危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜的構(gòu)建

文元橋， 張 奇， 肖長詩,c,d， 韓 棟

(武漢理工大學(xué) a.智能交通系統(tǒng)研究中心；b.航運(yùn)學(xué)院；c.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； d.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

危險貨物是指因其化學(xué)或物理性質(zhì)而對人、財產(chǎn)或環(huán)境構(gòu)成危害的物質(zhì)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(fù)雜、危險性差異大，對人、財產(chǎn)和環(huán)境具有潛在的危險性，一旦發(fā)生事故，將造成非常巨大經(jīng)濟(jì)損失，且對環(huán)境造成的污染將難以消除。[1]

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

危險貨物相關(guān)知識主要來源于國際公約、國內(nèi)法規(guī)、規(guī)章及一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際公約方面主要有由國際海事組織頒布的《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》(International Maritime Dangerous Goods Code,IMDG Code)、《聯(lián)合國關(guān)于危險貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh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(yè)也在危險貨物方面也制定很多規(guī)范。國內(nèi)方面主要有《危險化學(xué)品安全管理條例》等行政法規(guī)以及《道路危險貨物運(yùn)輸管理規(guī)定》《船舶載運(yùn)危險貨物安全監(jiān)督管理規(guī)定》等各部門規(guī)章。另外,還有一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也是重要的危險貨物知識來源，包括《化學(xué)品安全技術(shù)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(yùn)輸危險貨物已接近3 000種，涉及的關(guān)聯(lián)知識廣泛且復(fù)雜。一方面，危險貨物的儲運(yùn)條件比較嚴(yán)格；另一方面危險貨物相關(guān)知識比較零散，貨物查詢程序繁瑣，因此在實(shí)際操作中常出現(xiàn)違規(guī)行為。這不但形成巨大的安全隱患，也給監(jiān)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(shí)現(xiàn)貨物間積載隔離自動判斷等智能化管理方式進(jìn)行研究。

1 相關(guān)研究

近年來，危險貨物信息化、智能化監(jiān)管的研究有很多，主要集中于危險貨物運(yùn)輸、倉儲和應(yīng)急等3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中,危險貨物運(yùn)輸過程中的監(jiān)管主要是通過對危險貨物、運(yùn)輸車輛進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測來達(dá)到監(jiān)管目的。例如，ZHANG等[3]以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)的運(yùn)輸為例，介紹一種危險貨物運(yùn)輸?shù)奈ｋU預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于采集危險貨物的實(shí)時數(shù)據(jù)來預(yù)測危險貨物的運(yùn)輸狀態(tài)，以達(dá)到危險預(yù)測的目的。CHEN等[4]通過現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、現(xiàn)代通信技術(shù)等對運(yùn)輸車輛進(jìn)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(yùn)輸過程實(shí)時監(jiān)測來達(dá)到危險貨物運(yùn)輸監(jiān)管的目的。這種實(shí)時監(jiān)測技術(shù)是基于我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。危險品倉儲智能化監(jiān)管主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，DING等[6]設(shè)計一個由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成的集裝箱堆場危險貨物管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對集裝箱堆場危險貨物的安全監(jiān)管。LIU等[7]針對危險品存儲區(qū)域，利用GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)提出一種危險品動態(tài)安全監(jiān)督系統(tǒng)，并利用數(shù)據(jù)庫建立危險品應(yīng)急決策支持系統(tǒng)。倪凱等[8]主要是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)和二維碼結(jié)合的方式，對違規(guī)存儲行為進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)危險貨物倉儲管理。危險貨物應(yīng)急的相關(guān)研究常和運(yùn)輸、存儲一起來研究。例如，MA等[9]為解決公司、司機(jī)和政府之間信息共享不足開發(fā)一個由運(yùn)輸公司的風(fēng)險監(jiān)測平臺、車輛和司機(jī)的車載監(jiān)測系統(tǒng)和應(yīng)急協(xié)調(diào)中心的應(yīng)急系統(tǒng)等3個子系統(tǒng)組成的危險貨物運(yùn)輸綜合應(yīng)急管理系統(tǒng)。QIN等[10]針對化工園區(qū)安全風(fēng)險問題，設(shè)計基于“云計算”的實(shí)時監(jiān)測與事故應(yīng)急救援決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為化工園區(qū)的危險貨物監(jiān)測、應(yīng)急救援等提供技術(shù)支持。

