葛小三，馬 勇，盧小平，程 鋼

(河南理工大學(xué)礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454003)

一、引 言

現(xiàn)代地理設(shè)計(jì)是一種借助于多種科技手段強(qiáng)調(diào)多方參與的地理規(guī)劃設(shè)計(jì)過程，其設(shè)計(jì)理念是人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展。地理設(shè)計(jì)的出現(xiàn)為解決人口城市化、資源緊張、環(huán)境惡化、氣候變遷、食品安全、生物多樣化減少等諸多社會環(huán)境問題提供了一個新的途徑［1-3］。本文提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理協(xié)同設(shè)計(jì)理念，在對數(shù)據(jù)與語義支持等關(guān)鍵技術(shù)剖析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了利用語義服務(wù)支持下多方參與的地理協(xié)同設(shè)計(jì)模式，并對這種模式作了深入的探討。

二、地理設(shè)計(jì)

地理設(shè)計(jì)是在地理信息技術(shù)的支持下，與人類居住環(huán)境影響緊密結(jié)合的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，其內(nèi)涵在于使整個地理設(shè)計(jì)方案在制定與規(guī)劃的過程中，平衡并協(xié)調(diào)涉及的多方利益。地理設(shè)計(jì)不僅需要考慮地理設(shè)計(jì)單元的方案，還要考慮地理設(shè)計(jì)單元與自然生態(tài)環(huán)境之間的相互作用［4-5］。

地理設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于不同空間尺度上，通過地理位置和取向的優(yōu)化來解決空間規(guī)劃與設(shè)計(jì)問題，通常具有綜合性和復(fù)雜性等特點(diǎn)。在整個地理設(shè)計(jì)過程中，地理概念表達(dá)、地理認(rèn)知與計(jì)算、資源集成與共享、設(shè)計(jì)平臺功能與組成結(jié)構(gòu)、協(xié)同交互與感知模式、多Agent的設(shè)計(jì)行為模型等不僅涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，還涉及地理學(xué)、規(guī)劃學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的知識［6-9］。從相當(dāng)程度上講，地理設(shè)計(jì)是一個新興的集多技術(shù)與多學(xué)科的綜合體?，F(xiàn)代地理設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是人類設(shè)計(jì)成果與自然的整體性和諧，從而達(dá)到提高地理規(guī)劃設(shè)計(jì)方案與空間決策的水平，因而需要共同利益相關(guān)者和設(shè)計(jì)者的積極參與。而一個有效的協(xié)同工作機(jī)制，則能保證設(shè)計(jì)交流過程中的有序性。

三、地理協(xié)同設(shè)計(jì)

1.多方參與的地理協(xié)同設(shè)計(jì)

地理設(shè)計(jì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量取決于設(shè)計(jì)過程中對地理、環(huán)境、社會等諸多因素的綜合考慮，最大限度地降低對這些因素的不良影響。因而，設(shè)計(jì)過程往往涉及各個參與方利益的平衡與協(xié)調(diào)，同時還有人與自然的協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)本身需要超越單體設(shè)計(jì)思維局限，綜合考慮與自然和社會系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，需要各個參與方的共享協(xié)作進(jìn)行地理協(xié)同設(shè)計(jì)，共同完成設(shè)計(jì)目標(biāo)［10］。從這個視角出發(fā)，地理協(xié)同設(shè)計(jì)是指為了完成某一地理規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)，由多個設(shè)計(jì)主體，通過一定的信息交換和相互協(xié)同機(jī)制，分別完成不同的設(shè)計(jì)子任務(wù)達(dá)到整個地理設(shè)計(jì)目標(biāo)。其特征體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)多智能體性:是指設(shè)計(jì)活動由兩個或兩個以上設(shè)計(jì)主體參與，這些設(shè)計(jì)主體通常隸屬于不同的領(lǐng)域，整個過程體現(xiàn)了群體交互性與智慧決策性。

2)協(xié)同性:由于設(shè)計(jì)目標(biāo)涉及多方利益，因此需要各個設(shè)計(jì)方參與協(xié)同工作，共同完成地理設(shè)計(jì)任務(wù)。

3)動態(tài)性:由于不同參與方利益平衡，整個地理設(shè)計(jì)過程可能支持對地理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速和反復(fù)的影響評估，以產(chǎn)生改良的替代方案。因此是一個反復(fù)迭代的動態(tài)過程。

4)共享空間:多設(shè)計(jì)主體要協(xié)同實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，這就要求地理設(shè)計(jì)環(huán)境和上、下文信息一致。共享空間不僅為多設(shè)計(jì)主體提供了一個共享設(shè)計(jì)平臺，并且能從該平臺得到評估結(jié)果與其他設(shè)計(jì)者的反饋。

