趙振洲，陸元昌

(1.北京政法職業(yè)學(xué)院，北京 100024； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091)

近自然森林經(jīng)營知識模型及管理系統(tǒng)研究

趙振洲1，陸元昌2

(1.北京政法職業(yè)學(xué)院，北京 100024； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091)

采用知識工程的通用方法論—CommonKADS，構(gòu)建近自然森林經(jīng)營的知識工程體系、獲得基本數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上應(yīng)用知識管理的理念對近自然森林經(jīng)營知識模型進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。分析、設(shè)計(jì)的結(jié)果將指導(dǎo)知識管理系統(tǒng)的開發(fā)，并最終加快我國生態(tài)林業(yè)建設(shè)的進(jìn)程。

近自然森林經(jīng)營；知識工程；知識模型

近自然森林經(jīng)營是指充分利用森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的自然生長發(fā)育規(guī)律，從森林自然更新到穩(wěn)定的頂級群落這樣一個完整的森林生命過程的時間跨度來計(jì)劃和設(shè)計(jì)各項(xiàng)經(jīng)營活動，優(yōu)化森林的結(jié)構(gòu)和功能，永續(xù)充分利用與森林相關(guān)的各種自然力，不斷優(yōu)化森林經(jīng)營過程，從而使生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的需求能最佳結(jié)合的一種真正接近自然的森林經(jīng)營模式。近自然森林經(jīng)營是實(shí)現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展思想和目標(biāo)的有效手段。

知識工程是一門新興學(xué)科。就像力學(xué)和電氣工程為汽車制造提供了理論、方法和技術(shù)一樣，知識工程也為分析和設(shè)計(jì)知識配備了科學(xué)的理論方法[1]。知識管理是指一個組織整體上對知識的獲取、存儲、學(xué)習(xí)、共享、創(chuàng)新的管理過程，目的是提供組織中知識工作者的生產(chǎn)力，提高組織的應(yīng)變能力和反應(yīng)速度，增強(qiáng)核心競爭力[2]。

應(yīng)用知識工程和知識管理方法構(gòu)建近自然森林經(jīng)營知識模型，對于我國引進(jìn)近自然森林經(jīng)營思想與技術(shù)，研究近自然森林經(jīng)營知識體系，以及關(guān)于近自然森林經(jīng)營知識的重用與共享，林業(yè)科技人員的觀念更新、技術(shù)創(chuàng)新都將有巨大的推動作用。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究方法——知識工程

傳統(tǒng)的知識表達(dá)模式是指論文、書籍等形式，其不具備分析和設(shè)計(jì)知識的能力。知識工程是另一種結(jié)構(gòu)化知識表達(dá)形式，它通過分析問題的組織語境、知識特點(diǎn)、知識之間的聯(lián)系來解決問題，具有分析和設(shè)計(jì)知識的能力[3]。本研究將運(yùn)用知識工程理論結(jié)合CommonKADS方法學(xué)構(gòu)建近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域的知識模型[4]，分析近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域知識資源的構(gòu)成，整理出一套完整的近自然森林經(jīng)營知識體系，并把它應(yīng)用到管理系統(tǒng)中。

1.2 基本數(shù)據(jù)

由于本研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)近自然森林經(jīng)營知識的共享和重用，因此在項(xiàng)目中主要構(gòu)造知識模型組件。一個知識模型主要包括2部分：領(lǐng)域知識、推理知識[5]，因此基本數(shù)據(jù)即為近自然森林經(jīng)營的領(lǐng)域知識和推理知識。

1.2.1 領(lǐng)域知識 描述一個應(yīng)用領(lǐng)域中主要的靜態(tài)信息和知識對象。一個領(lǐng)域知識描述通常由2種成分組成：領(lǐng)域模式、知識庫。

1)領(lǐng)域模式：類似于數(shù)據(jù)模型或?qū)ο竽Ｐ蚚6]，在近自然森林經(jīng)營知識應(yīng)用項(xiàng)目當(dāng)中，領(lǐng)域模式整理成樹狀結(jié)構(gòu)。首先區(qū)分出近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域中知識的大類，包括世界觀、理論要點(diǎn)、技術(shù)要素、技術(shù)體系，然后再針對具體的大類細(xì)分為：世界觀包括哲學(xué)思想和發(fā)展歷史，理論要點(diǎn)包括基本概念、經(jīng)營的目標(biāo)、基本原則、經(jīng)濟(jì)可行性，技術(shù)要素包括參照對象、實(shí)用參數(shù)和工具，技術(shù)體系包括經(jīng)營及作用設(shè)計(jì)調(diào)查、群落生境制圖及經(jīng)營計(jì)劃技術(shù)、目標(biāo)樹單株目林分施業(yè)體系、人工林近自然化改造、森林動態(tài)監(jiān)測評估技術(shù)。小類下面還可以進(jìn)一步細(xì)化，在此由于篇幅有限不作介紹。

