自然語(yǔ)言處理關(guān)鍵技術(shù)在智能鐵路中的應(yīng)用研究

薛 蕊，馬小寧，李 平，楊連報(bào)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

自然語(yǔ)言處理涉及到人機(jī)交互的計(jì)算語(yǔ)言學(xué)和人工智能領(lǐng)域，它使得計(jì)算機(jī)和人類之間可以進(jìn)行無(wú)縫交互，并且在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，使得計(jì)算機(jī)獲得理解人類語(yǔ)言的能力。自然語(yǔ)言處理是一門融合語(yǔ)言學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)于一體的科學(xué)[1]。已在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并通過智能信息服務(wù)產(chǎn)生應(yīng)用價(jià)值[2-4]。在鐵路行業(yè)內(nèi)，雖然非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)量十分龐大，但是自然語(yǔ)言處理的應(yīng)用才剛剛起步，如Rosadini等人提出利用自然語(yǔ)言處理技術(shù)分析鐵路信號(hào)制造商需求文檔，從中探測(cè)鐵路需求的缺陷[5]。未來通過自然語(yǔ)言處理相關(guān)技術(shù)可以對(duì)海量的文檔進(jìn)行有效管理，如存儲(chǔ)和檢索；對(duì)文檔深入挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)事件之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律；與既有的技術(shù)手段相結(jié)合，促進(jìn)和推動(dòng)智能鐵路的發(fā)展。以往的綜述性研究多為總結(jié)某項(xiàng)技術(shù)在自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用[6-8]。本文在概述自然語(yǔ)言處理發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，將自然語(yǔ)言處理技術(shù)引入智能鐵路，探索和分析自然語(yǔ)言處理在智能運(yùn)營(yíng)、智能裝備和智能制造等方面的典型應(yīng)用，展望自然語(yǔ)言處理在鐵路行業(yè)的應(yīng)用前景。

1 自然語(yǔ)言處理發(fā)展歷程

作為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域與人工智能領(lǐng)域中的一個(gè)重要方向，自然語(yǔ)言處理最早于上世紀(jì)50年代正式提出。最早的自然語(yǔ)言理解方面的研究工作是機(jī)器翻譯，20世紀(jì)60年代西方研究者對(duì)機(jī)器翻譯做出了大量探索性的研究工作。然而，由于低估了自然語(yǔ)言的復(fù)雜性，和當(dāng)時(shí)自然語(yǔ)言處理理論和技術(shù)的缺乏，自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域的研究進(jìn)展緩慢。直到20世紀(jì)70～80年代，機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法的引入，為自然語(yǔ)言處理帶來了革新。從此自然語(yǔ)言處理從基于規(guī)則的時(shí)代進(jìn)入了廣泛應(yīng)用統(tǒng)計(jì)模型的時(shí)代，在這一階段，很多自然語(yǔ)言處理任務(wù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在各個(gè)方面取得矚目的成果，通過應(yīng)用深度學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)方法，自然語(yǔ)言處理的多項(xiàng)任務(wù)取得了突破，比如語(yǔ)言建模，語(yǔ)義解析等。

2 自然語(yǔ)言處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 文本分類

文本分類是將文本劃分至預(yù)設(shè)好類別中的過程。如果 Di是文檔集合 D 中的一個(gè)文檔，{C1，C2，C3，…，Cn}是類別集合，那么文檔分類就是將其中一個(gè)類別Cj分配給文檔Di的過程。根據(jù)其特征，文檔可以被標(biāo)記為一個(gè)類別或者多個(gè)類別。如果文檔僅屬于一個(gè)類別，被稱為“單個(gè)標(biāo)簽”，反之如果文檔屬于多個(gè)類別，則被稱為“多個(gè)標(biāo)簽”。如果文檔僅屬于兩個(gè)類別中僅有的一個(gè)，“單個(gè)標(biāo)簽”的文本分類問題可以進(jìn)一步被理解為“二分類”問題[9]。如圖1所示，文檔分類流程通常包括文檔表征、特征選擇或者特征變換、構(gòu)建算法模型、訓(xùn)練算法模型、以及最終對(duì)算法模型的評(píng)價(jià)。

