协同物流的业务知识管理系统设计

邓建新，陶 乐，范仁军，苏小根

（1.广西大学 广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

协同物流的业务知识管理系统设计

邓建新1,2，陶 乐1,2，范仁军1,2，苏小根1,2

（1.广西大学 广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 南宁 530004；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

为给协同物流运营提供便利，规范其运营知识管理并实现其业务自动感知等，在前期得出的协同物流业务知识结构的基础上，提出基于本体来构建协同物流的业务知识管理系统，分析了基于本体的协同物流业务知识的构成原理，建立了知识管理系统的功能结构；提出了协同物流业务本体的构建思路，建立了协同物流业务本体的构建方法、流程，并使用OWL构建了本体；建立了该知识管理系统的技术逻辑结构，选用Java、Jena等开发了对应的协同物流的业务知识管理系统。最后验证了设计的可行性。

协同物流；知识管理系统；本体；本体构造；系统设计

1 引言

协同物流是相关企业通过Internet等信息手段共享业务信息，并协调对应商务活动的物流运营方式。它具有整合资源、节约成本等优势，是现代物流的主要发展方向和主要组成部分之一[1]。随着协同物流的思想深入人心，协同物流获得了快速发展，突出表现在出现了大量支持协同物流发展的物流公共信息平台，随之通过协同物流方式开展的物流业务越来越多，已经拓展到了物流的运输、仓储、报关、包装等方面。但协同物流运营的发展给协同物流业务本身带了不确定性，主要体现在其服务对象、物流对象（如货物）存在多样化特征，每次运作涉及的业务要求可能都不相同，这给运营者带来挑战，比如，面对未曾运营过的某类货物可能不知其适用的车辆类型及其仓储、包装要求。因此，为了保证物流的安全性、可靠性和高效，在物流业务开展过程中，实施企业人员需要知道相关运作知识并能随之不断快速更新[2]，以更好地发挥协同物流整合的优势。同时，协同物流运营中经常还涉及到非物流专业的人员，如工商企业人员，他们对物流专业知识了解有限，运营处理中存在对一些信息、术语和标准理解上的差异。此外，随着物流与日常生活越来越密切，人们也有了解和学习相关物流业务知识的需求，以更正确地选择、监督或开展相应物流服务。以上几个方面都提出了物流业务知识规范和应用方面的需求。

近几年，物流行业的知识管理逐渐活跃，相关研究已覆盖到物流企业、第三方物流、公共物流信息平台等范围，对知识的研究也逐渐深化，由最初的管理策略[3-4]到了实际管理[5-7]和挖掘运用[8]，但面向协同物流的知识管理却相对较少，制约了协同物流和平台等的智能化应用。如，桂学文等提出了知识管理在物流企业中的实施策略[4]；张立等针对应急物流智能协作面临的异构信息融合与知识管理难题，结合应急物流领域需求，建立了由概念集合、概念属性、语义约束等要素组成的应急物流本体模型，为应急物流决策模型及算法应用提供了知识支持[5]；陈俊梅等运用工业4.0思想，构建基于包装等知识的智能制造物流系统平台[6]；文献[8]以港口物流流程为研究对象，研究了港口物流流程知识挖掘方法，提出了由物流控制流知识、物流数据流知识等四部分构成的港口物流流程知识概念框架。为了规范协同物流信息共享和运营过程的知识，为相关人员提供业务知识和为物流业务自动感知等提供基础，前期我们专门研究了协同物流业务知识，构建了其知识结构[2]。本文将在该知识结构基础上，建立通过本体来进行协同业务知识管理的方法、系统的结构，并基于此开发协同物流业务知识管理系统。

2 协同物流业务知识管理系统的功能设计

2.1 基于本体的协同物流业务知识构成原理

协同物流业务知识指与协同物流开展过程相关的知识，主要包括业务的类别及属性知识、业务信息表达知识、业务运作规则、支持业务发现知识和业务运作结果知识，具体有以下特点[2]：

（1）知识涉及面广，但以术语、概念及其关系为主；

（2）涉及一些规则，比如特种货物运输车类型要求等运作规则；

（3）概念及表达上有差异，不规范。在不同支持协同物流开展的平台或系统经常使用不同的概念，其在物流业务信息表达等方面都存在差异，这就使得相关人员难以理解，计算机系统也无法实现互动操作，最终制约了协同物流优势的发挥。

知识管理中知识表示是最基础的工作，知识表达有框架表示法、产生式表达法、面向对象表达法、本体模型等，各模型或方法各有优缺点。而表达、规范概念及其关系恰是本体的优势。因此，为了给协同物流运作过程提供知识支持，同时规范涉及的概念，本文选用本体来组织其知识。即通过构建协同物流业务本体，定义协同物流业务的概念及其属性和彼此间的语义关系，并基于其较强的推理能力实现协同物流业务知识应用。

