地理本體在動(dòng)態(tài)交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

張采芳，張睿卓，林愛(ài)武

(1. 文華學(xué)院，湖北 武漢 430074； 2. 測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

本體作為一個(gè)抽象的哲學(xué)概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)具體實(shí)體規(guī)格說(shuō)明的抽象和概念化表述。計(jì)算機(jī)學(xué)者將其引入人工智能領(lǐng)域，從而將應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的概念問(wèn)題進(jìn)行顯式化表示。而地理本體作為本體在地理信息中的應(yīng)用[1]，指把地理科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)、信息和數(shù)據(jù)抽象成一個(gè)個(gè)共性實(shí)體，并按照一定的關(guān)系而形成的體系，同時(shí)進(jìn)行概念化處理和確切地定義，最后構(gòu)成形式化表達(dá)的理論與方法[2]。國(guó)外學(xué)者率先把本體論與地理信息相結(jié)合，并對(duì)基礎(chǔ)理論進(jìn)行較為充分的研究，并對(duì)地理實(shí)體概念進(jìn)行系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)[3-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在引入本體概念后的多年發(fā)展中，提出了各種本體的建設(shè)思想，如時(shí)空本體、地名本體、服務(wù)本體、位置本體[7]等，并在本體數(shù)據(jù)建模和本體在系統(tǒng)應(yīng)用方面進(jìn)行了很多卓有成效的研究和嘗試：王曉延[8]將地理本體理論引入礦業(yè)權(quán)數(shù)據(jù)管理中，構(gòu)建了礦業(yè)權(quán)時(shí)空地理本體模型；黃茂軍等[9]對(duì)地理本體的應(yīng)用及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析；李德仁[10]為解決空間數(shù)據(jù)分布異構(gòu)的問(wèn)題，根據(jù)地理本體與地理網(wǎng)格的特點(diǎn)，提出了地理本體與空間信息多級(jí)網(wǎng)格理論等。

隨著城市信息化程度的不斷提高，人類(lèi)對(duì)數(shù)字化城市有了更高的要求，各級(jí)政府及學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了各種各樣的研究及設(shè)計(jì)，如郭鵬等[11]提出的面向交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型；陳軍等[12]研究了地理信息公共服務(wù)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)的基本思路和總體架構(gòu)；李慶奎等[13]提出了訂閱-通知模式的動(dòng)態(tài)交通信息服務(wù)方式。城市交通信息系統(tǒng)作為智慧城市的主要組成部分，其智能化不僅為出行者提供實(shí)時(shí)幫助，而且能為城市環(huán)保提供服務(wù)。本體理論在GIS領(lǐng)域的應(yīng)用與研究較多地集中在地理信息的應(yīng)用、數(shù)據(jù)集成，以及信息的挖掘和搜索方面，但在GIS-T中基于本體的應(yīng)用研究少有涉及。本文在現(xiàn)有地理本體的研究基礎(chǔ)上，抽象出交通本體的層次模型，并應(yīng)用到動(dòng)態(tài)交通信息的抽象與表達(dá)中，解決交通信息領(lǐng)域中的多專(zhuān)題動(dòng)態(tài)信息綜合管理問(wèn)題，促進(jìn)交通信息服務(wù)水平的提升。

1　交通信息本體論

1.1　本體論

哲學(xué)中本體是一種使用廣泛的理論基礎(chǔ)，闡釋最本質(zhì)的現(xiàn)實(shí)存在，科學(xué)本體論更是用來(lái)表示一種跨領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可的語(yǔ)義層次的理解，提供一種明確定義的共識(shí)。而且本體具有如下重要的作用：①本體是領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)化表達(dá)的新途徑；②本體支持對(duì)知識(shí)的重用；③本體是領(lǐng)域知識(shí)的形式化表示；④本體可以實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域靜態(tài)知識(shí)與操作知識(shí)相互獨(dú)立；⑤本體為個(gè)體溝通與共享提供了條件。