2)知識庫：包含領(lǐng)域模式中詳細(xì)說明的類型實(shí)例。知識系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用之間的主要區(qū)別是數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用分析過程中，人們很少對放進(jìn)數(shù)據(jù)庫中的真實(shí)事實(shí)感興趣；而在知識系統(tǒng)中，知識庫通常包含特定的知識片斷，這些才是人們所感興趣的。在知識建模中通常要區(qū)分包含不同知識類型的多知識庫[7]。

1.2.2 推理知識 描述如何將靜態(tài)結(jié)構(gòu)用于執(zhí)行一個推理過程，它描述了知識模型中功能分解的最低層次[8]。通常，推理使用知識庫中包含的知識從其動態(tài)輸入中衍生出新信息。

1)近自然森林經(jīng)營知識模型的整體框架：參考體系→森林植被調(diào)查分析→土壤調(diào)查分析→更新動態(tài)調(diào)查分析(林業(yè)更新、林下更新、更新苗木質(zhì)量)→群落生境制圖技術(shù)→森林景觀格局分析評價→近自然度評價→林分結(jié)構(gòu)分析(組成結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu))→目標(biāo)樹作業(yè)體系→近自然化改造體系。

2)近自然度評價知識模型：

①識別活動：熟悉領(lǐng)域。森林近自然度是一個評價在特定自然條件下森林狀態(tài)的可廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。群落的近自然程度越高，群落結(jié)構(gòu)越豐富，生物多樣性越大，群落越穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會服務(wù)功能也就越大。因此，近自然度評價是進(jìn)行近自然森林經(jīng)營過程中一個非常必要的環(huán)節(jié)。

②規(guī)范活動：選擇任務(wù)模板。CommonKADS方法學(xué)提供了分類、診斷、評估、監(jiān)控、配置設(shè)計(jì)、分配、規(guī)劃和調(diào)度等任務(wù)模板，各個模板適用于不同類型的問題。

近自然度評價的一般特征：目標(biāo)，根據(jù)近自然度評價標(biāo)準(zhǔn)給某個案例找到一個決策類別；輸入，關(guān)于案例的數(shù)據(jù)，近自然度評價規(guī)范；輸出，近自然度；特性，在時間的某一點(diǎn)執(zhí)行、輸出決策類別；方法，數(shù)據(jù)驅(qū)動，從一些初始特性開始，用這些特征產(chǎn)生一個或一組候選方案。從這些特征可以看出，近自然度評價這個問題應(yīng)采用評估模板。

圖1 “群落”與“標(biāo)準(zhǔn)”2個概念的示意圖

③規(guī)范活動：構(gòu)造最初的領(lǐng)域模式。具體地段上的不同植物群落和近自然度評估標(biāo)準(zhǔn)是2個核心的對象類型(圖1)。

④規(guī)范活動：完整的知識—模型規(guī)范。森林近自然度評價體系：分為7個等級：1級，頂極群落森林；2級，演替過渡森林；3級，先鋒群落森林；4級，頂級或向頂級過渡森林混交有立地不適生的樹種；5級，先鋒群落森林混交有立地不適生的樹種；6級，鄉(xiāng)土樹種在不適應(yīng)立地造林群落；7級，外來樹種造林群落。其中某個階段又可根據(jù)是否天然更新、人工造林或?yàn)楣嗄玖值氐忍卣鞫鴦澐譃?個下級類目，分別記為“n”“p”“s”。

評估子標(biāo)準(zhǔn)1：群落生態(tài)狀況。前提條件：(1)土層厚度，深厚、中等、?。?2)陽離子含量，豐富、中等、貧瘠；(3)腐殖質(zhì)含量，豐富、中等、少；(4)pH值，酸、中、高(6～7)。規(guī)則：如果前提條件(1)、(2)、(3)、(4)都高，則近自然度不屬于6、7級；如果前提條件(1)、(2)、(3)、(4)屬于中等級別，則近自然度屬于4、5級；如果前提條件(1)、(2)、(3)、(4)屬于比較差的級別，則近自然度屬于6、7級。

