基于本體的建筑信息上下文建模

劉 欣， 李忠富， 姜韶華

基于本體的建筑信息上下文建模

劉 欣， 李忠富， 姜韶華

（大連理工大學(xué) 建設(shè)管理系，遼寧 大連 116024）

針對(duì)當(dāng)前建筑領(lǐng)域信息利用效率低下，信息共享與重用難等問(wèn)題，文章將上下文信息引入到本體模型中，構(gòu)建了基于本體的建筑信息上下文模型，可以快速有效地對(duì)建筑信息進(jìn)行管理。該模型包括用戶上下文和工程上下文，并以小型加油站建設(shè)為例進(jìn)行具體說(shuō)明，首先利用Protégé建立了上下文本體模型，然后利用OWL公理和SWRL規(guī)則建立知識(shí)模型，最后利用推理機(jī)對(duì)模型進(jìn)行推理，并通過(guò)案例說(shuō)明基于本體上下文建模的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文章提出的基于本體的上下文建模方法可有效地管理建筑工程信息，可快速有效地對(duì)建筑信息進(jìn)行推理，為施工過(guò)程中的計(jì)劃管理和進(jìn)度管理提供了較好的支持。

本體； 上下文建模； 用戶上下文； 工程上下文； 規(guī)則

隨著工程項(xiàng)目的數(shù)量和信息存儲(chǔ)規(guī)模的加大，建筑信息分析越來(lái)越復(fù)雜，逐漸發(fā)展為從簡(jiǎn)單的依靠人力到應(yīng)用軟件分析的階段。但由于以往技術(shù)及工作模式的限制，使得現(xiàn)有信息分析在數(shù)據(jù)兼容性、靈活性以及直觀性方面都存在一定的問(wèn)題，因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所需信息的查找，特別是正確信息的查詢進(jìn)行研究是必要的。

本體［1］作為概念體系明確的規(guī)范化說(shuō)明，是語(yǔ)義Web能否成功的重要因素之一，它不僅能提供知識(shí)進(jìn)行共享和重用，也能通過(guò)不同的代理來(lái)實(shí)現(xiàn)信息之間的通信。本體中包含對(duì)某一領(lǐng)域及其相關(guān)概念的描述，也就是所謂的類（概念），它們共同限制著術(shù)語(yǔ)在特定領(lǐng)域中的解釋和引用。同時(shí)本體作為一種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，可以對(duì)概念層次進(jìn)行清晰和準(zhǔn)確的描述，其本身也支持知識(shí)推理，可以提供一種全新的知識(shí)獲取手段，能夠提高知識(shí)系統(tǒng)的重用和可靠性。由于本體在語(yǔ)義表達(dá)、形式化、推理等方面的優(yōu)勢(shì)，可較好地解決上述問(wèn)題，并且本體是從建筑信息分析的角度對(duì)相應(yīng)知識(shí)和規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)展和修改，從而增強(qiáng)了針對(duì)不同工程活動(dòng)的可擴(kuò)展性。

但是，由于建筑信息來(lái)源廣泛，其數(shù)量龐大，用戶在復(fù)雜的工程信息環(huán)境中，不能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的認(rèn)知，在本體查詢過(guò)程中不能及時(shí)獲取信息，因此，考慮用戶和工程的實(shí)際情況將會(huì)提高工程人員在施工過(guò)程中的決策效率。同時(shí)在提供信息的基礎(chǔ)上，也要理解工程實(shí)施的具體環(huán)境，以及工程變更過(guò)程中所處的實(shí)際環(huán)境，需要將上下文引入到本體構(gòu)建中。所謂上下文就是用來(lái)描述與用戶及其應(yīng)用相關(guān)的環(huán)境實(shí)體的信息，可以體現(xiàn)以人為服務(wù)中心的理念。在引入上下文的情況下，工程人員才可以完全了解信息的具體含義及所處的情境，對(duì)于提高施工效率是十分有必要的。

當(dāng)前，工程項(xiàng)目中已經(jīng)存儲(chǔ)了各種各樣形式的信息和數(shù)據(jù)，利用這些信息可以較好地描述工程及相關(guān)人員的情況，本文結(jié)合上下文，提出了一種面向建筑工程信息的上下文本體。該模型是在建筑領(lǐng)域通用概念的基礎(chǔ)上構(gòu)建完善的，并利用protégé［2］進(jìn)行用戶及工程的上下文模型構(gòu)建，建立相應(yīng)的推理規(guī)則，實(shí)現(xiàn)推理。

