城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系構(gòu)建

城市軌道交通選線學(xué)科領(lǐng)域涉及面廣，考慮因素復(fù)雜多樣。為選出一條合理的城市軌道交通線路，除了要參照常規(guī)的鐵路選線設(shè)計(jì)規(guī)范，還要依賴于已有工程實(shí)例、重要文獻(xiàn)專著及選線工程師以往的經(jīng)驗(yàn)等。將分散的選線領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)收集匯總，開(kāi)發(fā)城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)，是輔助選線工程師進(jìn)行線路設(shè)計(jì)，提高城市軌道交通選線設(shè)計(jì)水平與質(zhì)量的重要手段。然而，在城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)的開(kāi)發(fā)中，知識(shí)庫(kù)框架體系的構(gòu)建是其“瓶頸”問(wèn)題。一個(gè)合理的知識(shí)庫(kù)框架體系能提高知識(shí)庫(kù)的推理效率及簡(jiǎn)化其開(kāi)發(fā)難度。因此，結(jié)合城市軌道交通選線知識(shí)特點(diǎn)，針對(duì)Visual Prolog開(kāi)發(fā)工具特征，參考知識(shí)庫(kù)相關(guān)理論，從知識(shí)獲取、知識(shí)表示、知識(shí)推理3個(gè)方面，構(gòu)建了一個(gè)面向?qū)ο?、高效合理的知識(shí)庫(kù)框架體系，為后續(xù)城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)的開(kāi)發(fā)提供了重要參考價(jià)值和思路。

知識(shí)庫(kù)框架體系； Visual Prolog； 城市軌道交通選線

U212.32 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者簡(jiǎn)介］佐坤逶（1996—），男，碩士，研究方向?yàn)榫€路勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)。

知識(shí)庫(kù)是針對(duì)某一領(lǐng)域問(wèn)題求解的需要，采用某種知識(shí)表示方式在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)、組織、管理和使用的互相聯(lián)系的知識(shí)片集合［1］。線路工程涉及學(xué)科廣泛，需要考慮諸多影響因素，是一門系統(tǒng)工程。將知識(shí)庫(kù)與線路工程相結(jié)合，對(duì)于有效支持線路方案設(shè)計(jì)，促進(jìn)線路方案科學(xué)性、合理性具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前，諸多學(xué)者對(duì)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)在線路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并取得了一些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及理論方面的成果。西南交通大學(xué)易思蓉［2］教授針對(duì)鐵路選線領(lǐng)域的不同類型知識(shí)的特點(diǎn)，圍繞面向?qū)ο蠹夹g(shù)，建立了基于虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)的選線知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)表達(dá)及利用；中南大學(xué)歐陽(yáng)志峰［3］深入研究了鐵路綠色選線知識(shí)的獲取和表示，同時(shí)構(gòu)建了知識(shí)規(guī)則庫(kù)，采用推理機(jī)推理綠色選線知識(shí)，輔助專家進(jìn)行預(yù)測(cè)。長(zhǎng)安大學(xué)的莫艷鴛［4］建立了公路地質(zhì)選線知識(shí)庫(kù)，包括數(shù)字地質(zhì)對(duì)象模型、CAD+GIS 環(huán)境下的知識(shí)推理模塊及選線知識(shí)庫(kù)管理模塊，為選線過(guò)程提供了規(guī)則指導(dǎo)和案例借鑒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路選線的信息支持。

綜上，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)選線知識(shí)庫(kù)的研究大多集中在公路及傳統(tǒng)鐵路領(lǐng)域。然而作為在大中城市公共交通運(yùn)輸?shù)陌缪葜匾巧某鞘熊壍澜煌ǎ溥x線知識(shí)和技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)鐵路和公路，傳統(tǒng)鐵路與公路知識(shí)庫(kù)已經(jīng)不再適用。而對(duì)于城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)，國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒(méi)有較完善的總結(jié)和研究。因此本文擬在此基礎(chǔ)上，通過(guò)研究知識(shí)庫(kù)相關(guān)理論及Visual Prolog開(kāi)發(fā)工具技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通選線知識(shí)特點(diǎn)，構(gòu)建了城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系。為后續(xù)開(kāi)發(fā)城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)提供了理論和技術(shù)支撐。

