基于SDSS的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構

1、基于SDSS的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構鄒國平1,鄒群2,黃錚1(1.江西贛粵高速公路股份有限公司,江西南昌 3300252.南昌工程學院水利與土木工程系,江西南昌 330029摘要:對傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)進行分析,結合決策支持系統(tǒng)的發(fā)展,提出了基于綜合決策支持系統(tǒng)(SDSS的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構,探討了各子系統(tǒng)的功能和運行機制。最后指出了需要進一步研究的關鍵技術。關鍵詞:道路工程;高速公路養(yǎng)護管理;綜合決策支持系統(tǒng);系統(tǒng)結構Architecture of Expressway Maintenance Management SystemBased on SDSSZOU Guo-ping

2、1, ZOU Qun2,HUANG Zhen1(1.Jiangxi Ganyue Expressway Co.Lt.d , Nanchang 330025, jiangxi, China;2.Department of Hydraulic and Civil Engineering , NanChang institute of technology , Nanchang 330029,jiangxi , ChinaAbstract: The traditional expressway maintenance management system is analyzed in this pap

3、er, the architecture of expressway maintenance management system based on the synthetic decision support system (IDSS is presented with the consideration of decision support system (DSS development, and subsystem function and operating mechanism is discussed. Finally the key technology that will be

4、studied next is pointed out.Key words:Road engineering; Expressway maintenance management; S ynthetic decision support system (IDSS; System architecture0 引言在經(jīng)歷了大規(guī)模的高速公路建設之后,隨之而來的是任務繁重的公路養(yǎng)護和管理。因此,如何建立一套先進的、科學的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng),以適應現(xiàn)代化、大規(guī)模、高速度和高質量的公路養(yǎng)護管理要求,保持高速公路的服務水平,減少高速公路資產(chǎn)損失和延長高速公路使用壽命是一個亟待解決的問題。目前的高速公路養(yǎng)護

5、管理系統(tǒng)是從早期的路面管理系統(tǒng)(PMS:Pavement Management System擴充發(fā)展而來,可以對高速公路路基、路面、橋涵洞構造物、沿線設施和綠化進行養(yǎng)護管理,并能為養(yǎng)管部門提供的簡單的輔助決策支持1、4。但從信息系統(tǒng)角度來看,這種高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)僅僅是簡單的決策支持系統(tǒng)(DSS: Decision Support System4、5,它僅僅以模型來驅動決策,決策的智能化程度不高。綜合決策支持系統(tǒng)(SDSS:Synthetic Decision Support System是信息系統(tǒng)研究領域的熱點,基金項目:江西省交通重點科研項目(2003-02作者簡介:鄒國平(1967-,

6、男,江西樂安人,高級工程師,工學博士,從事交通信息工程及控制研究.也是決策支持系統(tǒng)發(fā)展的新方向。它結合了智能決策支持系統(tǒng)(IDSS :Intelligent Decision Support System和商業(yè)智能(BI :Business Intelligence技術,在決策過程中以模型、知識、數(shù)據(jù)共同驅動決策2、3。將此新的決策支持技術應用到高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)中,將克服高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)的局限性,大大提高養(yǎng)護決策的能力和智能化水平。1 綜合決策支持系統(tǒng)(SDSS SDSS 是IDSS 和BI 結合的產(chǎn)物,它集成了DSS 中利用多個廣義模型進行定量輔助決策、專家系統(tǒng)(ES :Export

7、 System中利用知識推理進行定性分析、BI 中利用數(shù)據(jù)倉庫(DW :Data Warehouse、聯(lián)機分析處理(OLAP :On Line Analytical Processing和數(shù)據(jù)挖掘(DM :Data Mining技術以數(shù)據(jù)驅動決策的技術。1.1 智能決策支持系統(tǒng)IDSSDSS 是在管理信息系統(tǒng)(MIS :Management Information的基礎上發(fā)展起來的。MIS 是利用數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)各級管理者的管理業(yè)務,在計算機上進行各種事務處理工作;DSS 是要達到為各級管理者提供輔助決策的能力。DSS 主要是以模型來驅動決策,是一種定量分析。DSS 和ES 結合起來就形成了ID

8、SS 。ES 是以知識驅動決策,是一種定性分析。因此,IDSS 做到了定性分析和定量分析的有機結合,使得解決問題的能力和范圍得到了大的發(fā)展。IDSS 由綜合部件、模型部件、知識部件和數(shù)據(jù)部件組成。其結構圖如圖1.1所示。Fig.1 A rchitecture of intelligent decision support system1.2 基于BI 的新決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫DW 、數(shù)據(jù)挖掘DM 、聯(lián)機分析處理OLAP 技術及傳統(tǒng)的查詢和報表功能結合用 戶 問題綜合與交互系統(tǒng) 模型庫模型部件 模型庫管理系統(tǒng) 知識部件 知識庫 知識庫 管理系統(tǒng) 推理機 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)部件 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 圖1 智