評估子標(biāo)準(zhǔn)2：當(dāng)前森林群落主要樹種。前提條件：由經(jīng)營人員確定穩(wěn)定群落階段優(yōu)勢樹種。規(guī)則：如果當(dāng)前森林群落主要樹種出現(xiàn)頂級群落，則近自然度屬于1級；如果當(dāng)前森林群落主要樹種由先鋒樹種和頂級群落樹種構(gòu)成，則近自然度屬于2級；如果當(dāng)前森林群落主要樹種出現(xiàn)先鋒群落樹種，則近自然度屬于3級；如果當(dāng)前森林群落主要樹種出現(xiàn)頂級或向頂級過渡森林混交有立地不適生的樹種，則近自然度屬于4級；如果當(dāng)前森林群落主要樹種出現(xiàn)先鋒群落森林混交有立地不適生的樹種，則近自然度屬于5級；如果當(dāng)前森林群落主要由鄉(xiāng)土樹種在不適應(yīng)立地造林構(gòu)成，則近自然度屬于6級；如果當(dāng)前森林群落主要由外來樹種造林構(gòu)成，則近自然度屬于7級。

在進(jìn)行近自然度評估時，首先按照評估子標(biāo)準(zhǔn)1進(jìn)行評估，初步判斷出近自然度的范圍，然后按照評估子標(biāo)準(zhǔn)2進(jìn)行評估，給出最后的評估結(jié)論。

2 研究結(jié)果——近自然森林經(jīng)營管理系統(tǒng)

近自然森林經(jīng)營管理系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，知識工程為方法學(xué)，采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，科學(xué)的決策方法和技術(shù)，分析近自然森林經(jīng)營的理論、技術(shù)及實(shí)施要點(diǎn)等，應(yīng)用推理機(jī)制根據(jù)決策者提供的事實(shí)，借助于森林經(jīng)營領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)，輔助決策者做出決策，以實(shí)現(xiàn)近自然森林經(jīng)營專家知識共享的結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化混合的管理系統(tǒng)。具體的說，近自然森林經(jīng)營知識管理系統(tǒng)是根據(jù)近自然森林經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)要求，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、組件技術(shù)等信息技術(shù)，建立近自然森林經(jīng)營知識管理一體化的管理系統(tǒng)，把近自然森林經(jīng)營相關(guān)知識物化在數(shù)字化的環(huán)境之中，為我國的生態(tài)林業(yè)建設(shè)提供咨詢服務(wù)。

近自然森林經(jīng)營管理系統(tǒng)主要由知識門戶、管理系統(tǒng)平臺、知識庫3部分構(gòu)成。其中，知識門戶是管理系統(tǒng)的入口，也是管理系統(tǒng)的一個重要組成部分；知識庫是管理系統(tǒng)的核心，整個管理系統(tǒng)的所有工作都是圍繞知識庫來開展的；管理系統(tǒng)平臺是管理系統(tǒng)的支撐環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施，包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、管理系統(tǒng)服務(wù)器端軟件等。

2.1 知識門戶設(shè)計(jì)

知識門戶又稱知識桌面，其實(shí)現(xiàn)形式大致有3種：一是網(wǎng)站型(零客戶端型)，用戶通過普通瀏覽器即可進(jìn)入位于服務(wù)器端且專為知識管理系統(tǒng)開發(fā)的門戶網(wǎng)站獲得知識服務(wù)，不需要專為知識管理系統(tǒng)安裝任何客戶端軟件；二是專用客戶端型，用戶必須安裝指定的客戶端軟件才能進(jìn)入知識管理系統(tǒng)；三是通用客戶端型，利用現(xiàn)有的通用軟件如Office 2003作為客戶端。從技術(shù)角度講，第2種知識門戶可以做得更精細(xì)、功能更強(qiáng)大，然而下載并安裝專用客戶端軟件對用戶來說畢竟是一種負(fù)擔(dān)，而且用戶還得經(jīng)常進(jìn)行軟件升級工作。針對知識管理系統(tǒng)而言，制作網(wǎng)站型的知識門戶更合適些。

還有一位從事防腐整容的被訪者談道：“在學(xué)校學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，雖然對工作也有很大的用處，但遇到特殊逝者需要處理時，還得靠單位前輩來及時處理，我們從中學(xué)習(xí)到很多學(xué)校不能完全教給我們的內(nèi)容。我們很尊重單位的老前輩，都會很認(rèn)真跟他們學(xué)習(xí)。

