城市軌道交通選線知識庫框架體系構建

城市軌道交通選線學科領域涉及面廣，考慮因素復雜多樣。為選出一條合理的城市軌道交通線路，除了要參照常規的鐵路選線設計規范，還要依賴于已有工程實例、重要文獻專著及選線工程師以往的經驗等。將分散的選線領域相關知識收集匯總，開發城市軌道交通選線知識庫，是輔助選線工程師進行線路設計，提高城市軌道交通選線設計水平與質量的重要手段。然而，在城市軌道交通選線知識庫的開發中，知識庫框架體系的構建是其“瓶頸”問題。一個合理的知識庫框架體系能提高知識庫的推理效率及簡化其開發難度。因此，結合城市軌道交通選線知識特點，針對Visual Prolog開發工具特征，參考知識庫相關理論，從知識獲取、知識表示、知識推理3個方面，構建了一個面向對象、高效合理的知識庫框架體系，為后續城市軌道交通選線知識庫的開發提供了重要參考價值和思路。

知識庫框架體系； Visual Prolog； 城市軌道交通選線

U212.32 A

［定稿日期］2022-03-23

［作者簡介］佐坤逶（1996—），男，碩士，研究方向為線路勘測設計技術。

知識庫是針對某一領域問題求解的需要，采用某種知識表示方式在計算機存儲器中存儲、組織、管理和使用的互相聯系的知識片集合［1］。線路工程涉及學科廣泛，需要考慮諸多影響因素，是一門系統工程。將知識庫與線路工程相結合，對于有效支持線路方案設計，促進線路方案科學性、合理性具有重要的理論意義和實用價值。目前，諸多學者對知識庫系統在線路工程領域中的應用進行了探討，并取得了一些系統開發及理論方面的成果。西南交通大學易思蓉［2］教授針對鐵路選線領域的不同類型知識的特點，圍繞面向對象技術，建立了基于虛擬環境選線系統的選線知識庫及推理機制，實現了知識庫系統表達及利用；中南大學歐陽志峰［3］深入研究了鐵路綠色選線知識的獲取和表示，同時構建了知識規則庫，采用推理機推理綠色選線知識，輔助專家進行預測。長安大學的莫艷鴛［4］建立了公路地質選線知識庫，包括數字地質對象模型、CAD+GIS 環境下的知識推理模塊及選線知識庫管理模塊，為選線過程提供了規則指導和案例借鑒，實現了對公路選線的信息支持。

綜上，國內學者對選線知識庫的研究大多集中在公路及傳統鐵路領域。然而作為在大中城市公共交通運輸的扮演著重要角色的城市軌道交通，其選線知識和技術區別于傳統鐵路和公路，傳統鐵路與公路知識庫已經不再適用。而對于城市軌道交通選線知識庫，國內暫時還沒有較完善的總結和研究。因此本文擬在此基礎上，通過研究知識庫相關理論及Visual Prolog開發工具技術，結合城市軌道交通選線知識特點，構建了城市軌道交通選線知識庫框架體系。為后續開發城市軌道交通選線知識庫提供了理論和技術支撐。

1 知識庫理論研究

知識庫是一個智能的、基于知識的系統。知識獲取、知識表示和知識推理是構建知識庫系統的三大核心技術問題。知識庫系統組成如圖1所示。

1.1 知識獲取

知識獲取是指從知識源獲得知識來建造知識庫的工作。知識庫中的知識來源分為初始知識和再生知識。由于知識獲取需要大量現場調查，專家經驗調查、案例收集等多個渠道資料收集工作，知識來源廣、種類雜，建立知識庫，必定要對原有的信息和知識做一次大規模的收集和整理，凝練知識結構體系。

1.2 知識表示

知識表示屬于一種智能活動，是對知識的描述。其目標是研究可以用來構造知識的最合適的形式，以便最優地解決問題。一種優秀的知識表示方法既要表示知識充分、易于理解，又要有利于知識的運用，包括其維護、管理與組織。同時，知識表示也是知識推理的基礎。