本體定義了明確的行業(yè)術(shù)語(yǔ)以及構(gòu)成本體的概念之間的關(guān)系，從而消除不完整、不確切或有歧義的信息；且本體具有領(lǐng)域?qū)傩院驮敿?xì)層次屬性，它在領(lǐng)域中的使用結(jié)構(gòu)化了領(lǐng)域知識(shí)，有助于知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化整理和進(jìn)一步擴(kuò)展。在GIS或GIS-T中應(yīng)該有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的邏輯一致性、可靠性和規(guī)范性[14]。按照應(yīng)用級(jí)別本體分為頂級(jí)本體、通用的常識(shí)性本體、領(lǐng)域本體、任務(wù)本體、應(yīng)用本體；自頂向下劃分本體層次為通用本體、領(lǐng)域本體和應(yīng)用本體。傳統(tǒng)的本體描述語(yǔ)言主要有Ontolingua、KIF、Loom、OKBC(open knowledge base connectivity)、OCML(operational conceptual modelling language)和FLogic等；本體標(biāo)記語(yǔ)言主要有SHOE(simple HTML ontology extensions)、RDF、RDFS、OWL+OIL和OWL等。

OWL(web ontology language)是一門(mén)處理Web信息的語(yǔ)言，是由OIL+DAML發(fā)展起來(lái)的。其子語(yǔ)言詳細(xì)描述有：OWL Lite、OWL DL和OWL Full 3種。地理本體在本質(zhì)上獨(dú)立于具體表示語(yǔ)言，由于OWL增加了更多的建模原語(yǔ)、類(lèi)型定義和屬性描述，并且以面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行描述，故本文選取OWL語(yǔ)言描述交通本體。

1.2　交通本體

地理本體(Geo-ontology)是把有關(guān)地理科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)、信息和數(shù)據(jù)抽象成由一個(gè)個(gè)具有共識(shí)的對(duì)象(或?qū)嶓w)，并按照一定的關(guān)系而組成的體系，同時(shí)進(jìn)行概念化處理和明確的定義，最后以形式化表達(dá)的理論與方法。本文所定義的交通本體是地理本體與交通信息的結(jié)合，它能夠定義交通實(shí)體或交通實(shí)體關(guān)系等可被共同認(rèn)可的概念。在信息管理方面，交通本體在數(shù)據(jù)庫(kù)中有其對(duì)應(yīng)的概念邏輯體，而物理實(shí)體與邏輯實(shí)體是一對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)物理實(shí)體在數(shù)據(jù)庫(kù)中可能會(huì)有多個(gè)邏輯表述。

2　交通本體的構(gòu)建

本體構(gòu)建的最終目標(biāo)是使用戶(hù)通過(guò)高效的語(yǔ)義方式從大量的數(shù)據(jù)中檢索出期望的內(nèi)容。本文研究的交通對(duì)象主要以動(dòng)態(tài)特性信息為主，而且動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信息服務(wù)和基于位置的動(dòng)態(tài)信息需求使得整個(gè)交通系統(tǒng)模型中的邏輯關(guān)聯(lián)更具整體性。

交通本體建立的過(guò)程為：首先確定研究對(duì)象范圍，詳細(xì)劃分不同類(lèi)交通本體的層次結(jié)構(gòu)；其次確立概念并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，學(xué)習(xí)專(zhuān)家領(lǐng)域知識(shí)，建立動(dòng)態(tài)交通信息概念樹(shù)和關(guān)系網(wǎng)；然后通過(guò)構(gòu)建工具形式化編碼，開(kāi)始構(gòu)建包括概念、關(guān)系及實(shí)例、規(guī)則；最后對(duì)本體進(jìn)行維護(hù)、進(jìn)化，細(xì)化領(lǐng)域知識(shí)，維護(hù)并擴(kuò)展本體，不斷提升本體的重用性。

在GIS-T中，可以按“交通實(shí)體—事件或現(xiàn)象—位置(定位)—?jiǎng)討B(tài)信息服務(wù)”的流程組織交通系統(tǒng)內(nèi)部的概念層次結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　交通信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)部邏輯