本研究構(gòu)造的近自然森林經(jīng)營知識管理平臺主要包括7個方面的內(nèi)容：①用戶管理：包括用戶基本設(shè)置、用戶注冊、用戶登陸、用戶資料庫。②領(lǐng)域新聞：包括有關(guān)近自然森林經(jīng)營的新聞、事件、報告、演講和各種活動通知，這項(xiàng)內(nèi)容要定期更新，活動較多時更新則更為頻繁。③知識管理：提供領(lǐng)域?qū)＜揖庉?、錄入知識的界面。知識庫保存近自然森林經(jīng)營研究資料、發(fā)展趨勢和最佳實(shí)踐案例，其中也包括前人已經(jīng)做的工作和有關(guān)近自然森林經(jīng)營的文章。知識管理將專家資源、各種知識數(shù)據(jù)庫資源以及其他知識資源整合起來。④決策分析：這里提供一個入口，幫助近自然森林經(jīng)營實(shí)踐人員針對他們的實(shí)踐案例評價該林區(qū)的近自然度及相關(guān)問題。⑤知識地圖：當(dāng)用戶就某一知識向系統(tǒng)提出需求時，可以在知識地圖系統(tǒng)的幫助下找到所需要的知識。知識地圖是知識管理過程中一個非常有力的工具。⑥技術(shù)論壇：人們從這兒獲得信息、發(fā)出信息和問題并尋求幫助等。這是對所有用戶都開放的。本研究實(shí)現(xiàn)的這個論壇包括近自然森林經(jīng)營基礎(chǔ)理論、近自然森林經(jīng)營案例、近自然森林經(jīng)營動態(tài)等3個板塊，每一個都有獨(dú)立的信息板塊、組織辯論的會議室和貯存知識的圖書館。⑦相關(guān)網(wǎng)點(diǎn)：列出與近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域相關(guān)的站點(diǎn)，方便用戶快速鏈接。

2.2 知識庫設(shè)計(jì)

一個知識管理系統(tǒng)(Knowledge-based System)需要知識才能工作，知識的質(zhì)量和數(shù)量關(guān)系到系統(tǒng)的智能程度，知識的描述方法決定知識庫的質(zhì)量，而知識的存儲結(jié)構(gòu)則決定系統(tǒng)的效率和知識庫的容量，甚至決定系統(tǒng)的成敗[9]。由于近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域既有結(jié)構(gòu)化的知識又有半結(jié)構(gòu)化的知識[10]。因此，本系統(tǒng)采用混合的知識存儲模式。對于結(jié)構(gòu)化知識采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲，所構(gòu)建的知識庫在這里稱為信息庫。對于半結(jié)構(gòu)化的知識采用面向?qū)ο蟮拇鎯Ψ绞絹泶鎯?，在這里稱為規(guī)則庫。

2.2.1 信息庫的建立 信息是指人類對客觀事務(wù)屬性的值或狀態(tài)的描述。這種知識一般不包含任何變量，可以用一個值為真的命題陳述或一種狀態(tài)的描述來表達(dá)。例如：在近自然森林經(jīng)營的理論要點(diǎn)中提到的經(jīng)營目標(biāo)的基本原則之一：森林保護(hù)就是“過程保護(hù)”，不是保護(hù)一種狀態(tài)，而是保護(hù)隨機(jī)鑲嵌出現(xiàn)的多變量演替發(fā)展的過程。本研究所構(gòu)建的系統(tǒng)中包括以下幾類信息：理論要點(diǎn)、技術(shù)要素、技術(shù)體系等，信息類別比較多。因此，采用首先區(qū)分大類，然后逐步細(xì)化的方法來構(gòu)建信息庫(表1)。

表1 信息表的設(shè)計(jì)視圖

2.2.2 規(guī)則庫的建立 在本系統(tǒng)中主要采用了產(chǎn)生式規(guī)則來表達(dá)半結(jié)構(gòu)化知識，因此在這部分構(gòu)建的知識庫又稱規(guī)則庫。產(chǎn)生式規(guī)則是知識系統(tǒng)知識表示的最基本方式[11]，比較適用于推理、判斷知識，采用IF<事實(shí)>THEN<結(jié)論>的表達(dá)方式。而產(chǎn)生式規(guī)則在系統(tǒng)里采用面向?qū)ο蟮拇鎯π问健?/p>

在對象內(nèi)部采用屬性(Attribute)-值(Value)的表示方法，屬性是所要描述事物的某一特性，在具體場合有與之對應(yīng)的值。建立一種適用于正、反2種推理方法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

存儲信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

String name；

String value；

}

其中，name描述的是屬性，value描述的是值。

規(guī)則節(jié)點(diǎn)：Class Rule {

List premise；

Face conclude；

Boolean checked=false；

}

其中，premise是一個前提鏈表，其節(jié)點(diǎn)為Face類，conclude是該規(guī)則的結(jié)論，checked是布爾類型，作為該規(guī)則是否被檢測過的標(biāo)志。

