張 立， 王茜竹， 寧亞輝， 姜大立

(1.后勤工程學院現(xiàn)代物流研究所，重慶 401311;2.重慶郵電大學軟件學院，重慶 400065)

近年來，各種自然災害和突發(fā)性公共事件頻發(fā)，應急物流保障任務繁重.現(xiàn)有應急物流指揮決策體系在應急事件保障過程中發(fā)揮了重要作用，但其本質(zhì)上呈現(xiàn)信息系統(tǒng)輔助下的人工決策特點，決策效率較低[1].應急物流系統(tǒng)需要智能協(xié)作以提高科學性與敏捷性，智能協(xié)作的基礎是知識，即各級應急物流智能體之間及其內(nèi)部能承載足量的、無歧義的知識，滿足基于知識的智能協(xié)作.因此，需要建立基于應急物流異種數(shù)據(jù)源的知識表示機制.

發(fā)展中的語義網(wǎng)(尤其是處于其結(jié)構(gòu)棧核心層的本體技術)為解決異構(gòu)數(shù)據(jù)源的知識交換問題提供了良好的支撐.近年來，本體概念及相關技術已應用于應急事件管理領域，并取得一定效果.主要的研究分為兩類:其一，以應急事件管理各環(huán)節(jié)的具體需求為驅(qū)動，為特定問題解決進行本體建模與應用[2-6];其二，以普適性的應急知識表示方法為基礎，以領域本體庫為核心，并兼顧應急管理的具體應用[7-10].以上兩類研究策略優(yōu)勢互補，推動了應急事件管理本體建模理論與技術的發(fā)展.

應急事件管理的本體建模與應用研究逐步系統(tǒng)化，但應急物流知識表示問題依然是應急事件管理信息集成的主要瓶頸.應急物流是應急事件響應的重要組成部分，但無論從范圍還是內(nèi)容方面，與一般應急事件管理存在明顯差異，知識表示更具指向性，偏重物資籌措、包裝、運輸、儲存、配送等物流環(huán)節(jié)以及相應的組織實體和指揮實施過程，因此，普通應急事件本體模型并不能解決應急物流的知識表示問題.目前在應急物流本體知識表示方面也有少量研究，文獻[11]提出了一種物流應急預案本體模型，將每個物流應急預案進行本體表示，通過計算概念相似度，實現(xiàn)基于語義而非關鍵詞的物流應急預案查詢;但其僅針對物流應急預案，而非整個應急物流組織指揮過程，限制了其領域知識表示與應用的范圍.文獻[12]定義了應急物流本體模型ELO_Ontology，并用應急物流組織片段實例化，但缺乏基于智能推理機制的研究，阻礙了其進一步的應用.由此可見，對于應急物流本體建模的研究還處于初級階段，沒有對應急物流領域知識的精確定義，也沒有對應急物流知識推理的應用研究，因而無法支持更高層次的知識共享與應用.

針對應急物流本體建模存在的問題與需求，本文提出了一種業(yè)務模型驅(qū)動的應急物流本體知識表示與應用方法.首先，將應急物流的特點與業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法相結(jié)合，建立應急物流知識表示模型;然后，從語義約束和業(yè)務規(guī)則兩方面對主要概念之間的關系進行定義，闡明推理機制，形成推理規(guī)則集;最后，用應急配送帶權(quán)最短路徑問題的分析與可替代配送地點的自動推理，進一步說明該模型的應用方法并驗證其有效性.

1 業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法

本體即領域知識概念化的規(guī)范說明，包括構(gòu)成相關領域詞匯的基本術語、關系和規(guī)則的定義.文獻[13]使用六元組(C、AC、R、AR、H、X)描述本體模型，其中:C表示概念術語集:AC表示概念包含的屬性集;R表示概念之間的關系集;AR表示關系包含的屬性集;H表示概念之間的層次性，(Cp，Cq)∈H表示概念Cq是概念Cp的子概念;X表示公理(斷言)集合，即概念或關系之間的語義約束.因此，本體建模的實質(zhì)是明確定義領域概念、屬性、概念的層次、相互關系以及語義約束等.

以文獻[14]中討論的本體表示方法為基礎，從知識工程角度，將領域業(yè)務過程與知識表示相結(jié)合，提出業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法，見圖1.