1 上下文及建模方法研究

1.1 上下文定義

由于應(yīng)用環(huán)境和目的的差異性，使得上下文的定義沒(méi)有形成統(tǒng)一的概念。上下文已經(jīng)廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，例如心理學(xué)，特別是在情境認(rèn)知理論出現(xiàn)后，這些理論都在自然情境下考慮認(rèn)知問(wèn)題。然而現(xiàn)在很難找到一個(gè)令人滿意的定義來(lái)描述上下文內(nèi)涵。國(guó)內(nèi)外許多研究者已經(jīng)對(duì)上下文給出了各種類型的定義。Schilit［3］將上下文分為三類：計(jì)算上下文，用戶上下文，物理上下文。

Dey［4］提出了普遍可接受的上下文定義：“任何可以用來(lái)刻畫(huà)一個(gè)實(shí)體的信息。實(shí)體包括一個(gè)人、地點(diǎn)、用戶與應(yīng)用程序交互過(guò)程中涉及的任何對(duì)象，甚至包含用戶和應(yīng)用程序本身?！?/p>

1.2 上下文建模方法

眾所周知，上下文信息是通過(guò)多種形式所獲得的，為了使上下文信息能以計(jì)算機(jī)可讀的方式進(jìn)行存儲(chǔ)和操作，因此需要采取有效可行的方法對(duì)上下文信息進(jìn)行建模。在現(xiàn)有的上下文建模方法中，最大的問(wèn)題是如何利用上下文建模方法對(duì)上下文數(shù)據(jù)源進(jìn)行查找和訪問(wèn)，這是由于每一個(gè)系統(tǒng)或者模型框架使用過(guò)程中都有自己特有的格式對(duì)上下文信息進(jìn)行描述，并利用獨(dú)有的訪問(wèn)機(jī)制進(jìn)行信息訪問(wèn)。因此，設(shè)計(jì)一種可用的、可擴(kuò)展的、標(biāo)準(zhǔn)的格式對(duì)異構(gòu)上下文信息進(jìn)行表示，可以有效地將上下文感知系統(tǒng)研究的重點(diǎn)從上下文資源和用戶之間交流的研究，轉(zhuǎn)移到有價(jià)值的情境服務(wù)研究上。上下文建模是上下文感知的基礎(chǔ)，因此應(yīng)當(dāng)在滿足上下文的功能需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模，其需求主要表現(xiàn)在應(yīng)用性、信息分析性、推理性、可存儲(chǔ)性、動(dòng)態(tài)性以及正確性等方面。

目前，已經(jīng)有許多文獻(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的上下建模方法進(jìn)行了總結(jié)，其中常見(jiàn)的建模方法［5，6］主要有以下幾種：

（1）鍵-值模型（Key-Value Model）；

（2）標(biāo)記Schema模型（Markup Schema Model）；

（3）面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject Oriented Model）；

（4）圖模型（Graphical Model）；

（5）基于邏輯模型（Logic-Basic Model）；

（6）空間模型（Spatialmodels of contextinformation）；

（7）基于本體的模型（Ontology-Based Model）。

基于本體的模型是將本體理論引入到上下文概念與關(guān)系的描述中，并可以為多種用途的邏輯推理提供有效的模型表示方法［7］。本體具有超強(qiáng)的概念和關(guān)系表達(dá)能力，其形式化程度較高，可以利用本體推理機(jī)和構(gòu)建的推理規(guī)則進(jìn)行推理得到低級(jí)的動(dòng)態(tài)上下文，同時(shí)本體的重用性也較高；本體模型的構(gòu)建與面向?qū)ο竽Ｐ偷膶?duì)象封裝方法較類似，因此基于本體的建模具有面向?qū)ο蠼７椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)；本體作為語(yǔ)義網(wǎng)的核心理論，除了在形式化能力、語(yǔ)言表達(dá)能力和推理能力方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于上下文的概念和概念之間的關(guān)系也可以有效的進(jìn)行描述。綜上，基于本體的模型已經(jīng)成為上下文建模的核心方法，本研究主要集中在建筑信息上下文建模和推理規(guī)則定義兩方面。根據(jù)所建立的本體組織結(jié)構(gòu)方法來(lái)說(shuō)，本文選取基于領(lǐng)域建模方法。

2 基于本體的建筑信息上下文建模

2.1 方法概述

現(xiàn)有的建筑信息通過(guò)引入上下文感知服務(wù)，可以更好地解決建筑本體語(yǔ)義模糊，系統(tǒng)檢索效率和用戶滿意度差等問(wèn)題［8］。因此，將上下文信息融入到建筑信息模型中是最為重要的方面之一，利用上下文信息進(jìn)行本體建?？梢愿鼫?zhǔn)確地描述信息，便于建筑信息的管理。