1 知識(shí)庫(kù)理論研究

知識(shí)庫(kù)是一個(gè)智能的、基于知識(shí)的系統(tǒng)。知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)推理是構(gòu)建知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的三大核心技術(shù)問(wèn)題。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取是指從知識(shí)源獲得知識(shí)來(lái)建造知識(shí)庫(kù)的工作。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)源分為初始知識(shí)和再生知識(shí)。由于知識(shí)獲取需要大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)查、案例收集等多個(gè)渠道資料收集工作，知識(shí)來(lái)源廣、種類雜，建立知識(shí)庫(kù)，必定要對(duì)原有的信息和知識(shí)做一次大規(guī)模的收集和整理，凝練知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

1.2 知識(shí)表示

知識(shí)表示屬于一種智能活動(dòng)，是對(duì)知識(shí)的描述。其目標(biāo)是研究可以用來(lái)構(gòu)造知識(shí)的最合適的形式，以便最優(yōu)地解決問(wèn)題。一種優(yōu)秀的知識(shí)表示方法既要表示知識(shí)充分、易于理解，又要有利于知識(shí)的運(yùn)用，包括其維護(hù)、管理與組織。同時(shí)，知識(shí)表示也是知識(shí)推理的基礎(chǔ)。

1.3 知識(shí)推理

知識(shí)推理，就是在已有知識(shí)的基礎(chǔ)之上，推斷出未知的知識(shí)的過(guò)程。知識(shí)的推理過(guò)程是由推理機(jī)來(lái)完成的。如何調(diào)度推理機(jī)使用知識(shí)來(lái)進(jìn)行推理，需要依賴于推理控制策略。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)求解問(wèn)題的效率與準(zhǔn)確性取決于推理控制策略的選擇。推理控制策略主要包含沖突消解策略、推理方向和搜索策略［5］等幾個(gè)方面。

2 Visual Prolog 開(kāi)發(fā)工具概述

Visual Prolog意指可視化邏輯程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是基于Prolog 語(yǔ)言的可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是國(guó)際上研究和開(kāi)發(fā)智能化應(yīng)用的主流工具之一［6］。Visual Prolog具有模式匹配、對(duì)象機(jī)制、回溯、遞歸、謂詞庫(kù)和事實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等諸多功能。其包含一個(gè)功能強(qiáng)大的對(duì)象機(jī)制，捆綁了一個(gè)大型函數(shù)庫(kù)（API 函數(shù)）。Visual Prolog具有可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境（VDE），由應(yīng)用程序?qū)＜?、資源編輯器、編碼專家、文本編輯器、幫助生成器及調(diào)試器6部分組成，可以用來(lái)維護(hù)、開(kāi)發(fā)、測(cè)試GUI 界面的應(yīng)用程序和Visual Prolog 圖形資源［7］。

Visual Prolog 的程序結(jié)構(gòu)包括謂詞段、目標(biāo)段、子句段、論域段共4部分。謂詞段和論域段用來(lái)聲明或定義正在使用的謂詞或論域；子句段給出程序運(yùn)行操作和方法；目標(biāo)段是存儲(chǔ)程序需要滿足的初始目標(biāo)。隨著人工智能的不斷發(fā)展，Visual Prolog已經(jīng)成為適用于任何應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)秀智能化應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。在專家系統(tǒng)構(gòu)建、機(jī)器定理證明、自然語(yǔ)言理解等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系構(gòu)建

3.1 城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)模式

城市軌道交通選線主要包括確定線路走向、路由、敷設(shè)方式、車站分布、線路平縱斷面設(shè)計(jì)等內(nèi)容。根據(jù)城市軌道交通選線特點(diǎn)，可將知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)分為一系列知識(shí)子空間，如線路定線設(shè)計(jì)子庫(kù)、線路平面設(shè)計(jì)子庫(kù)、線路縱斷面設(shè)計(jì)子庫(kù)、車站設(shè)計(jì)子庫(kù)。每一個(gè)知識(shí)子空間又可以根據(jù)包含的對(duì)象不同進(jìn)一步劃分，形成若干相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)元。城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)根據(jù)不同的條件，調(diào)用對(duì)應(yīng)的知識(shí)子庫(kù)，由推理機(jī)進(jìn)行決策推理。城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。