9、能決策支持系統(tǒng)IDSS 結構起來被稱為商業(yè)智能BI 。BI 是從DW 和DM 中獲取信息和知識,對變化的商業(yè)環(huán)境提供決策支持?；贐I 的決策支持系統(tǒng)被稱為新決策支持系統(tǒng),和傳統(tǒng)決策支持系統(tǒng)相比,它是以數(shù)據(jù)驅動方式來提供決策支持。新決策支持系統(tǒng)結構圖如圖2所示。其結構圖表明:來源于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)倉庫由基本數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、綜合數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)組成。DW 主要提供的決策信息是綜合數(shù)據(jù)的信息和預測信息,DW 通過OLAP 提供多維數(shù)據(jù)分析。DM 從DB 或DW 中挖掘處知識。這些決策知識和決策信息為用戶提供了決策支持能力。Fig.2 A rchitecture of new decision support

10、 system base on BI2 基于SDSS 的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構綜合決策支持系統(tǒng)SDSS 是把數(shù)據(jù)倉庫DW 、聯(lián)機分析處理OLAP 、數(shù)據(jù)挖掘DM 、模型庫MB 、知識庫KB 和數(shù)據(jù)庫DB 結合起來。其中數(shù)據(jù)倉庫DW 能夠實現(xiàn)對決策主題數(shù)據(jù)的存儲和綜合;聯(lián)機分析處理OLAP 可以實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)分析;數(shù)據(jù)挖掘DM 可以挖掘數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫中的知識;模型庫MB 可以實現(xiàn)多個廣義模型的組合輔助決策;數(shù)據(jù)庫DB 可以為輔助決策提供數(shù)據(jù);專家系統(tǒng)ES 可以利用知識推理進行定性分析。它們集成的綜合決策支持系統(tǒng)將相互補充和依賴,發(fā)揮各自的輔助決策優(yōu)勢,實現(xiàn)更有效的輔助決策。因此,基于SDSS

11、的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構如圖3所示2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)決策的基礎是大量、精確的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息含靜態(tài)數(shù)據(jù)信決策信息知識 綜合信息 分析信息 OLAP 數(shù)據(jù)倉庫歷史數(shù)據(jù) 基本數(shù)據(jù) 綜合數(shù)據(jù) 元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)挖掘 決策用戶 圖2 基于BI 的新決策支持系統(tǒng)結構Fig.3 A rchitecture of expressway maintenance management system Base on IDSS 息和動態(tài)數(shù)據(jù)信息。其中動態(tài)數(shù)據(jù)采集的方式主要有三種:一是依靠高效、快速的檢測設備。如路面快速檢測設備能檢測到道路幾何(上下坡度、曲線半徑、曲線長度、超高、道路平整度

12、、路面強度、路面抗滑性能等參數(shù);道路快速檢測設備能檢測到前方圖像、路面破損(裂縫、路況數(shù)據(jù)(路基、路面、橋涵構造物、沿線設施、綠化。二是依靠高速公路機電系統(tǒng)(收費、通信、監(jiān)控三大系統(tǒng)自動采集如交通流、收費信息、車型分類、環(huán)境和氣象等數(shù)據(jù)。三是依靠人工手動采集與養(yǎng)護管理相關的數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要是高速公路的基本資料,它的采集主要是靠人工輸入,也可以靠系統(tǒng)工具從原有的相關應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(如果有中自動導入。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應為各種數(shù)據(jù)檢測設備、機電系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)和收費系統(tǒng)以及其它相關的業(yè)務系統(tǒng)提供相應的數(shù)據(jù)接口。2.2 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎,它為模型庫子系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)

13、據(jù)倉庫提供所必需的信息和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。高速公路數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要是道路(路基、路面、橋涵構造物、沿線設施、綠化的基本資料;動態(tài)數(shù)據(jù)主要是檢測數(shù)據(jù)及其分析、巡查數(shù)據(jù)信息、養(yǎng)護計劃信息、養(yǎng)護計劃完成信息和三大系統(tǒng)自動采集的交通流、收費信息、車型分類、環(huán)境和氣象等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫一般采用關系型數(shù)據(jù)庫以便于數(shù)據(jù)的組織、存儲和處理,如微軟的SQL Server 2003。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)文件的編輯、修改、增刪和組織等項功能,可利用面向對象的程序設計(OOP :Orient Object Programing 語言(如VC 或De