2.1　動(dòng)態(tài)交通信息結(jié)構(gòu)表示

在交通信息中，常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)主要有：路況數(shù)據(jù)(如交通擁堵指數(shù)、擁堵等級(jí)、道路平均速度)；公共自行車(chē)用戶(hù)刷卡數(shù)據(jù)(如租車(chē)站點(diǎn)借還率、區(qū)域公租車(chē)周轉(zhuǎn)率、自行車(chē)使用周期等)；出租車(chē)不同(歷史)時(shí)刻所處位置、某一時(shí)刻一定范圍內(nèi)車(chē)輛分布數(shù)據(jù)；公交車(chē)位置信息、客流信息數(shù)據(jù)；地鐵站點(diǎn)、站點(diǎn)客流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；停車(chē)場(chǎng)分布與動(dòng)態(tài)車(chē)位數(shù)據(jù)。

基于上述6類(lèi)動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)，圖2給出了GIS-T領(lǐng)域本體分類(lèi)結(jié)構(gòu)層次樹(shù)的一部分信息，不同類(lèi)別的交通實(shí)體對(duì)應(yīng)其層次位置，并與空間屬性或動(dòng)態(tài)行為相關(guān)的其他實(shí)體發(fā)生關(guān)聯(lián)。根據(jù)其動(dòng)態(tài)行為或位置關(guān)系推理與關(guān)聯(lián)查詢(xún)，以及時(shí)空本體[15]的描述信息獲取位置信息服務(wù)等。

圖2　動(dòng)態(tài)信息層次結(jié)構(gòu)

2.2　動(dòng)態(tài)交通應(yīng)用本體的建立

根據(jù)動(dòng)態(tài)交通信息管理服務(wù)的需求，通過(guò)建立交通類(lèi)應(yīng)用本體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空動(dòng)態(tài)交通信息的一體化管理。

2.2.1交通時(shí)空實(shí)體及屬性建立

本體及其基本邏輯關(guān)系如圖3所示，交通工具有客運(yùn)工具、貨運(yùn)工具兩類(lèi)?？瓦\(yùn)工具分5個(gè)子類(lèi)：公交、軌道車(chē)、出租車(chē)、私家車(chē)、自行車(chē)；貨運(yùn)工具包含貨車(chē)、工程車(chē)輛，而其他警務(wù)車(chē)、巡邏車(chē)等暫不納入研究范圍。

根據(jù)圖3的城市道路交通實(shí)體分類(lèi)，對(duì)實(shí)體出租車(chē)用OWL描述如下：

圖3　概念層次結(jié)構(gòu)

出租車(chē)

…

交通時(shí)空本體研究領(lǐng)域中交通基礎(chǔ)設(shè)施、交通管控設(shè)施等以相同方式實(shí)現(xiàn)。

2.2.2交通語(yǔ)義邏輯本體構(gòu)建

根據(jù)類(lèi)的集合操作：“owl:unionOf、owl:intersectionOf、owl:complementOf”，以及本體關(guān)系：“part-of、kind-of、instance-of、attribute-of”表達(dá)概念、類(lèi)、對(duì)象、實(shí)例、屬性相互之間的關(guān)系。Protégé可設(shè)定規(guī)則，主要用于推理判斷某些本體關(guān)系中值域的有效性。利用OWL的allValuesFrom、someValuesFrom、hasVaiue、Cardinality、minCardinality、maxCardinaliiy，可對(duì)屬性的值域或基數(shù)進(jìn)行限定。如“公共自行車(chē)”繼承自“自行車(chē)”，因此有屬性“isAvailable”。而對(duì)于“公交站點(diǎn)”，其屬性“hasLineDiscription”值為“Busline”實(shí)例，此約束規(guī)則的邏輯表示為“has LineDiscriptionBusline”。關(guān)系規(guī)則類(lèi)描述如下：

<停車(chē)場(chǎng) rdf:about="#XiWaiPark1">

3　交通本體的應(yīng)用

將本文設(shè)計(jì)模型應(yīng)用于當(dāng)前的道路交通中，試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，以及地鐵、公交、公共自行車(chē)、停車(chē)場(chǎng)與道路交通狀況等動(dòng)態(tài)專(zhuān)題數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理地形圖、居民地、水域、道路及設(shè)施、行政區(qū)劃圖等數(shù)據(jù)。這些地理基礎(chǔ)信息包含地理位置信息、小區(qū)分布信息、道路分布等信息。