3.2 城市軌道交通選線知識(shí)獲取

3.2.1 城市軌道交通選線知識(shí)來(lái)源

城市軌道交通選線知識(shí)主要來(lái)源于3個(gè)方面：

（1）規(guī)范知識(shí)——相關(guān)選線設(shè)計(jì)規(guī)范和城市軌道交通選線著作、報(bào)告、論文。

（2）經(jīng)驗(yàn)知識(shí)——專家、工程師咨詢。

（3）實(shí)例知識(shí)——工程實(shí)例。

綜上所述，城市軌道交通選線知識(shí)來(lái)源與組成如見(jiàn)圖3。

3.2.2 城市軌道交通選線知識(shí)獲取方法

對(duì)于城市軌道交通選線知識(shí)，由于其具有特殊性和復(fù)雜性，知識(shí)內(nèi)容多，涵蓋范圍廣，自動(dòng)知識(shí)獲取方法并不適合選線知識(shí)的獲取。所以本文采用非自動(dòng)知識(shí)獲取方法，通過(guò)人工方式從各個(gè)渠道抽取所需知識(shí)，將其形式化，形成城市軌道交通選線知識(shí)的事實(shí)和規(guī)則庫(kù)。主要步驟：

（1）知識(shí)查閱篩選。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、案例收集分析、規(guī)范查詢和專家調(diào)查，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料篩選出與城市軌道交通選線相關(guān)的知識(shí)，進(jìn)行匯總。

（2）知識(shí)整理分類。將匯總后的城市軌道交通選線知識(shí)進(jìn)行梳理分類。將冗余知識(shí)排除（一致性檢驗(yàn)），殘缺知識(shí)補(bǔ)全（完整性檢驗(yàn)），形成城市軌道交通選線知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 城市軌道交通選線知識(shí)表示

3.3.1 內(nèi)部知識(shí)表示

城市軌道交通選線知識(shí)數(shù)量繁多、復(fù)雜多樣、學(xué)科領(lǐng)域涉及面廣，如果單采用某一種知識(shí)表示方法，不能完整清晰的表示其知識(shí)內(nèi)容。所以在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，本文采用引入Prolog謂詞構(gòu)造的產(chǎn)生式表示法與面向?qū)ο蟊硎痉ㄏ嘟Y(jié)合的知識(shí)表示方法。運(yùn)用面向?qū)ο笾R(shí)表示方法，將城市軌道交通選線知識(shí)分為4個(gè)知識(shí)類，每個(gè)知識(shí)類分為若干知識(shí)子類，每個(gè)知識(shí)子類有若干知識(shí)對(duì)象，每個(gè)知識(shí)對(duì)象由屬性和方法構(gòu)成。相關(guān)層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對(duì)于知識(shí)對(duì)象，每一個(gè)知識(shí)對(duì)象的屬性即一條規(guī)則知識(shí)。表示為：“前提（各種情況）——結(jié)論（選線建議）”。產(chǎn)生式表示方法可以明確表示事實(shí)之間的聯(lián)系，在知識(shí)庫(kù)的修改、擴(kuò)充、維護(hù)等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Prolog語(yǔ)言簡(jiǎn)潔明了，在知識(shí)表示方面十分便捷。綜上，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)，將每一個(gè)知識(shí)對(duì)象的屬性（規(guī)則知識(shí)）以引入Prolog謂詞構(gòu)造的產(chǎn)生式表示方法來(lái)表示。

以線路定線大類中線路走向子類為例，線路走向子類知識(shí)對(duì)象屬性（規(guī)則知識(shí)）表示如表1所示。

線路走向規(guī)則知識(shí)在知識(shí)庫(kù)中具體表現(xiàn)形式為：

dxzx （“ID編號(hào)”“控制點(diǎn)類型”“選線建議”“解釋或?qū)嵗ǎ?/p>

具體實(shí)現(xiàn)代碼：

clauses

getallKZD（KZDlist） ：-

KZDlist = ［ KZD ||dxzx （_，KZD， _， _） ］.

clauses

getzxcx（ID， KZD， XXJY， JS） ：-

dxzx（ID， KZD， XXJY， JS），

！.

getzxcx （_， _， "0"， "0"）.