利用上下文信息進(jìn)行建模，需要滿足上述提出的功能需求，同時(shí)由于上下文信息的動(dòng)態(tài)性，因此在建模過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮建筑施工過(guò)程中工程變更等問(wèn)題。為了能夠更好地構(gòu)建上下文本體，需要結(jié)合工程項(xiàng)目各個(gè)階段搜集到的信息，也就是說(shuō)，所構(gòu)建的上下文本體可用于建筑領(lǐng)域的各個(gè)方面。該本體的構(gòu)建為信息交換提高了重用性，同時(shí)減少了模型表達(dá)和解析的計(jì)算次數(shù)。因此本文提出的基于本體的信息上下文模型，是利用通用概念以及上下文基本概念進(jìn)行構(gòu)建，并支持上下文信息的交換，該本體為上層本體（基礎(chǔ)本體）。

由于所構(gòu)建的基礎(chǔ)本體信息量較大，且工程變更較快，因此所構(gòu)建的基礎(chǔ)本體很難直接解析或者使用，是一個(gè)通用模型。針對(duì)一個(gè)特定的案例時(shí)，則需要利用更加具體的信息進(jìn)行說(shuō)明。因此，在所構(gòu)建上層本體的基礎(chǔ)上，構(gòu)建針對(duì)特定情況的任務(wù)本體進(jìn)行具體說(shuō)明，該任務(wù)本體是在基礎(chǔ)本體的基礎(chǔ)上拓展而來(lái)，是對(duì)具體領(lǐng)域更細(xì)節(jié)的描述［9］。

該模型所創(chuàng)建的本體分為三個(gè)層次，上下文模型（Context Model）、狀態(tài)上下文模型（State Context Model）、情況上下文模型（Situation Context Model）組成，也就是從通用環(huán)境到具體環(huán)境的過(guò)程，如圖1所示，其主要構(gòu)建步驟總結(jié)如下：

圖1 建筑信息上下文建模步驟

首先考慮上下文本體所需的信息，這些高層上下文，也可稱作上層本體（Upper Ontology），作為基本的系統(tǒng)信息，其來(lái)源于物理層（Physical Sensors）［4］，該信息一般是在建筑領(lǐng)域本體中都適用的對(duì)象，因此需要收集上述信息進(jìn)行上下文本體模型構(gòu)建，該模型應(yīng)當(dāng)能夠體現(xiàn)建筑上下文信息及一般的上下文信息特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)上述模型的進(jìn)一步解析，可以在不同施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)上下文信息交互。

其次由于信息來(lái)源廣泛，且其信息更新較快，動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)，因此上下文模型表達(dá)能力有限，利用OWL-DL［10］進(jìn)行本體推理也存在一定的性能問(wèn)題，很難對(duì)其進(jìn)行解析或直接使用，需要在高層上下文的基礎(chǔ)上增加狀態(tài)上下文模型，將離散信息進(jìn)行整合，并利用規(guī)則定義進(jìn)行推理。

第三，情況［11］可以作為當(dāng)前環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)。通過(guò)情況的定義可以為上下文模型及狀態(tài)上下文模型提供更加穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的定義，以快速有效地實(shí)現(xiàn)模型推理功能。

2.2 建筑信息上下文本體表示模型

正如上文所述，規(guī)范和具體的上下文信息模型構(gòu)建是一項(xiàng)幾乎不可能完成的任務(wù)，但是針對(duì)特定領(lǐng)域的一般概念建模是可行的。因此本文提出利用上層本體進(jìn)行建筑信息通用概念建模，同時(shí)對(duì)所構(gòu)建的上層本體特定領(lǐng)域進(jìn)行拓展。

建筑信息的上層本體是對(duì)一般概念進(jìn)行描述，例如：施工活動(dòng)、施工對(duì)象、位置信息等，并通過(guò)通用模型中的概念及概念屬性關(guān)系表示。不同的工程項(xiàng)目和施工人員提出的上下文本體是針對(duì)本領(lǐng)域或者本項(xiàng)目的，是上層本體在具體工程項(xiàng)目領(lǐng)域構(gòu)建的任務(wù)本體，因此需要對(duì)上層本體進(jìn)行拓展，構(gòu)建的上層本體由三部分組成：用戶上下文、工程上下文，信息項(xiàng)。

其中，用戶上下文是訪問(wèn)建筑信息用戶的集合，這些信息可以包括簡(jiǎn)單的用戶名稱、用戶偏好、用戶位置等信息；工程上下文包括現(xiàn)在工程的狀態(tài)，以及全過(guò)程施工情況，包括在過(guò)去、進(jìn)行、未來(lái)的所有的相關(guān)活動(dòng)，以及相關(guān)事件、工程活動(dòng)的起始時(shí)間等；信息項(xiàng)作為上下文本體中所涉及的基本信息的提供者，是建筑施工過(guò)程中所有信息的集合，包含建筑領(lǐng)域一般的信息，可以是文檔，可以是指令，可以是實(shí)例信息等，因此該模型的定義可以很好地解決各個(gè)模型之間的數(shù)據(jù)離散問(wèn)題，是系統(tǒng)中各應(yīng)用模型所能提供信息的集合。

