物占到52%左右，由于大多具有爆炸、易燃、毒害、放射、腐蝕等特性，對運(yùn)輸安全的要求更高。通過運(yùn)用環(huán)境成分識別、視頻監(jiān)控、全球定位、預(yù)警等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸環(huán)境和軍用危險(xiǎn)貨物狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和事故預(yù)警，并根據(jù)軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸知識庫系統(tǒng)存儲的專業(yè)理論知識和推理功能對監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警事故信息進(jìn)行推理，及時(shí)生成應(yīng)急預(yù)案，供決策者采取有效措施預(yù)防事故的發(fā)生。本文對軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸知識庫系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，對知識庫和推理機(jī)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)研究，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 知識庫系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

知識庫系統(tǒng)接收到通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、預(yù)警事故和軍用危險(xiǎn)貨物的相關(guān)信息，確定軍用危險(xiǎn)貨物狀態(tài)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行推理分析，并擬定預(yù)案，最終生成相應(yīng)預(yù)案。同時(shí)繼續(xù)接收預(yù)警、事故信息，不斷對預(yù)案進(jìn)行修正，為決策者提供實(shí)時(shí)參考。

該系統(tǒng)由知識庫管理系統(tǒng)、知識庫和推理機(jī)3部分組成。知識庫管理系統(tǒng)主要對知識庫和推理機(jī)進(jìn)行維護(hù)管理的系統(tǒng);知識庫由對軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸事故描述的事實(shí)庫和事故處置規(guī)定的規(guī)則庫組成;推理機(jī)是模擬人類專家處理知識和利用知識解決問題能力的系統(tǒng)。

2 知識庫的設(shè)計(jì)

知識庫是用于知識管理的一種特殊數(shù)據(jù)庫，以便于有關(guān)領(lǐng)域知識的采集、整理和提?。?］。知識庫中的知識源于領(lǐng)域?qū)＜?，它是問題求解所需要的領(lǐng)域知識的集合，包括基本事實(shí)、規(guī)則和其他有關(guān)信息。本系統(tǒng)知識庫包含對軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸事故描述的事實(shí)庫和事故處置規(guī)定的規(guī)則庫。

2.1 事實(shí)庫

對軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和接收到的預(yù)警、事故進(jìn)行描述時(shí)，不可能使用單一的表現(xiàn)形式將事故的全部信息表現(xiàn)出來。此時(shí)可以利用數(shù)學(xué)中的微分方法，將一起事故分解成許多相互關(guān)聯(lián)的元素，分別對這些元素進(jìn)行描述，這樣將復(fù)雜問題簡單化。同時(shí)，將有關(guān)應(yīng)急處置的關(guān)鍵因素和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范化，使決策者能夠輕易理解只有專家才能理解或解決的問題。在本文中，將預(yù)警、事故看成由貨車主體、裝備物資主體、天氣狀況、理化性質(zhì)參數(shù)、預(yù)警事故特征、預(yù)警等級、事故等級等多部分組成。對每一部分再進(jìn)行分解描述，尤其是影響處置方式及處置效果的因素，力爭反映從事故開始到應(yīng)急處置結(jié)束的全過程，也即以知識表示的方法將有關(guān)軍用危險(xiǎn)貨物預(yù)警、事故應(yīng)急處置的知識表示出來。事實(shí)庫由2 部分組成，分別為預(yù)警事故事實(shí)描述庫和預(yù)警事故應(yīng)急處置方法庫。

預(yù)警事故事實(shí)描述庫的設(shè)計(jì)如圖1 所示。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，通過預(yù)警事故事實(shí)描述的目的是全面掌握預(yù)警、事故信息，然后以此為依據(jù)制定符合實(shí)際情況的應(yīng)急處置措施。

圖1 預(yù)警事故描述庫設(shè)計(jì)

本文對相關(guān)處理方法與處理措施進(jìn)行整理，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的應(yīng)急處置方法庫，其中存儲了針對軍用危險(xiǎn)貨物預(yù)警事故的應(yīng)急處置程序及方法，包括預(yù)警事故裝備物資的確定，啟動應(yīng)急等級，調(diào)度部門、應(yīng)急指揮部門預(yù)警事故處置等。應(yīng)急處置方法庫如圖2 所示。

圖2 應(yīng)急處置方法庫設(shè)計(jì)

2.2 規(guī)則庫

目前知識庫系統(tǒng)開發(fā)中常用的知識表示方法(技術(shù))有產(chǎn)生式規(guī)則(Production Rules)表示法、謂詞邏輯(Predicate Calculus)表示法、語義網(wǎng)絡(luò)(Semantic Networks )表示法、框架(Frames)表示法、本體(Ontology)表示法等［3］。本系統(tǒng)采用在各種知識庫系統(tǒng)中使用最廣泛的產(chǎn)生式規(guī)則表示法。

產(chǎn)生式規(guī)則表示法的實(shí)質(zhì)是把專家所具有的龐大的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識體系分解成知識的最小單元，然后構(gòu)造成具有因果關(guān)系的推理形式，最終形成一條條根據(jù)什么條件而應(yīng)當(dāng)采取什么措施或得出什么結(jié)論的規(guī)則［4］。其語法表現(xiàn)形式為

由于產(chǎn)生式規(guī)則與命題邏輯、一階謂詞邏輯等有緊密的聯(lián)系，其語法結(jié)構(gòu)很接近人類思考問題的方式，因此可以很容易地表示現(xiàn)實(shí)世界的許多通用知識，也很容易利用這些知識片段來進(jìn)行推理［5］。在用產(chǎn)生式規(guī)則表示本文的軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸預(yù)警、事故知識時(shí)，按預(yù)警、事故處置措施構(gòu)造輔助決策規(guī)則庫。以運(yùn)送炮彈為例，規(guī)則具體詳情見表1。

