危险货物水路运输知识图谱的构建

文元桥， 张 奇， 肖长诗,c,d， 韩 栋

(武汉理工大学 a.智能交通系统研究中心；b.航运学院；c.内河航运技术湖北省重点实验室； d.国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063)

危险货物是指因其化学或物理性质而对人、财产或环境构成危害的物质或物品,具有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蚀、放射性等危险特性。危险货物属性复杂、危险性差异大，对人、财产和环境具有潜在的危险性，一旦发生事故，将造成非常巨大经济损失，且对环境造成的污染将难以消除。[1]

危险货物运输在货物运输中占有重要比例。据统计，2016年我国危险货物运输总量约为16亿t，占全年货物运输总量的4%，居全球第二位。近年来，随着危险货物运输总量和运输频率的剧增，其引发的安全事故也愈加频繁[2]，特别是“桑吉”轮事故发生后，有关危险货物的相关知识越来越受到人们的重视。

危险货物相关知识主要来源于国际公约、国内法规、规章及一些技术标准。国际公约方面主要有由国际海事组织颁布的《国际海运危险货物规则》(International Maritime Dangerous Goods Code,IMDG Code)、《联合国关于危险货物运输的建议书》(UN Recommendtions on the Transport of Dangerous Goods,UN RTDG)等；另外其他国际组织或大型企业也在危险货物方面也制定很多规范。国内方面主要有《危险化学品安全管理条例》等行政法规以及《道路危险货物运输管理规定》《船舶载运危险货物安全监督管理规定》等各部门规章。另外,还有一些技术标准也是重要的危险货物知识来源，包括《化学品安全技术说明书》(Material Safety Date Sheet,MSDS)、《危险货物品命表》等。危险货物知识来源见图1。

图1 危险货物知识来源

危险货物品类繁多，目前海上运输危险货物已接近3 000种，涉及的关联知识广泛且复杂。一方面，危险货物的储运条件比较严格；另一方面危险货物相关知识比较零散，货物查询程序繁琐，因此在实际操作中常出现违规行为。这不但形成巨大的安全隐患，也给监管部门增加了很大压力。因此，本文针对如何简化查询程序并实现货物间积载隔离自动判断等智能化管理方式进行研究。

1 相关研究

近年来，危险货物信息化、智能化监管的研究有很多，主要集中于危险货物运输、仓储和应急等3个关键环节。其中,危险货物运输过程中的监管主要是通过对危险货物、运输车辆进行实时监测来达到监管目的。例如，ZHANG等[3]以液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)的运输为例，介绍一种危险货物运输的危险预测系统。该系统主要用于采集危险货物的实时数据来预测危险货物的运输状态，以达到危险预测的目的。CHEN等[4]通过现代地理信息系统(Geographic Information System,GIS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、现代通信技术等对运输车辆进行可视化检测的方法来保障救援。ZANG等[5]通过对危险货物运输过程实时监测来达到危险货物运输监管的目的。这种实时监测技术是基于我国北斗导航卫星系统实现的。危险品仓储智能化监管主要基于物联网技术实现。例如，DING等[6]设计一个由感知层、传输层和应用层组成的集装箱堆场危险货物管理系统，实现对集装箱堆场危险货物的安全监管。LIU等[7]针对危险品存储区域，利用GIS、物联网等技术提出一种危险品动态安全监督系统，并利用数据库建立危险品应急决策支持系统。倪凯等[8]主要是基于物联网技术，采用射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)和二维码结合的方式，对违规存储行为进行预警，实现危险货物仓储管理。危险货物应急的相关研究常和运输、存储一起来研究。例如，MA等[9]为解决公司、司机和政府之间信息共享不足开发一个由运输公司的风险监测平台、车辆和司机的车载监测系统和应急协调中心的应急系统等3个子系统组成的危险货物运输综合应急管理系统。QIN等[10]针对化工园区安全风险问题，设计基于“云计算”的实时监测与事故应急救援决策支持系统，该系统可为化工园区的危险货物监测、应急救援等提供技术支持。