圖1中，業(yè)務模型部分包括了業(yè)務需求的具體組成及各部分的組合關系，本體模型部分則呈現(xiàn)出本體要素及彼此之間的依賴關系[13]，并通過四階段轉(zhuǎn)換步驟將業(yè)務模型映射成本體模型.階段1，通過明確業(yè)務領域的用戶需求范圍與應用邊界條件，根據(jù)需求規(guī)格說明書以及各種業(yè)務文檔梳理出相關概念集合，其主要工作是枚舉術語，此時不用考慮術語之間的語義與業(yè)務邏輯;階段2，根據(jù)數(shù)據(jù)模型進一步篩選概念集，明確概念層次關系，得到元術語與領域術語;階段3，結(jié)合實體、關系子模型得到概念包含屬性、概念之間的關系以及關系屬性，并用業(yè)務流程與功能描述對關系和屬性進行進一步確認;階段4，根據(jù)控制流程以及功能描述中的行為和約束，建立業(yè)務推理規(guī)則集合，并將其與由概念關系或概念屬性形成的語義規(guī)則合并，形成推理規(guī)則集，供知識應用程序進行智能檢索與推理.

業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法是一個普適方法，但是，由于各領域業(yè)務的標準化與可控程度不同，使得該方法在控制流、行為約束、業(yè)務推理規(guī)則的表示上差異明顯.應急物流領域由于其固有的不確定性、動態(tài)性、半自治性等特點，其業(yè)務模型中的控制流、行為約束等并不能很準確地萃取或表達，例如，指揮控制的組織架構(gòu)與權(quán)限、應急物流實體的聯(lián)盟、應急物流任務的分解粒度、不確定需求條件下的物資預置或配送種類數(shù)量計算等.這些問題的解決不僅依賴于本體知識庫，還需要結(jié)合相關的優(yōu)化模型與算法，才能形成更細致的流程控制與行為約束規(guī)則并影響推理的智能與有效程度.

圖1 業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法Fig.1 A business model-driven ontology modeling method

下面以業(yè)務流程驅(qū)動的本體建模方法作為應急物流本體知識表示的基礎，但在業(yè)務推理規(guī)則設計時僅考慮可直接獲取的IF-THEN結(jié)構(gòu)的領域規(guī)則，對于復雜領域問題的推理樹及其與優(yōu)化模型算法的結(jié)合暫不討論.

2 應急物流本體表示模型

2.1 應急物流概念集合

本體模型的基礎是建立領域概念集合.表1列舉了應急物流領域的主要概念術語，將它們分為3個層次:元本體類、領域頂層本體類及領域一般本體類.

元本體類表述了自然界或社會中具有一般性的實體與過程，例如物資、資源、環(huán)境、人員、設備、設施等實體，事件、響應、指揮、保障、運輸?shù)冗^程.同時，元本體類具有層次性，例如，設備是資源的子類、運輸工具是設備的子類、汽車是運輸工具的子類等.這些概念與層次劃分是自然界或社會工作長期積累而產(chǎn)生的，并且與應急物流密切相關.

領域頂層本體類則是元本體類在應急物流領域的特化，描述了應急物流領域的頂層概念.例如，應急物流實體對應的元本體為組織，應急物資對應的元本體為物資，應急物流任務對應的元本體為任務.處于領域頂層本體類以下層次的領域概念統(tǒng)稱領域一般本體類，其術語源于應急物流業(yè)務領域的實際過程.

表1 應急物流領域主要概念術語Tab.1 Major terms of emergency logistics

領域一般本體類的層次可以很多，它既可以是領域頂層本體的特化，也可以是下一級領域一般本體的泛化.

應急物流本體類的定義明確和統(tǒng)一了領域相關術語，為進一步開發(fā)應急物流本體模型奠定了基礎.

2.2 主要本體類及其屬性

應急物流的主要問題是指揮決策問題，將應急物流任務合理分配給應急物流實體是應急物流指揮決策的目標，而分配的基本依據(jù)是應急物流實體的能力，必須判定應急物流實體是否有足夠的應急物流設備能力，因此，將應急物流任務、應急物流實體、應急物資、應急物流設備、應急物流資源、應急物流環(huán)境、應急物流方案等視作支持應急物流決策過程的主要本體類.下面以應急物流任務本體及應急物流實體本體的屬性設置為例，說明該本體模型中的屬性定義問題.文中若無特別說明，斜體字均表示屬性名.

圖2中，長方框表示本體類，橢圓框表示相關屬性.圖2(a)列舉了應急物流任務類的屬性集.其中，應急物資屬性利用物資分類標準中的詞匯表取值，便于一致化物資的分類與稱謂;父任務與子任務屬性對用來支持任務組合或分解;滿足需求屬性可回溯到任務產(chǎn)生的源頭，即來源于何種應急物資需求;所需設備屬性則指示了完成任務所需要的應急物流設備;而送達地點和收貨單位屬性分別明確了任務的目的地和接收者，便于任務的具體實施.圖2(b)列舉了應急物流實體本體的屬性.其中，父實體屬性與子實體屬性用于指示實體的所屬關系，便于不同粒度的任務分配以及實體之間的協(xié)作;擁有設備屬性反映了應急物流實體的設備擁有情況，其數(shù)據(jù)可作為應急物流實體能力的反映;當前位置屬性則反映了應急物流實體的當前地理位置，為任務分配提供了參考.類似地，還定義了應急物資、應急物流設備、應急物流資源、應急物流環(huán)境、應急物流方案等本體類的相關屬性.