1.3 知識推理

知識推理，就是在已有知識的基礎之上，推斷出未知的知識的過程。知識的推理過程是由推理機來完成的。如何調度推理機使用知識來進行推理，需要依賴于推理控制策略。知識庫系統求解問題的效率與準確性取決于推理控制策略的選擇。推理控制策略主要包含沖突消解策略、推理方向和搜索策略［5］等幾個方面。

2 Visual Prolog 開發工具概述

Visual Prolog意指可視化邏輯程序設計語言，是基于Prolog 語言的可視化集成開發環境，是國際上研究和開發智能化應用的主流工具之一［6］。Visual Prolog具有模式匹配、對象機制、回溯、遞歸、謂詞庫和事實數據庫等諸多功能。其包含一個功能強大的對象機制，捆綁了一個大型函數庫（API 函數）。Visual Prolog具有可視化開發環境（VDE），由應用程序專家、資源編輯器、編碼專家、文本編輯器、幫助生成器及調試器6部分組成，可以用來維護、開發、測試GUI 界面的應用程序和Visual Prolog 圖形資源［7］。

Visual Prolog 的程序結構包括謂詞段、目標段、子句段、論域段共4部分。謂詞段和論域段用來聲明或定義正在使用的謂詞或論域；子句段給出程序運行操作和方法；目標段是存儲程序需要滿足的初始目標。隨著人工智能的不斷發展，Visual Prolog已經成為適用于任何應用領域的優秀智能化應用開發工具。在專家系統構建、機器定理證明、自然語言理解等領域得到了廣泛的應用。

3 城市軌道交通選線知識庫框架體系構建

3.1 城市軌道交通選線知識庫結構模式

城市軌道交通選線主要包括確定線路走向、路由、敷設方式、車站分布、線路平縱斷面設計等內容。根據城市軌道交通選線特點，可將知識庫中的知識分為一系列知識子空間，如線路定線設計子庫、線路平面設計子庫、線路縱斷面設計子庫、車站設計子庫。每一個知識子空間又可以根據包含的對象不同進一步劃分，形成若干相對獨立的知識元。城市軌道交通選線知識庫根據不同的條件，調用對應的知識子庫，由推理機進行決策推理。城市軌道交通選線知識庫結構模式如圖2所示。

3.2 城市軌道交通選線知識獲取

3.2.1 城市軌道交通選線知識來源

城市軌道交通選線知識主要來源于3個方面：

（1）規范知識——相關選線設計規范和城市軌道交通選線著作、報告、論文。

（2）經驗知識——專家、工程師咨詢。

（3）實例知識——工程實例。

綜上所述，城市軌道交通選線知識來源與組成如見圖3。

3.2.2 城市軌道交通選線知識獲取方法

對于城市軌道交通選線知識，由于其具有特殊性和復雜性，知識內容多，涵蓋范圍廣，自動知識獲取方法并不適合選線知識的獲取。所以本文采用非自動知識獲取方法，通過人工方式從各個渠道抽取所需知識，將其形式化，形成城市軌道交通選線知識的事實和規則庫。主要步驟：

（1）知識查閱篩選。通過現場調研、案例收集分析、規范查詢和專家調查，結合相關文獻資料篩選出與城市軌道交通選線相關的知識，進行匯總。

（2）知識整理分類。將匯總后的城市軌道交通選線知識進行梳理分類。將冗余知識排除（一致性檢驗），殘缺知識補全（完整性檢驗），形成城市軌道交通選線知識數據庫。

3.3 城市軌道交通選線知識表示

3.3.1 內部知識表示

城市軌道交通選線知識數量繁多、復雜多樣、學科領域涉及面廣，如果單采用某一種知識表示方法，不能完整清晰的表示其知識內容。所以在計算機內部，本文采用引入Prolog謂詞構造的產生式表示法與面向對象表示法相結合的知識表示方法。運用面向對象知識表示方法，將城市軌道交通選線知識分為4個知識類，每個知識類分為若干知識子類，每個知識子類有若干知識對象，每個知識對象由屬性和方法構成。相關層次結構如圖4所示。