2.3 建筑信息上層本體構(gòu)建

在建筑信息上下文本體構(gòu)建之初，需要保證所構(gòu)建本體的可應(yīng)用性，因此上層本體的構(gòu)建是利用建筑領(lǐng)域的基本概念進(jìn)行類及類屬性關(guān)系的定義，這些類及關(guān)系的定義可以較好地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域各個(gè)分支［12］。

上層本體構(gòu)建所需的類及其子類概念是利用建筑領(lǐng)域可收集到的建筑標(biāo)準(zhǔn)，施工文檔，以及CSI標(biāo)準(zhǔn)分類等，且其內(nèi)部的部分關(guān)系借鑒作者另一研究建筑估算本體［13］框架基礎(chǔ)上進(jìn)行定義的。

2.3.1 用戶上下文

用戶上下文本體是指在施工過(guò)程中需要考慮的涉及各相關(guān)用戶情況實(shí)體和概念的上下文表示，是對(duì)用戶在建筑信息系統(tǒng)中具體情況和相互關(guān)系的具體描述。其信息來(lái)源于需要訪問(wèn)系統(tǒng)的終端用戶，包括用戶位置，用戶偏好，用戶權(quán)限等相關(guān)信息，用戶上下文由以下基本部分組成：

（1）User Actor，即用戶，訪問(wèn)系統(tǒng)的個(gè)體，可以是工程人員，工程師，工人，供應(yīng)商等；

（2）User Role，即用戶角色，用戶在工程中所承擔(dān)的角色，是具有決定信息傳遞作用，通過(guò)類用戶權(quán)限及其定義的屬性關(guān)系進(jìn)行定義；

（3）User Permission，即用戶權(quán)限，即在施工過(guò)程中，用戶可訪問(wèn)建筑系統(tǒng)信息的權(quán)利；

（5）User Responsibility，即用戶責(zé)任，指建設(shè)項(xiàng)目在投資、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等階段，用戶所負(fù)責(zé)的工程活動(dòng)或者資源的能力；

（6）Access Device，即訪問(wèn)設(shè)備，是用戶訪問(wèn)系統(tǒng)所使用的設(shè)備，包括PC機(jī)，手機(jī)，終端，Pad等；

（7）Location，即位置，包括絕對(duì)位置（Absolute Location）和相對(duì)位置（Relative Location），其中絕對(duì)位置指的是工程或者用戶的空間位置，例如GPS和GIS所獲得的地理信息數(shù)據(jù)；相對(duì)位置則是指物體的相對(duì)距離信息；

（8）User Status，即用戶狀態(tài)，該類用來(lái)表示用戶工作的狀態(tài)。

2.3.2 工程上下文

工程上下文本體表示的是在建設(shè)項(xiàng)目從立項(xiàng)到運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，用來(lái)描述所有工程信息的集合。主要包括三部分：首先是建設(shè)項(xiàng)目過(guò)去、現(xiàn)在以及未來(lái)的施工活動(dòng)，包含項(xiàng)目實(shí)施全周期的施工活動(dòng)；其次是包括建設(shè)項(xiàng)目中所涉及與消耗的資源；第三是在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種事件，包括可預(yù)期和不可預(yù)期的突發(fā)事件等。上述內(nèi)容構(gòu)成了所要構(gòu)建的工程上下文的主要內(nèi)容，該內(nèi)容既考慮了工程施工工序的特點(diǎn)，也考慮到了在工程變更過(guò)程中可能遇到的各種突發(fā)事件的情況。因此，工程上下文是通過(guò)工程項(xiàng)目中各階段不同的施工活動(dòng)中所收集的信息構(gòu)建的。為了能夠更好地進(jìn)行表示和推理，提高模型的準(zhǔn)確性和效率，需要將上述的工程上下文本體進(jìn)行拓展，下面是所提出的工程上下文本體主要內(nèi)容：

（1）Construction Activity，即工程活動(dòng)，是指過(guò)去、現(xiàn)在以及將來(lái)的工程活動(dòng)，該類是工程上下文的核心類；

（2）Construction Status，即工程狀態(tài)，是指建設(shè)項(xiàng)目各個(gè)工程活動(dòng)所處的狀態(tài)，包括正在進(jìn)行、停工、取消等；

（3）Construction Result，即工程成果，在工程實(shí)施過(guò)程中，各種工程活動(dòng)所帶來(lái)的結(jié)果；

（4）Construction Resource，即工程資源，是在建設(shè)項(xiàng)目全壽命期中，各工程活動(dòng)所需的各種資源的綜合，包括財(cái)力、人力，技術(shù)、材料、機(jī)器等；