圖2 典型的應急物流本體類及其屬性設置Fig.2 Typical emergency logistics ontology classes and their attributes

2.3 概念及屬性的語義約束關系

本體模型與結(jié)構(gòu)化模型、半結(jié)構(gòu)化模型以及面向?qū)ο竽Ｐ拖啾?，其特色在于基于Tbox公理集與Abox斷言集的語義約束，并以此作為智能查詢與推理的基礎.Tbox是描述領域概念結(jié)構(gòu)的公理集合，包括子類包含、屬性包含與擴展、基數(shù)約束等關系;Abox是描述具體實例的公理集合，包括概念斷言、關系斷言等.應急物流對本體建模中Tbox公理集所包含的主要語義約束的分析如下.

(1)子類約束.在應急物流本體知識表示模型中，子類約束主要指應急物流領域不同概念之間的層次關系.例如，應急事件類可包括自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生、社會安全等事件子類，而自然災害事件類又包括地震災害、洪水災害、氣象災害、地質(zhì)災害、海洋災害、森林災害等子類.不同種類的應急事件其應急預案、物資需求、保障人員、運輸方案等差異明顯，而這些差異的具體體現(xiàn)均通過定義子類約束及其繼承性來實現(xiàn).在本體描述語言OWL中，子類包含約束的具體實現(xiàn)通過subClassOf關鍵詞完成定義.

(2)子屬性約束.體現(xiàn)了屬性之間的包含關系，以應急物流任務本體類的所需設備屬性及其對應的應急物流設備類為例，假定應急物流設備類定義了3個屬性:設備名稱、設備描述、設備功能，則此3個屬性都是所需設備屬性的子屬性，需用OWL subProperty關鍵詞定義子屬性.

(3)其它語義約束.比較典型的還有基數(shù)約束、同義詞、一詞多義等.例如應急物資類，必須具有唯一的物資名，至少一個物資類型、至少一個與之關聯(lián)的運輸工具等，它們屬于基數(shù)約束，可通過OWL的關鍵字 cardinality、minCardinality等實現(xiàn).此外，通過 OWL 中的 Functional、Inversefunctional、Symmetric、Transitive等關鍵字還可對具體屬性定義語義約束.

2.4 業(yè)務推理規(guī)則

業(yè)務推理規(guī)則是在行為約束與系統(tǒng)控制基礎上定義的推理規(guī)則，其定義依賴于具體業(yè)務應用過程.在應急物流本體模型中，其業(yè)務推理規(guī)則可針對應急物資籌措、應急物資包裝、應急物資運輸、應急物資儲存、應急物資配送等應用子域進行定義.以應急物資運輸為例，其業(yè)務需求中需要考慮的關系(例如，應急物資與運輸方式、應急物資與運輸設備、運輸設備與道路、道路與目標地點等)，均可根據(jù)實際情況定義業(yè)務推理規(guī)則.例如，大批量救災帳篷可通過鐵路或航空進行干線運輸，大批量特種疫苗需要具有恒溫冷藏箱的特種車輛運輸，超限車輛不能在四級公路行駛，化學品不能和普通貨物混裝等.

3 應急配送帶權(quán)路徑推理案例

以具體的應急物流配送路徑選擇問題為例，闡述應急物流本體模型的實際應用步驟.問題描述:汶川地震后期，需從都江堰市配送物資至汶川縣水磨鎮(zhèn)，求配送路徑.已知連接水磨鎮(zhèn)的唯一道路漩三路因地震損毀暫無法通車，而區(qū)域內(nèi)國道G317、省道S106以及縣道青城山路皆恢復通車.

因為無法找到連接水磨鎮(zhèn)的可通行道路，采用關鍵字匹配的常規(guī)檢索結(jié)果將是無配送路徑.實際決策中，確定若干個可通達鄰近點進行車輛貨物運輸，然后，再通過人工方式配送物資到目的地也是一種可選擇方案.這種檢索異?，F(xiàn)象稱為常規(guī)檢索失效.下面應用應急物流本體表示模型自動推理得到可替代的鄰近點，并規(guī)劃配送路徑.

