城市軌道交通選線學(xué)科領(lǐng)域涉及面廣，考慮因素復(fù)雜多樣。為選出一條合理的城市軌道交通線路，除了要參照常規(guī)的鐵路選線設(shè)計規(guī)范，還要依賴于已有工程實例、重要文獻(xiàn)專著及選線工程師以往的經(jīng)驗等。將分散的選線領(lǐng)域相關(guān)知識收集匯總，開發(fā)城市軌道交通選線知識庫，是輔助選線工程師進行線路設(shè)計，提高城市軌道交通選線設(shè)計水平與質(zhì)量的重要手段。然而，在城市軌道交通選線知識庫的開發(fā)中，知識庫框架體系的構(gòu)建是其“瓶頸”問題。一個合理的知識庫框架體系能提高知識庫的推理效率及簡化其開發(fā)難度。因此，結(jié)合城市軌道交通選線知識特點，針對Visual Prolog開發(fā)工具特征，參考知識庫相關(guān)理論，從知識獲取、知識表示、知識推理3個方面，構(gòu)建了一個面向?qū)ο?、高效合理的知識庫框架體系，為后續(xù)城市軌道交通選線知識庫的開發(fā)提供了重要參考價值和思路。

知識庫框架體系； Visual Prolog； 城市軌道交通選線

U212.32 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者簡介］佐坤逶（1996—），男，碩士，研究方向為線路勘測設(shè)計技術(shù)。

知識庫是針對某一領(lǐng)域問題求解的需要，采用某種知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和使用的互相聯(lián)系的知識片集合［1］。線路工程涉及學(xué)科廣泛，需要考慮諸多影響因素，是一門系統(tǒng)工程。將知識庫與線路工程相結(jié)合，對于有效支持線路方案設(shè)計，促進線路方案科學(xué)性、合理性具有重要的理論意義和實用價值。目前，諸多學(xué)者對知識庫系統(tǒng)在線路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了探討，并取得了一些系統(tǒng)開發(fā)及理論方面的成果。西南交通大學(xué)易思蓉［2］教授針對鐵路選線領(lǐng)域的不同類型知識的特點，圍繞面向?qū)ο蠹夹g(shù)，建立了基于虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)的選線知識庫及推理機制，實現(xiàn)了知識庫系統(tǒng)表達(dá)及利用；中南大學(xué)歐陽志峰［3］深入研究了鐵路綠色選線知識的獲取和表示，同時構(gòu)建了知識規(guī)則庫，采用推理機推理綠色選線知識，輔助專家進行預(yù)測。長安大學(xué)的莫艷鴛［4］建立了公路地質(zhì)選線知識庫，包括數(shù)字地質(zhì)對象模型、CAD+GIS 環(huán)境下的知識推理模塊及選線知識庫管理模塊，為選線過程提供了規(guī)則指導(dǎo)和案例借鑒，實現(xiàn)了對公路選線的信息支持。

綜上，國內(nèi)學(xué)者對選線知識庫的研究大多集中在公路及傳統(tǒng)鐵路領(lǐng)域。然而作為在大中城市公共交通運輸?shù)陌缪葜匾巧某鞘熊壍澜煌?，其選線知識和技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)鐵路和公路，傳統(tǒng)鐵路與公路知識庫已經(jīng)不再適用。而對于城市軌道交通選線知識庫，國內(nèi)暫時還沒有較完善的總結(jié)和研究。因此本文擬在此基礎(chǔ)上，通過研究知識庫相關(guān)理論及Visual Prolog開發(fā)工具技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通選線知識特點，構(gòu)建了城市軌道交通選線知識庫框架體系。為后續(xù)開發(fā)城市軌道交通選線知識庫提供了理論和技術(shù)支撐。

1 知識庫理論研究

知識庫是一個智能的、基于知識的系統(tǒng)。知識獲取、知識表示和知識推理是構(gòu)建知識庫系統(tǒng)的三大核心技術(shù)問題。知識庫系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 知識獲取

知識獲取是指從知識源獲得知識來建造知識庫的工作。知識庫中的知識來源分為初始知識和再生知識。由于知識獲取需要大量現(xiàn)場調(diào)查，專家經(jīng)驗調(diào)查、案例收集等多個渠道資料收集工作，知識來源廣、種類雜，建立知識庫，必定要對原有的信息和知識做一次大規(guī)模的收集和整理，凝練知識結(jié)構(gòu)體系。

1.2 知識表示

知識表示屬于一種智能活動，是對知識的描述。其目標(biāo)是研究可以用來構(gòu)造知識的最合適的形式，以便最優(yōu)地解決問題。一種優(yōu)秀的知識表示方法既要表示知識充分、易于理解，又要有利于知識的運用，包括其維護、管理與組織。同時，知識表示也是知識推理的基礎(chǔ)。