從以上地理協(xié)同設(shè)計(jì)的特征來看，地理設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在多用戶參與一個共享的地理設(shè)計(jì)空間，旨在使不同領(lǐng)域的專家都能充分利用地理信息設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。

2.地理協(xié)同設(shè)計(jì)的流程與模式

在常用設(shè)計(jì)工具支持下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的缺陷不僅表現(xiàn)在設(shè)計(jì)目標(biāo)的低自然融合度方面，而且表現(xiàn)在設(shè)計(jì)流程方面:設(shè)計(jì)過程缺乏交互性，設(shè)計(jì)流程缺乏動態(tài)性與可擴(kuò)展性，不能支持對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速和反復(fù)的影響評估，也不支持設(shè)計(jì)方案的迭代性。

在Esri CityEngine等工具日益增強(qiáng)的3D表現(xiàn)支持下［11］，許多設(shè)計(jì)方法借助于GIS，使得對地理設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時表達(dá)成為可能。一個可視化地理協(xié)同設(shè)計(jì)主要包括以下流程，如圖1所示。

1)問題域的定義:確定研究問題的范疇，如空間規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)等，分析設(shè)計(jì)過程中用戶知識空間和設(shè)計(jì)知識空間的關(guān)系，定義問題域，描述地理空間對象的各種狀態(tài)，建立表達(dá)模型。

2)地理設(shè)計(jì)目標(biāo)確定:根據(jù)界定與描述的問題與問題域，確立地理設(shè)計(jì)具體領(lǐng)域目標(biāo)，如將問題轉(zhuǎn)換成一個多線性空間優(yōu)化決策。

3)任務(wù)劃分與協(xié)同設(shè)計(jì):描述設(shè)計(jì)對象的功能和動力機(jī)制，對象各要素之間的功能關(guān)系和結(jié)構(gòu)關(guān)系如何，并根據(jù)目標(biāo)對任務(wù)進(jìn)行細(xì)粒度的劃分，然后通過協(xié)同設(shè)計(jì)完成初步目標(biāo)。

4)利益平衡與沖突解決:由于單體目標(biāo)和個體利益問題，考察階段設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)對象的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)各個相關(guān)因素建立評價模型，進(jìn)行各方利益平衡，解決沖突。

5)迭代修改與群體決策:對不同設(shè)計(jì)過程進(jìn)行迭代優(yōu)化，評估修改變化的差異和影響，設(shè)計(jì)群體作出合理的決策。

在以上流程中，主要包括兩個方面任務(wù):一是對設(shè)計(jì)問題的認(rèn)識與設(shè)計(jì)任務(wù)的描述;二是評價、協(xié)調(diào)與優(yōu)化。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程將分析的過程提前到設(shè)計(jì)認(rèn)知之前，在設(shè)計(jì)過程中，不能隨時全面兼顧地理、環(huán)境、社會等諸多因素，最大限度地降低對這些因素的不良影響。因此，協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢體現(xiàn)在利用地理信息技術(shù)的支持，采取即時的適用性分析，降低設(shè)計(jì)方案的潛在影響，提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)質(zhì)量。

四、地理協(xié)同設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

美國環(huán)境系統(tǒng)研究院地理設(shè)計(jì)研發(fā)主任William Miller認(rèn)為未來地理設(shè)計(jì)技術(shù)所要解決的問題集中在設(shè)計(jì)框架、數(shù)據(jù)模型及設(shè)計(jì)支持工具方面［12］。從解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理設(shè)計(jì)和分析的一體化問題視角出發(fā)，可以看出當(dāng)前地理設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)支持與共享設(shè)計(jì)空間方面顯得尤為重要。

1.地理數(shù)據(jù)支持

地理設(shè)計(jì)以其對空間對象定位及空間分析與決策功能為基礎(chǔ)提供了設(shè)計(jì)框架。地理設(shè)計(jì)過程涉及空間分析和支撐地理模型運(yùn)行的大量數(shù)據(jù)，因此，地理設(shè)計(jì)需要建立在海量的數(shù)據(jù)獲取和實(shí)時/準(zhǔn)實(shí)時的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)上。協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，分布式、動態(tài)、平臺異構(gòu)的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行有效的組織、管理、發(fā)布、訪問、傳輸就顯得非常關(guān)鍵。

地理設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)類型異構(gòu)、數(shù)據(jù)算法繁多、數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜。因而地理設(shè)計(jì)過程本身也迫切需要空間分布式數(shù)據(jù)管理平臺的支撐，利用網(wǎng)絡(luò)的即時性、可達(dá)性、廉價性、集成性，如云計(jì)算技術(shù)，在地理數(shù)據(jù)/信息服務(wù)平臺的支持下，融合先進(jìn)的地理計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建一個支持多方參與的虛擬地理環(huán)境設(shè)計(jì)平臺。

