地理本体在动态交通系统中的应用

张采芳，张睿卓，林爱武

(1. 文华学院，湖北 武汉 430074； 2. 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079)

本体作为一个抽象的哲学概念，实现了对具体实体规格说明的抽象和概念化表述。计算机学者将其引入人工智能领域，从而将应用领域内的概念问题进行显式化表示。而地理本体作为本体在地理信息中的应用[1]，指把地理科学领域相关的知识、信息和数据抽象成一个个共性实体，并按照一定的关系而形成的体系，同时进行概念化处理和确切地定义，最后构成形式化表达的理论与方法[2]。国外学者率先把本体论与地理信息相结合，并对基础理论进行较为充分的研究，并对地理实体概念进行系统化实现[3-6]。国内学者在引入本体概念后的多年发展中，提出了各种本体的建设思想，如时空本体、地名本体、服务本体、位置本体[7]等，并在本体数据建模和本体在系统应用方面进行了很多卓有成效的研究和尝试：王晓延[8]将地理本体理论引入矿业权数据管理中，构建了矿业权时空地理本体模型；黄茂军等[9]对地理本体的应用及关键问题进行了分析；李德仁[10]为解决空间数据分布异构的问题，根据地理本体与地理网格的特点，提出了地理本体与空间信息多级网格理论等。

随着城市信息化程度的不断提高，人类对数字化城市有了更高的要求，各级政府及学者对此进行了各种各样的研究及设计，如郭鹏等[11]提出的面向交通事件管理的GIS-T数据模型；陈军等[12]研究了地理信息公共服务平台总体设计的基本思路和总体架构；李庆奎等[13]提出了订阅-通知模式的动态交通信息服务方式。城市交通信息系统作为智慧城市的主要组成部分，其智能化不仅为出行者提供实时帮助，而且能为城市环保提供服务。本体理论在GIS领域的应用与研究较多地集中在地理信息的应用、数据集成，以及信息的挖掘和搜索方面，但在GIS-T中基于本体的应用研究少有涉及。本文在现有地理本体的研究基础上，抽象出交通本体的层次模型，并应用到动态交通信息的抽象与表达中，解决交通信息领域中的多专题动态信息综合管理问题，促进交通信息服务水平的提升。

1　交通信息本体论

1.1　本体论

哲学中本体是一种使用广泛的理论基础，阐释最本质的现实存在，科学本体论更是用来表示一种跨领域的广泛认可的语义层次的理解，提供一种明确定义的共识。而且本体具有如下重要的作用：①本体是领域知识结构化表达的新途径；②本体支持对知识的重用；③本体是领域知识的形式化表示；④本体可以实现领域静态知识与操作知识相互独立；⑤本体为个体沟通与共享提供了条件。

本体定义了明确的行业术语以及构成本体的概念之间的关系，从而消除不完整、不确切或有歧义的信息；且本体具有领域属性和详细层次属性，它在领域中的使用结构化了领域知识，有助于知识标准化整理和进一步扩展。在GIS或GIS-T中应该有效地增强系统的逻辑一致性、可靠性和规范性[14]。按照应用级别本体分为顶级本体、通用的常识性本体、领域本体、任务本体、应用本体；自顶向下划分本体层次为通用本体、领域本体和应用本体。传统的本体描述语言主要有Ontolingua、KIF、Loom、OKBC(open knowledge base connectivity)、OCML(operational conceptual modelling language)和FLogic等；本体标记语言主要有SHOE(simple HTML ontology extensions)、RDF、RDFS、OWL+OIL和OWL等。

OWL(web ontology language)是一门处理Web信息的语言，是由OIL+DAML发展起来的。其子语言详细描述有：OWL Lite、OWL DL和OWL Full 3种。地理本体在本质上独立于具体表示语言，由于OWL增加了更多的建模原语、类型定义和属性描述，并且以面向对象的方式进行描述，故本文选取OWL语言描述交通本体。

1.2　交通本体

地理本体(Geo-ontology)是把有关地理科学领域的知识、信息和数据抽象成由一个个具有共识的对象(或实体)，并按照一定的关系而组成的体系，同时进行概念化处理和明确的定义，最后以形式化表达的理论与方法。本文所定义的交通本体是地理本体与交通信息的结合，它能够定义交通实体或交通实体关系等可被共同认可的概念。在信息管理方面，交通本体在数据库中有其对应的概念逻辑体，而物理实体与逻辑实体是一对多的关系，一个物理实体在数据库中可能会有多个逻辑表述。