（5）Construction Event，即工程事件，該事件與工程活動(dòng)不同，是面向用戶的事件。

2.4 狀態(tài)上下文

上文所描述的上下文是基于用戶上下文和工程上下文來(lái)說(shuō)的，兩者都屬于上層本體，該模型數(shù)據(jù)更新需要通過(guò)用戶手動(dòng)進(jìn)行。由于上層本體的構(gòu)建不能較好地解決本體模型構(gòu)建的動(dòng)態(tài)性需求，因此需要加入動(dòng)態(tài)信息，才能更好地為上下文建模查詢服務(wù)。在建筑工程實(shí)施過(guò)程中，需要獲取當(dāng)前工程狀態(tài)信息以及其相應(yīng)的用戶狀態(tài)信息，進(jìn)而進(jìn)行查詢，如果想要保證準(zhǔn)確的狀態(tài)信息支持，需要有相應(yīng)的類及屬性來(lái)定義相應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息。在建筑信息上下文本體的具體實(shí)施過(guò)程中，如果以簡(jiǎn)單概念來(lái)描述多樣復(fù)雜的類及屬性的情況下，此時(shí)一個(gè)概念可能包含數(shù)十個(gè)乃至更多的個(gè)體，使得上層本體計(jì)算量大，推理復(fù)雜，增加了工作量，同時(shí)正確信息的獲得也變得困難。

因此，在上層本體構(gòu)建的基礎(chǔ)上，構(gòu)建狀態(tài)上下文模型，進(jìn)一步對(duì)上層本體進(jìn)行解釋，將上層本體的概念劃分為用戶狀態(tài)上下文、工程狀態(tài)上下文。這兩個(gè)概念的引入可以更好地將基礎(chǔ)概念進(jìn)行細(xì)化分類，為狀態(tài)信息提供了更為詳細(xì)的預(yù)定義。在定義過(guò)程中，需要綜合領(lǐng)域相關(guān)專家意見(jiàn)預(yù)先定義類及其屬性關(guān)系，以便利用規(guī)則將任務(wù)本體與上層本體進(jìn)行關(guān)聯(lián)并推理。當(dāng)類、屬性關(guān)系定義完善后，在工程進(jìn)行中，利用規(guī)則激活狀態(tài)上下文后，特定的用戶或者工程需要利用信息項(xiàng)將命令傳遞給下一個(gè)子類，完成信息的傳遞。

2.5 情況上下文

本研究的目的是利用工程信息上下文建模為相關(guān)用戶提供合適而準(zhǔn)確的信息。然而給定的上下文定義是普遍有所爭(zhēng)議的，一些科學(xué)家認(rèn)為上下文環(huán)境信息是一個(gè)敏感的話題，Greenberg［14］認(rèn)為很難甚至不可能將所有的上下文信息列舉出來(lái)，另外無(wú)法準(zhǔn)確指出哪些信息能夠確定實(shí)際的狀態(tài)。由于缺乏精確的信息，系統(tǒng)不能根據(jù)狀態(tài)采取適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)，因此很多人認(rèn)為上下文感知很難實(shí)現(xiàn)。目前，上下文信息建模已經(jīng)在許多方面成功實(shí)施，這些方法大多是在具體領(lǐng)域的具體應(yīng)用，因此屬于封閉世界假設(shè)，通過(guò)上下文模型可以利用必要的上下文狀態(tài)向用戶提供服務(wù)。依賴于這些具體領(lǐng)域的應(yīng)用方法，雖然解決了部分問(wèn)題，但在封閉世界假設(shè)中，其上下文狀態(tài)信息的數(shù)量是有限的，因此需要利用本體對(duì)具體信息進(jìn)行分析。為了使用戶能夠理解系統(tǒng)提供的信息，對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行情況定義，可以有效地幫助用戶了解在建筑工程施工過(guò)程中哪些信息對(duì)自己是重要的。然而，現(xiàn)有用戶在信息系統(tǒng)使用過(guò)程中，由于不能理解相關(guān)的上下文信息具體情況，所以不能找到相應(yīng)的信息。

本文引入情況（Situation）［15］對(duì)上下文狀態(tài)進(jìn)行具體的解析，將信息放到上下文中以用來(lái)對(duì)用戶解釋具體的情況。情況作為環(huán)境中外部第一層上下文解析，可以作為狀態(tài)上下文的表示。作為一個(gè)完整的語(yǔ)義單位，情況在系統(tǒng)行為的確定方面是至關(guān)重要的，有利于系統(tǒng)行為的定義，使得上下文信息動(dòng)態(tài)透明，因此，一個(gè)有效的上下文感知系統(tǒng)往往是趨向于情況感知（Situation-Aware）的。本文的建筑信息上下文模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 建筑信息上下文模型架構(gòu)

