地理本體在動態交通系統中的應用

張采芳，張睿卓，林愛武

(1. 文華學院，湖北 武漢 430074； 2. 測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

本體作為一個抽象的哲學概念，實現了對具體實體規格說明的抽象和概念化表述。計算機學者將其引入人工智能領域，從而將應用領域內的概念問題進行顯式化表示。而地理本體作為本體在地理信息中的應用[1]，指把地理科學領域相關的知識、信息和數據抽象成一個個共性實體，并按照一定的關系而形成的體系，同時進行概念化處理和確切地定義，最后構成形式化表達的理論與方法[2]。國外學者率先把本體論與地理信息相結合，并對基礎理論進行較為充分的研究，并對地理實體概念進行系統化實現[3-6]。國內學者在引入本體概念后的多年發展中，提出了各種本體的建設思想，如時空本體、地名本體、服務本體、位置本體[7]等，并在本體數據建模和本體在系統應用方面進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權數據管理中，構建了礦業權時空地理本體模型；黃茂軍等[9]對地理本體的應用及關鍵問題進行了分析；李德仁[10]為解決空間數據分布異構的問題，根據地理本體與地理網格的特點，提出了地理本體與空間信息多級網格理論等。

隨著城市信息化程度的不斷提高，人類對數字化城市有了更高的要求，各級政府及學者對此進行了各種各樣的研究及設計，如郭鵬等[11]提出的面向交通事件管理的GIS-T數據模型；陳軍等[12]研究了地理信息公共服務平臺總體設計的基本思路和總體架構；李慶奎等[13]提出了訂閱-通知模式的動態交通信息服務方式。城市交通信息系統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時幫助，而且能為城市環保提供服務。本體理論在GIS領域的應用與研究較多地集中在地理信息的應用、數據集成，以及信息的挖掘和搜索方面，但在GIS-T中基于本體的應用研究少有涉及。本文在現有地理本體的研究基礎上，抽象出交通本體的層次模型，并應用到動態交通信息的抽象與表達中，解決交通信息領域中的多專題動態信息綜合管理問題，促進交通信息服務水平的提升。

1　交通信息本體論

1.1　本體論

哲學中本體是一種使用廣泛的理論基礎，闡釋最本質的現實存在，科學本體論更是用來表示一種跨領域的廣泛認可的語義層次的理解，提供一種明確定義的共識。而且本體具有如下重要的作用：①本體是領域知識結構化表達的新途徑；②本體支持對知識的重用；③本體是領域知識的形式化表示；④本體可以實現領域靜態知識與操作知識相互獨立；⑤本體為個體溝通與共享提供了條件。

本體定義了明確的行業術語以及構成本體的概念之間的關系，從而消除不完整、不確切或有歧義的信息；且本體具有領域屬性和詳細層次屬性，它在領域中的使用結構化了領域知識，有助于知識標準化整理和進一步擴展。在GIS或GIS-T中應該有效地增強系統的邏輯一致性、可靠性和規范性[14]。按照應用級別本體分為頂級本體、通用的常識性本體、領域本體、任務本體、應用本體；自頂向下劃分本體層次為通用本體、領域本體和應用本體。傳統的本體描述語言主要有Ontolingua、KIF、Loom、OKBC(open knowledge base connectivity)、OCML(operational conceptual modelling language)和FLogic等；本體標記語言主要有SHOE(simple HTML ontology extensions)、RDF、RDFS、OWL+OIL和OWL等。

OWL(web ontology language)是一門處理Web信息的語言，是由OIL+DAML發展起來的。其子語言詳細描述有：OWL Lite、OWL DL和OWL Full 3種。地理本體在本質上獨立于具體表示語言，由于OWL增加了更多的建模原語、類型定義和屬性描述，并且以面向對象的方式進行描述，故本文選取OWL語言描述交通本體。

1.2　交通本體

地理本體(Geo-ontology)是把有關地理科學領域的知識、信息和數據抽象成由一個個具有共識的對象(或實體)，并按照一定的關系而組成的體系，同時進行概念化處理和明確的定義，最后以形式化表達的理論與方法。本文所定義的交通本體是地理本體與交通信息的結合，它能夠定義交通實體或交通實體關系等可被共同認可的概念。在信息管理方面，交通本體在數據庫中有其對應的概念邏輯體，而物理實體與邏輯實體是一對多的關系，一個物理實體在數據庫中可能會有多個邏輯表述。

