危險貨物水路運輸知識圖譜的構建

文元橋， 張 奇， 肖長詩,c,d， 韓 棟

(武漢理工大學 a.智能交通系統研究中心；b.航運學院；c.內河航運技術湖北省重點實驗室； d.國家水運安全工程技術研究中心， 武漢 430063)

危險貨物是指因其化學或物理性質而對人、財產或環境構成危害的物質或物品,具有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蝕、放射性等危險特性。危險貨物屬性復雜、危險性差異大，對人、財產和環境具有潛在的危險性，一旦發生事故，將造成非常巨大經濟損失，且對環境造成的污染將難以消除。[1]

危險貨物運輸在貨物運輸中占有重要比例。據統計，2016年我國危險貨物運輸總量約為16億t，占全年貨物運輸總量的4%，居全球第二位。近年來，隨著危險貨物運輸總量和運輸頻率的劇增，其引發的安全事故也愈加頻繁[2]，特別是“桑吉”輪事故發生后，有關危險貨物的相關知識越來越受到人們的重視。

危險貨物相關知識主要來源于國際公約、國內法規、規章及一些技術標準。國際公約方面主要有由國際海事組織頒布的《國際海運危險貨物規則》(International Maritime Dangerous Goods Code,IMDG Code)、《聯合國關于危險貨物運輸的建議書》(UN Recommendtions on the Transport of Dangerous Goods,UN RTDG)等；另外其他國際組織或大型企業也在危險貨物方面也制定很多規范。國內方面主要有《危險化學品安全管理條例》等行政法規以及《道路危險貨物運輸管理規定》《船舶載運危險貨物安全監督管理規定》等各部門規章。另外,還有一些技術標準也是重要的危險貨物知識來源，包括《化學品安全技術說明書》(Material Safety Date Sheet,MSDS)、《危險貨物品命表》等。危險貨物知識來源見圖1。

圖1 危險貨物知識來源

危險貨物品類繁多，目前海上運輸危險貨物已接近3 000種，涉及的關聯知識廣泛且復雜。一方面，危險貨物的儲運條件比較嚴格；另一方面危險貨物相關知識比較零散，貨物查詢程序繁瑣，因此在實際操作中常出現違規行為。這不但形成巨大的安全隱患，也給監管部門增加了很大壓力。因此，本文針對如何簡化查詢程序并實現貨物間積載隔離自動判斷等智能化管理方式進行研究。

1 相關研究

近年來，危險貨物信息化、智能化監管的研究有很多，主要集中于危險貨物運輸、倉儲和應急等3個關鍵環節。其中,危險貨物運輸過程中的監管主要是通過對危險貨物、運輸車輛進行實時監測來達到監管目的。例如，ZHANG等[3]以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的運輸為例，介紹一種危險貨物運輸的危險預測系統。該系統主要用于采集危險貨物的實時數據來預測危險貨物的運輸狀態，以達到危險預測的目的。CHEN等[4]通過現代地理信息系統(Geographic Information System,GIS)、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、現代通信技術等對運輸車輛進行可視化檢測的方法來保障救援。ZANG等[5]通過對危險貨物運輸過程實時監測來達到危險貨物運輸監管的目的。這種實時監測技術是基于我國北斗導航衛星系統實現的。危險品倉儲智能化監管主要基于物聯網技術實現。例如，DING等[6]設計一個由感知層、傳輸層和應用層組成的集裝箱堆場危險貨物管理系統，實現對集裝箱堆場危險貨物的安全監管。LIU等[7]針對危險品存儲區域，利用GIS、物聯網等技術提出一種危險品動態安全監督系統，并利用數據庫建立危險品應急決策支持系統。倪凱等[8]主要是基于物聯網技術，采用射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)和二維碼結合的方式，對違規存儲行為進行預警，實現危險貨物倉儲管理。危險貨物應急的相關研究常和運輸、存儲一起來研究。例如，MA等[9]為解決公司、司機和政府之間信息共享不足開發一個由運輸公司的風險監測平臺、車輛和司機的車載監測系統和應急協調中心的應急系統等3個子系統組成的危險貨物運輸綜合應急管理系統。QIN等[10]針對化工園區安全風險問題，設計基于“云計算”的實時監測與事故應急救援決策支持系統，該系統可為化工園區的危險貨物監測、應急救援等提供技術支持。