依據(jù)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建出來的規(guī)則庫適合存儲近自然森林經(jīng)營領(lǐng)域與分析、決策、監(jiān)測、評估等問題相關(guān)的知識。

2.3 知識管理系統(tǒng)平臺

本系統(tǒng)采用了B/S/S 3層體系結(jié)構(gòu)，即客戶層、中間層和數(shù)據(jù)源層，其運(yùn)行模式見圖2。在實(shí)際運(yùn)行時，用戶在客戶層以HTML的方式向中間層提出請求，IIS Web Server接到請求并通過ASP程序驗(yàn)證請求的合法性，若通過請求，則通過ADO對象調(diào)用數(shù)據(jù)源層的數(shù)據(jù)并將結(jié)果以HTML的方式返回瀏覽器[12]。

圖2 B/S/S結(jié)構(gòu)

在具體實(shí)現(xiàn)中，由于系統(tǒng)是面向林業(yè)工作者，Windows系統(tǒng)在林業(yè)工作者當(dāng)中應(yīng)用的比較普遍，而且基于NT技術(shù)的Windows2003 Advance Server相對于另一個優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)UNIX來說更易于管理和維護(hù)，同時，集成到Windows2003 Advanced Server的IIS6.0易于安裝和維護(hù)，并增加了對重要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全協(xié)議的支持，包括摘要式身份驗(yàn)證、Server Gated Cryptography、Kerberos v5身份驗(yàn)證協(xié)議等。其中的3個任務(wù)向?qū)В沟镁W(wǎng)管人員可以更方便地管理站點(diǎn)的安全設(shè)置。因此，本研究選用Windows2003 Advanced Server+IIS6.0作為近自然森林經(jīng)營知識管理系統(tǒng)的支撐軟件。在數(shù)據(jù)源層，由于集成到Windows2003 Server 系統(tǒng)當(dāng)中的Access2003具有易于維護(hù)、易于升級到MS SQL Server的特點(diǎn)，同時也能滿足本系統(tǒng)用戶的需要，因此采用了桌面數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Access。

3 結(jié)論和討論

本文從知識工程的角度對近自然森林經(jīng)營理論和技術(shù)進(jìn)行了整理，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用知識管理的方法進(jìn)行了近自然森林經(jīng)營管理系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)。把知識工程方法和知識管理理念引入到林業(yè)信息系統(tǒng)的建設(shè)中是本研究的一個全新的嘗試?，F(xiàn)有的林業(yè)信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)都是采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)來構(gòu)建領(lǐng)域規(guī)則庫，而本研究采用面向?qū)ο蠓椒?gòu)建領(lǐng)域規(guī)則庫可以說是技術(shù)上的一個突破。

目前我國林業(yè)正處在從木材經(jīng)營型向生態(tài)經(jīng)營型轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段，要實(shí)現(xiàn)我國林業(yè)的跨越式發(fā)展，進(jìn)行近自然森林經(jīng)營知識管理是一有效途徑，而構(gòu)建近自然森林經(jīng)營知識工程體系是實(shí)現(xiàn)近自然森林經(jīng)營知識管理的有效手段。

本研究從知識工程的角度對進(jìn)行近自然森林經(jīng)營知識管理做了一個有益的嘗試，但由于領(lǐng)域知識掌握有限，知識工程的幾個模型并沒有完全建立，這是本研究的不足之處，有待進(jìn)一步完善。

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The Study on Knowledge Model and Management System for Near Natural Forest Management

ZHAO Zhen-zhou1，LU Yuan-chang2

(1.BeijingCollegeofPoliticsandLaw，Beijing100024，China；2.InstitudeofForestryResourceInformation，ChineseAcademyofForestryBeijing100091，China)

CommonKADS the knowledge engineering usual method theory was used to build near natural forest management knowledge engineering system to obtain the basic datas，and then on the basis of the above，the knowledge management concept was used to analyse and design the near natural forest management knowledge model.The results of the analysis and design would guide the development of knowledge management system，and accelerate the process of ecological forestry construction in China.

near natural forest management；knowledge engineering；knowledge model

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.01.030

2013-06-14；

2013-08-02

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)課題(20100400202)資助

趙振洲(1978—)，男，遼寧遼陽人，北京政法職業(yè)學(xué)院講師，碩士，從事信息管理與信息系統(tǒng)研究。E-mail：zhousun21@163.com。

S757

A

1002-7351(2014)01-0137-05