2.地理數(shù)據(jù)語義共享

在共享的地理設(shè)計(jì)空間中，由于參與者來自不同的領(lǐng)域，因此會產(chǎn)生對同一個問題或同一個過程描述的差異性，數(shù)據(jù)的多源性也會造成同名數(shù)據(jù)異義或同義數(shù)據(jù)異名等語義交叉、模糊甚至沖突的不一致性。地理設(shè)計(jì)知識不僅有對空間定位的需求，還需要有對被定位空間設(shè)計(jì)對象及空間關(guān)系語義的考慮，以與廣泛的信息相連［13］。因此，地理數(shù)據(jù)需要在不同設(shè)計(jì)參與方間相互集成、融合、重組與轉(zhuǎn)換，即在語義一致性的前提下獲取數(shù)據(jù)與使用數(shù)據(jù)，最大限度地利用地理數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的空間知識，保證各個設(shè)計(jì)者之間協(xié)調(diào)一致、高效、智能化協(xié)同工作，完成復(fù)雜地理設(shè)計(jì)。

3.地理協(xié)同感知

地理設(shè)計(jì)是在地理信息技術(shù)的支持下，將規(guī)劃設(shè)計(jì)活動與實(shí)時、準(zhǔn)實(shí)時動態(tài)地理環(huán)境影響模擬結(jié)合的決策支持方法［14］。在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境里，設(shè)計(jì)參與者需要在其設(shè)計(jì)的過程中獲取其他設(shè)計(jì)方的中間成果，以支持互動性設(shè)計(jì)過程，發(fā)揮設(shè)計(jì)利益相關(guān)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造能力。因此，需要為共享的地理設(shè)計(jì)空間提供相應(yīng)協(xié)同感知機(jī)制，特別是能讓所有地理設(shè)計(jì)參與者共享設(shè)計(jì)空間的可視化虛擬地理設(shè)計(jì)環(huán)境。這樣，協(xié)同參與者不僅可以了解其他參與者的工作情形，還可進(jìn)行問題協(xié)商與沖突解決。對于共享地理設(shè)計(jì)空間的參與者來說，他們必須得到或感知其他參與者所做設(shè)計(jì)的動態(tài)變化，即保證所有參與者所見的一致性，即地理設(shè)計(jì)空間的一致性，從而整合不同觀點(diǎn)與結(jié)論，避免對設(shè)計(jì)變化認(rèn)知的不一致性，如圖2所示。協(xié)同感知按照時間域和空間域，可以將協(xié)作分為同時同地、同時異地、異步同地、異步異地等方式。

圖2 基于協(xié)同感知的虛擬共享地理設(shè)計(jì)空間

在協(xié)同感知支持下的虛擬網(wǎng)絡(luò)共享地理設(shè)計(jì)空間中，地理設(shè)計(jì)研究所涉及的數(shù)據(jù)等資源種類眾多、來源各異、標(biāo)準(zhǔn)不一，不同的參與方對同一地理設(shè)計(jì)問題存在語義不一致的問題，因而建立支持地理協(xié)同設(shè)計(jì)的語義服務(wù)顯得至關(guān)重要。

五、語義服務(wù)支持的地理協(xié)同設(shè)計(jì)模式

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類改造世界能力的增強(qiáng)，地理設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度也越來越高。如何綜合協(xié)調(diào)各個學(xué)科的設(shè)計(jì)知識，高效率地進(jìn)行多學(xué)科地理協(xié)同設(shè)計(jì)，已成為地理設(shè)計(jì)的所要解決的關(guān)鍵問題［15］。語義共享是保證協(xié)同地理設(shè)計(jì)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，在分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)源和異構(gòu)地理設(shè)計(jì)環(huán)境下，支持不同虛擬地理設(shè)計(jì)參與者進(jìn)行相互訪問與使用網(wǎng)絡(luò)資源的語義服務(wù)就成了協(xié)同地理設(shè)計(jì)必須解決的基礎(chǔ)性問題:

面向地理設(shè)計(jì)的語義服務(wù)是基于地理信息服務(wù)、語義Web等技術(shù)構(gòu)建的一個高層應(yīng)用的語義服務(wù)中間件。其功能是提供多種工具去輔助地理設(shè)計(jì)協(xié)作，如智能地理共享設(shè)計(jì)空間、地理設(shè)計(jì)資源本體標(biāo)注、地理決策支持、問題處理、空間規(guī)劃等。從應(yīng)用需求來看，本文提出語義服務(wù)支持下的3層地理設(shè)計(jì)協(xié)同服務(wù)架構(gòu)(如圖3所示)，主要包括資源層、地理設(shè)計(jì)服務(wù)層與地理設(shè)計(jì)應(yīng)用層。在這個架構(gòu)中，支持地理協(xié)同設(shè)計(jì)語義服務(wù)模式主要包括以下幾個主要環(huán)節(jié):