综上所述，借助通信、物联网等技术可实现危险货物和其载运工具的实时监测，但是却无法监测危险货物之间的关联,并且危险货物事故的发生往往是多种因素综合作用的结果，因此,掌握全面、专业的危险货物相关知识及实现危险货物之间的关联对于降低危险货物事故具有重要意义。

Google公司于2012年5月提出知识图谱这一个概念，目的是优化搜索引擎，增强引擎搜索质量和提高用户搜索体验。知识图谱是由许多节点和边连接而形成的一张巨大的语义网络图。节点表示实体，实体就是现实世界中独立存在的某种事物。边为实体之间的语义关系。通过这种语义网络图的结构可快速描述现实世界中的事物及其之间的关系。例如，“氰化钠”和“氟化氢”是实体，“氰化钠”和“氟化氢”的隔离要求为“隔离”(隔离要求“远离”“隔离”“用一个整个舱室或货舱隔离”“用一个介于中间的整个舱室或货舱隔离”等4种)，“氰化钠”和“氟化氢”也都有各自的“熔点”“沸点”等属性。因此,上述知识具体表述为(氰化钠-隔离-氟化氢)(氰化钠-熔点-563.7 ℃)(氟化氢-沸点-19.5 ℃)这样的三元组形式。这样的表达不但可实现危险货物之间的关联以及知识的快速响应和推理，而且可使人类的知识更易于被计算机理解，更好地实现计算机与人之间的交互。

2 特征分析

2.1 危险货物水路运输知识特征分析

水路运输较其他运输方式而言，具有载运量大、成本低的特点，是社会生产和工业发展的主要运输途径。随着工业的迅猛发展，生产中需要的危险货物的种类和数量也大大增加，因此危险货物水路运输涉及的相关知识也越来越多。通过对相关知识的总结，本文采用三维坐标表示方法分析危险货物水路运输所涉及的专业知识及其关系,见图2。图2中:x轴为危险货物知识;y轴为货物属性知识；z轴为危险货物操作要求。

图2 危险货物水路运输知识特征分析

1) 危险货物:危险货物类别划分采用IMDG Code分类标准；根据货物的危险性划分为爆炸品、气体、易燃液体、易燃固体、氧化物和过氧化物、有毒和感染物质、放射性物质、腐蚀性物质、杂类危险物质等9类。危险货物间的关系主要有两种:一种是化学反应，即两种不同货物之间可发生化学反应；另一种是隔离要求，由于危险货物的属性不同，危险货物储运要满足隔离要求。

2) 货物属性:货物属性描述货物的性质和特征，危险货物固有属性决定危险货物的运输、存储等操作要求。危险货物的固有属性有理化特性、毒理性、可免除量、限量和稳定性。危险货物的特有属性有联合国编号、包装类和特殊规定等。

3) 操作要求:操作要求是为保障危险货物在储运过程的安全而必须要遵守的相关规定。危险货物操作要求有积载操作、隔离操作、包装、接触控制、应急措施、急救措施和操作与存储。

2.2 危险货物水路运输知识图谱分析

危险货物水路运输知识图谱的一部分见图3。危险货物水路运输知识图谱是可看作一张巨大的网络图，由模式层SL、数据层DL和关系R组成,即KG=〈SL,R,DL〉。其中,模式层即危险货物本体，定义了知识图谱的框架，是知识图谱的核心。模式层由危险货物相关概念SLc、概念间层级结构SLh以及概念之间的关系SLr组成，即SL=〈SLc,SLh,SLr〉;数据层主要是描述事实，以〈实体-关系-实体〉、〈实体-属性-属性值〉这样的三元组作为基本的表达方式。危险货物水路运输知识图谱数据层由危险货物实体DLe、危险货物属性值DLs及关系DLr组成，即DL=〈DLe,DLr,DLs〉或DL=〈DLe,DLr,DLe〉。由图3虚线部分可知:货物A“隔离”货物B、货物B“化学反应”货物C， 其中,“隔离”“化学反应”表示语义关系，分別表示货物A和货物B需要隔离，货物B和货物C会发生化学反应。

图3 危险货物水路运输知识图谱(部分)