2　交通本體的構建

本體構建的最終目標是使用戶通過高效的語義方式從大量的數據中檢索出期望的內容。本文研究的交通對象主要以動態特性信息為主，而且動態實時信息服務和基于位置的動態信息需求使得整個交通系統模型中的邏輯關聯更具整體性。

交通本體建立的過程為：首先確定研究對象范圍，詳細劃分不同類交通本體的層次結構；其次確立概念并建立關聯關系，學習專家領域知識，建立動態交通信息概念樹和關系網；然后通過構建工具形式化編碼，開始構建包括概念、關系及實例、規則；最后對本體進行維護、進化，細化領域知識，維護并擴展本體，不斷提升本體的重用性。

在GIS-T中，可以按“交通實體—事件或現象—位置(定位)—動態信息服務”的流程組織交通系統內部的概念層次結構，如圖1所示。

圖1　交通信息系統數據內部邏輯

2.1　動態交通信息結構表示

在交通信息中，常見的動態交通數據主要有：路況數據(如交通擁堵指數、擁堵等級、道路平均速度)；公共自行車用戶刷卡數據(如租車站點借還率、區域公租車周轉率、自行車使用周期等)；出租車不同(歷史)時刻所處位置、某一時刻一定范圍內車輛分布數據；公交車位置信息、客流信息數據；地鐵站點、站點客流動態數據；停車場分布與動態車位數據。

基于上述6類動態交通數據，圖2給出了GIS-T領域本體分類結構層次樹的一部分信息，不同類別的交通實體對應其層次位置，并與空間屬性或動態行為相關的其他實體發生關聯。根據其動態行為或位置關系推理與關聯查詢，以及時空本體[15]的描述信息獲取位置信息服務等。

圖2　動態信息層次結構

2.2　動態交通應用本體的建立

根據動態交通信息管理服務的需求，通過建立交通類應用本體來實現對時空動態交通信息的一體化管理。

2.2.1交通時空實體及屬性建立

本體及其基本邏輯關系如圖3所示，交通工具有客運工具、貨運工具兩類。客運工具分5個子類：公交、軌道車、出租車、私家車、自行車；貨運工具包含貨車、工程車輛，而其他警務車、巡邏車等暫不納入研究范圍。

根據圖3的城市道路交通實體分類，對實體出租車用OWL描述如下：

圖3　概念層次結構

出租車

…

交通時空本體研究領域中交通基礎設施、交通管控設施等以相同方式實現。

2.2.2交通語義邏輯本體構建

根據類的集合操作：“owl:unionOf、owl:intersectionOf、owl:complementOf”，以及本體關系：“part-of、kind-of、instance-of、attribute-of”表達概念、類、對象、實例、屬性相互之間的關系。Protégé可設定規則，主要用于推理判斷某些本體關系中值域的有效性。利用OWL的allValuesFrom、someValuesFrom、hasVaiue、Cardinality、minCardinality、maxCardinaliiy，可對屬性的值域或基數進行限定。如“公共自行車”繼承自“自行車”，因此有屬性“isAvailable”。而對于“公交站點”，其屬性“hasLineDiscription”值為“Busline”實例，此約束規則的邏輯表示為“has LineDiscriptionBusline”。關系規則類描述如下：

<停車場 rdf:about="#XiWaiPark1">

3　交通本體的應用

將本文設計模型應用于當前的道路交通中，試驗所用數據包括基礎地理數據，以及地鐵、公交、公共自行車、停車場與道路交通狀況等動態專題數據。

基礎數據包括基礎地理地形圖、居民地、水域、道路及設施、行政區劃圖等數據。這些地理基礎信息包含地理位置信息、小區分布信息、道路分布等信息。

靜態數據包括停車場靜態數據表，裝有停車誘導系統的停車場的固定屬性信息(名稱、編號、地址、價錢、固定車位編號等)，一、二、三級誘導屏的靜態信息(名稱、編號、地址、顯示內容等)及機動車停車場備案數據，路側停車電子收費管理分中心數據，停車位信息等。

動態路網數據與專題數據主要包括6個方面：①交通路網路況與交通指數數據；②地鐵站點及客流數據；③出租車與公交車實時數據；④公共自行車站點分布及實時借還數據；⑤停車場數據；⑥誘導屏信息。