圖3 基于語義服務(wù)的地理協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)

1)資源的描述、發(fā)現(xiàn)與使用。在地理設(shè)計(jì)中，基于特定分類的空間數(shù)據(jù)的表達(dá)方法將符號與語義聯(lián)系起來。分配在符號上的屬性語義與設(shè)計(jì)圖形結(jié)合可用于概念設(shè)計(jì)。擴(kuò)展合適的設(shè)計(jì)領(lǐng)域語義表達(dá)對新的語義的需求，則通過對現(xiàn)在分類系統(tǒng)或地理本體系統(tǒng)的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。地理協(xié)同設(shè)計(jì)需要及時有效地處理分布式設(shè)計(jì)資源，包括設(shè)計(jì)、計(jì)算、服務(wù)等。應(yīng)用服務(wù)應(yīng)有效地發(fā)現(xiàn)與定位相應(yīng)的資源，進(jìn)行細(xì)粒度的訪問控制，同時要求對地理設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，以支持對資源進(jìn)行按需、有計(jì)劃地利用。

2)設(shè)計(jì)任務(wù)管理。地理設(shè)計(jì)任務(wù)建立后，要對任務(wù)進(jìn)行管理，主要包括任務(wù)分解、分配及監(jiān)控等。用戶通過網(wǎng)絡(luò)提交設(shè)計(jì)任務(wù)，為任務(wù)指定所需要的設(shè)計(jì)資源，同時監(jiān)測任務(wù)完成狀態(tài)。設(shè)計(jì)者提交的任務(wù)調(diào)度功能按照任務(wù)類型、所需要的資源、可用資源等情況安排設(shè)計(jì)時間和相應(yīng)的策略。

3)多設(shè)計(jì)者間語義互操作及設(shè)計(jì)流程描述、合成與組合。在多個地理設(shè)計(jì)者間建立異構(gòu)系統(tǒng)之間邏輯的連通性，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的語義互操作。地理協(xié)同設(shè)計(jì)需要支持對迭代與評估式的復(fù)雜設(shè)計(jì)流程的建模與描述，并基于語義來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的地理設(shè)計(jì)流程，通過語義化的流程來實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)者之間的語義互操作，最終支持智能化虛擬動態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)。

4)支持設(shè)計(jì)質(zhì)量評估機(jī)制的異構(gòu)數(shù)據(jù)的交換及信息征訂與分發(fā)。中間設(shè)計(jì)結(jié)果評估每一部分的完成，需要獲取地理設(shè)計(jì)過程模擬的反饋信息，以便傳回到當(dāng)前共享的設(shè)計(jì)編輯空間中，在此基礎(chǔ)上，才能依據(jù)領(lǐng)域知識對設(shè)計(jì)作出相應(yīng)的質(zhì)量評價。由于在不同的分布式設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)中，各設(shè)計(jì)者產(chǎn)生消息格式互不兼容，沒有統(tǒng)一定義消息的語義，因此，需要對信息需求采用精確語義進(jìn)行描述，從而支持按需信息服務(wù)。

針對以上關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，支持地理協(xié)同設(shè)計(jì)的語義服務(wù)重點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)語義本體的建模、語義查詢與推理、服務(wù)的語義合成等方面，以便提供一個供地理設(shè)計(jì)參與者交互、協(xié)同設(shè)計(jì)與空間決策的網(wǎng)絡(luò)平臺。

六、結(jié)束語

地理協(xié)同設(shè)計(jì)是針對解決復(fù)雜地理工程設(shè)計(jì)過程優(yōu)化問題、通過加強(qiáng)科學(xué)與設(shè)計(jì)間的聯(lián)系而提出來的多方參與的面向群體智慧的空間決策平臺。對共享地理設(shè)計(jì)空間的要求，需要增強(qiáng)語義服務(wù)的智能空間信息服務(wù)，以支持地理設(shè)計(jì)的群體性、協(xié)作性與交互性。本文提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理協(xié)同設(shè)計(jì)的理念，并探討了語義服務(wù)支持下地理協(xié)同設(shè)計(jì)模式?？梢灶A(yù)見，基于分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的協(xié)同式的地理設(shè)計(jì)將成為未來群體智慧空間決策發(fā)展的一個重要趨勢。

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