1.3 知識推理

知識推理，就是在已有知識的基礎(chǔ)之上，推斷出未知的知識的過程。知識的推理過程是由推理機來完成的。如何調(diào)度推理機使用知識來進行推理，需要依賴于推理控制策略。知識庫系統(tǒng)求解問題的效率與準(zhǔn)確性取決于推理控制策略的選擇。推理控制策略主要包含沖突消解策略、推理方向和搜索策略［5］等幾個方面。

2 Visual Prolog 開發(fā)工具概述

Visual Prolog意指可視化邏輯程序設(shè)計語言，是基于Prolog 語言的可視化集成開發(fā)環(huán)境，是國際上研究和開發(fā)智能化應(yīng)用的主流工具之一［6］。Visual Prolog具有模式匹配、對象機制、回溯、遞歸、謂詞庫和事實數(shù)據(jù)庫等諸多功能。其包含一個功能強大的對象機制，捆綁了一個大型函數(shù)庫（API 函數(shù)）。Visual Prolog具有可視化開發(fā)環(huán)境（VDE），由應(yīng)用程序?qū)＜?、資源編輯器、編碼專家、文本編輯器、幫助生成器及調(diào)試器6部分組成，可以用來維護、開發(fā)、測試GUI 界面的應(yīng)用程序和Visual Prolog 圖形資源［7］。

Visual Prolog 的程序結(jié)構(gòu)包括謂詞段、目標(biāo)段、子句段、論域段共4部分。謂詞段和論域段用來聲明或定義正在使用的謂詞或論域；子句段給出程序運行操作和方法；目標(biāo)段是存儲程序需要滿足的初始目標(biāo)。隨著人工智能的不斷發(fā)展，Visual Prolog已經(jīng)成為適用于任何應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)秀智能化應(yīng)用開發(fā)工具。在專家系統(tǒng)構(gòu)建、機器定理證明、自然語言理解等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 城市軌道交通選線知識庫框架體系構(gòu)建

3.1 城市軌道交通選線知識庫結(jié)構(gòu)模式

城市軌道交通選線主要包括確定線路走向、路由、敷設(shè)方式、車站分布、線路平縱斷面設(shè)計等內(nèi)容。根據(jù)城市軌道交通選線特點，可將知識庫中的知識分為一系列知識子空間，如線路定線設(shè)計子庫、線路平面設(shè)計子庫、線路縱斷面設(shè)計子庫、車站設(shè)計子庫。每一個知識子空間又可以根據(jù)包含的對象不同進一步劃分，形成若干相對獨立的知識元。城市軌道交通選線知識庫根據(jù)不同的條件，調(diào)用對應(yīng)的知識子庫，由推理機進行決策推理。城市軌道交通選線知識庫結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。

3.2 城市軌道交通選線知識獲取

3.2.1 城市軌道交通選線知識來源

城市軌道交通選線知識主要來源于3個方面：

（1）規(guī)范知識——相關(guān)選線設(shè)計規(guī)范和城市軌道交通選線著作、報告、論文。

（2）經(jīng)驗知識——專家、工程師咨詢。

（3）實例知識——工程實例。

綜上所述，城市軌道交通選線知識來源與組成如見圖3。

3.2.2 城市軌道交通選線知識獲取方法

對于城市軌道交通選線知識，由于其具有特殊性和復(fù)雜性，知識內(nèi)容多，涵蓋范圍廣，自動知識獲取方法并不適合選線知識的獲取。所以本文采用非自動知識獲取方法，通過人工方式從各個渠道抽取所需知識，將其形式化，形成城市軌道交通選線知識的事實和規(guī)則庫。主要步驟：

（1）知識查閱篩選。通過現(xiàn)場調(diào)研、案例收集分析、規(guī)范查詢和專家調(diào)查，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料篩選出與城市軌道交通選線相關(guān)的知識，進行匯總。

（2）知識整理分類。將匯總后的城市軌道交通選線知識進行梳理分類。將冗余知識排除（一致性檢驗），殘缺知識補全（完整性檢驗），形成城市軌道交通選線知識數(shù)據(jù)庫。

3.3 城市軌道交通選線知識表示

3.3.1 內(nèi)部知識表示

城市軌道交通選線知識數(shù)量繁多、復(fù)雜多樣、學(xué)科領(lǐng)域涉及面廣，如果單采用某一種知識表示方法，不能完整清晰的表示其知識內(nèi)容。所以在計算機內(nèi)部，本文采用引入Prolog謂詞構(gòu)造的產(chǎn)生式表示法與面向?qū)ο蟊硎痉ㄏ嘟Y(jié)合的知識表示方法。運用面向?qū)ο笾R表示方法，將城市軌道交通選線知識分為4個知識類，每個知識類分為若干知識子類，每個知識子類有若干知識對象，每個知識對象由屬性和方法構(gòu)成。相關(guān)層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

