協同物流的業務知識管理系統設計

鄧建新，陶 樂，范仁軍，蘇小根

（1.廣西大學 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

協同物流的業務知識管理系統設計

鄧建新1,2，陶 樂1,2，范仁軍1,2，蘇小根1,2

（1.廣西大學 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，廣西 南寧 530004；2.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

為給協同物流運營提供便利，規范其運營知識管理并實現其業務自動感知等，在前期得出的協同物流業務知識結構的基礎上，提出基于本體來構建協同物流的業務知識管理系統，分析了基于本體的協同物流業務知識的構成原理，建立了知識管理系統的功能結構；提出了協同物流業務本體的構建思路，建立了協同物流業務本體的構建方法、流程，并使用OWL構建了本體；建立了該知識管理系統的技術邏輯結構，選用Java、Jena等開發了對應的協同物流的業務知識管理系統。最后驗證了設計的可行性。

協同物流；知識管理系統；本體；本體構造；系統設計

1 引言

協同物流是相關企業通過Internet等信息手段共享業務信息，并協調對應商務活動的物流運營方式。它具有整合資源、節約成本等優勢，是現代物流的主要發展方向和主要組成部分之一[1]。隨著協同物流的思想深入人心，協同物流獲得了快速發展，突出表現在出現了大量支持協同物流發展的物流公共信息平臺，隨之通過協同物流方式開展的物流業務越來越多，已經拓展到了物流的運輸、倉儲、報關、包裝等方面。但協同物流運營的發展給協同物流業務本身帶了不確定性，主要體現在其服務對象、物流對象（如貨物）存在多樣化特征，每次運作涉及的業務要求可能都不相同，這給運營者帶來挑戰，比如，面對未曾運營過的某類貨物可能不知其適用的車輛類型及其倉儲、包裝要求。因此，為了保證物流的安全性、可靠性和高效，在物流業務開展過程中，實施企業人員需要知道相關運作知識并能隨之不斷快速更新[2]，以更好地發揮協同物流整合的優勢。同時，協同物流運營中經常還涉及到非物流專業的人員，如工商企業人員，他們對物流專業知識了解有限，運營處理中存在對一些信息、術語和標準理解上的差異。此外，隨著物流與日常生活越來越密切，人們也有了解和學習相關物流業務知識的需求，以更正確地選擇、監督或開展相應物流服務。以上幾個方面都提出了物流業務知識規范和應用方面的需求。

近幾年，物流行業的知識管理逐漸活躍，相關研究已覆蓋到物流企業、第三方物流、公共物流信息平臺等范圍，對知識的研究也逐漸深化，由最初的管理策略[3-4]到了實際管理[5-7]和挖掘運用[8]，但面向協同物流的知識管理卻相對較少，制約了協同物流和平臺等的智能化應用。如，桂學文等提出了知識管理在物流企業中的實施策略[4]；張立等針對應急物流智能協作面臨的異構信息融合與知識管理難題，結合應急物流領域需求，建立了由概念集合、概念屬性、語義約束等要素組成的應急物流本體模型，為應急物流決策模型及算法應用提供了知識支持[5]；陳俊梅等運用工業4.0思想，構建基于包裝等知識的智能制造物流系統平臺[6]；文獻[8]以港口物流流程為研究對象，研究了港口物流流程知識挖掘方法，提出了由物流控制流知識、物流數據流知識等四部分構成的港口物流流程知識概念框架。為了規范協同物流信息共享和運營過程的知識，為相關人員提供業務知識和為物流業務自動感知等提供基礎，前期我們專門研究了協同物流業務知識，構建了其知識結構[2]。本文將在該知識結構基礎上，建立通過本體來進行協同業務知識管理的方法、系統的結構，并基于此開發協同物流業務知識管理系統。

2 協同物流業務知識管理系統的功能設計

2.1 基于本體的協同物流業務知識構成原理

協同物流業務知識指與協同物流開展過程相關的知識，主要包括業務的類別及屬性知識、業務信息表達知識、業務運作規則、支持業務發現知識和業務運作結果知識，具體有以下特點[2]：