2　交通本体的构建

本体构建的最终目标是使用户通过高效的语义方式从大量的数据中检索出期望的内容。本文研究的交通对象主要以动态特性信息为主，而且动态实时信息服务和基于位置的动态信息需求使得整个交通系统模型中的逻辑关联更具整体性。

交通本体建立的过程为：首先确定研究对象范围，详细划分不同类交通本体的层次结构；其次确立概念并建立关联关系，学习专家领域知识，建立动态交通信息概念树和关系网；然后通过构建工具形式化编码，开始构建包括概念、关系及实例、规则；最后对本体进行维护、进化，细化领域知识，维护并扩展本体，不断提升本体的重用性。

在GIS-T中，可以按“交通实体—事件或现象—位置(定位)—动态信息服务”的流程组织交通系统内部的概念层次结构，如图1所示。

图1　交通信息系统数据内部逻辑

2.1　动态交通信息结构表示

在交通信息中，常见的动态交通数据主要有：路况数据(如交通拥堵指数、拥堵等级、道路平均速度)；公共自行车用户刷卡数据(如租车站点借还率、区域公租车周转率、自行车使用周期等)；出租车不同(历史)时刻所处位置、某一时刻一定范围内车辆分布数据；公交车位置信息、客流信息数据；地铁站点、站点客流动态数据；停车场分布与动态车位数据。

基于上述6类动态交通数据，图2给出了GIS-T领域本体分类结构层次树的一部分信息，不同类别的交通实体对应其层次位置，并与空间属性或动态行为相关的其他实体发生关联。根据其动态行为或位置关系推理与关联查询，以及时空本体[15]的描述信息获取位置信息服务等。

图2　动态信息层次结构

2.2　动态交通应用本体的建立

根据动态交通信息管理服务的需求，通过建立交通类应用本体来实现对时空动态交通信息的一体化管理。

2.2.1交通时空实体及属性建立

本体及其基本逻辑关系如图3所示，交通工具有客运工具、货运工具两类。客运工具分5个子类：公交、轨道车、出租车、私家车、自行车；货运工具包含货车、工程车辆，而其他警务车、巡逻车等暂不纳入研究范围。

根据图3的城市道路交通实体分类，对实体出租车用OWL描述如下：

图3　概念层次结构

出租车

…

交通时空本体研究领域中交通基础设施、交通管控设施等以相同方式实现。

2.2.2交通语义逻辑本体构建

根据类的集合操作：“owl:unionOf、owl:intersectionOf、owl:complementOf”，以及本体关系：“part-of、kind-of、instance-of、attribute-of”表达概念、类、对象、实例、属性相互之间的关系。Protégé可设定规则，主要用于推理判断某些本体关系中值域的有效性。利用OWL的allValuesFrom、someValuesFrom、hasVaiue、Cardinality、minCardinality、maxCardinaliiy，可对属性的值域或基数进行限定。如“公共自行车”继承自“自行车”，因此有属性“isAvailable”。而对于“公交站点”，其属性“hasLineDiscription”值为“Busline”实例，此约束规则的逻辑表示为“has LineDiscriptionBusline”。关系规则类描述如下：

<停车场 rdf:about="#XiWaiPark1">

3　交通本体的应用

将本文设计模型应用于当前的道路交通中，试验所用数据包括基础地理数据，以及地铁、公交、公共自行车、停车场与道路交通状况等动态专题数据。

基础数据包括基础地理地形图、居民地、水域、道路及设施、行政区划图等数据。这些地理基础信息包含地理位置信息、小区分布信息、道路分布等信息。

静态数据包括停车场静态数据表，装有停车诱导系统的停车场的固定属性信息(名称、编号、地址、价钱、固定车位编号等)，一、二、三级诱导屏的静态信息(名称、编号、地址、显示内容等)及机动车停车场备案数据，路侧停车电子收费管理分中心数据，停车位信息等。

动态路网数据与专题数据主要包括6个方面：①交通路网路况与交通指数数据；②地铁站点及客流数据；③出租车与公交车实时数据；④公共自行车站点分布及实时借还数据；⑤停车场数据；⑥诱导屏信息。