綜上所述，借助通信、物聯網等技術可實現危險貨物和其載運工具的實時監測，但是卻無法監測危險貨物之間的關聯,并且危險貨物事故的發生往往是多種因素綜合作用的結果，因此,掌握全面、專業的危險貨物相關知識及實現危險貨物之間的關聯對于降低危險貨物事故具有重要意義。

Google公司于2012年5月提出知識圖譜這一個概念，目的是優化搜索引擎，增強引擎搜索質量和提高用戶搜索體驗。知識圖譜是由許多節點和邊連接而形成的一張巨大的語義網絡圖。節點表示實體，實體就是現實世界中獨立存在的某種事物。邊為實體之間的語義關系。通過這種語義網絡圖的結構可快速描述現實世界中的事物及其之間的關系。例如，“氰化鈉”和“氟化氫”是實體，“氰化鈉”和“氟化氫”的隔離要求為“隔離”(隔離要求“遠離”“隔離”“用一個整個艙室或貨艙隔離”“用一個介于中間的整個艙室或貨艙隔離”等4種)，“氰化鈉”和“氟化氫”也都有各自的“熔點”“沸點”等屬性。因此,上述知識具體表述為(氰化鈉-隔離-氟化氫)(氰化鈉-熔點-563.7 ℃)(氟化氫-沸點-19.5 ℃)這樣的三元組形式。這樣的表達不但可實現危險貨物之間的關聯以及知識的快速響應和推理，而且可使人類的知識更易于被計算機理解，更好地實現計算機與人之間的交互。

2 特征分析

2.1 危險貨物水路運輸知識特征分析

水路運輸較其他運輸方式而言，具有載運量大、成本低的特點，是社會生產和工業發展的主要運輸途徑。隨著工業的迅猛發展，生產中需要的危險貨物的種類和數量也大大增加，因此危險貨物水路運輸涉及的相關知識也越來越多。通過對相關知識的總結，本文采用三維坐標表示方法分析危險貨物水路運輸所涉及的專業知識及其關系,見圖2。圖2中:x軸為危險貨物知識;y軸為貨物屬性知識；z軸為危險貨物操作要求。

圖2 危險貨物水路運輸知識特征分析

1) 危險貨物:危險貨物類別劃分采用IMDG Code分類標準；根據貨物的危險性劃分為爆炸品、氣體、易燃液體、易燃固體、氧化物和過氧化物、有毒和感染物質、放射性物質、腐蝕性物質、雜類危險物質等9類。危險貨物間的關系主要有兩種:一種是化學反應，即兩種不同貨物之間可發生化學反應；另一種是隔離要求，由于危險貨物的屬性不同，危險貨物儲運要滿足隔離要求。

2) 貨物屬性:貨物屬性描述貨物的性質和特征，危險貨物固有屬性決定危險貨物的運輸、存儲等操作要求。危險貨物的固有屬性有理化特性、毒理性、可免除量、限量和穩定性。危險貨物的特有屬性有聯合國編號、包裝類和特殊規定等。

3) 操作要求:操作要求是為保障危險貨物在儲運過程的安全而必須要遵守的相關規定。危險貨物操作要求有積載操作、隔離操作、包裝、接觸控制、應急措施、急救措施和操作與存儲。

2.2 危險貨物水路運輸知識圖譜分析

危險貨物水路運輸知識圖譜的一部分見圖3。危險貨物水路運輸知識圖譜是可看作一張巨大的網絡圖，由模式層SL、數據層DL和關系R組成,即KG=〈SL,R,DL〉。其中,模式層即危險貨物本體，定義了知識圖譜的框架，是知識圖譜的核心。模式層由危險貨物相關概念SLc、概念間層級結構SLh以及概念之間的關系SLr組成，即SL=〈SLc,SLh,SLr〉;數據層主要是描述事實，以〈實體-關系-實體〉、〈實體-屬性-屬性值〉這樣的三元組作為基本的表達方式。危險貨物水路運輸知識圖譜數據層由危險貨物實體DLe、危險貨物屬性值DLs及關系DLr組成，即DL=〈DLe,DLr,DLs〉或DL=〈DLe,DLr,DLe〉。由圖3虛線部分可知:貨物A“隔離”貨物B、貨物B“化學反應”貨物C， 其中,“隔離”“化學反應”表示語義關系，分別表示貨物A和貨物B需要隔離，貨物B和貨物C會發生化學反應。

圖3 危險貨物水路運輸知識圖譜(部分)