綜上所述，借助通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)可實(shí)現(xiàn)危險貨物和其載運(yùn)工具的實(shí)時監(jiān)測，但是卻無法監(jiān)測危險貨物之間的關(guān)聯(lián),并且危險貨物事故的發(fā)生往往是多種因素綜合作用的結(jié)果，因此,掌握全面、專業(yè)的危險貨物相關(guān)知識及實(shí)現(xiàn)危險貨物之間的關(guān)聯(lián)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(yōu)化搜索引擎，增強(qiáng)引擎搜索質(zhì)量和提高用戶搜索體驗(yàn)。知識圖譜是由許多節(jié)點(diǎn)和邊連接而形成的一張巨大的語義網(wǎng)絡(luò)圖。節(jié)點(diǎn)表示實(shí)體，實(shí)體就是現(xiàn)實(shí)世界中獨(dú)立存在的某種事物。邊為實(shí)體之間的語義關(guān)系。通過這種語義網(wǎng)絡(luò)圖的結(jié)構(gòu)可快速描述現(xiàn)實(shí)世界中的事物及其之間的關(guān)系。例如，“氰化鈉”和“氟化氫”是實(shí)體，“氰化鈉”和“氟化氫”的隔離要求為“隔離”(隔離要求“遠(yuǎn)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(diǎn)”“沸點(diǎn)”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(diǎn)-563.7 ℃)(氟化氫-沸點(diǎn)-19.5 ℃)這樣的三元組形式。這樣的表達(dá)不但可實(shí)現(xiàn)危險貨物之間的關(guān)聯(lián)以及知識的快速響應(yīng)和推理，而且可使人類的知識更易于被計算機(jī)理解，更好地實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與人之間的交互。

2 特征分析

2.1 危險貨物水路運(yùn)輸知識特征分析

水路運(yùn)輸較其他運(yùn)輸方式而言，具有載運(yùn)量大、成本低的特點(diǎn)，是社會生產(chǎn)和工業(yè)發(fā)展的主要運(yùn)輸途徑。隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)中需要的危險貨物的種類和數(shù)量也大大增加，因此危險貨物水路運(yùn)輸涉及的相關(guān)知識也越來越多。通過對相關(guān)知識的總結(jié)，本文采用三維坐標(biāo)表示方法分析危險貨物水路運(yùn)輸所涉及的專業(yè)知識及其關(guān)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)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(zhì)、放射性物質(zhì)、腐蝕性物質(zhì)、雜類危險物質(zhì)等9類。危險貨物間的關(guān)系主要有兩種:一種是化學(xué)反應(yīng)，即兩種不同貨物之間可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；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(yùn)要滿足隔離要求。

2) 貨物屬性:貨物屬性描述貨物的性質(zhì)和特征，危險貨物固有屬性決定危險貨物的運(yùn)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(wěn)定性。危險貨物的特有屬性有聯(lián)合國編號、包裝類和特殊規(guī)定等。

3) 操作要求:操作要求是為保障危險貨物在儲運(yùn)過程的安全而必須要遵守的相關(guān)規(guī)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(yīng)急措施、急救措施和操作與存儲。