3 案例研究

上文所述的上層本體模型已經(jīng)對(duì)建筑領(lǐng)域的通用信息進(jìn)行了描述，但是針對(duì)特定工程項(xiàng)目時(shí)，需要將上層本體模型進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)新的類、屬性及其相關(guān)規(guī)則進(jìn)行定義［16］，本節(jié)根據(jù)特定案例對(duì)建筑信息上下文模型擴(kuò)展進(jìn)行說(shuō)明。在工量估算過(guò)程中需要根據(jù)工程圖，或者說(shuō)明書(shū)繪制詳細(xì)工程圖，在建設(shè)過(guò)程中這些詳細(xì)而大量的信息對(duì)工程人員進(jìn)行工程活動(dòng)是十分有價(jià)值的。因此需要將一個(gè)工作所包含的全部?jī)?nèi)容，進(jìn)行羅列，做到清晰易讀的形式，以便于進(jìn)行檢查，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

本文以小型加油站建設(shè)為例［17］說(shuō)明項(xiàng)目全過(guò)程，圖3說(shuō)明了該項(xiàng)目（一個(gè)典型的小型房屋建造項(xiàng)目）可分解的工序。首先需要考察整個(gè)項(xiàng)目的全過(guò)程，第一步是現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)員；然后是現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備和開(kāi)挖；第三是基礎(chǔ)混凝土澆筑，當(dāng)基礎(chǔ)達(dá)到一定強(qiáng)度后，房屋結(jié)構(gòu)開(kāi)始施工；結(jié)構(gòu)封頂之前是不能澆筑地面混凝土的，結(jié)構(gòu)封頂之后室內(nèi)的各項(xiàng)任務(wù)就可以不受氣候影響，各房屋的地面混凝土就可以澆筑了；同時(shí)，外裝修（如外墻貼磚）也可以進(jìn)行；當(dāng)內(nèi)部地面完工時(shí)，內(nèi)裝修（如內(nèi)墻、電器及機(jī)械設(shè)備等）也可以進(jìn)行。各項(xiàng)任務(wù)可以進(jìn)一步細(xì)分成更小的單項(xiàng)工作，便于做詳細(xì)的計(jì)劃。本文利用免費(fèi)的開(kāi)源平臺(tái)Protégé構(gòu)建了基于本體的領(lǐng)域模型。

圖3 小型加油站建設(shè)工程活動(dòng)流程

3.1 上層本體拓展

為了能夠?qū)μ岢龅陌咐M(jìn)行系統(tǒng)分析，本文在小型加油站實(shí)例的基礎(chǔ)上，需要考慮在工程實(shí)施過(guò)程中各個(gè)因素對(duì)活動(dòng)的影響，有時(shí)還要考慮到其他工程實(shí)施對(duì)其的影響，因此在小型加油站建設(shè)過(guò)程中，需要考慮整個(gè)大環(huán)境因素的影響。在上文構(gòu)建的上層本體基礎(chǔ)上，對(duì)其上下文環(huán)境進(jìn)行建模，同時(shí)，在考慮工程自身環(huán)境的情況前提下，還要考慮其與其他工程環(huán)境的信息交換行為，這些導(dǎo)致本體模型的構(gòu)建較為復(fù)雜，使得建模較為困難。因此該案例中，在對(duì)建筑信息上下文進(jìn)行擴(kuò)展的前提下，只考慮建筑因素本身的問(wèn)題，暫不考慮其他非工程因素的影響，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程的各個(gè)流程分析與專家采訪等形式，對(duì)上層本體進(jìn)行擴(kuò)展。本體擴(kuò)展流程主要為三步：首先是建立工程上下文本體的類描述，該描述需要在上層本體已建的前提下，通過(guò)對(duì)案例分析，將工程上下文和用戶上下文分別根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模，使其符合案例的特點(diǎn)；其次是在各個(gè)類及其子類構(gòu)建完善的基礎(chǔ)上，定義其類之間的屬性關(guān)系，部分對(duì)象屬性如表1所示；第三，建立關(guān)系和公理。在上述類和關(guān)系構(gòu)建完善的基礎(chǔ)上，構(gòu)建領(lǐng)域規(guī)則，規(guī)則示例如圖5所示，構(gòu)建小型加油站建設(shè)工程本體類及關(guān)系如圖4所示。