圖1 文檔分類過程圖

2.2 命名實(shí)體識(shí)別

命名實(shí)體識(shí)別是對(duì)文本中的重要名詞和指代詞定位和分類的過程。例如，定位和識(shí)別新聞中的人名、地名和組織機(jī)構(gòu)名稱等重要的信息，用于進(jìn)一步的語(yǔ)言處理和應(yīng)用。命名實(shí)體識(shí)別作為自然語(yǔ)言處理中的重要任務(wù)，可被用于信息抽取、問答系統(tǒng)和機(jī)器翻譯等領(lǐng)域中。例如，命名實(shí)體信息可以將專有名詞定位為一個(gè)整體，從而輔助機(jī)器翻譯系統(tǒng)進(jìn)行整詞翻譯，以避免逐詞翻譯可能導(dǎo)致的翻譯錯(cuò)誤。

大部分命名實(shí)體識(shí)別系統(tǒng)包括人名、地名、組織機(jī)構(gòu)名和定義更為寬泛的混合實(shí)體。這些類別主要用于與新聞相關(guān)的語(yǔ)料，在其他相關(guān)領(lǐng)域，命名實(shí)體模型需要用其相關(guān)語(yǔ)料和標(biāo)注類別重新進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試[10]。

2.3 自動(dòng)摘要

自動(dòng)文摘是對(duì)輸入文本進(jìn)行壓縮和精煉，最終輸出源文本中重要概念的過程[11]。根據(jù)輸入文檔類型的差異（單個(gè)文檔/多個(gè)文檔）、目的的差異（泛化的/特定領(lǐng)域的/基于查詢的）、輸出文檔類型的差異（抽取性的/概括性的），自動(dòng)文摘系統(tǒng)可以被劃分不同的類別[12]。單個(gè)文檔摘要是指對(duì)單個(gè)文檔進(jìn)行總結(jié)概括，同理多個(gè)文檔摘要的數(shù)據(jù)源是多個(gè)文檔，但是多個(gè)文檔涉及的基本是同一個(gè)主題。泛化的自動(dòng)文摘系統(tǒng)是指對(duì)所有的文本進(jìn)行概括總結(jié)而不考慮其主題或者類別。特定領(lǐng)域的文摘系統(tǒng)則有著很強(qiáng)的專業(yè)或者領(lǐng)域的指向性，比如金融文章的摘要，生物制藥文檔的摘要等等。通常，該類型的摘要需要特定的專業(yè)知識(shí)以輔助句子的篩選過程。基于查詢的摘要僅僅包含用戶需要提取的信息，這些查詢通常是自然語(yǔ)言問題或者是特定主題的關(guān)鍵詞。抽取性文摘和概括性文摘的生成方式有所差異，抽取性文摘從文檔中定位和抽取重要句子從而生成文摘，而概括性文摘是通過合并選定的文檔，再將不重要的部分進(jìn)行壓縮生成最終的文摘。

2.4 知識(shí)圖譜

知識(shí)圖譜以實(shí)體和實(shí)體關(guān)系的形式對(duì)信息進(jìn)行建模從而得到知識(shí)表征和它們的關(guān)聯(lián)關(guān)系[13]。知識(shí)圖譜并非是一個(gè)全新的概念，而是基于在2006年提出的語(yǔ)義網(wǎng)概念，語(yǔ)義網(wǎng)強(qiáng)調(diào)使用本體模型來形式化表達(dá)數(shù)據(jù)中的隱含語(yǔ)義，由此產(chǎn)生了RDF（resource description framework）模式(RDF schema)和萬(wàn)維網(wǎng)本體語(yǔ)言（OWL，Web ontology language）的形式化模型。基于以上研究，Google于2012年5月17日正式提出了知識(shí)圖譜[14]。

三元組是知識(shí)圖譜一種通用的表示方式，之前流傳較廣的是RDF的一種（主語(yǔ)、指向、賓語(yǔ)）三元組（SPO），其中，主語(yǔ)（subject）和賓語(yǔ)（object）均為實(shí)體,指向（predict）闡明了實(shí)體之間的關(guān)系。該三元組可以用有向的圖結(jié)構(gòu)表示，如圖2所示。知識(shí)圖譜的三元組可表示為G=(E,R,S)，其中，E={e1, e2, …, e|E|}是知識(shí)庫(kù)中的實(shí)體集合，共包含|E|種不同實(shí)體；R={r1, r2, …, r|E|}是知識(shí)庫(kù)中的關(guān)系集合，共包含|R|種不同關(guān)系；S?E?R?E代表知識(shí)庫(kù)中的三元組集合。