2.2 危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜分析

危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜的一部分見圖3。危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜是可看作一張巨大的網(wǎng)絡(luò)圖，由模式層SL、數(shù)據(jù)層DL和關(guān)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(guān)概念SLc、概念間層級結(jié)構(gòu)SLh以及概念之間的關(guān)系SLr組成，即SL=〈SLc,SLh,SLr〉;數(shù)據(jù)層主要是描述事實(shí)，以〈實(shí)體-關(guān)系-實(shí)體〉、〈實(shí)體-屬性-屬性值〉這樣的三元組作為基本的表達(dá)方式。危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜數(shù)據(jù)層由危險貨物實(shí)體DLe、危險貨物屬性值DLs及關(guān)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(xué)反應(yīng)”貨物C， 其中,“隔離”“化學(xué)反應(yīng)”表示語義關(guān)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖3 危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜(部分)

3 知識圖譜的構(gòu)建

目前,對知識圖譜的研究有很多，其構(gòu)建方式并無很大差異。知識圖譜的構(gòu)建方式主要有自頂向下和自底向上兩種構(gòu)建方式。[11]自頂向下是先構(gòu)建知識圖譜的模式層，首先從頂層概念開始，然后逐步細(xì)化，形成良好的層次結(jié)構(gòu),最后把實(shí)體添加到相應(yīng)概念中。自底向上正好相反，先從實(shí)體入手，對實(shí)體進(jìn)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(yùn)輸知識圖譜的構(gòu)建采用自頂向下的方式，即先構(gòu)建模式層，再構(gòu)建數(shù)據(jù)層，具體構(gòu)建流程見圖4。

圖4 危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜構(gòu)建流程

3.1 模式層的構(gòu)建

3.1.1確定領(lǐng)域知識

確定領(lǐng)域知識是收集本領(lǐng)域可復(fù)用的本體知識。危險貨物水路運(yùn)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(yè)也制定了很多規(guī)范。其中,IMDG Code對危險貨物包裝、積載和隔離等方面規(guī)定最為詳細(xì)且體系結(jié)構(gòu)也較完善，因此確定為領(lǐng)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(guī)定十分詳盡，因此也確定為領(lǐng)域知識。

3.1.2確定領(lǐng)域核心概念

領(lǐng)域核心概念是對領(lǐng)域知識進(jìn)行抽象分析，進(jìn)而建立本體框架。領(lǐng)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(yīng)急措施類等；

(2) 領(lǐng)域?qū)＜掖_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(yán)格審核，以保證概念的唯一性和準(zhǔn)確性。

3.1.3確定概念層級結(jié)構(gòu)

確定概念層級結(jié)構(gòu)也就是建立本體框架。概念層級關(guān)系應(yīng)該在滿足本體構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上盡量與 IMDG Code 結(jié)構(gòu)體系保持一致。例如“包裝導(dǎo)則”的子類有“罐柜包裝導(dǎo)則”“中型散裝容器包裝導(dǎo)則”“其他導(dǎo)則”，這樣是比較合理的層級關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)層的構(gòu)建

3.2.1實(shí)體抽取

危險貨物實(shí)體抽取是從IMDG Code和MSDS中抽取特定類型的命名實(shí)體。實(shí)體抽取是根據(jù)確定的領(lǐng)域概念識別本概念下包含的實(shí)體。例如：危險貨物類概念下有近3 000種危險貨物實(shí)體；包裝類概念下包裝類I、II、III等3個實(shí)體。其中,危險貨物實(shí)體抽取比較特殊，因?yàn)橥环N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(jù)聯(lián)合國編號、危險貨物正確運(yùn)輸名稱和包裝類來確定唯一的危險貨物實(shí)體。例如：聯(lián)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(shí)體，在實(shí)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(guān)系抽取

關(guān)系抽取是從領(lǐng)域知識中抽取出實(shí)體間的關(guān)系,這樣才能將零散的知識聯(lián)系起來。實(shí)體間的關(guān)系分為兩類：

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

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

3.2.3屬性抽取

屬性抽取是指從領(lǐng)域知識中抽取特定實(shí)體的屬性信息。屬性的抽取是為危險貨物構(gòu)造屬性列表，如危險貨物的正確中文運(yùn)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(shí)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(diǎn)是69 ℃等。由于可將實(shí)體的屬性視為實(shí)體與屬性值之間的一種名詞性關(guān)系,因此也可將屬性抽取問題視為關(guān)系抽取問題。