3.1　交通信息本體的系統應用框架

城市交通管理信息系統為所有用戶服務，包括動態交通要素(如出行者、車輛等)，滿足不同目的的出行需求。一體化的城市交通信息系統綜合組織交通系統內實體對象、動態交通數據和交通管控規則等。交通信息本體的系統應用框架由應用服務層、本體層和數據服務層3個層次構成，如圖4所示。

圖4　本體應用框架

3.1.1應用服務層

該層主要實現各種不同類型應用、各種空間信息查詢、路徑分析、服務推送、信息發布、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象，該層首要目標是建立并維護本體，并做到基于本體的查詢與推理。根據本體概念層次和支持邏輯推理的特性，結合語義的空間數據查詢，需要借助本體的形式化描述來實現機器的知識推理，從而得到潛在的關系和隱含的知識。

3.1.3數據服務層

數據服務層提供各種動態交通信息、空間數據，以及對數據的管理和查詢等操作。本體是系統應用和數據組織服務的基礎，通過本體不僅可以對已有數據進行操作，還能夠使用外部其他系統的格式化數據。本體提供了一個對外的橋接或代理，方便系統對外界數據提供關聯查詢及數據獲取。通過建立綜合交通信息的本體模型對各類型動態交通數據分層整理，便于進一步實現交通信息的快速管理與查詢。

基于本體的推理機制可實現不同位置、不同類型，但是具有語義相關性數據的查詢服務，數據服務層只需要按照格式化定義來組織數據。本體的概念模型為應用服務層和數據服務層建立互通的基礎。

3.2　動態交通信息本體實現與應用

交通信息管理具有復雜的交通管理、交通決策與機制。為了檢驗本文方法的效果，將其應用于實際的交通運行監測調度系統中，實現面向位置、名稱及時間關聯的優化檢索。GIS-T檢索的特點是需要根據交通實體信息的時空關系擴展關鍵詞信息，增強交通信息服務。交通信息詞庫應該能夠較好地表達交通位置關系，因此將空間關系類的定義賦予交通地理本體基本聯系的描述之中，用于查詢請求時與數據庫之間的詞匯匹配，實現基于本體知識的各種交通信息的綜合查詢。表1給出了傳統查詢方式和基于本體的查詢過程比較。

系統檢索時，依據檢索時輸入內容中的地名或位置實現動態信息查詢，檢索結果包括自行車站點的動態服務(選擇自行車出行前的最便捷租車點展示，即提示所在位置最近站點車架上空余鎖車器數量及可用車輛)、與地名相關的道路路段信息和停車場剩余車位信息等，還可以進行停車場使用的信息統計、停車誘導屏內容狀態更新等。檢索的響應需要首先對輸入語句經過分詞處理，將交通地理關鍵詞匹配系統，對得到的結果或匹配失敗后通過查詢擴展之后的結果再與知識庫關聯推理，借助Jena框架中的語義查詢支持，實現搜索語句提取位置信息，并實現動態交通信息綜合檢索，得到最終的結果。

表1　查詢過程對比

系統將各類數據集成關聯，不同專題數據根據屬性及實際意義在數據庫統一管理，不同類交通實體要素綜合在一張地圖中組織。本文使用Oracle數據庫管理系統來存儲處理后的數據。首先對輸入語言經過分詞處理，分詞結果中交通地理關鍵詞與數據庫匹配，將得到的結果或匹配失敗后通過查詢擴展之后的結果再與知識庫關聯推理，得到最終的檢索結果。

通過實際數據驗證了本體模型在數據管理和交通語言信息處理中的現實性與便捷性。本體模型將多源異構交通數據進行綜合，并借助交通本體的語義與邏輯關聯進行層次性組織，建立了基于本體的交通信息綜合數據模型，完成了GIS-T中各類專題信息的關聯和綜合管理，極大提高了在GIS-T應用中的數據管理效率；最終借助本體組織方式及本體語義理解，在檢索中實現綜合信息多方位實時展示，可處理簡單的自然語言查詢。

4　結　語

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態交通信息進行類別層次的劃分，然后將各種動態信息分類重組，按照本體的模型結構將這些信息關聯整理，提供了對動態交通信息的綜合檢索和展示的應用和服務。面對當前人們不斷增長的交通信息需求，綜合利用各類數據實現了交通信息的多方位展示應用。

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