對于知識對象，每一個知識對象的屬性即一條規則知識。表示為：“前提（各種情況）——結論（選線建議）”。產生式表示方法可以明確表示事實之間的聯系，在知識庫的修改、擴充、維護等方面有其獨特的優勢。Prolog語言簡潔明了，在知識表示方面十分便捷。綜上，結合兩者優勢，將每一個知識對象的屬性（規則知識）以引入Prolog謂詞構造的產生式表示方法來表示。

以線路定線大類中線路走向子類為例，線路走向子類知識對象屬性（規則知識）表示如表1所示。

線路走向規則知識在知識庫中具體表現形式為：

dxzx （“ID編號”“控制點類型”“選線建議”“解釋或實例（）；

具體實現代碼：

clauses

getallKZD（KZDlist） ：-

KZDlist = ［ KZD ||dxzx （_，KZD， _， _） ］.

clauses

getzxcx（ID， KZD， XXJY， JS） ：-

dxzx（ID， KZD， XXJY， JS），

！.

getzxcx （_， _， "0"， "0"）.

3.3.2 外部知識表示

知識庫中的知識，一方面要求被內部計算機有效地存儲、檢索、識別并能進行推理，另一方面又要求能夠以更直觀的方式呈現給用戶。城市軌道交通選線知識庫包含的知識種類繁多、覆蓋面廣、知識存量大。因此，針對用戶外部的知識表示方式應采用多種角度進行綜合描述。本文采取文字、圖形、圖像等方式進行外部知識表示，實現知識外部表示的可視化。如圖5所示。

3.4 城市軌道交通選線知識推理

針對Visual Prolog特點，并根據城市軌道交通選線知識特征，本文采用面向對象的推理機制完成推理工作，其中用到正向推理、深度優先搜索、選左消解等推理策略。

具體推理步驟為：當將已知事實送入知識庫時，系統先定位目標所屬對象類，在知識庫中找出與目標相匹配的子句，此時若有多條子句符合要求，按照Visual Prolog內部程序，按從上到下的順序選擇，每次只考慮一個子句，采用深度優先搜索進行匹配向下推導，運用選左消解（總是在目標語句和程序中的一個子句間進行，總是選擇目標語句的第一個目標與子句的結論消解），從左至右依次進行消解，若消解成功，則推出新的目標語句，再對其重復搜索匹配消解操作，直至推理出所需結論；若消解失敗，則選擇的子句無法繼續往下推導，運用回溯功能，再考慮后面的子句（圖6）。

城市軌道交通選線知識庫框架體系構建如圖7所示。

4 結論

開發城市軌道交通選線知識庫的關鍵在于構建合理的城市軌道交通選線知識庫框架體系。本文在研究城市軌道交通選線知識特點的基礎上，結合Visual Prolog開發工具及知識庫相關理論，完成了城市軌道交通選線知識庫框架體系的構建，該知識庫框架具有結合了Prolog語言特點的混合知識表示方法和面向對象的高效邏輯推理機制，結構清晰明了，為后續城市軌道交通選線知識庫的開發奠定了重要基礎。

參考文獻

［1］ 《電子計算機普及辭典》編輯部.電子計算機普及辭典［M］. 北京： 電子工業部計算機工業管理局，1985.

［2］ 易思蓉.虛擬環境鐵路選線設計系統的理論和方法研究［D］.成都：西南交通大學，2000.

［3］ 歐陽志峰.基于 GIS 的鐵路綠色選線決策支持系統（GRASDSS）的知識庫研究［D］.長沙：中南大學，2008.

［4］ 莫艷鴛. 公路三維地質模型及地質選線知識庫研究［D］.西安：長安大學，2020.

［5］ 王光遠等， 結構智能選型［M］. 北京： 中國建筑工業出版社. 2005.

［6］ 雷英杰， 人工智能 （AI） 程序設計 面向對象語言 ［M］. 北京： 清華大學出版社， 2005.

［7］ 雷英杰等， Visual Prolog語言教程［M］. 西安： 陜西科學技術出版社， 2002.