對于知識對象，每一個知識對象的屬性即一條規(guī)則知識。表示為：“前提（各種情況）——結(jié)論（選線建議）”。產(chǎn)生式表示方法可以明確表示事實之間的聯(lián)系，在知識庫的修改、擴充、維護等方面有其獨特的優(yōu)勢。Prolog語言簡潔明了，在知識表示方面十分便捷。綜上，結(jié)合兩者優(yōu)勢，將每一個知識對象的屬性（規(guī)則知識）以引入Prolog謂詞構(gòu)造的產(chǎn)生式表示方法來表示。

以線路定線大類中線路走向子類為例，線路走向子類知識對象屬性（規(guī)則知識）表示如表1所示。

線路走向規(guī)則知識在知識庫中具體表現(xiàn)形式為：

dxzx （“ID編號”“控制點類型”“選線建議”“解釋或?qū)嵗ǎ?/p>

具體實現(xiàn)代碼：

clauses

getallKZD（KZDlist） ：-

KZDlist = ［ KZD ||dxzx （_，KZD， _， _） ］.

clauses

getzxcx（ID， KZD， XXJY， JS） ：-

dxzx（ID， KZD， XXJY， JS），

！.

getzxcx （_， _， "0"， "0"）.

3.3.2 外部知識表示

知識庫中的知識，一方面要求被內(nèi)部計算機有效地存儲、檢索、識別并能進行推理，另一方面又要求能夠以更直觀的方式呈現(xiàn)給用戶。城市軌道交通選線知識庫包含的知識種類繁多、覆蓋面廣、知識存量大。因此，針對用戶外部的知識表示方式應(yīng)采用多種角度進行綜合描述。本文采取文字、圖形、圖像等方式進行外部知識表示，實現(xiàn)知識外部表示的可視化。如圖5所示。

3.4 城市軌道交通選線知識推理

針對Visual Prolog特點，并根據(jù)城市軌道交通選線知識特征，本文采用面向?qū)ο蟮耐评頇C制完成推理工作，其中用到正向推理、深度優(yōu)先搜索、選左消解等推理策略。

具體推理步驟為：當(dāng)將已知事實送入知識庫時，系統(tǒng)先定位目標(biāo)所屬對象類，在知識庫中找出與目標(biāo)相匹配的子句，此時若有多條子句符合要求，按照Visual Prolog內(nèi)部程序，按從上到下的順序選擇，每次只考慮一個子句，采用深度優(yōu)先搜索進行匹配向下推導(dǎo)，運用選左消解（總是在目標(biāo)語句和程序中的一個子句間進行，總是選擇目標(biāo)語句的第一個目標(biāo)與子句的結(jié)論消解），從左至右依次進行消解，若消解成功，則推出新的目標(biāo)語句，再對其重復(fù)搜索匹配消解操作，直至推理出所需結(jié)論；若消解失敗，則選擇的子句無法繼續(xù)往下推導(dǎo)，運用回溯功能，再考慮后面的子句（圖6）。

城市軌道交通選線知識庫框架體系構(gòu)建如圖7所示。

4 結(jié)論

開發(fā)城市軌道交通選線知識庫的關(guān)鍵在于構(gòu)建合理的城市軌道交通選線知識庫框架體系。本文在研究城市軌道交通選線知識特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合Visual Prolog開發(fā)工具及知識庫相關(guān)理論，完成了城市軌道交通選線知識庫框架體系的構(gòu)建，該知識庫框架具有結(jié)合了Prolog語言特點的混合知識表示方法和面向?qū)ο蟮母咝н壿嬐评頇C制，結(jié)構(gòu)清晰明了，為后續(xù)城市軌道交通選線知識庫的開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 《電子計算機普及辭典》編輯部.電子計算機普及辭典［M］. 北京： 電子工業(yè)部計算機工業(yè)管理局，1985.

［2］ 易思蓉.虛擬環(huán)境鐵路選線設(shè)計系統(tǒng)的理論和方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2000.

［3］ 歐陽志峰.基于 GIS 的鐵路綠色選線決策支持系統(tǒng)（GRASDSS）的知識庫研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2008.

［4］ 莫艷鴛. 公路三維地質(zhì)模型及地質(zhì)選線知識庫研究［D］.西安：長安大學(xué)，2020.

［5］ 王光遠(yuǎn)等， 結(jié)構(gòu)智能選型［M］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社. 2005.

［6］ 雷英杰， 人工智能 （AI） 程序設(shè)計 面向?qū)ο笳Z言 ［M］. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2005.

［7］ 雷英杰等， Visual Prolog語言教程［M］. 西安： 陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 2002.