基于本体的优势，本体定义、更新的难度和协同物流业务知识管理、共享的便利性，协同物流业务知识管理系统只将协同物流业务本体作为知识组织的框架，主要知识的录入和更新仍然在知识管理系统中进行。协同物流业务本体只定义物流业务等概念及其关系以及车、货匹配等公理,前者基本覆盖业务的类别及属性知识、业务信息表达和业务运作结果规范，后者基本覆盖业务运作规则和支持业务发现知识。这样协同物流业务本体能规范协同物流运作过程涉及的概念及其关系，其关系和公理、函数等本身也是知识，但只属于协同物流业务知识的一部分，而该本体主要为协同物流业务知识的组织、共享、检索利用提供了支撑框架、模型和便利性，更具体的一些知识，如“什么是包装”，需要通过协同物流本体的概念实例来表达。此外协同物流业务知识还应包括由这些知识推理得到的结果。基于本体的协同物流业务知识构成的原理如图1所示。

图1 基于本体的协同物流业务知识构成

2.2 功能结构

协同物流业务知识管理系统以协同物流业务本体为框架来组织知识，实现知识的共享和其他应用，同时起到规范相关概念的作用，这决定了系统应能对知识进行管理和更新。根据图1，协同物流业务知识中涉及的概念及其属性、概念间的关系、车货匹配等公理和函数由本体定义完成，协同物流业务本体的实例和基于这些知识依靠实际应用推理得到的结果在知识管理系统中完成，同时，对应一些新的概念或本体库中未建立的概念，则需要重新加入本体，它们需要在知识管理系统中完成，即知识管理系统应能对协同物流业务本体库和协同物流业务知识库进行管理和更新。综合起来，其应具备知识查询、本体更新、知识管理、可视化显示等功能，其功能结构如图2所示。

图2 系统功能结构

（1）知识查询。是协同物流业务知识应用和共享的最主要目的，即能根据用户的需求，给出对应概念相关的知识，为协同物流的运作提供便利。主要包括术语查询和语义查询，语义查询更根据本体，更准确地给出对应知识。

（2）知识管理。主要对知识库中的知识进行维护，一方面需要按照本体结构添加实例等知识，进行存储；而当本体发生改变时，知识结构也相应地要发生变化，因此需要对知识库进行及时的维护。另一方面，随着物流技术的不断发展，物流业务知识也不断地改变，需对涉及的物流知识进行适时的更新，包括扩充知识，对过时的知识进行删减、修改等，以保证知识库的有效性。

（3）知识地图。本体概念往往都是以专有的描述语言进行描述，专业性较强，专用语言表述的本体以文件形式存储，可读性较差，普通用户直接阅读这些文件会存在理解障碍。而协同物流业务知识结构复杂，为了便于掌握该知识结构，方便浏览，需要提供知识地图功能。该功能主要对本体文件进行解析和可视化显示，使用户可以直观、清楚地了解物流业务本体的相关信息和知晓协同物流业务的知识结构，避免了阅读繁琐的本体文件代码，提高相关知识的普遍性，便于共享。

（4）本体更新。本体的建立是一个循环迭代、反馈递进的过程。本体更新即通过知识管理系统实现对协同物流业务本体的修改、完善操作，包括概念、属性和约束的更新。协同物流业务本体作为对应知识管理和实现语义互操作的基础，虽然要求较少改动，但随着物流技术和产业的发展，对应的业务知识会不断地发生变化，为保持该本体库与领域知识发展一致，需要及时修改其本体框架，对本体概念、属性及关系进行丰富和完善，以保持本体描述的准确和完整，满足不断变化的使用需求。

除以上主要功能外，系统还设计到用户管理、系统初始化等功能，本处不再分析。但为了保证知识的共享和安全，对其用户的用例进行了分析，以更好地限制用户权限分配。协同物流业务知识管理系统应基于Internet使用，所面向的用户主要分为普通用户和领域专家。普通用户主要使用知识，只能进行简单的查询操作，主要用到的功能即导航输出、知识地图、术语查询和语义查询，不能对本体库和知识库进行修改，如不收费，无需登陆可直接使用；领域专家除了用到普通用户使用的功能外，还可以根据物流业务领域的知识结构变化，对本体和知识进行更新，所以系统还提供了知识管理和本体更新模块，领域专家更新知识和本体时需要登陆认证。系统的基本用例如图3所示。