（1）知識涉及面廣，但以術語、概念及其關系為主；

（2）涉及一些規則，比如特種貨物運輸車類型要求等運作規則；

（3）概念及表達上有差異，不規范。在不同支持協同物流開展的平臺或系統經常使用不同的概念，其在物流業務信息表達等方面都存在差異，這就使得相關人員難以理解，計算機系統也無法實現互動操作，最終制約了協同物流優勢的發揮。

知識管理中知識表示是最基礎的工作，知識表達有框架表示法、產生式表達法、面向對象表達法、本體模型等，各模型或方法各有優缺點。而表達、規范概念及其關系恰是本體的優勢。因此，為了給協同物流運作過程提供知識支持，同時規范涉及的概念，本文選用本體來組織其知識。即通過構建協同物流業務本體，定義協同物流業務的概念及其屬性和彼此間的語義關系，并基于其較強的推理能力實現協同物流業務知識應用。

基于本體的優勢，本體定義、更新的難度和協同物流業務知識管理、共享的便利性，協同物流業務知識管理系統只將協同物流業務本體作為知識組織的框架，主要知識的錄入和更新仍然在知識管理系統中進行。協同物流業務本體只定義物流業務等概念及其關系以及車、貨匹配等公理,前者基本覆蓋業務的類別及屬性知識、業務信息表達和業務運作結果規范，后者基本覆蓋業務運作規則和支持業務發現知識。這樣協同物流業務本體能規范協同物流運作過程涉及的概念及其關系，其關系和公理、函數等本身也是知識，但只屬于協同物流業務知識的一部分，而該本體主要為協同物流業務知識的組織、共享、檢索利用提供了支撐框架、模型和便利性，更具體的一些知識，如“什么是包裝”，需要通過協同物流本體的概念實例來表達。此外協同物流業務知識還應包括由這些知識推理得到的結果。基于本體的協同物流業務知識構成的原理如圖1所示。

圖1 基于本體的協同物流業務知識構成

2.2 功能結構

協同物流業務知識管理系統以協同物流業務本體為框架來組織知識，實現知識的共享和其他應用，同時起到規范相關概念的作用，這決定了系統應能對知識進行管理和更新。根據圖1，協同物流業務知識中涉及的概念及其屬性、概念間的關系、車貨匹配等公理和函數由本體定義完成，協同物流業務本體的實例和基于這些知識依靠實際應用推理得到的結果在知識管理系統中完成，同時，對應一些新的概念或本體庫中未建立的概念，則需要重新加入本體，它們需要在知識管理系統中完成，即知識管理系統應能對協同物流業務本體庫和協同物流業務知識庫進行管理和更新。綜合起來，其應具備知識查詢、本體更新、知識管理、可視化顯示等功能，其功能結構如圖2所示。

圖2 系統功能結構

（1）知識查詢。是協同物流業務知識應用和共享的最主要目的，即能根據用戶的需求，給出對應概念相關的知識，為協同物流的運作提供便利。主要包括術語查詢和語義查詢，語義查詢更根據本體，更準確地給出對應知識。

（2）知識管理。主要對知識庫中的知識進行維護，一方面需要按照本體結構添加實例等知識，進行存儲；而當本體發生改變時，知識結構也相應地要發生變化，因此需要對知識庫進行及時的維護。另一方面，隨著物流技術的不斷發展，物流業務知識也不斷地改變，需對涉及的物流知識進行適時的更新，包括擴充知識，對過時的知識進行刪減、修改等，以保證知識庫的有效性。

（3）知識地圖。本體概念往往都是以專有的描述語言進行描述，專業性較強，專用語言表述的本體以文件形式存儲，可讀性較差，普通用戶直接閱讀這些文件會存在理解障礙。而協同物流業務知識結構復雜，為了便于掌握該知識結構，方便瀏覽，需要提供知識地圖功能。該功能主要對本體文件進行解析和可視化顯示，使用戶可以直觀、清楚地了解物流業務本體的相關信息和知曉協同物流業務的知識結構，避免了閱讀繁瑣的本體文件代碼，提高相關知識的普遍性，便于共享。

