语义服务支持下的地理协同设计研究

葛小三，马 勇，卢小平，程 钢

(河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室，河南焦作454003)

一、引 言

现代地理设计是一种借助于多种科技手段强调多方参与的地理规划设计过程，其设计理念是人与自然协调发展。地理设计的出现为解决人口城市化、资源紧张、环境恶化、气候变迁、食品安全、生物多样化减少等诸多社会环境问题提供了一个新的途径［1-3］。本文提出了网络环境下地理协同设计理念，在对数据与语义支持等关键技术剖析的基础上，构建了利用语义服务支持下多方参与的地理协同设计模式，并对这种模式作了深入的探讨。

二、地理设计

地理设计是在地理信息技术的支持下，与人类居住环境影响紧密结合的规划设计方法，其内涵在于使整个地理设计方案在制定与规划的过程中，平衡并协调涉及的多方利益。地理设计不仅需要考虑地理设计单元的方案，还要考虑地理设计单元与自然生态环境之间的相互作用［4-5］。

地理设计被广泛应用于不同空间尺度上，通过地理位置和取向的优化来解决空间规划与设计问题，通常具有综合性和复杂性等特点。在整个地理设计过程中，地理概念表达、地理认知与计算、资源集成与共享、设计平台功能与组成结构、协同交互与感知模式、多Agent的设计行为模型等不仅涉及计算机技术、信息技术、网络技术等，还涉及地理学、规划学、环境学、生态学等多学科的知识［6-9］。从相当程度上讲，地理设计是一个新兴的集多技术与多学科的综合体。现代地理设计强调的是人类设计成果与自然的整体性和谐，从而达到提高地理规划设计方案与空间决策的水平，因而需要共同利益相关者和设计者的积极参与。而一个有效的协同工作机制，则能保证设计交流过程中的有序性。

三、地理协同设计

1.多方参与的地理协同设计

地理设计项目的设计质量取决于设计过程中对地理、环境、社会等诸多因素的综合考虑，最大限度地降低对这些因素的不良影响。因而，设计过程往往涉及各个参与方利益的平衡与协调，同时还有人与自然的协调。设计本身需要超越单体设计思维局限，综合考虑与自然和社会系统的协调，需要各个参与方的共享协作进行地理协同设计，共同完成设计目标［10］。从这个视角出发，地理协同设计是指为了完成某一地理规划设计目标，由多个设计主体，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别完成不同的设计子任务达到整个地理设计目标。其特征体现在以下几个方面:

1)多智能体性:是指设计活动由两个或两个以上设计主体参与，这些设计主体通常隶属于不同的领域，整个过程体现了群体交互性与智慧决策性。

2)协同性:由于设计目标涉及多方利益，因此需要各个设计方参与协同工作，共同完成地理设计任务。

3)动态性:由于不同参与方利益平衡，整个地理设计过程可能支持对地理设计方案进行快速和反复的影响评估，以产生改良的替代方案。因此是一个反复迭代的动态过程。

4)共享空间:多设计主体要协同实现设计目标，这就要求地理设计环境和上、下文信息一致。共享空间不仅为多设计主体提供了一个共享设计平台，并且能从该平台得到评估结果与其他设计者的反馈。

从以上地理协同设计的特征来看，地理设计主要体现在多用户参与一个共享的地理设计空间，旨在使不同领域的专家都能充分利用地理信息设计技术进行交互设计。

2.地理协同设计的流程与模式

在常用设计工具支持下，传统设计模式的缺陷不仅表现在设计目标的低自然融合度方面，而且表现在设计流程方面:设计过程缺乏交互性，设计流程缺乏动态性与可扩展性，不能支持对设计方案进行快速和反复的影响评估，也不支持设计方案的迭代性。

在Esri CityEngine等工具日益增强的3D表现支持下［11］，许多设计方法借助于GIS，使得对地理设计进行实时表达成为可能。一个可视化地理协同设计主要包括以下流程，如图1所示。