3 知識圖譜的構建

目前,對知識圖譜的研究有很多，其構建方式并無很大差異。知識圖譜的構建方式主要有自頂向下和自底向上兩種構建方式。[11]自頂向下是先構建知識圖譜的模式層，首先從頂層概念開始，然后逐步細化，形成良好的層次結構,最后把實體添加到相應概念中。自底向上正好相反，先從實體入手，對實體進行歸納，形成底層概念，然后逐漸往上抽象，最后形成上層概念。危險貨物水路運輸知識圖譜的構建采用自頂向下的方式，即先構建模式層，再構建數據層，具體構建流程見圖4。

圖4 危險貨物水路運輸知識圖譜構建流程

3.1 模式層的構建

3.1.1確定領域知識

確定領域知識是收集本領域可復用的本體知識。危險貨物水路運輸要遵守很多國際公約，主要有IMDG Code、《國際海上人命安全公約》等；另外其他國際組織、大型企業也制定了很多規范。其中,IMDG Code對危險貨物包裝、積載和隔離等方面規定最為詳細且體系結構也較完善，因此確定為領域知識。另外，MSDS對危險貨物的理化特性、急救措施、接觸控制等規定十分詳盡，因此也確定為領域知識。

3.1.2確定領域核心概念

領域核心概念是對領域知識進行抽象分析，進而建立本體框架。領域核心概念的確定主要有兩類：

(1) 直接從 IMDG Code 一覽表中得到，包括危險貨物分類、包裝類、積載類、隔離類和應急措施類等；

(2) 領域專家確定，包括接觸控制、操作和存儲等。

這兩種方式確定的概念都需嚴格審核，以保證概念的唯一性和準確性。

3.1.3確定概念層級結構

確定概念層級結構也就是建立本體框架。概念層級關系應該在滿足本體構建原則的基礎上盡量與 IMDG Code 結構體系保持一致。例如“包裝導則”的子類有“罐柜包裝導則”“中型散裝容器包裝導則”“其他導則”，這樣是比較合理的層級關系。

3.2 數據層的構建

3.2.1實體抽取

危險貨物實體抽取是從IMDG Code和MSDS中抽取特定類型的命名實體。實體抽取是根據確定的領域概念識別本概念下包含的實體。例如：危險貨物類概念下有近3 000種危險貨物實體；包裝類概念下包裝類I、II、III等3個實體。其中,危險貨物實體抽取比較特殊，因為同一種危險貨物由于屬于不同的包裝類就會有不同的操作要求。針對這種情況，主要根據聯合國編號、危險貨物正確運輸名稱和包裝類來確定唯一的危險貨物實體。例如：聯合國編號為1418的危險貨物為鎂粉，鎂粉分別有包裝類I、II、III等3個實體，在實體抽取時我們將上述不同包裝類的鎂粉抽取為鎂粉1、鎂粉2和鎂粉3。

3.2.2關系抽取

關系抽取是從領域知識中抽取出實體間的關系,這樣才能將零散的知識聯系起來。實體間的關系分為兩類：

(1) 相同概念下實體層級關系抽取，如“應急措施—防火應急措施”與“應急措施—溢油應急措施”之間的關系。這類關系比較單一，主要是從屬關系。

(2) 不同概念下實體關系抽取，如“危險貨物—包裝類”與“危險貨物—隔離類”之間的關系。這類關系抽取我們主要依據國際危險貨物一覽表中的分列關系進行確定。

3.2.3屬性抽取

屬性抽取是指從領域知識中抽取特定實體的屬性信息。屬性的抽取是為危險貨物構造屬性列表，如危險貨物的正確中文運輸名稱、國際編號、限量以及各種理化特性等屬性。屬性值是為實體賦予具體的屬性值，如“UN 1825”的中文名是“氧化鈉”,“硫酰氯”的沸點是69 ℃等。由于可將實體的屬性視為實體與屬性值之間的一種名詞性關系,因此也可將屬性抽取問題視為關系抽取問題。

3.2.4實體對齊

實體對齊是解決從不同數據源中抽取的多個實體指向同一對象的問題。IMDG Code中危險貨物有正確運輸中文名稱，而MSDS中有化學品中文名稱、化學俗名多種叫法，且存在大量名稱不一致的問題。由于聯合國編號存在且唯一，因此我們主要根據危險貨物的聯合國編號進行實體對齊。例如：聯合國編號為1307的危險貨物的正確運輸中文名稱為 “二甲苯”，其在MSDS中的化學品中文名稱有“1,2-二甲苯”“1,3-二甲苯”“1,4-二甲苯”,其化學品俗名又有“鄰二甲苯”“間二甲苯”和“對二甲苯”。

