基于物联网技术的军用危险货物铁路运输知识库系统设计

2014-12-25鲍平鑫

军事交通学院学报 2014年12期

王飞，鲍平鑫，陈联

(1.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院联合投送系，天津300161;3.66155 部队，天津300182)

近年来，随着部队信息化建设地不断发展，对铁路运输系统的综合保障能力提出了更高的要求。尤其是通过铁路运输的物资中军用危险货物占到52%左右，由于大多具有爆炸、易燃、毒害、放射、腐蚀等特性，对运输安全的要求更高。通过运用环境成分识别、视频监控、全球定位、预警等物联网技术，对军用危险货物铁路运输环境和军用危险货物状态进行监测和事故预警，并根据军用危险货物铁路运输知识库系统存储的专业理论知识和推理功能对监测数据和预警事故信息进行推理，及时生成应急预案，供决策者采取有效措施预防事故的发生。本文对军用危险货物铁路运输知识库系统进行总体设计，对知识库和推理机进行详细设计研究，为进一步研究和应用提供参考。

1 知识库系统的总体设计

知识库系统接收到通过物联网技术监测到的数据、预警事故和军用危险货物的相关信息，确定军用危险货物状态，然后根据数据库中存储的相关准则进行推理分析，并拟定预案，最终生成相应预案。同时继续接收预警、事故信息，不断对预案进行修正，为决策者提供实时参考。

该系统由知识库管理系统、知识库和推理机3部分组成。知识库管理系统主要对知识库和推理机进行维护管理的系统;知识库由对军用危险货物铁路运输事故描述的事实库和事故处置规定的规则库组成;推理机是模拟人类专家处理知识和利用知识解决问题能力的系统。

2 知识库的设计

知识库是用于知识管理的一种特殊数据库，以便于有关领域知识的采集、整理和提取［1］。知识库中的知识源于领域专家，它是问题求解所需要的领域知识的集合，包括基本事实、规则和其他有关信息。本系统知识库包含对军用危险货物铁路运输事故描述的事实库和事故处置规定的规则库。

2.1 事实库

对军用危险货物铁路运输通过物联网技术监测到的数据和接收到的预警、事故进行描述时，不可能使用单一的表现形式将事故的全部信息表现出来。此时可以利用数学中的微分方法，将一起事故分解成许多相互关联的元素，分别对这些元素进行描述，这样将复杂问题简单化。同时，将有关应急处置的关键因素和关键点进行规范化，使决策者能够轻易理解只有专家才能理解或解决的问题。在本文中，将预警、事故看成由货车主体、装备物资主体、天气状况、理化性质参数、预警事故特征、预警等级、事故等级等多部分组成。对每一部分再进行分解描述，尤其是影响处置方式及处置效果的因素，力争反映从事故开始到应急处置结束的全过程，也即以知识表示的方法将有关军用危险货物预警、事故应急处置的知识表示出来。事实库由2 部分组成，分别为预警事故事实描述库和预警事故应急处置方法库。

预警事故事实描述库的设计如图1 所示。利用物联网技术监测到的数据，通过预警事故事实描述的目的是全面掌握预警、事故信息，然后以此为依据制定符合实际情况的应急处置措施。

图1 预警事故描述库设计

本文对相关处理方法与处理措施进行整理，设计出符合实际的应急处置方法库，其中存储了针对军用危险货物预警事故的应急处置程序及方法，包括预警事故装备物资的确定，启动应急等级，调度部门、应急指挥部门预警事故处置等。应急处置方法库如图2 所示。

图2 应急处置方法库设计

2.2 规则库

目前知识库系统开发中常用的知识表示方法(技术)有产生式规则(Production Rules)表示法、谓词逻辑(Predicate Calculus)表示法、语义网络(Semantic Networks )表示法、框架(Frames)表示法、本体(Ontology)表示法等［3］。本系统采用在各种知识库系统中使用最广泛的产生式规则表示法。

产生式规则表示法的实质是把专家所具有的庞大的领域专业知识体系分解成知识的最小单元，然后构造成具有因果关系的推理形式，最终形成一条条根据什么条件而应当采取什么措施或得出什么结论的规则［4］。其语法表现形式为

由于产生式规则与命题逻辑、一阶谓词逻辑等有紧密的联系，其语法结构很接近人类思考问题的方式，因此可以很容易地表示现实世界的许多通用知识，也很容易利用这些知识片段来进行推理［5］。在用产生式规则表示本文的军用危险货物铁路运输预警、事故知识时，按预警、事故处置措施构造辅助决策规则库。以运送炮弹为例，规则具体详情见表1。

表1 运送炮弹规则描述

规则库中存放着诸如如下的事故处置规则:If 预警地点为运输途中，运送炮弹;

And 物资理化性质达到Ⅲ级预警设置的阈值;

And 不能正常运输;

And 车厢温度偏高;

一种巨大的优越感终于使我反应了过来，我轻轻地笑了一下，恰到好处地表达了我的轻蔑和不屑，头也不回地走出了古意的房间，再也没有了以往的兴致去欣赏古意那张被我激得看不清表情的脸。

Then 启动车厢温度铁路运输Ⅲ级预警应急处置预案。

If 预警地点为运输途中，运输炮弹;

And 物资理化性质达到Ⅱ级预警设置的阈值;

And 启动车厢温度铁路运输Ⅲ级预警应急处置预案;

And 车厢温度高;

Then 启动车厢温度铁路运输Ⅱ级预警应急处置预案。

If 预警地点为运输途中，运送炮弹;

And 物资理化性质达到Ⅱ级预警设置的阈值;

And 启动车厢温度铁路运输Ⅲ级预警应急处置预案;

And 车厢温度过高;

Then 启动车厢温度铁路运输Ⅰ级预警应急处置预案。

规则库实质上是事故描述事实库和应急处置措施及方法库的映射关系，每对应单个事实描述或多个事实描述的组合就给出一个针对该情况的具体处置措施或处置方法。规则库是系统能进行辅助决策的关键所在。

3 推理机的设计

由知识库的设计可以看出，按产生式规则设计的知识库具有弹性，同时还具有修改和扩充方便、简单易学等特点。但系统最终要完成辅助决策的功能，必须利用推理机来模拟人类专家处理知识和利用知识解决问题的能力。

推理机的推理过程分正向推理和逆向推理2种。本系统采用正向推理方式。在军用危险货物铁路运输预警中，根据对预警事实的描述，如果预警描述事实A 为真，并且在规则库中存在相应规则“If A 为真Then B”，则取规则的结论B 作为辅助决策方案或措施提供给决策者;如果规则库中不存在相应的匹配规则或决策者对系统给出的辅助方案或措施不满意，则推理机将预警事实特点分类并对相关特点进行权重划分，然后按权重从高到低的原则，将这些特点与事实库进行比较，按最大相似度原则获取预警事故处理方式的集合(如图3 所示)。

在系统运行中，首先通过接口接收军用危险货物预警事故相关信息，信息通过知识库系统进入事实库和规则库进行相关信息匹配;而后通过推理机流程读取规则库中第一条规则，并取出其中的If 条件部分与输入的事故信息进行匹配;若匹配不成功，则系统按顺序读取下一条规则并继续取规则的If 部分匹配，直到事故信息与规则的If条件匹配成功为止;最后，取出规则的Then 结论部分，在客户端按应急处置措施(方案)的形式输出，整个推理过程结束。