3 知识图谱的构建

目前,对知识图谱的研究有很多，其构建方式并无很大差异。知识图谱的构建方式主要有自顶向下和自底向上两种构建方式。[11]自顶向下是先构建知识图谱的模式层，首先从顶层概念开始，然后逐步细化，形成良好的层次结构,最后把实体添加到相应概念中。自底向上正好相反，先从实体入手，对实体进行归纳，形成底层概念，然后逐渐往上抽象，最后形成上层概念。危险货物水路运输知识图谱的构建采用自顶向下的方式，即先构建模式层，再构建数据层，具体构建流程见图4。

图4 危险货物水路运输知识图谱构建流程

3.1 模式层的构建

3.1.1确定领域知识

确定领域知识是收集本领域可复用的本体知识。危险货物水路运输要遵守很多国际公约，主要有IMDG Code、《国际海上人命安全公约》等；另外其他国际组织、大型企业也制定了很多规范。其中,IMDG Code对危险货物包装、积载和隔离等方面规定最为详细且体系结构也较完善，因此确定为领域知识。另外，MSDS对危险货物的理化特性、急救措施、接触控制等规定十分详尽，因此也确定为领域知识。

3.1.2确定领域核心概念

领域核心概念是对领域知识进行抽象分析，进而建立本体框架。领域核心概念的确定主要有两类：

(1) 直接从 IMDG Code 一览表中得到，包括危险货物分类、包装类、积载类、隔离类和应急措施类等；

(2) 领域专家确定，包括接触控制、操作和存储等。

这两种方式确定的概念都需严格审核，以保证概念的唯一性和准确性。

3.1.3确定概念层级结构

确定概念层级结构也就是建立本体框架。概念层级关系应该在满足本体构建原则的基础上尽量与 IMDG Code 结构体系保持一致。例如“包装导则”的子类有“罐柜包装导则”“中型散装容器包装导则”“其他导则”，这样是比较合理的层级关系。

3.2 数据层的构建

3.2.1实体抽取

危险货物实体抽取是从IMDG Code和MSDS中抽取特定类型的命名实体。实体抽取是根据确定的领域概念识别本概念下包含的实体。例如：危险货物类概念下有近3 000种危险货物实体；包装类概念下包装类I、II、III等3个实体。其中,危险货物实体抽取比较特殊，因为同一种危险货物由于属于不同的包装类就会有不同的操作要求。针对这种情况，主要根据联合国编号、危险货物正确运输名称和包装类来确定唯一的危险货物实体。例如：联合国编号为1418的危险货物为镁粉，镁粉分别有包装类I、II、III等3个实体，在实体抽取时我们将上述不同包装类的镁粉抽取为镁粉1、镁粉2和镁粉3。

3.2.2关系抽取

关系抽取是从领域知识中抽取出实体间的关系,这样才能将零散的知识联系起来。实体间的关系分为两类：

(1) 相同概念下实体层级关系抽取，如“应急措施—防火应急措施”与“应急措施—溢油应急措施”之间的关系。这类关系比较单一，主要是从属关系。

(2) 不同概念下实体关系抽取，如“危险货物—包装类”与“危险货物—隔离类”之间的关系。这类关系抽取我们主要依据国际危险货物一览表中的分列关系进行确定。

3.2.3属性抽取

属性抽取是指从领域知识中抽取特定实体的属性信息。属性的抽取是为危险货物构造属性列表，如危险货物的正确中文运输名称、国际编号、限量以及各种理化特性等属性。属性值是为实体赋予具体的属性值，如“UN 1825”的中文名是“氧化钠”,“硫酰氯”的沸点是69 ℃等。由于可将实体的属性视为实体与属性值之间的一种名词性关系,因此也可将属性抽取问题视为关系抽取问题。

3.2.4实体对齐

实体对齐是解决从不同数据源中抽取的多个实体指向同一对象的问题。IMDG Code中危险货物有正确运输中文名称，而MSDS中有化学品中文名称、化学俗名多种叫法，且存在大量名称不一致的问题。由于联合国编号存在且唯一，因此我们主要根据危险货物的联合国编号进行实体对齐。例如：联合国编号为1307的危险货物的正确运输中文名称为 “二甲苯”，其在MSDS中的化学品中文名称有“1,2-二甲苯”“1,3-二甲苯”“1,4-二甲苯”,其化学品俗名又有“邻二甲苯”“间二甲苯”和“对二甲苯”。