圖4 小型加油站建設(shè)工程本體關(guān)系

表1 基于本體的建筑信息上下文屬性關(guān)系

圖5 Protégé屬性斷言及其推理結(jié)果

3.2 案例驗(yàn)證

在上述案例本體構(gòu)建完善后，當(dāng)工程實(shí)施過(guò)程中，如果基礎(chǔ)施工活動(dòng)（FoundationConstruction Activity）的工程狀態(tài)（ConstructionStatus）按照工程規(guī)劃進(jìn)行，即按照實(shí)際進(jìn)行（OngoingAsActual）施工，利用SWRL［18］推理規(guī)則推理后，結(jié)果顯示如圖5所示，圖中Rules為推理規(guī)則，高亮顯示為工作狀態(tài)為OngoingAsActual的推理結(jié)果。此時(shí)，工程實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)下面的規(guī)則可以觸發(fā)相應(yīng)的工程狀態(tài)（Construction Status）。

hasConstructionStatus （FoundationConstruction1，OngoingAsActual），describedBy（FoundationConstruction1，F(xiàn)oundationConstructionItem1）-＞ isRelatedTo （FoundationConstructionItem1，F(xiàn)oundationConstructionOngoingAsActual）

如果工程活動(dòng)（ConstructionActivity）的實(shí)例基礎(chǔ)施工（FoundationConstruction1）的現(xiàn)在狀態(tài)（hasConstructionStatus）為按實(shí)際進(jìn)行（OngoingAs-Actual）時(shí)，并且可以通過(guò)基礎(chǔ)施工項(xiàng)（Foundation-ConstructionItem1）對(duì)其進(jìn)行描述，那么相應(yīng)的ConstructionState將會(huì)被激活，此時(shí)，F(xiàn)oundation-Construction1可以通過(guò) FoundationConstruction-Item1進(jìn)行描述，其結(jié)果表明FoundationConstructionItem1與信息項(xiàng)實(shí)例FoundationConstructionOngoingAsActual是isRelatedTo，同時(shí)由于對(duì)象屬性describedBy和 isRelatedTo為互逆關(guān)系（Inverse Of），因此經(jīng)過(guò)所定義的規(guī)則推理后，其結(jié)果顯示按實(shí)際進(jìn)行的基礎(chǔ)施工（FoundationConstruction-OngoingAsActual）與基礎(chǔ)施工項(xiàng)（FoundationConstructionItem1）通過(guò)對(duì)象屬性describedBy描述，其推理結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 基礎(chǔ)施工狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)信息項(xiàng)的推理結(jié)果

圖7 基礎(chǔ)施工狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)建筑工程狀態(tài)推理結(jié)果

當(dāng)該基礎(chǔ)施工工程狀態(tài)發(fā)生變化，如停工、工期延長(zhǎng)等，將對(duì)其相應(yīng)的下游工序活動(dòng)，如結(jié)構(gòu)施工、屋頂施工及室內(nèi)地面施工等產(chǎn)生影響。工程發(fā)生變更時(shí)，相應(yīng)的工程狀態(tài)被激活，也就需要正在工作的用戶有責(zé)任對(duì)新產(chǎn)生的施工活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)，以及對(duì)活動(dòng)所涉及的資源進(jìn)行控制。當(dāng)前工程用戶的工作需要在現(xiàn)有約定工作時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行超時(shí)工作（Overtime Work），引起用戶情況的變化如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)用戶（BuildingMaterialSupplier1）超時(shí)工作時(shí)，會(huì)對(duì)后續(xù)（isSubordinateOf）工作人員（ResourceSupplier）的工作時(shí)間有所影響。因此，在發(fā)生變化后，需要根據(jù)相應(yīng)的推理結(jié)果，對(duì)工序、工程資源、人員等進(jìn)行調(diào)整，使工程更加高效地實(shí)施。

圖8 基礎(chǔ)施工狀態(tài)改變后用戶情況影響

3.3 小結(jié)

傳統(tǒng)的建筑施工過(guò)程是一種典型的事后控制模式，這種工作模式常常會(huì)帶來(lái)成本浪費(fèi)、手工處理建筑數(shù)據(jù)、信息反饋滯后等問(wèn)題。本文構(gòu)建的基于本體的建筑信息上下文模型可以有效地縮短時(shí)間和避免施工過(guò)程中工程發(fā)生變更時(shí)的響應(yīng)滯后問(wèn)題，同時(shí)可根據(jù)推理出的結(jié)果對(duì)工程實(shí)施做出具體有效的調(diào)整。