3.3 生成本體

計算機領域中，GRUBER[12]提出本體，他認為“本體是概念化的明確的規范說明”。STUDER[13]在此基礎上提出本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明，具有共享、明確、概念化和形式化等4大特征。實質上，本體是概念的集合，概念之間存在一定的關系并且具有一定的層級結構，是用來描述某個領域內存在的具體事物的固有特征。本體可實現知識的規范化表示，也可實現知識的利用和檢索，并能夠通過定義規則實現知識間的推理。

生成本體是將上述概念、實體、屬性及關系等數據信息利用特定的本體建模工具生成危險貨物本體。本體建模工具有很多，其中斯坦福大學開發的Protégé是目前國內使用最多的本體編輯工具。[14]危險貨物本體正是在領域專家的指導下使用Protégé本體建模工具進行開發的，生成owl文件。Protégé中某種危險貨物本體,見圖5。

圖5 某種危險貨物本體

3.4 專家審核

由于危險貨物的特殊性，海運危險貨物本體構建需要領域專家全程參與。專家審核內容包括概念、屬性、概念之間關系、實體的創建和屬性關系。專家審核通過則完成本體構建否者返回迭代。

3.5 知識推理

推理是從已有知識中挖掘出隱含信息，盡量減少人工參與，推出缺失事實，并在已有的知識庫基礎上進一步挖掘隱含知識，從而擴展知識庫。危險貨物水路運輸知識圖譜用到的推理規則主要有基于描述邏輯的推理規則[15]和基于SWRL(Semantic Web Rule Language)的本體推理規則[16]。描述邏輯通過描述和定義概念來自動判斷某個概念是否是另一個概念的子類或某一概念是否和已有概念相容，例如對危險貨物進行定義可自動推理出易燃氣體是危險貨物的子類。

SWRL可推理出兩種危險貨物之間的隔離要求。Protégé自帶SWRL Tab插件，因此我們可自定義SWRL推理規則。危險貨物本體對隔離代碼和積載代碼分別建立SWRL規則，部分SWRL自定義規則,見圖6。

圖6 SWRL規則(部分)

4 應用案例

4.1 綜合知識檢索

危險貨物相關知識瑣碎繁多，需要花費大量的時間去查找，而且還有可能獲得一些無用信息。危險貨物水路運輸知識圖譜可作為檢索工具，可快速檢索危險貨物水路運輸的詳細信息。例如，用戶可輸入貨物名稱或者聯合國編號，來獲取某種危險貨物信息，包括屬性、包裝、應急、操作要求等水路運輸相關知識。甲醇綜合檢索結果頁面見圖7。

圖7 危險貨物知識綜合檢索結果(部分)

4.2 積載隔離自動判斷

利用知識圖譜推理技術可自動判斷危險貨物積載隔離要求。危險貨物積載要求主要根據貨物所屬積載類和積載代碼來判斷，最后得出艙面積載或艙內積載以及是否需要避開熱源等特殊積載要求。危險貨物間隔離要求判斷比較復雜，首先需要判斷這兩種危險貨物是否有特殊隔離代碼，如果某種危險貨物有特殊隔離代碼則按照特殊隔離代碼的要求進行判斷；如果兩種危險貨物都沒有特殊隔離代碼則需要根據危險貨物一般隔離表進行隔離判斷，最后得出貨物間隔離要求。例如，判斷“乙腈”和“硝酸”的隔離要求，其中硝酸有特殊隔離代碼“SG6”“SG6”表示“按第5.1類隔離”“乙腈”屬于第3類，一般隔離表中第3類和第5.1類的隔離要求為“隔離”，最后得出隔離要求為“隔離”。在知識圖譜中，將上述規則轉化為SWRL規則，以此來自動判斷貨物間隔離要求。“乙腈”和“硝酸”的隔離要求見圖8。

圖8 兩種貨物間隔離要求自動判斷

5 結束語

危險貨物水路運輸知識圖譜是實現危險貨物智能管理的基礎，本文就如何將不同來源的危險貨物知識進行特征分析以形成一套完整的可供利用的知識體系進行探討。在此基礎上，探討危險貨物水路運輸知識圖譜的構建及其應用。危險貨物水路運輸知識圖譜可很好地實現貨物間的關聯，為知識查詢、語義分析、知識推理奠定重要基礎。危險貨物運輸所涉及的知識還有很多，如何將這些更好地表達這些知識便于計算機理解還需做很多工作。