3.2.4實(shí)體對齊

實(shí)體對齊是解決從不同數(shù)據(jù)源中抽取的多個實(shí)體指向同一對象的問題。IMDG Code中危險貨物有正確運(yùn)輸中文名稱，而MSDS中有化學(xué)品中文名稱、化學(xué)俗名多種叫法，且存在大量名稱不一致的問題。由于聯(lián)合國編號存在且唯一，因此我們主要根據(jù)危險貨物的聯(lián)合國編號進(jìn)行實(shí)體對齊。例如：聯(lián)合國編號為1307的危險貨物的正確運(yùn)輸中文名稱為 “二甲苯”，其在MSDS中的化學(xué)品中文名稱有“1,2-二甲苯”“1,3-二甲苯”“1,4-二甲苯”,其化學(xué)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(jī)領(lǐng)域中，GRUBER[12]提出本體，他認(rèn)為“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”。STUDER[13]在此基礎(chǔ)上提出本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明，具有共享、明確、概念化和形式化等4大特征。實(shí)質(zhì)上，本體是概念的集合，概念之間存在一定的關(guān)系并且具有一定的層級結(jié)構(gòu)，是用來描述某個領(lǐng)域內(nèi)存在的具體事物的固有特征。本體可實(shí)現(xiàn)知識的規(guī)范化表示，也可實(shí)現(xiàn)知識的利用和檢索，并能夠通過定義規(guī)則實(shí)現(xiàn)知識間的推理。

生成本體是將上述概念、實(shí)體、屬性及關(guān)系等數(shù)據(jù)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(xué)開發(fā)的Protégé是目前國內(nèi)使用最多的本體編輯工具。[14]危險貨物本體正是在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下使用Protégé本體建模工具進(jìn)行開發(fā)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(yùn)危險貨物本體構(gòu)建需要領(lǐng)域?qū)＜胰虆⑴c。專家審核內(nèi)容包括概念、屬性、概念之間關(guān)系、實(shí)體的創(chuàng)建和屬性關(guān)系。專家審核通過則完成本體構(gòu)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(shí)，并在已有的知識庫基礎(chǔ)上進(jìn)一步挖掘隱含知識，從而擴(kuò)展知識庫。危險貨物水路運(yùn)輸知識圖譜用到的推理規(guī)則主要有基于描述邏輯的推理規(guī)則[15]和基于SWRL(Semantic Web Rule Language)的本體推理規(guī)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(jìn)行定義可自動推理出易燃?xì)怏w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(guī)則。危險貨物本體對隔離代碼和積載代碼分別建立SWRL規(guī)則，部分SWRL自定義規(guī)則,見圖6。

圖6 SWRL規(guī)則(部分)

4 應(yīng)用案例

4.1 綜合知識檢索

危險貨物相關(guān)知識瑣碎繁多，需要花費(fèi)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(yùn)輸知識圖譜可作為檢索工具，可快速檢索危險貨物水路運(yùn)輸?shù)脑敿?xì)信息。例如，用戶可輸入貨物名稱或者聯(lián)合國編號，來獲取某種危險貨物信息，包括屬性、包裝、應(yīng)急、操作要求等水路運(yùn)輸相關(guān)知識。甲醇綜合檢索結(jié)果頁面見圖7。

圖7 危險貨物知識綜合檢索結(jié)果(部分)

4.2 積載隔離自動判斷

利用知識圖譜推理技術(shù)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(jù)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(nèi)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(fù)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(jìn)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(jù)危險貨物一般隔離表進(jìn)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(guī)則轉(zhuǎn)化為SWRL規(guī)則，以此來自動判斷貨物間隔離要求?！耙译妗焙汀跋跛帷钡母綦x要求見圖8。

圖8 兩種貨物間隔離要求自動判斷

5 結(jié)束語

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