1)问题域的定义:确定研究问题的范畴，如空间规划、景观设计等，分析设计过程中用户知识空间和设计知识空间的关系，定义问题域，描述地理空间对象的各种状态，建立表达模型。

2)地理设计目标确定:根据界定与描述的问题与问题域，确立地理设计具体领域目标，如将问题转换成一个多线性空间优化决策。

3)任务划分与协同设计:描述设计对象的功能和动力机制，对象各要素之间的功能关系和结构关系如何，并根据目标对任务进行细粒度的划分，然后通过协同设计完成初步目标。

4)利益平衡与冲突解决:由于单体目标和个体利益问题，考察阶段设计中设计对象的运行状态，并根据各个相关因素建立评价模型，进行各方利益平衡，解决冲突。

5)迭代修改与群体决策:对不同设计过程进行迭代优化，评估修改变化的差异和影响，设计群体作出合理的决策。

在以上流程中，主要包括两个方面任务:一是对设计问题的认识与设计任务的描述;二是评价、协调与优化。传统的设计流程将分析的过程提前到设计认知之前，在设计过程中，不能随时全面兼顾地理、环境、社会等诸多因素，最大限度地降低对这些因素的不良影响。因此，协同设计的优势体现在利用地理信息技术的支持，采取即时的适用性分析，降低设计方案的潜在影响，提高项目设计质量。

四、地理协同设计关键技术

美国环境系统研究院地理设计研发主任William Miller认为未来地理设计技术所要解决的问题集中在设计框架、数据模型及设计支持工具方面［12］。从解决网络环境下地理设计和分析的一体化问题视角出发，可以看出当前地理设计在数据支持与共享设计空间方面显得尤为重要。

1.地理数据支持

地理设计以其对空间对象定位及空间分析与决策功能为基础提供了设计框架。地理设计过程涉及空间分析和支撑地理模型运行的大量数据，因此，地理设计需要建立在海量的数据获取和实时/准实时的数据处理基础上。协同设计过程中，分布式、动态、平台异构的数据如何进行有效的组织、管理、发布、访问、传输就显得非常关键。

地理设计中数据处理的复杂性主要表现在数据类型异构、数据算法繁多、数据处理流程复杂。因而地理设计过程本身也迫切需要空间分布式数据管理平台的支撑，利用网络的即时性、可达性、廉价性、集成性，如云计算技术，在地理数据/信息服务平台的支持下，融合先进的地理计算技术，构建一个支持多方参与的虚拟地理环境设计平台。

2.地理数据语义共享

在共享的地理设计空间中，由于参与者来自不同的领域，因此会产生对同一个问题或同一个过程描述的差异性，数据的多源性也会造成同名数据异义或同义数据异名等语义交叉、模糊甚至冲突的不一致性。地理设计知识不仅有对空间定位的需求，还需要有对被定位空间设计对象及空间关系语义的考虑，以与广泛的信息相连［13］。因此，地理数据需要在不同设计参与方间相互集成、融合、重组与转换，即在语义一致性的前提下获取数据与使用数据，最大限度地利用地理数据中蕴涵的空间知识，保证各个设计者之间协调一致、高效、智能化协同工作，完成复杂地理设计。

3.地理协同感知

地理设计是在地理信息技术的支持下，将规划设计活动与实时、准实时动态地理环境影响模拟结合的决策支持方法［14］。在协同设计环境里，设计参与者需要在其设计的过程中获取其他设计方的中间成果，以支持互动性设计过程，发挥设计利益相关设计者的创造能力。因此，需要为共享的地理设计空间提供相应协同感知机制，特别是能让所有地理设计参与者共享设计空间的可视化虚拟地理设计环境。这样，协同参与者不仅可以了解其他参与者的工作情形，还可进行问题协商与冲突解决。对于共享地理设计空间的参与者来说，他们必须得到或感知其他参与者所做设计的动态变化，即保证所有参与者所见的一致性，即地理设计空间的一致性，从而整合不同观点与结论，避免对设计变化认知的不一致性，如图2所示。协同感知按照时间域和空间域，可以将协作分为同时同地、同时异地、异步同地、异步异地等方式。