圖2 （主語(yǔ)、指向、賓語(yǔ)）三元組示例

2.5 智能問答

智能問答旨在針對(duì)用戶問題傳遞包含相應(yīng)答案的精確信息。問答范式產(chǎn)生于60年代末，并在70年代初納入自然語(yǔ)言理解的框架。根據(jù)問題的類型問答系統(tǒng)被分為兩類，開放域問答系統(tǒng)與固定域問答系統(tǒng)。開放域系統(tǒng)主要基于網(wǎng)絡(luò)，對(duì)專業(yè)領(lǐng)域沒有限制，固定域系統(tǒng)對(duì)專業(yè)進(jìn)行了限制，比如醫(yī)藥或天氣預(yù)報(bào)等[15]。

問答系統(tǒng)構(gòu)建有諸多方案，如基于語(yǔ)言學(xué)的方法，基于統(tǒng)計(jì)模型的方法和基于模式匹配的方法。為了問答系統(tǒng)性能更優(yōu)，往往采用混合的方法進(jìn)行構(gòu)建[16]。近年來很多公司研發(fā)了語(yǔ)音助手，如蘋果手機(jī)的Siri，這類應(yīng)用本質(zhì)上是任務(wù)導(dǎo)向的智能問答系統(tǒng)，在之前的智能問答上集成了語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)，其流程如圖3所示。

圖3 任務(wù)導(dǎo)向的智能問答樣例

3 自然語(yǔ)言處理在智能鐵路中的應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 在智能運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，全國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬(wàn)km，其中高速鐵路3萬(wàn)km，覆蓋80%以上的大城市。隨著全國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路運(yùn)營(yíng)中的節(jié)能高效、安全管控等問題越發(fā)得到了人們的關(guān)注。自然語(yǔ)言處理的命名實(shí)體識(shí)別、知識(shí)圖譜、智能問答等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在鐵路運(yùn)營(yíng)中，可以有效節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本、改善乘客服務(wù)以及提高運(yùn)營(yíng)中的安全管控。

3.1.1 智能客服

智能客服是自然語(yǔ)言處理的一個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景，其主要功能是與用戶進(jìn)行基本溝通，并自動(dòng)回復(fù)用戶有關(guān)產(chǎn)品或服務(wù)的問題，以達(dá)到降低企業(yè)客服運(yùn)營(yíng)成本、提升用戶體驗(yàn)的目的。智能客服在電子商務(wù)、金融領(lǐng)域等已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在鐵路運(yùn)營(yíng)中，智能客服可以在票務(wù)、車站等場(chǎng)景中給乘客提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)和良好的乘車體驗(yàn)。

3.1.2 安全管控

鐵路運(yùn)營(yíng)中的安全涉及風(fēng)險(xiǎn)、隱患、事故故障等多個(gè)方面，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、隱患和事故故障的描述多以文本的方式存在，如風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)、隱患庫(kù)、和事故故障報(bào)告等。通過文本分類和命名實(shí)體識(shí)別等技術(shù)手段，可以將非結(jié)構(gòu)化的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化字段，便于存儲(chǔ)、檢索和統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)事故故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和原因分析，可以挖掘事故故障之間的內(nèi)在聯(lián)系和事故故障的發(fā)生規(guī)律。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)和隱患方面的數(shù)據(jù)，解析風(fēng)險(xiǎn)、隱患和事故故障之間的相關(guān)關(guān)系和轉(zhuǎn)化路徑，有助于將事故故障扼殺在萌芽狀態(tài)，提高鐵路的行車安全。此外，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如設(shè)備數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)等，可以對(duì)一些安全問題進(jìn)行預(yù)測(cè)，促進(jìn)設(shè)備檢查維修從基于條件的維修向基于預(yù)測(cè)的維修轉(zhuǎn)變，真正做到對(duì)安全問題的超前防范。

3.2 在智能裝備中的應(yīng)用

鐵路行業(yè)擁有龐大且多元化的資產(chǎn)，如機(jī)車車輛、基礎(chǔ)設(shè)施等，因此如何對(duì)這些資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理和優(yōu)化的配置，一直是鐵路行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問題。資產(chǎn)管理指的是通過一系列措施和方法降低資產(chǎn)的全生命周期的成本，同時(shí)獲取資產(chǎn)使用的效益最大化。資產(chǎn)管理不僅僅局限于維修方面，而是從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維到淘汰更新的一個(gè)全生命周期管理。通過運(yùn)用自然語(yǔ)言處理相關(guān)技術(shù)，可以有效提高資產(chǎn)管理的效率，推動(dòng)資產(chǎn)管理向資產(chǎn)智能的轉(zhuǎn)變。