（1）工程與用戶信息建模

本文在分析現(xiàn)有工程與用戶實(shí)際的基礎(chǔ)上，構(gòu)建的本體模型是依據(jù)現(xiàn)有用戶標(biāo)準(zhǔn)、工程需求制定，并設(shè)置了相關(guān)的評(píng)價(jià)規(guī)則。在具體工程的背景條件下，對(duì)狀態(tài)上下文與情況上下文進(jìn)行擴(kuò)展，并制定針對(duì)案例的具體規(guī)則。由于在工程進(jìn)行過(guò)程中，對(duì)模型進(jìn)行了擴(kuò)充，為工程管理與決策部門(mén)提供了工程動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了工程與用戶關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)工程的總體控制與實(shí)時(shí)反饋控制，便于對(duì)工程的改進(jìn)和過(guò)程控制。3.1節(jié)針對(duì)小型加油站建設(shè)為例，構(gòu)建了具體的基于本體的小型加油站上下文模型，并根據(jù)工程實(shí)際對(duì)模型進(jìn)行了擴(kuò)展。一旦工程/用戶狀態(tài)發(fā)生變化，通過(guò)本文所提出的模型和規(guī)則定義，進(jìn)行推理，得出在狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)工程的影響，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)工程的動(dòng)態(tài)控制與資源配置，解決一定的工程問(wèn)題。

（2）計(jì)劃與進(jìn)度管理控制

文中3.2部分已經(jīng)對(duì)工程/用戶狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)工序或者用戶工作的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。例如，當(dāng)施工過(guò)程中某一階段工作由于時(shí)間或者機(jī)械設(shè)備等原因而落后于工程計(jì)劃，此時(shí)會(huì)對(duì)該階段的后續(xù)工程以及相關(guān)的用戶等產(chǎn)生影響，造成成本流失，或者工期滯后。在此情況下，利用本文所構(gòu)建的模型可以隨時(shí)對(duì)工程進(jìn)行監(jiān)控，掌握工程動(dòng)態(tài)信息，可以幫助工程管理者更好地對(duì)資源、設(shè)備等計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的基于本體的上下文模型解決了建筑信息各個(gè)活動(dòng)查詢過(guò)程中信息的準(zhǔn)確性及復(fù)雜信息環(huán)境中的情境等問(wèn)題。該方法的提出是利用具體的建筑領(lǐng)域上下文及用戶上下文為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，主要包含兩部分：首先利用建筑領(lǐng)域涉及的建筑信息、用戶信息，構(gòu)建基于本體的上下文模型，該模型為通用概念以及上下文概念構(gòu)建的上層本體，通過(guò)信息項(xiàng)的建立實(shí)現(xiàn)上下文信息的交換；其次通過(guò)上下文模型的具體擴(kuò)展，在具體的工程狀態(tài)或用戶狀態(tài)的條件下，利用SWRL構(gòu)建任務(wù)本體，可較好地解決上下文本體的語(yǔ)義模糊問(wèn)題，同時(shí)具體領(lǐng)域的上下文信息應(yīng)用，可以有效地提高用戶信息查詢效率，以及有效地對(duì)工程信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

在本文研究的基礎(chǔ)上，還存在一些需要以后解決的問(wèn)題：由于經(jīng)驗(yàn)所限本文所構(gòu)建的本體框架結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)例和關(guān)系的定義不夠全面；其次如何將本文構(gòu)建的上下文模型與具體的工程本體結(jié)合，例如成本估算本體，也是研究的重點(diǎn)；第三是在本體構(gòu)建及推理過(guò)程中，缺乏定量數(shù)據(jù)支持。以上這些問(wèn)題都需要我們?cè)诮窈蟮难芯恐羞M(jìn)行補(bǔ)充。

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Ontology-based Approach to Context M odeling for Construction Information

LIU Xin，LIZhong-fu，JIANG Shao-hua
（Department of Construction Management，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

To solve the problems of inefficientutilization，difficult information sharing and reuse about construction information， this paper introduces context to ontology model， and builds an ontology-based contextmodel for construction information.The proposedmodel can quickly effectively manage construction information.The contextmodel includes two separate processes：contextmodel definition and verification process，and an engineering of the small gas station construction is provided to illuminate.First，the context ontology model is built by Protégé.Then the knowledge model is listed by OWL axiom and SWRL rules.Finally，the paper discusses the challenges for context modeling and reasoning，and presents a case study to demonstrate the advantage of the proposed ontology-based context model.The verified result shows that the proposed approach contributes to manage construction information，infer construction information quickly and effectively，increase the effectiveness of schedulemanagement and provide better support for schedulemanagement.

ontology；contextmodeling；user context；construction context；rule

r P

，即用戶偏好，是用戶根據(jù)其在工程中所承擔(dān)的角色進(jìn)行系統(tǒng)訪問(wèn)的偏好設(shè)置；

TU17

A

2095-0985（2016）04-0094-08

2015-11-30

2016-01-14

劉 欣（1984-），女，黑龍江鶴崗人，博士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ畔⒐芾砼c3S技術(shù)（Email：siyanxiaoxin@126.com）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51178084）