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括停車(chē)場(chǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)表，裝有停車(chē)誘導(dǎo)系統(tǒng)的停車(chē)場(chǎng)的固定屬性信息(名稱(chēng)、編號(hào)、地址、價(jià)錢(qián)、固定車(chē)位編號(hào)等)，一、二、三級(jí)誘導(dǎo)屏的靜態(tài)信息(名稱(chēng)、編號(hào)、地址、顯示內(nèi)容等)及機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)場(chǎng)備案數(shù)據(jù)，路側(cè)停車(chē)電子收費(fèi)管理分中心數(shù)據(jù)，停車(chē)位信息等。

動(dòng)態(tài)路網(wǎng)數(shù)據(jù)與專(zhuān)題數(shù)據(jù)主要包括6個(gè)方面：①交通路網(wǎng)路況與交通指數(shù)數(shù)據(jù)；②地鐵站點(diǎn)及客流數(shù)據(jù)；③出租車(chē)與公交車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；④公共自行車(chē)站點(diǎn)分布及實(shí)時(shí)借還數(shù)據(jù)；⑤停車(chē)場(chǎng)數(shù)據(jù)；⑥誘導(dǎo)屏信息。

3.1　交通信息本體的系統(tǒng)應(yīng)用框架

城市交通管理信息系統(tǒng)為所有用戶(hù)服務(wù)，包括動(dòng)態(tài)交通要素(如出行者、車(chē)輛等)，滿(mǎn)足不同目的的出行需求。一體化的城市交通信息系統(tǒng)綜合組織交通系統(tǒng)內(nèi)實(shí)體對(duì)象、動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)和交通管控規(guī)則等。交通信息本體的系統(tǒng)應(yīng)用框架由應(yīng)用服務(wù)層、本體層和數(shù)據(jù)服務(wù)層3個(gè)層次構(gòu)成，如圖4所示。

圖4　本體應(yīng)用框架

3.1.1應(yīng)用服務(wù)層

該層主要實(shí)現(xiàn)各種不同類(lèi)型應(yīng)用、各種空間信息查詢(xún)、路徑分析、服務(wù)推送、信息發(fā)布、可視化地圖展示與交互。

3.1.2本體層

本體為本體層中心對(duì)象，該層首要目標(biāo)是建立并維護(hù)本體，并做到基于本體的查詢(xún)與推理。根據(jù)本體概念層次和支持邏輯推理的特性，結(jié)合語(yǔ)義的空間數(shù)據(jù)查詢(xún)，需要借助本體的形式化描述來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的知識(shí)推理，從而得到潛在的關(guān)系和隱含的知識(shí)。

3.1.3數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層提供各種動(dòng)態(tài)交通信息、空間數(shù)據(jù)，以及對(duì)數(shù)據(jù)的管理和查詢(xún)等操作。本體是系統(tǒng)應(yīng)用和數(shù)據(jù)組織服務(wù)的基礎(chǔ)，通過(guò)本體不僅可以對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，還能夠使用外部其他系統(tǒng)的格式化數(shù)據(jù)。本體提供了一個(gè)對(duì)外的橋接或代理，方便系統(tǒng)對(duì)外界數(shù)據(jù)提供關(guān)聯(lián)查詢(xún)及數(shù)據(jù)獲取。通過(guò)建立綜合交通信息的本體模型對(duì)各類(lèi)型動(dòng)態(tài)交通數(shù)據(jù)分層整理，便于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交通信息的快速管理與查詢(xún)。

基于本體的推理機(jī)制可實(shí)現(xiàn)不同位置、不同類(lèi)型，但是具有語(yǔ)義相關(guān)性數(shù)據(jù)的查詢(xún)服務(wù)，數(shù)據(jù)服務(wù)層只需要按照格式化定義來(lái)組織數(shù)據(jù)。本體的概念模型為應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)服務(wù)層建立互通的基礎(chǔ)。