3.2.1 資產(chǎn)檔案

在資產(chǎn)管理中運(yùn)用自然語(yǔ)言處理相關(guān)技術(shù)可以自動(dòng)化地建立和管理資產(chǎn)檔案，及時(shí)跟蹤資產(chǎn)的狀態(tài)變更，有助于簡(jiǎn)化資產(chǎn)管理的流程。同時(shí)通過對(duì)資產(chǎn)檔案進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以將相關(guān)資源進(jìn)行整合，合理高效地配置現(xiàn)有資源避免浪費(fèi)。

3.2.2 智能維修

將自然語(yǔ)言處理應(yīng)用于鐵路的資產(chǎn)管理能夠整合行業(yè)內(nèi)有價(jià)值的信息、專家知識(shí)、安全條例、維修規(guī)定等相關(guān)規(guī)章制度，自動(dòng)優(yōu)化維修作業(yè)所需的車輛調(diào)度、工具設(shè)施、人力資源等。例如，香港鐵路公司（MTR）利用人工智能進(jìn)行工程師每周的工作派遣和調(diào)度。這一方式使得他們?cè)诰S修制度內(nèi)得以最大化使用資源，MTR也因此在維修效率上提高了至少50%，同時(shí)節(jié)省了時(shí)間和成本[17]。

除此之外，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施等設(shè)備檔案和設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以對(duì)設(shè)備維修、維修時(shí)間進(jìn)行建模預(yù)測(cè)，有助于從按時(shí)維修和狀態(tài)維修向預(yù)測(cè)維修進(jìn)行轉(zhuǎn)變，減少成本的同時(shí)提高效率[18]。

3.3 在智能建造中的應(yīng)用

隨著建筑制造領(lǐng)域信息化的不斷完善，建筑制造行業(yè)已經(jīng)過渡到了數(shù)字化階段，具有代表性的就是BIM系統(tǒng)的應(yīng)用。作為強(qiáng)大的集成化系統(tǒng)，基于BIM的系統(tǒng)能夠在工程設(shè)計(jì)、工程施工以及工程監(jiān)察過程中高效地傳遞信息、進(jìn)行資源的優(yōu)化配置、以及通過一些監(jiān)察手段提前發(fā)現(xiàn)施工問題以避免返工。在信息化和數(shù)字化之后，下一步則是智能化，智能化能夠減少人力成本、進(jìn)行資源配置和決策的最優(yōu)化。建筑制造領(lǐng)域智能化的最大特點(diǎn)是，人工智能技術(shù)方法在行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。人工智能技術(shù)的應(yīng)用離不開數(shù)據(jù)的支持，而集成了大量數(shù)據(jù)和信息的BIM系統(tǒng)可以發(fā)揮重要的作用。將BIM系統(tǒng)與自然語(yǔ)言處理相結(jié)合，可以切實(shí)有效地處理建筑施工中的實(shí)際問題，促進(jìn)建筑制造由數(shù)字化向智能化的轉(zhuǎn)變。

3.3.1 決策輔助

建筑施工過程中需要進(jìn)行大量的決策，例如，選擇施工方法、承包方、施工材料等。自然語(yǔ)言處理中的知識(shí)圖譜、智能問答以及推理等技術(shù)可以為相關(guān)業(yè)務(wù)人員提供決策依據(jù)，輔助業(yè)務(wù)人員在復(fù)雜場(chǎng)景下進(jìn)行相關(guān)決策[19]。

3.3.2 督查校驗(yàn)

建筑施工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程往往以非結(jié)構(gòu)化文本的形式存在，例如施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。通過集成應(yīng)用 BIM 技術(shù)和自然語(yǔ)言處理相關(guān)技術(shù)，可以按規(guī)范要求對(duì) BIM 模型構(gòu)件的尺寸及位置等進(jìn)行自動(dòng)檢查，從而減輕有關(guān)人員的工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹自然語(yǔ)言處理發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能鐵路的發(fā)展，創(chuàng)新性地將自然語(yǔ)言處理技術(shù)全面引入鐵路行業(yè)，闡述了自然語(yǔ)言處理在智能鐵路中諸多可能的應(yīng)用場(chǎng)景。在智能運(yùn)營(yíng)、智能裝備和智能建造3大領(lǐng)域中，自然語(yǔ)言處理相關(guān)技術(shù)方法均可結(jié)合業(yè)務(wù)需要，在實(shí)際的場(chǎng)景中推動(dòng)和促進(jìn)鐵路行業(yè)向智能化轉(zhuǎn)變。