3.1 應急物流本體庫的實現(xiàn)

以問題求解為目標，依據(jù)應急物流本體表示模型定義應急物資需求、應急物資配送、應急物流實體、設備、設施、道路、地點、運輸工具等本體類及相關屬性集，參考行政區(qū)劃圖、地震后期交通態(tài)勢圖，確定具體受災地點、物資集散地點以及震區(qū)道路狀況等，并用Protégé實現(xiàn)了該本體庫.典型的實例如Abazhou、Dujiangyan、Wenchuan、Lijiaping、Baihua、Xuankou、Shuimo、G213、G317 等，表示了應急物流本體類在問題場景下的具體對象;典型的對象屬性如 Accessable、is_part_of、Nearby、Pass_through、Connect_to等，分別表達了地點之間有路可達、地點包含、地點相鄰、道路經(jīng)過地點、道路相連等關系.

3.2 應急物流配送推理規(guī)則定義

應急物流本體庫的推理規(guī)則包含語義推理規(guī)則與業(yè)務推理規(guī)則兩部分，分別用于描述邏輯推理機和基于規(guī)則的推理機進行推理.其中，語義推理規(guī)則參考OWL-DL的語法標準進行定義，在本例中包含了 Sub-class、Inverse Symmetric、Transitive等.例如:定義屬性 Accessable具有 Symmetric和Transitive特性，定義屬性Pass_through與Pass_by具有Inverse特性，等.應急配送業(yè)務推理規(guī)則如表2所示.

表2中:p1、p2、p3為不同的地點實例，r1為道路實例.其中，Rule1定義了Accessable屬性的基本含義，即r1經(jīng)過了p1和p2，則p1和p2之間具有可訪問關系;Rule2定義了 Accessable屬性的一種擴展語義，即p2包含p1，且p1可訪問p3，則p2也可訪問p3;Rule3定義了Accessable屬性的另一種擴展含義，即p1可訪問p2，且p2與p3相鄰，則p1可訪問p3.顯然，應用Rule3可解決目標地點無路可達時的配送路徑選擇問題.

3.3 推理并檢索可替代配送地點

應用Protégé插件Ontoviz即可顯示相關地點實例和道路實例間關系.通過Jena導入應急物流本體庫OWL文件和應急配送路徑推理規(guī)則文件，然后應用SPARQL語言定義查詢替代節(jié)點的語句(見圖3(a))，在Eclipse環(huán)境中運行代碼得到查詢結(jié)果(見圖 3(b))，得到地點實例 Lijiaping、Baihua、Xuankou可作為Shuimo的配送替代節(jié)點.增加可替代配送節(jié)點到目標節(jié)點的人工運輸路徑，即可滿足帶權(quán)配送路徑的求解需求.

表2 應急配送路徑推理規(guī)則Tab.2 Inference rules for emergency distribution path selection

圖3 應急配送可替代配送節(jié)點推理Fig.3 Alternative node reasoning for emergency distribution

3.4 帶權(quán)配送路徑求解方案的進一步設計

應用本方法求解應急配送路徑的步驟見圖4.

圖4中:

節(jié)點S、T分別表示配送源點與目標點;

節(jié)點R1、R2為自動推導出的可替代配送節(jié)點;w1～w7為相應邊的權(quán)值.

圖4 應急配送路徑求解步驟Fig.4 Main steps of emergency distribution path solution

圖4中，步驟1為可替代配送節(jié)點自動推理，解決了受災害影響的配送路網(wǎng)由有向非連通圖變成有向連通圖的問題;步驟2考慮道路運輸配送與人工運輸配送的差異并歸一化，利用綜合評價方法，進行多指標因素下應急配送路網(wǎng)中邊的權(quán)值估算與設置，形成帶權(quán)有向連通圖;步驟3利用已知的最短路徑求解算法，即可得到最優(yōu)配送路徑.

4 結(jié)束語

隨著應急物流領域信息化程度的逐步提高，異種應急物流系統(tǒng)和數(shù)據(jù)表示方法之間如何傳遞應急物流知識已成為應急物流決策與協(xié)作的主要障礙.本文將業(yè)務模型驅(qū)動的本體建模方法與應急物流的特性相結(jié)合，建立了應急物流本體知識庫，形成了語義層和業(yè)務層的推理規(guī)則集.最后，通過應急物流配送可替代路徑選擇案例，闡述了該本體模型的應用方法并證明了該模型的有效性.

下一步研究主要考慮兩方面:將本體推理與傳統(tǒng)運籌優(yōu)化模型、算法相結(jié)合，利用本體模型語義層知識表示的特點，提高應急物流運籌優(yōu)化過程的適用度與精確性;將本體模型與Multi-Agent模型結(jié)合，以OWL本體作為Agent之間通信的內(nèi)容語言，建立基于Agent共享知識的應急物流協(xié)作系統(tǒng).參考文獻:

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