表1 運(yùn)送炮彈規(guī)則描述

規(guī)則庫中存放著諸如如下的事故處置規(guī)則:If 預(yù)警地點(diǎn)為運(yùn)輸途中，運(yùn)送炮彈;

And 物資理化性質(zhì)達(dá)到Ⅲ級預(yù)警設(shè)置的閾值;

And 不能正常運(yùn)輸;

And 車廂溫度偏高;

一種巨大的優(yōu)越感終于使我反應(yīng)了過來，我輕輕地笑了一下，恰到好處地表達(dá)了我的輕蔑和不屑，頭也不回地走出了古意的房間，再也沒有了以往的興致去欣賞古意那張被我激得看不清表情的臉。

Then 啟動車廂溫度鐵路運(yùn)輸Ⅲ級預(yù)警應(yīng)急處置預(yù)案。

If 預(yù)警地點(diǎn)為運(yùn)輸途中，運(yùn)輸炮彈;

And 物資理化性質(zhì)達(dá)到Ⅱ級預(yù)警設(shè)置的閾值;

And 啟動車廂溫度鐵路運(yùn)輸Ⅲ級預(yù)警應(yīng)急處置預(yù)案;

And 車廂溫度高;

Then 啟動車廂溫度鐵路運(yùn)輸Ⅱ級預(yù)警應(yīng)急處置預(yù)案。

If 預(yù)警地點(diǎn)為運(yùn)輸途中，運(yùn)送炮彈;

And 物資理化性質(zhì)達(dá)到Ⅱ級預(yù)警設(shè)置的閾值;

And 啟動車廂溫度鐵路運(yùn)輸Ⅲ級預(yù)警應(yīng)急處置預(yù)案;

And 車廂溫度過高;

Then 啟動車廂溫度鐵路運(yùn)輸Ⅰ級預(yù)警應(yīng)急處置預(yù)案。

規(guī)則庫實(shí)質(zhì)上是事故描述事實(shí)庫和應(yīng)急處置措施及方法庫的映射關(guān)系，每對應(yīng)單個事實(shí)描述或多個事實(shí)描述的組合就給出一個針對該情況的具體處置措施或處置方法。規(guī)則庫是系統(tǒng)能進(jìn)行輔助決策的關(guān)鍵所在。

3 推理機(jī)的設(shè)計(jì)

由知識庫的設(shè)計(jì)可以看出，按產(chǎn)生式規(guī)則設(shè)計(jì)的知識庫具有彈性，同時(shí)還具有修改和擴(kuò)充方便、簡單易學(xué)等特點(diǎn)。但系統(tǒng)最終要完成輔助決策的功能，必須利用推理機(jī)來模擬人類專家處理知識和利用知識解決問題的能力。

推理機(jī)的推理過程分正向推理和逆向推理2種。本系統(tǒng)采用正向推理方式。在軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸預(yù)警中，根據(jù)對預(yù)警事實(shí)的描述，如果預(yù)警描述事實(shí)A 為真，并且在規(guī)則庫中存在相應(yīng)規(guī)則“If A 為真Then B”，則取規(guī)則的結(jié)論B 作為輔助決策方案或措施提供給決策者;如果規(guī)則庫中不存在相應(yīng)的匹配規(guī)則或決策者對系統(tǒng)給出的輔助方案或措施不滿意，則推理機(jī)將預(yù)警事實(shí)特點(diǎn)分類并對相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行權(quán)重劃分，然后按權(quán)重從高到低的原則，將這些特點(diǎn)與事實(shí)庫進(jìn)行比較，按最大相似度原則獲取預(yù)警事故處理方式的集合(如圖3 所示)。

在系統(tǒng)運(yùn)行中，首先通過接口接收軍用危險(xiǎn)貨物預(yù)警事故相關(guān)信息，信息通過知識庫系統(tǒng)進(jìn)入事實(shí)庫和規(guī)則庫進(jìn)行相關(guān)信息匹配;而后通過推理機(jī)流程讀取規(guī)則庫中第一條規(guī)則，并取出其中的If 條件部分與輸入的事故信息進(jìn)行匹配;若匹配不成功，則系統(tǒng)按順序讀取下一條規(guī)則并繼續(xù)取規(guī)則的If 部分匹配，直到事故信息與規(guī)則的If條件匹配成功為止;最后，取出規(guī)則的Then 結(jié)論部分，在客戶端按應(yīng)急處置措施(方案)的形式輸出，整個推理過程結(jié)束。

圖3 推理機(jī)設(shè)計(jì)

從整個過程不難看出，事實(shí)上推理機(jī)就是針對軍用危險(xiǎn)貨物運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和接收的預(yù)警、事故信息，去處理知識庫與規(guī)則庫關(guān)系的程序?qū)崿F(xiàn)。其具體的推理過程如圖3 所示。

4 結(jié) 語

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸狀態(tài)的知識庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，有助于軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸向智能化方向發(fā)展，有助于軍用危險(xiǎn)貨物鐵路運(yùn)輸安全技術(shù)信息化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，為下一步的研究和應(yīng)用提供參考。

［1］ 王文聰.基于本體的知識庫語義擴(kuò)展搜索方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京化工大學(xué)，2012:35-40.

［2］ Alavi M，Leidner D E. Knowledge management and knowledge management system［J］. Conceptual Foundations and Research Issue，2012，25(1):107-146.

［3］ 劉巖. FSRL 模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］. 天津:天津大學(xué)，2009:23-30.

［4］ 崔磊.交互式開放語義知識庫構(gòu)建方法研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009:9-14.