3.3.2 外部知識(shí)表示

知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，一方面要求被內(nèi)部計(jì)算機(jī)有效地存儲(chǔ)、檢索、識(shí)別并能進(jìn)行推理，另一方面又要求能夠以更直觀的方式呈現(xiàn)給用戶。城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)包含的知識(shí)種類繁多、覆蓋面廣、知識(shí)存量大。因此，針對(duì)用戶外部的知識(shí)表示方式應(yīng)采用多種角度進(jìn)行綜合描述。本文采取文字、圖形、圖像等方式進(jìn)行外部知識(shí)表示，實(shí)現(xiàn)知識(shí)外部表示的可視化。如圖5所示。

3.4 城市軌道交通選線知識(shí)推理

針對(duì)Visual Prolog特點(diǎn)，并根據(jù)城市軌道交通選線知識(shí)特征，本文采用面向?qū)ο蟮耐评頇C(jī)制完成推理工作，其中用到正向推理、深度優(yōu)先搜索、選左消解等推理策略。

具體推理步驟為：當(dāng)將已知事實(shí)送入知識(shí)庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)先定位目標(biāo)所屬對(duì)象類，在知識(shí)庫(kù)中找出與目標(biāo)相匹配的子句，此時(shí)若有多條子句符合要求，按照Visual Prolog內(nèi)部程序，按從上到下的順序選擇，每次只考慮一個(gè)子句，采用深度優(yōu)先搜索進(jìn)行匹配向下推導(dǎo)，運(yùn)用選左消解（總是在目標(biāo)語(yǔ)句和程序中的一個(gè)子句間進(jìn)行，總是選擇目標(biāo)語(yǔ)句的第一個(gè)目標(biāo)與子句的結(jié)論消解），從左至右依次進(jìn)行消解，若消解成功，則推出新的目標(biāo)語(yǔ)句，再對(duì)其重復(fù)搜索匹配消解操作，直至推理出所需結(jié)論；若消解失敗，則選擇的子句無(wú)法繼續(xù)往下推導(dǎo)，運(yùn)用回溯功能，再考慮后面的子句（圖6）。

城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系構(gòu)建如圖7所示。

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)的關(guān)鍵在于構(gòu)建合理的城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系。本文在研究城市軌道交通選線知識(shí)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Visual Prolog開(kāi)發(fā)工具及知識(shí)庫(kù)相關(guān)理論，完成了城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)框架體系的構(gòu)建，該知識(shí)庫(kù)框架具有結(jié)合了Prolog語(yǔ)言特點(diǎn)的混合知識(shí)表示方法和面向?qū)ο蟮母咝н壿嬐评頇C(jī)制，結(jié)構(gòu)清晰明了，為后續(xù)城市軌道交通選線知識(shí)庫(kù)的開(kāi)發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 《電子計(jì)算機(jī)普及辭典》編輯部.電子計(jì)算機(jī)普及辭典［M］. 北京： 電子工業(yè)部計(jì)算機(jī)工業(yè)管理局，1985.

［2］ 易思蓉.虛擬環(huán)境鐵路選線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理論和方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2000.

［3］ 歐陽(yáng)志峰.基于 GIS 的鐵路綠色選線決策支持系統(tǒng)（GRASDSS）的知識(shí)庫(kù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

［4］ 莫艷鴛. 公路三維地質(zhì)模型及地質(zhì)選線知識(shí)庫(kù)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2020.

［5］ 王光遠(yuǎn)等， 結(jié)構(gòu)智能選型［M］. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社. 2005.

［6］ 雷英杰， 人工智能 （AI） 程序設(shè)計(jì) 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言 ［M］. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2005.

［7］ 雷英杰等， Visual Prolog語(yǔ)言教程［M］. 西安： 陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 2002.