（4）本體更新。本體的建立是一個循環迭代、反饋遞進的過程。本體更新即通過知識管理系統實現對協同物流業務本體的修改、完善操作，包括概念、屬性和約束的更新。協同物流業務本體作為對應知識管理和實現語義互操作的基礎，雖然要求較少改動，但隨著物流技術和產業的發展，對應的業務知識會不斷地發生變化，為保持該本體庫與領域知識發展一致，需要及時修改其本體框架，對本體概念、屬性及關系進行豐富和完善，以保持本體描述的準確和完整，滿足不斷變化的使用需求。

除以上主要功能外，系統還設計到用戶管理、系統初始化等功能，本處不再分析。但為了保證知識的共享和安全，對其用戶的用例進行了分析，以更好地限制用戶權限分配。協同物流業務知識管理系統應基于Internet使用，所面向的用戶主要分為普通用戶和領域專家。普通用戶主要使用知識，只能進行簡單的查詢操作，主要用到的功能即導航輸出、知識地圖、術語查詢和語義查詢，不能對本體庫和知識庫進行修改，如不收費，無需登陸可直接使用；領域專家除了用到普通用戶使用的功能外，還可以根據物流業務領域的知識結構變化，對本體和知識進行更新，所以系統還提供了知識管理和本體更新模塊，領域專家更新知識和本體時需要登陸認證。系統的基本用例如圖3所示。

圖3 系統用例圖

3 協同物流業務本體的構建

3.1 描述語言選擇

本體是一個共有概念的集合，建立了不同概念及其之間的關系，是規范概念和促進概念互相理解的有利工具。把集中某專業領域概念描述的本體稱為領域本體。顯然，協同物流業務本體屬于領域本體。在領域本體的構建過程中，描述語言為本體的構建和維護提供了統一、通用且能被機器理解的表達形式。目前本體的描述語言有RDF和RDFS、OIL、KIF、OWL等。通過對比不同描述語言的特點和基于本文知識管理的原理，本文采用OWL DL描述語言，它是OWL定義的一個子集，有很強的語義表達能力，能清晰地描述協同物流業務知識本體的類、屬性及關系，更適用于描述現有的Web信息，并得到了W3C的有力支持。同時選擇斯坦福大學開發的Protégé來構建該協同物流業務的初始本體。

圖4 建立協同物流業務本體的流程

3.2 構建方法

協同物流業務知識除了存在大量的概念之外，很多概念都有較多的屬性，其次業務運作知識的應用需要推理等。這就要求在構建協同物流業務本體時，需要對協同物流業務的概念及其屬性、關系進行描述、約束，并賦予較強的推理能力。鑒于這種特點，將協同物流業務本體的構建主要劃分為規劃、分析、實現、評價和維護五個階段，具體流程如圖4所示。5個階段中，規劃主要是確定該領域本體構建的目的和本體構建參考的物流業務知識的來源渠道。該本體的構建目的主要是為協同物流業務知識管理提供基礎框架，其次起到規范作用，因此其參考的物流業務知識主要來源于現有物流公共信息平臺、相關物流書籍和國家物流標準等。分析主要確定物流業務領域知識的結構，建立知識類別、概念及其關系，及近似本體的框架。利用Protégé構建物流業務本體，形成OWL描述文件。評價主要涉及兩方面的內容：（1）檢驗構建的本體是否滿足本體的構建原則，所定義的概念及其屬性和關系是否已經完成，術語是否規范化等，并利用OWL推理引擎進行一致性檢查；（2）對本體文件進行評估，確定所建本體是否滿足前面描述的應用需要。并根據結果調整優化。維護主要在知識管理系統中實現，根據物流行業的變化和發展，及用戶的查詢需求等對其進行調整。即本處構建的本體主要是一個基礎的初始本體。