图2 基于协同感知的虚拟共享地理设计空间

在协同感知支持下的虚拟网络共享地理设计空间中，地理设计研究所涉及的数据等资源种类众多、来源各异、标准不一，不同的参与方对同一地理设计问题存在语义不一致的问题，因而建立支持地理协同设计的语义服务显得至关重要。

五、语义服务支持的地理协同设计模式

随着科学技术的进步和人类改造世界能力的增强，地理设计的复杂程度也越来越高。如何综合协调各个学科的设计知识，高效率地进行多学科地理协同设计，已成为地理设计的所要解决的关键问题［15］。语义共享是保证协同地理设计服务质量的关键。因此，在分布式异构数据源和异构地理设计环境下，支持不同虚拟地理设计参与者进行相互访问与使用网络资源的语义服务就成了协同地理设计必须解决的基础性问题:

面向地理设计的语义服务是基于地理信息服务、语义Web等技术构建的一个高层应用的语义服务中间件。其功能是提供多种工具去辅助地理设计协作，如智能地理共享设计空间、地理设计资源本体标注、地理决策支持、问题处理、空间规划等。从应用需求来看，本文提出语义服务支持下的3层地理设计协同服务架构(如图3所示)，主要包括资源层、地理设计服务层与地理设计应用层。在这个架构中，支持地理协同设计语义服务模式主要包括以下几个主要环节:

图3 基于语义服务的地理协同设计架构

1)资源的描述、发现与使用。在地理设计中，基于特定分类的空间数据的表达方法将符号与语义联系起来。分配在符号上的属性语义与设计图形结合可用于概念设计。扩展合适的设计领域语义表达对新的语义的需求，则通过对现在分类系统或地理本体系统的扩展实现。地理协同设计需要及时有效地处理分布式设计资源，包括设计、计算、服务等。应用服务应有效地发现与定位相应的资源，进行细粒度的访问控制，同时要求对地理设计任务进行准确的描述，以支持对资源进行按需、有计划地利用。

2)设计任务管理。地理设计任务建立后，要对任务进行管理，主要包括任务分解、分配及监控等。用户通过网络提交设计任务，为任务指定所需要的设计资源，同时监测任务完成状态。设计者提交的任务调度功能按照任务类型、所需要的资源、可用资源等情况安排设计时间和相应的策略。

3)多设计者间语义互操作及设计流程描述、合成与组合。在多个地理设计者间建立异构系统之间逻辑的连通性，实现异构系统的语义互操作。地理协同设计需要支持对迭代与评估式的复杂设计流程的建模与描述，并基于语义来实现复杂的地理设计流程，通过语义化的流程来实现不同设计者之间的语义互操作，最终支持智能化虚拟动态协同设计。

4)支持设计质量评估机制的异构数据的交换及信息征订与分发。中间设计结果评估每一部分的完成，需要获取地理设计过程模拟的反馈信息，以便传回到当前共享的设计编辑空间中，在此基础上，才能依据领域知识对设计作出相应的质量评价。由于在不同的分布式设计应用系统中，各设计者产生消息格式互不兼容，没有统一定义消息的语义，因此，需要对信息需求采用精确语义进行描述，从而支持按需信息服务。

针对以上关键技术环节，支持地理协同设计的语义服务重点需要实现语义本体的建模、语义查询与推理、服务的语义合成等方面，以便提供一个供地理设计参与者交互、协同设计与空间决策的网络平台。

六、结束语

地理协同设计是针对解决复杂地理工程设计过程优化问题、通过加强科学与设计间的联系而提出来的多方参与的面向群体智慧的空间决策平台。对共享地理设计空间的要求，需要增强语义服务的智能空间信息服务，以支持地理设计的群体性、协作性与交互性。本文提出了网络环境下地理协同设计的理念，并探讨了语义服务支持下地理协同设计模式。可以预见，基于分布式的网络环境的协同式的地理设计将成为未来群体智慧空间决策发展的一个重要趋势。

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