3.2　動(dòng)態(tài)交通信息本體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

交通信息管理具有復(fù)雜的交通管理、交通決策與機(jī)制。為了檢驗(yàn)本文方法的效果，將其應(yīng)用于實(shí)際的交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)調(diào)度系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)面向位置、名稱(chēng)及時(shí)間關(guān)聯(lián)的優(yōu)化檢索。GIS-T檢索的特點(diǎn)是需要根據(jù)交通實(shí)體信息的時(shí)空關(guān)系擴(kuò)展關(guān)鍵詞信息，增強(qiáng)交通信息服務(wù)。交通信息詞庫(kù)應(yīng)該能夠較好地表達(dá)交通位置關(guān)系，因此將空間關(guān)系類(lèi)的定義賦予交通地理本體基本聯(lián)系的描述之中，用于查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的詞匯匹配，實(shí)現(xiàn)基于本體知識(shí)的各種交通信息的綜合查詢(xún)。表1給出了傳統(tǒng)查詢(xún)方式和基于本體的查詢(xún)過(guò)程比較。

系統(tǒng)檢索時(shí)，依據(jù)檢索時(shí)輸入內(nèi)容中的地名或位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息查詢(xún)，檢索結(jié)果包括自行車(chē)站點(diǎn)的動(dòng)態(tài)服務(wù)(選擇自行車(chē)出行前的最便捷租車(chē)點(diǎn)展示，即提示所在位置最近站點(diǎn)車(chē)架上空余鎖車(chē)器數(shù)量及可用車(chē)輛)、與地名相關(guān)的道路路段信息和停車(chē)場(chǎng)剩余車(chē)位信息等，還可以進(jìn)行停車(chē)場(chǎng)使用的信息統(tǒng)計(jì)、停車(chē)誘導(dǎo)屏內(nèi)容狀態(tài)更新等。檢索的響應(yīng)需要首先對(duì)輸入語(yǔ)句經(jīng)過(guò)分詞處理，將交通地理關(guān)鍵詞匹配系統(tǒng)，對(duì)得到的結(jié)果或匹配失敗后通過(guò)查詢(xún)擴(kuò)展之后的結(jié)果再與知識(shí)庫(kù)關(guān)聯(lián)推理，借助Jena框架中的語(yǔ)義查詢(xún)支持，實(shí)現(xiàn)搜索語(yǔ)句提取位置信息，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通信息綜合檢索，得到最終的結(jié)果。

表1　查詢(xún)過(guò)程對(duì)比

系統(tǒng)將各類(lèi)數(shù)據(jù)集成關(guān)聯(lián)，不同專(zhuān)題數(shù)據(jù)根據(jù)屬性及實(shí)際意義在數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，不同類(lèi)交通實(shí)體要素綜合在一張地圖中組織。本文使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)。首先對(duì)輸入語(yǔ)言經(jīng)過(guò)分詞處理，分詞結(jié)果中交通地理關(guān)鍵詞與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，將得到的結(jié)果或匹配失敗后通過(guò)查詢(xún)擴(kuò)展之后的結(jié)果再與知識(shí)庫(kù)關(guān)聯(lián)推理，得到最終的檢索結(jié)果。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本體模型在數(shù)據(jù)管理和交通語(yǔ)言信息處理中的現(xiàn)實(shí)性與便捷性。本體模型將多源異構(gòu)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，并借助交通本體的語(yǔ)義與邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行層次性組織，建立了基于本體的交通信息綜合數(shù)據(jù)模型，完成了GIS-T中各類(lèi)專(zhuān)題信息的關(guān)聯(lián)和綜合管理，極大提高了在GIS-T應(yīng)用中的數(shù)據(jù)管理效率；最終借助本體組織方式及本體語(yǔ)義理解，在檢索中實(shí)現(xiàn)綜合信息多方位實(shí)時(shí)展示，可處理簡(jiǎn)單的自然語(yǔ)言查詢(xún)。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文將地理本體的研究方法引入GIS-T中，借助地理本體概念將動(dòng)態(tài)交通信息進(jìn)行類(lèi)別層次的劃分，然后將各種動(dòng)態(tài)信息分類(lèi)重組，按照本體的模型結(jié)構(gòu)將這些信息關(guān)聯(lián)整理，提供了對(duì)動(dòng)態(tài)交通信息的綜合檢索和展示的應(yīng)用和服務(wù)。面對(duì)當(dāng)前人們不斷增長(zhǎng)的交通信息需求，綜合利用各類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了交通信息的多方位展示應(yīng)用。

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