3.3 基于OWL的協同物流業務本體描述

根據前期獲取的協同物流業務知識結構在protégé中構建協同物流業務本體，基本方法如下：以物流業務為根，物流服務、物流對象、物流主體、物流設備、物流業務水平和地理等六個概念作為其子概念構建一級概念，運輸服務、配送服務、倉儲服務等作為物流服務的子概念形成二級概念；將不同貨物類別、車輛等分類的概念作為互斥類處理；將貨物名稱等屬性作為貨物數值屬性來定義；將貨物與車輛的運作匹配關系通過約束關系來描述，并將其連接起來，而“車牌號”與“車輛”的關系，則通過基數約束來規定一輛車只能有一個車牌號。建成后可生成了相應的OWL文件，片段如下[9]，其中L表示設定的URL。

該片段通過標簽〈owl：Class〉和〈rdfs：subClassOf〉來描述了本體中“運輸服務與物流服務”父子關系，定義了“車輛”的“車輛載重”屬性，并設置屬性的定義域和值域；通過約束屬性“carried”把“貨物”和“車輛”連接起來。

4 協同物流業務知識管理系統的開發架構

4.1 體系結構

為了實現協同物流業務知識管理系統對協同物流業務知識的組織、共享等目標，提出系統采用Browser/Server模式來實現，用戶通過Internet即可訪問系統，獲取對應知識，提高知識共享和管理的便利性。為此，整個系統的邏輯框架包括四層，分別是用戶層、界面層、業務功能層和存儲層。總體框架設計如圖5所示。

圖5 系統開發形成的邏輯結構

（1）用戶層。包含系統的用戶。系統的實際角色主要由專家用戶、普通用戶和系統管理員組成。專家用戶和普通用戶使用情況如圖3所示。系統管理員則是維護系統運行的用戶。專家用戶和系統管理員角色需登陸才能使用系統。

（2）界面層。是用戶與知識管理系統交流的通道和接口，面向系統的所有用戶，通過瀏覽器來重構系統界面，用于顯示知識和接收用戶輸入數據。包括信息顯示和知識查詢、用戶構建、編輯本體等操作的圖形化界面。

（3）業務功能層。該層主要解析本體和根據進行知識組織、查詢和推理，主要涉及兩方面的業務處理：①為知識共享和管理服務，涉及系統知識查詢和管理、知識地圖以及用戶管理模塊和本體更新模塊，這部分功能直接與界面層進行交互，即有對應操作界面。知識查詢模塊等功能如前所述；②實現本體與知識的交互，本體與存儲層交互以及知識推理處理，是后臺運行的服務，不面向用戶，因此無操作界面，主要包括本體解析、本體推理模塊、本體存儲和知識發現等功能。這樣一方面可以將知識經過處理后或更新的本體存儲在本體庫，另一方面可從規則庫以及知識庫中獲取知識，以便用戶的搜索、瀏覽和利用。

（4）存儲層。存儲著本體、知識庫和用戶等數據。由一個本體庫、規則庫和數據庫組成。本體庫是整個框架系統實現的基礎，用于存放維護領域基本概念信息等；而規則庫則存儲的是領域知識規則。

4.2 界面結構

基于以上功能結構和體系結構，確定實現的知識管理系統的界面結構如圖6所示，即一級功能對應知識查詢等模塊，二級功能對應其下的術語查詢等子模塊，二級功能根據對一級功能的選擇操作動態顯示，操作區則根據對二級功能的操作顯示對應內容和實現對相關內容的編輯等操作。

圖6 協同物流業務知識管理系統界面結構

5 設計驗證

選擇 Java，Jena、SPARQL（Simple Protocol and RDF Query Language）等語言或接口工具，使用SQL Sever作為數據庫，根據以上設計，成功實現了協同物流業務知識管理系統。示例界面如圖7所示，并以煙花等為例，進行測試，顯示不但可以實現知識（實例）的添加、規范管理，更可以利用知識進行業務推理，滿足了設計的需求。已將其成功應用在了物流業務的個性化服務系統開發上。