3.3 生成本体

计算机领域中，GRUBER[12]提出本体，他认为“本体是概念化的明确的规范说明”。STUDER[13]在此基础上提出本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明，具有共享、明确、概念化和形式化等4大特征。实质上，本体是概念的集合，概念之间存在一定的关系并且具有一定的层级结构，是用来描述某个领域内存在的具体事物的固有特征。本体可实现知识的规范化表示，也可实现知识的利用和检索，并能够通过定义规则实现知识间的推理。

生成本体是将上述概念、实体、属性及关系等数据信息利用特定的本体建模工具生成危险货物本体。本体建模工具有很多，其中斯坦福大学开发的Protégé是目前国内使用最多的本体编辑工具。[14]危险货物本体正是在领域专家的指导下使用Protégé本体建模工具进行开发的，生成owl文件。Protégé中某种危险货物本体,见图5。

图5 某种危险货物本体

3.4 专家审核

由于危险货物的特殊性，海运危险货物本体构建需要领域专家全程参与。专家审核内容包括概念、属性、概念之间关系、实体的创建和属性关系。专家审核通过则完成本体构建否者返回迭代。

3.5 知识推理

推理是从已有知识中挖掘出隐含信息，尽量减少人工参与，推出缺失事实，并在已有的知识库基础上进一步挖掘隐含知识，从而扩展知识库。危险货物水路运输知识图谱用到的推理规则主要有基于描述逻辑的推理规则[15]和基于SWRL(Semantic Web Rule Language)的本体推理规则[16]。描述逻辑通过描述和定义概念来自动判断某个概念是否是另一个概念的子类或某一概念是否和已有概念相容，例如对危险货物进行定义可自动推理出易燃气体是危险货物的子类。

SWRL可推理出两种危险货物之间的隔离要求。Protégé自带SWRL Tab插件，因此我们可自定义SWRL推理规则。危险货物本体对隔离代码和积载代码分别建立SWRL规则，部分SWRL自定义规则,见图6。

图6 SWRL规则(部分)

4 应用案例

4.1 综合知识检索

危险货物相关知识琐碎繁多，需要花费大量的时间去查找，而且还有可能获得一些无用信息。危险货物水路运输知识图谱可作为检索工具，可快速检索危险货物水路运输的详细信息。例如，用户可输入货物名称或者联合国编号，来获取某种危险货物信息，包括属性、包装、应急、操作要求等水路运输相关知识。甲醇综合检索结果页面见图7。

图7 危险货物知识综合检索结果(部分)

4.2 积载隔离自动判断

利用知识图谱推理技术可自动判断危险货物积载隔离要求。危险货物积载要求主要根据货物所属积载类和积载代码来判断，最后得出舱面积载或舱内积载以及是否需要避开热源等特殊积载要求。危险货物间隔离要求判断比较复杂，首先需要判断这两种危险货物是否有特殊隔离代码，如果某种危险货物有特殊隔离代码则按照特殊隔离代码的要求进行判断；如果两种危险货物都没有特殊隔离代码则需要根据危险货物一般隔离表进行隔离判断，最后得出货物间隔离要求。例如，判断“乙腈”和“硝酸”的隔离要求，其中硝酸有特殊隔离代码“SG6”“SG6”表示“按第5.1类隔离”“乙腈”属于第3类，一般隔离表中第3类和第5.1类的隔离要求为“隔离”，最后得出隔离要求为“隔离”。在知识图谱中，将上述规则转化为SWRL规则，以此来自动判断货物间隔离要求。“乙腈”和“硝酸”的隔离要求见图8。

图8 两种货物间隔离要求自动判断

5 结束语

危险货物水路运输知识图谱是实现危险货物智能管理的基础，本文就如何将不同来源的危险货物知识进行特征分析以形成一套完整的可供利用的知识体系进行探讨。在此基础上，探讨危险货物水路运输知识图谱的构建及其应用。危险货物水路运输知识图谱可很好地实现货物间的关联，为知识查询、语义分析、知识推理奠定重要基础。危险货物运输所涉及的知识还有很多，如何将这些更好地表达这些知识便于计算机理解还需做很多工作。