图3 系统用例图

3 协同物流业务本体的构建

3.1 描述语言选择

本体是一个共有概念的集合，建立了不同概念及其之间的关系，是规范概念和促进概念互相理解的有利工具。把集中某专业领域概念描述的本体称为领域本体。显然，协同物流业务本体属于领域本体。在领域本体的构建过程中，描述语言为本体的构建和维护提供了统一、通用且能被机器理解的表达形式。目前本体的描述语言有RDF和RDFS、OIL、KIF、OWL等。通过对比不同描述语言的特点和基于本文知识管理的原理，本文采用OWL DL描述语言，它是OWL定义的一个子集，有很强的语义表达能力，能清晰地描述协同物流业务知识本体的类、属性及关系，更适用于描述现有的Web信息，并得到了W3C的有力支持。同时选择斯坦福大学开发的Protégé来构建该协同物流业务的初始本体。

图4 建立协同物流业务本体的流程

3.2 构建方法

协同物流业务知识除了存在大量的概念之外，很多概念都有较多的属性，其次业务运作知识的应用需要推理等。这就要求在构建协同物流业务本体时，需要对协同物流业务的概念及其属性、关系进行描述、约束，并赋予较强的推理能力。鉴于这种特点，将协同物流业务本体的构建主要划分为规划、分析、实现、评价和维护五个阶段，具体流程如图4所示。5个阶段中，规划主要是确定该领域本体构建的目的和本体构建参考的物流业务知识的来源渠道。该本体的构建目的主要是为协同物流业务知识管理提供基础框架，其次起到规范作用，因此其参考的物流业务知识主要来源于现有物流公共信息平台、相关物流书籍和国家物流标准等。分析主要确定物流业务领域知识的结构，建立知识类别、概念及其关系，及近似本体的框架。利用Protégé构建物流业务本体，形成OWL描述文件。评价主要涉及两方面的内容：（1）检验构建的本体是否满足本体的构建原则，所定义的概念及其属性和关系是否已经完成，术语是否规范化等，并利用OWL推理引擎进行一致性检查；（2）对本体文件进行评估，确定所建本体是否满足前面描述的应用需要。并根据结果调整优化。维护主要在知识管理系统中实现，根据物流行业的变化和发展，及用户的查询需求等对其进行调整。即本处构建的本体主要是一个基础的初始本体。

3.3 基于OWL的协同物流业务本体描述

根据前期获取的协同物流业务知识结构在protégé中构建协同物流业务本体，基本方法如下：以物流业务为根，物流服务、物流对象、物流主体、物流设备、物流业务水平和地理等六个概念作为其子概念构建一级概念，运输服务、配送服务、仓储服务等作为物流服务的子概念形成二级概念；将不同货物类别、车辆等分类的概念作为互斥类处理；将货物名称等属性作为货物数值属性来定义；将货物与车辆的运作匹配关系通过约束关系来描述，并将其连接起来，而“车牌号”与“车辆”的关系，则通过基数约束来规定一辆车只能有一个车牌号。建成后可生成了相应的OWL文件，片段如下[9]，其中L表示设定的URL。

该片段通过标签〈owl：Class〉和〈rdfs：subClassOf〉来描述了本体中“运输服务与物流服务”父子关系，定义了“车辆”的“车辆载重”属性，并设置属性的定义域和值域；通过约束属性“carried”把“货物”和“车辆”连接起来。

4 协同物流业务知识管理系统的开发架构

4.1 体系结构

为了实现协同物流业务知识管理系统对协同物流业务知识的组织、共享等目标，提出系统采用Browser/Server模式来实现，用户通过Internet即可访问系统，获取对应知识，提高知识共享和管理的便利性。为此，整个系统的逻辑框架包括四层，分别是用户层、界面层、业务功能层和存储层。总体框架设计如图5所示。

图5 系统开发形成的逻辑结构

（1）用户层。包含系统的用户。系统的实际角色主要由专家用户、普通用户和系统管理员组成。专家用户和普通用户使用情况如图3所示。系统管理员则是维护系统运行的用户。专家用户和系统管理员角色需登陆才能使用系统。

（2）界面层。是用户与知识管理系统交流的通道和接口，面向系统的所有用户，通过浏览器来重构系统界面，用于显示知识和接收用户输入数据。包括信息显示和知识查询、用户构建、编辑本体等操作的图形化界面。