圖7 協同物流業務知識管理系統示例界面

圖7中左邊即是根據本體形成的物流業務知識框架，實現了知識關系的可視化，又規范了知識，右邊則可以對其本體更新。

圖8 系統功能實例

圖8（a）顯示了基于該系統的知識地圖和知識添加實例（縮減了部分屬性）；圖8（b）展示了基于系統知識語義查詢、推理應用的實例。該語義查詢實例根據添加的車輛，結合設計的本體的貨物、車輛的公理關系，自動根據“煙花”類型確定運輸煙花的車輛，為實現協同業務的自動化、可靠性運營提供便利。

6 結論

協同物流運作過程中涉及大量的業務知識，影響業務運作的效率和貨物的安全性等，相關業務人員都提出了協同物流業務知識的獲取需求。本文研究了基于本體來構建協同物流業務知識管理系統的方法，建立了協同物流業務知識管理系統的功能結構、體系結構和協同物流業務本體，并實現了該知識管理系統。基于本體的協同物流業務知識管理系統以協同物流業務本體為知識組織框架，協同物流業務知識主要通過協同物流業務本體的概念屬性、公理和以本體為基礎的實例、推理結果來重新構成。協同物流業務知識管理系統的功能主要包括知識查詢、知識管理、知識地圖、本體更新四個部分。該系統為協同物流業務知識提供了管理、運用、共享的框架，不但規范了協同物流業務知識，也使得不同類別知識之間能夠相互關聯，使計算機能夠理解這些內在的關系并具有一定的推理能力，為推動協同物流自動化、智能應用打下基礎。

[1]宋庭新，黃必清，魏春梅.基于語義Web服務的協同物流與集成技術研究[J].計算機集成制造系統,2008,14(3)：588-594.

[2]鄧建新，陶樂.支持業務發現的協同物流業務知識的結構研究[J].裝備制造技術,2013,(12)：215-219.

[3]張培林,劉繼偉.論知識管理在物流企業中的運用[J].物流科技,2006,29(128)：9-10.

[4]桂學文,陳鵬.知識管理在物流企業中的應用探析[J].科技管理研究,2007,(3)：198-199.

[5]張立,王茜竹,寧亞輝,等.業務模型驅動的應急物流本體知識表示及應用[J].西南交通大學學報,2015,50(3)：550-556.

[6]陳俊梅,石宇強.基于知識的智能制造物流系統平臺研究[J].機械設計與制造,2016,(7)：192-196.

[7]林大杰,林靖雯,張朝能,等.臺灣運輸物流知識管理系統之建立[J].交通信息與安全,2015,33(3)：95-98.

[8]王英.港口物流中的流程知識挖掘研究和智能優化設計[D].北京：北京交通大學,2014.

[9]陶樂.基于本體的協同物流業務知識管理系統研究[D].南寧：廣西大學,2013.

Design of Knowledge Management System for Collaborative Logistics Business

Deng Jianxin1,2,Tao Le1,2,Fan Renjun1,2,Su Xiaogen1,2
(1.Guangxi Key Laboratory for Manufacturing System&Advanced Manufacturing Technology,Guangxi University,Nanning 530004;2.School of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

In this paper,in order to provide facility to collaborative logistics operation,regulate the relevant operational knowledge and realize automatic operational perception and on the basis of the knowledge structure of the collaborative logistics business obtained previously,we proposed to build the knowledge management system for the collaborative logistics business based on ontology,analyzed the composition and working principle of the ontology-based knowledge of the collaborative logistics business and established the functional structure of the knowledge management system.Next,we presented the line of thinking,method and process for the establishment of the ontology of the collaborative logistics business and used OWL to build its ontology.At the end,we set up the technical and logical structure of the knowledge management system,developed it using Java,Jena,etc.,and verified the feasibility of its design.

collaborative logistics;knowledge management system;ontology;ontological construct;system design

F253.9

A

1005-152X(2017)06-0072-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.06.019

2017-04-05

國家自然科學基金項目“網絡環境下面向資源利用優化的物流業務自發現技術研究”（71562002）；廣西自然科學基金項目“面向資源利用優化的物流業務協同感知模型研究”（2014GXNSFBA118281）

鄧建新（1979-），通訊作者，男，四川廣安人，博士，副教授，主要研究方向：制造系統及其信息學、物流信息學、精益物流。