基于Protégé的鐵路信息公開目錄知識建模
——以客貨營銷領域為例

◎張晨彭芮

基于Protégé的鐵路信息公開目錄知識建模
——以客貨營銷領域為例

◎張晨1彭芮2

為了滿足廣大用戶希望充分了解鐵路方面的相關信息，享受信息獲取權利的要求，也為了適應鐵路信息化的全面發展。本文采用本體知識建模工具Protégé，對鐵路信息公開目錄中客貨營銷領域構建知識模型，在知識層次上實現客貨營銷領域鐵路信息公開的相關概念和語義關系描述，從而展開鐵路信息公開的深入分析。

鐵路作為國家基礎設施，堪稱國民經濟的大動脈，在全民奔向小康社會的進程中肩負著重要的歷史使命。作為自然壟斷行業，鐵路和消費者之間信息嚴重不對稱，侵犯消費者知情權的現象屢見不鮮。而隨著政府加大信息公開力度，公民逐漸開始咨詢與自己利益相關的政府信息，對于與日常生活相關的鐵路信息知情權的呼聲也越來越高。但是鐵路數據紛繁復雜，其中涉及到國家安全、商業秘密和個人隱私這些保密事項。基于此，如何向社會公開鐵路信息，又保障信息的保密性，劃定公開與保密的界限成為重中之重。

本文欲利用Protégé 相關軟件對鐵路信息知識模型進行構建，在“七步法”的基礎上，提出鐵路領域模型的構建方法。結合Protégé 工具，將鐵路信息公開模型的搭建過程進行了詳盡論述：通過類層次關系、類屬性以及實例的添加搭建模型框架；通過SWRL規則與軟件推理功能的結合，進一步完善模型，將鐵路公開數據中部分保密信息顯現出來，有助于合理確定信息公開與保密界限。

1Protégé知識模型概述

Protégé是一個基于Java語言編寫的開放源代碼的本體編輯器，該工具由斯坦福大學Stanford Medical Informatics開發。Protégé是一個自由、具有開放性資源的本體編輯器，也是建立知識體系的框架。其以樹形的層次目錄結構顯示，界面簡單易操作，用戶可以通過點擊相應的項目來增加或編輯類、子類、屬性、實例等，繼而用戶可以在概念層次上設計領域模型。

框架。Protégé知識模型是基于框架的，框架是知識庫系統的主要支撐。

在Protégé中，一個Protégé本體由類、槽、面和公理（classes，slots，facets，axioms）組成，見圖1-1。

類描述了關于這個本體領域的概念。在Protégé中，所有的類組成一個層次結構，可以用樹來描述，樹的根為Protégé系統類THING。類a是類b的子類，則類a的實例也是類b的實例。Protégé中，類支持多重繼承，一個類可以有一個以上的超類。個體和類都能作為類的實例。一個元類是一個類，也是他們自己的類的實例。

槽描述了類的屬性和特征。一個槽可以定義為一個獨立的類。當槽依附于一個本體時，它描述那個本體的屬性。槽分為自有槽和模板槽，自有槽描述它所依附對象本身的屬性，自有槽不能繼承到類的子類或傳遞給類的實例。模板槽只能依附于一個類，它描述一個實例應該有的屬性，模板槽作為被子類繼承并且成為實例的自有槽。Protégé并不允許自有槽直接附于類或者實例。一個實例只能以類的模板槽作為它的自有槽，一個類的自有槽只能從它的元類的模板槽來獲得。

面描述了槽的屬性，具體制定槽值的范圍、類型。面的定義僅限于它所依附的槽。公理是這個本體領域中的統一約束。一個Protégé知識庫包括了這個本體和有特殊槽值的類的個體實例。

本體建模技術

本體構建方法

同本體的規則一樣，本體的構建方法也是參差不齊，因為大部分構建本體的項目組都是采用人為手工的方式，沒有將其大規模的開發應用。況且每個項目組都擁有自己的開發原則和設計標準，難以統一，更難獲得廣泛的認同和遵循，所以對本體的共享、重用和互操作還難以實現，下面列舉了幾種比較典型的本體開發方法：

骨架法：骨架法由英國愛丁堡大學研究所發明，是構建企業本體的方法。這種方法只有開發的梗概，缺少具體詳細的方法和實例。其步驟是圖2-5 骨架法。

IDEF5法： IDEF5又稱實體描述獲取法，它的作用是方便構建人員之間的溝通，美國KBSI公司將其進行優化設計，變成企業本體的構建方法。其具體步驟如圖2-6所示。

本體的本質其實是特定領域的一張完整的準確的定義了規則和術語含義的詞表，這是為了保證知識再用時的一致。IDEF5提供了一種領域專家可以開發和維護領域本體的技術。IDEF5構建本體的方法其實質是獲得客觀世界目標對象的定義和屬性，以及它們之間的內在關系。