（3）业务功能层。该层主要解析本体和根据进行知识组织、查询和推理，主要涉及两方面的业务处理：①为知识共享和管理服务，涉及系统知识查询和管理、知识地图以及用户管理模块和本体更新模块，这部分功能直接与界面层进行交互，即有对应操作界面。知识查询模块等功能如前所述；②实现本体与知识的交互，本体与存储层交互以及知识推理处理，是后台运行的服务，不面向用户，因此无操作界面，主要包括本体解析、本体推理模块、本体存储和知识发现等功能。这样一方面可以将知识经过处理后或更新的本体存储在本体库，另一方面可从规则库以及知识库中获取知识，以便用户的搜索、浏览和利用。

（4）存储层。存储着本体、知识库和用户等数据。由一个本体库、规则库和数据库组成。本体库是整个框架系统实现的基础，用于存放维护领域基本概念信息等；而规则库则存储的是领域知识规则。

4.2 界面结构

基于以上功能结构和体系结构，确定实现的知识管理系统的界面结构如图6所示，即一级功能对应知识查询等模块，二级功能对应其下的术语查询等子模块，二级功能根据对一级功能的选择操作动态显示，操作区则根据对二级功能的操作显示对应内容和实现对相关内容的编辑等操作。

图6 协同物流业务知识管理系统界面结构

5 设计验证

选择 Java，Jena、SPARQL（Simple Protocol and RDF Query Language）等语言或接口工具，使用SQL Sever作为数据库，根据以上设计，成功实现了协同物流业务知识管理系统。示例界面如图7所示，并以烟花等为例，进行测试，显示不但可以实现知识（实例）的添加、规范管理，更可以利用知识进行业务推理，满足了设计的需求。已将其成功应用在了物流业务的个性化服务系统开发上。

图7 协同物流业务知识管理系统示例界面

图7中左边即是根据本体形成的物流业务知识框架，实现了知识关系的可视化，又规范了知识，右边则可以对其本体更新。

图8 系统功能实例

图8（a）显示了基于该系统的知识地图和知识添加实例（缩减了部分属性）；图8（b）展示了基于系统知识语义查询、推理应用的实例。该语义查询实例根据添加的车辆，结合设计的本体的货物、车辆的公理关系，自动根据“烟花”类型确定运输烟花的车辆，为实现协同业务的自动化、可靠性运营提供便利。

6 结论

协同物流运作过程中涉及大量的业务知识，影响业务运作的效率和货物的安全性等，相关业务人员都提出了协同物流业务知识的获取需求。本文研究了基于本体来构建协同物流业务知识管理系统的方法，建立了协同物流业务知识管理系统的功能结构、体系结构和协同物流业务本体，并实现了该知识管理系统。基于本体的协同物流业务知识管理系统以协同物流业务本体为知识组织框架，协同物流业务知识主要通过协同物流业务本体的概念属性、公理和以本体为基础的实例、推理结果来重新构成。协同物流业务知识管理系统的功能主要包括知识查询、知识管理、知识地图、本体更新四个部分。该系统为协同物流业务知识提供了管理、运用、共享的框架，不但规范了协同物流业务知识，也使得不同类别知识之间能够相互关联，使计算机能够理解这些内在的关系并具有一定的推理能力，为推动协同物流自动化、智能应用打下基础。

[1]宋庭新，黄必清，魏春梅.基于语义Web服务的协同物流与集成技术研究[J].计算机集成制造系统,2008,14(3)：588-594.

[2]邓建新，陶乐.支持业务发现的协同物流业务知识的结构研究[J].装备制造技术,2013,(12)：215-219.

[3]张培林,刘继伟.论知识管理在物流企业中的运用[J].物流科技,2006,29(128)：9-10.

[4]桂学文,陈鹏.知识管理在物流企业中的应用探析[J].科技管理研究,2007,(3)：198-199.

[5]张立,王茜竹,宁亚辉,等.业务模型驱动的应急物流本体知识表示及应用[J].西南交通大学学报,2015,50(3)：550-556.

[6]陈俊梅,石宇强.基于知识的智能制造物流系统平台研究[J].机械设计与制造,2016,(7)：192-196.

[7]林大杰,林靖雯,张朝能,等.台湾运输物流知识管理系统之建立[J].交通信息与安全,2015,33(3)：95-98.

[8]王英.港口物流中的流程知识挖掘研究和智能优化设计[D].北京：北京交通大学,2014.

[9]陶乐.基于本体的协同物流业务知识管理系统研究[D].南宁：广西大学,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

国家自然科学基金项目“网络环境下面向资源利用优化的物流业务自发现技术研究”（71562002）；广西自然科学基金项目“面向资源利用优化的物流业务协同感知模型研究”（2014GXNSFBA118281）

邓建新（1979-），通讯作者，男，四川广安人，博士，副教授，主要研究方向：制造系统及其信息学、物流信息学、精益物流。