3.1　交通信息本体的系统应用框架

城市交通管理信息系统为所有用户服务，包括动态交通要素(如出行者、车辆等)，满足不同目的的出行需求。一体化的城市交通信息系统综合组织交通系统内实体对象、动态交通数据和交通管控规则等。交通信息本体的系统应用框架由应用服务层、本体层和数据服务层3个层次构成，如图4所示。

图4　本体应用框架

3.1.1应用服务层

该层主要实现各种不同类型应用、各种空间信息查询、路径分析、服务推送、信息发布、可视化地图展示与交互。

3.1.2本体层

本体为本体层中心对象，该层首要目标是建立并维护本体，并做到基于本体的查询与推理。根据本体概念层次和支持逻辑推理的特性，结合语义的空间数据查询，需要借助本体的形式化描述来实现机器的知识推理，从而得到潜在的关系和隐含的知识。

3.1.3数据服务层

数据服务层提供各种动态交通信息、空间数据，以及对数据的管理和查询等操作。本体是系统应用和数据组织服务的基础，通过本体不仅可以对已有数据进行操作，还能够使用外部其他系统的格式化数据。本体提供了一个对外的桥接或代理，方便系统对外界数据提供关联查询及数据获取。通过建立综合交通信息的本体模型对各类型动态交通数据分层整理，便于进一步实现交通信息的快速管理与查询。

基于本体的推理机制可实现不同位置、不同类型，但是具有语义相关性数据的查询服务，数据服务层只需要按照格式化定义来组织数据。本体的概念模型为应用服务层和数据服务层建立互通的基础。

3.2　动态交通信息本体实现与应用

交通信息管理具有复杂的交通管理、交通决策与机制。为了检验本文方法的效果，将其应用于实际的交通运行监测调度系统中，实现面向位置、名称及时间关联的优化检索。GIS-T检索的特点是需要根据交通实体信息的时空关系扩展关键词信息，增强交通信息服务。交通信息词库应该能够较好地表达交通位置关系，因此将空间关系类的定义赋予交通地理本体基本联系的描述之中，用于查询请求时与数据库之间的词汇匹配，实现基于本体知识的各种交通信息的综合查询。表1给出了传统查询方式和基于本体的查询过程比较。

系统检索时，依据检索时输入内容中的地名或位置实现动态信息查询，检索结果包括自行车站点的动态服务(选择自行车出行前的最便捷租车点展示，即提示所在位置最近站点车架上空余锁车器数量及可用车辆)、与地名相关的道路路段信息和停车场剩余车位信息等，还可以进行停车场使用的信息统计、停车诱导屏内容状态更新等。检索的响应需要首先对输入语句经过分词处理，将交通地理关键词匹配系统，对得到的结果或匹配失败后通过查询扩展之后的结果再与知识库关联推理，借助Jena框架中的语义查询支持，实现搜索语句提取位置信息，并实现动态交通信息综合检索，得到最终的结果。

表1　查询过程对比

系统将各类数据集成关联，不同专题数据根据属性及实际意义在数据库统一管理，不同类交通实体要素综合在一张地图中组织。本文使用Oracle数据库管理系统来存储处理后的数据。首先对输入语言经过分词处理，分词结果中交通地理关键词与数据库匹配，将得到的结果或匹配失败后通过查询扩展之后的结果再与知识库关联推理，得到最终的检索结果。

通过实际数据验证了本体模型在数据管理和交通语言信息处理中的现实性与便捷性。本体模型将多源异构交通数据进行综合，并借助交通本体的语义与逻辑关联进行层次性组织，建立了基于本体的交通信息综合数据模型，完成了GIS-T中各类专题信息的关联和综合管理，极大提高了在GIS-T应用中的数据管理效率；最终借助本体组织方式及本体语义理解，在检索中实现综合信息多方位实时展示，可处理简单的自然语言查询。

4　结　语

本文将地理本体的研究方法引入GIS-T中，借助地理本体概念将动态交通信息进行类别层次的划分，然后将各种动态信息分类重组，按照本体的模型结构将这些信息关联整理，提供了对动态交通信息的综合检索和展示的应用和服务。面对当前人们不断增长的交通信息需求，综合利用各类数据实现了交通信息的多方位展示应用。

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