企業建模法：企業建模法又稱為TOVE法,因為是用于TOVE項目中，TOVE本體包括企業設計本體、工程本體、計劃本體和服務本體。TOVE法首先需要明確設計動機，然后提出將要搭建的本體是否滿足所有需求，然后用本體定義提取出來的術語使其形式化，接著將規則形式化為公里，最后完善整個知識本體。步驟如圖2-7 所示。

七步法：七步法顧名思義是由七個環節構成的，它條理清晰，步驟明確，是最為常用的一種方法。七個環節如下：確定目標模型的行業背景；考查設計動機以及是否在其他領域重用模型；羅列對象模型的相關概念及知識；挖掘類與類之間的聯系；建立領域內涉及的屬性，其中包括對象屬性和數據屬性，之后會有詳細介紹；定義屬性的具體數據；

建立類的每個實例，本體模型搭建完成。以上就是常用的本體構建方法，而本文將采用七步法，結合鐵路領域的特點，進行知識模型的構建，然后結合保密條例使得保密范疇的信息被推理到保密類中去。

SWRL語言

本體模型雖然支持推理，但是因為沒有提供用于推理的規則，使得隱性的類間關系不能被發掘。所以說，要想讓信息之間的聯系顯性化，讓本體模型更豐富，就要設置SWRL語言來規定一些條例。

SWRL規則的基本形式是表示前提和結論的推導關系。前提和結論都可以包括單個或者多個基本命題，基本命題之間是邏輯與的關系。在本體中，規則主要使用兩種形式:

C(x)是最常用的一種表達方式。C是類，x為變量或者實例。譬如本文中的客戶(?x)，說明x是客戶類的一個實例，而客戶(Customer_1)則代表客戶_1是客戶類的一個實例，二者一個是變量，一個是規定好的實例。

P(x,y): P代表對象屬性。而（x,y）可以是變量或者本體的實例。這個整體表示y與x之間具有某種屬性P，譬 如 本 文 中 的hasDeliver(?x,?y)，說明客戶y手里有x的貨運單，而hasDeliver(Product_2,Customer_1)則代表客戶_1擁有貨運訂單_2，二者一個是變量，一個是規定好的實例。

而SWRL規則體現如下:

hasSecrecy(?x，?x)，hasDeliver(?y，?x)-＞hasSecrecy(?y，?y)

在上面的例子中，x為類客戶的實例，y為類貨運單的實例，hasSecrecy, hasDeliver, 為2個不同的對象屬性。該規則的前提是:如果客戶x擁有保密屬性，并且x的名下有y這個貨運訂單，則結論是：y這個貨運訂單也擁有保密屬性。

本體知識模型的作用

鐵路信息十分紛繁復雜，處理起來有一定難度，加之所做出來的模型不僅要包含所有鐵路信息，理清數據項之間的關系，有些信息還需要被推理出是否屬于保密項，若想要搭建模型，使用本體知識模型是必不可少的，對于處理鐵路方面的信息，本體知識模型具有的優點如下：

本體論提供了一種結構化的方式來表達領域知識。對于領域，本體論清楚地解釋了兩個概念之間的關系。除此之外，如果需要擴展現有本體時，對領域術語的分析歸類就反映出它的非比尋常的作用，也就是說，一旦清晰的描述了某個領域中的術語，就可對該領域進行分析。

本體為人和主體之間的溝通搭起了橋梁。關于信息的共同理解是本體論發展的基本目標之一。譬如說，假設有幾個不同的網站擁有一些學術信息并且可以查詢論文。如果它們彼此分享其使用的術語本體，那么任何一臺計算機都可以從它們之中提取和收集信息，以便這些信息可以用來回應用戶的查詢。開發領域本體的主要目的即提供一種共同的理解機制，消除人們與軟件之間對信息結構的理解鴻溝。

實現同一本體不同領域的多用。本體提供了獨立于應用的描述方法使之可在不同系統間重用。譬如有許許多多不同領域的模型都需要表達時間這一概念，時間的定義包含時間間隔、時間指針以及測量方法等等。而恰好有一個組織搭建了滿足要求的本體模型，其他領域的組織可以非常快速方便地把時間本體用到他們自己的領域。除此之外，如果需要開發一個大型的本體，可以通過集成描述大型本體某些部分的多個現成的本體來實現。此舉有效的提高了工作效率，促進了來自不同領域的研究人員和組織間的交流。

客貨營銷領域業務數據分析

客貨營銷領域理論知識。客貨營銷主要包含從營銷、產品設計到銷售、客戶服務的全過程業務管理等各項工作。

客運方面負責管理和維護客票基礎數據；負責編制票額分配計劃、發布席位、執行調度命令、調整票額、組織票額的共享和再次利用；負責對票額進行調整，包括手工票額調整、剩余票額自動調整、席位復用、票額共用和站車交接等；負責對窗口售票業務和售票作業進行管理。

貨運方面負責鐵路貨運從傳統“站到站”運輸向“門到門”物流服務轉變；管理鐵路運輸及綜合物流服務需求的提報，合理安排貨物運輸資源，對貨物運輸過程進行反饋、追蹤、監督、控制。

除此之外，客貨營銷領域還有其他工作，如：擬定總公司旅客運輸服務質量標準，檢查、指導總公司所屬運輸企業客運服務質量標準；檢查、指導總公司所屬運輸企業客運服務質量工作，組織網絡客運監察開展客運服務質量監察，組織開展客運服務質量綜合評價。處理客戶提出的問題、建議或投訴；跟進問題、建議或投訴處理的全過程；促進員工提高服務質量；負責制訂客戶回訪計劃和客戶滿意度調查工作等等。

客貨營銷領域框架結構。在實際工作中，客貨營銷領域下包含的信息很多，比如火車訂票信息，貨運訂單信息，以及與這些信息相關聯的線路信息與機車信息等等。由于真正的客貨營銷領域包含的信息太過復雜，所以本課題下的客貨營銷領域只涉及到客運訂單和貨運訂單兩項，而客運訂單下設城際、動車、高鐵、快速、特快、直達特快這六款常用客票，每種客票下設三個客票實例。而貨運訂單下直設8個貨運訂單實例，整車運輸的定義是貨物重量大于等于3噸，零擔運輸小于3噸，經過推理引擎的分析，將8個貨運訂單按照貨物重量可以分為整車運輸和零擔運輸兩類，如圖3-1所示。

客貨營銷領域信息知識模型構建

定義類

定義類和理清類的層次結構是搭建本體模型的關鍵步驟之一，類的作用是詳細描述鐵路領域中重要的概念。類的創建方法有三種：自頂向下、自底向上和綜合法。本文在構建鐵路領域的模型時采用的是自頂向下法，即從領域中總概念出發，逐步分解，按層次建立子類。

由于protégé 4.1版本支持中文輸入以及中文推理，加上本文需要創建的許多類，所以為了通俗易懂，本文中的類用中文表示，而屬性和實例則用英文和數字表示。

類的關系圖除了在編輯時可以看到，Protégé 軟件中還有OntoGraf插件工具可以清晰明了的看到類與類彼此之間的聯系。點擊OntoGraf Tab，即可看到關系圖,點擊Expand按鈕即可擴展此類。圖4-2為OntoGraf插件顯示出來的部分類層次關系圖，左邊是父類，右邊是子類。

定義類的屬性

只定義了類和類的層次關系僅僅是打下了良好的基礎，還不能為之后的推理提供有效的幫助，應該繼續豐富出這些類的內涵。屬性可以說明類的特征或某些實例的專有特征，將實例和實例之間聯結了起來。Protégé 中的屬性共分三類：對象屬性、數據屬性和元數據屬性。對象屬性指的是類與類之間的聯系；數據屬性指的是類本身的屬性；元數據屬性指的是描述數據的信息。作者在搭建鐵路信息公開目錄模型時，用到了對象屬性和數據屬性，具體如圖4-3所示。

創建實例

通過上述創建類的層次結構以及各種屬性的添加，已經為鐵路信息公開模型搭好了一個大框架，而在對應的類中創建實例個體，并對它的屬性進行個性化的賦值，這樣鐵路信息公開模型便愈加完善了。

Protégé 4.1中創建實例的步驟是選中“Class”標簽，出現類編輯窗口；選中要添加的實例所對應的類；選擇“Individual”標簽，點擊圖中的第一個按鈕為其添加一個實例；完善實例所具有的屬性值。

圖4-4為添加的客戶實例。

基于模型的推理◎

鐵路方面雖然大力倡導信息公開，但是在實際情況中，有許多需要保密，不宜公開的信息。比如軍事運輸的信息公開后可能會對國家安全造成危害，本課題依據這一情況，利用protégé 模型，將軍事運輸信息從鐵路信息公開目錄中提取出來，推理到保密那一類，屬于保密類的信息即是不能公開的信息。具體如圖5-1所示。

由上圖可知，在預定義下保密信息類下是沒有任何信息的，然后用SWRL語言在Rules中設置了一條規則，即擁有保密屬性的客戶屬于保密信息，保密客戶的貨運訂單也屬于保密信息，如圖5-2所示。

設置這條規則后，再根據情況定義客戶4、客戶6和客戶8屬于軍方客戶，擁有保密屬性，在此情況下進行推理，結果如圖5-3所示。

通過推理我們可以看到，客戶4、客戶6和客戶8，以及他們所擁有的貨運訂單都屬于保密信息類，在此類下的信息不應該被公開。

（作者單位:1.北京交通大學經濟管理學院；2.四川師范大學經濟與管理學院)

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中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2015X003-B，2016X004-E）資助。