14、lphi 編寫程序而用 戶 圖3基于IDSS 的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)結構 問題綜合與交互系統(tǒng) 決策 決策 知識 信息 數(shù)據(jù)挖掘 OLAP 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 知識庫 管理系統(tǒng) 推理機 知 識 庫 模型庫管理系統(tǒng) 模型庫 倉庫管理 數(shù)據(jù)倉庫 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立。2.3 模型庫子系統(tǒng)模型庫子系統(tǒng)包括模型庫和模型庫管理系統(tǒng)。模型庫主要由高速公路養(yǎng)管所涉及的預測、評價及決策模型組成,如:高速公路路面使用性能(破損、平整度和摩擦系數(shù)預測模型、高速公路路面使用性能評價模型、高速公路路線評價模型、高速公路橋涵評價(橋梁技術等級、函洞養(yǎng)護狀況、隧道養(yǎng)護狀況模型、高速公路交通安全評價(通過道路幾何因素、路面狀

15、況、交通流量和交通組成、車輛特性預測車速曲線車速變化速率,據(jù)此分析指定路段的行駛舒適性和道路事故發(fā)生的概率模型、投資效益分析決策模型等。這些模型可以是基于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計的數(shù)學模型,也可以是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(Artificial Neural Network,ANN、遺傳進化計算(Evolutional Computation,EC和模糊系統(tǒng)(Fuzzy Syste,FS的計算智能(Computational Intelligence,CI模型。系統(tǒng)決策過程可根據(jù)實際決策問題的復雜性選擇單個模型或多個廣義模型進行組合決策。模型庫管理系統(tǒng)是對模型庫進行集中控制和管理,它主要實現(xiàn)構模管理、存取管理和

16、運行管理等功能。2.3.1 構模管理主要是提供一種模型定義語言(model definition language,用戶可利用它完成模型生成、模型的連接、模型的重構等功能。在構模過程中,構模者可利用模型描述語言和模型操縱語言(都屬于模型定義語言來完成新模型的建立、子模型的連接以及模型與數(shù)據(jù)的連接等。2.3.2 模型的存取管理模型的存取管理類似于一般數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存取管理功能,負責模型的裝入、維護、修改、刪除、更新、查詢等功能。在模型庫管理系統(tǒng)的支持下,用戶可以根據(jù)模型名稱、建模方法或模型功能等多種分類途徑出去所需的模型。其中模型的更新指在不改變結構的條件下修改參數(shù),如模型的約束條件或系數(shù)的改變等

17、。模型的查詢指用戶可以查詢模型文件,了解模型特性。通?？墒褂媚Ｐ筒樵冋Z言(也屬于模型定義語言選擇和調出已有的模型。2.3.3 模型的運行管理模型運行管理的內容包括運行前的條件準備、與數(shù)據(jù)連接、對模型進行組合和模型的運行控制等。其中,為了實現(xiàn)模型的運行控制,模型庫管理系統(tǒng)不僅要集中和控制各種圖表顯示或其他輸出裝置,而且應向用戶提供執(zhí)行的狀態(tài)信息,籍以跟蹤模型的運行。在運行過程中,可設置檢驗點,用戶可要求中斷模型的執(zhí)行過程,觀察狀態(tài)信息和中間結果,以便及時發(fā)現(xiàn)錯誤。模型庫子系統(tǒng)和問題綜合與交互系統(tǒng)的交互作用,可使用戶控制對模型的操作、處理和使用；再與數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)交互作用就形成了 DSS，能為決策問

18、題提供定量分析（模型計算） 的輔助決策信息。 2.4 專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)主要由知識庫(Knowledge Base、推理機(Inference Engineer和知識庫管理 系統(tǒng)組成。 知識庫是知識的存儲器， 它以某種儲存結構儲存高速公路養(yǎng)管領域專家的知識和 數(shù)據(jù)挖掘從數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫挖掘的知識。 知識的表示是研究用什么樣形式將有關問題的知 識存入知識庫， 以便進行處理。 高速公路養(yǎng)管領域內事實性知識和專家所特有經(jīng)驗性知識的 表示方法有：邏輯(Logic、語義網(wǎng)絡(Semantic network、產(chǎn)生式規(guī)則(Production rule、 框架(Frame/狀態(tài)空間(State pace、

19、Petri 網(wǎng)等；而數(shù)據(jù)挖掘得到的知識的表示方法主要 有有：規(guī)則、決策樹、知識基（濃縮數(shù)據(jù)） 、網(wǎng)絡權值、公式和案例。 知識庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)對知識的管理，其中知識獲?。↘nowledge Aquisition）是關鍵， 它將高速公路養(yǎng)管領域內事實性知識和專家所特有經(jīng)驗性知識化為計算機可利用的形式并 送入知識庫。同時也負責知識庫中知識的修改、刪除和更新，并對知識庫的完整性和一致性 進行維護。 推理機是專家系統(tǒng)的“思維”機構，是構成專家系統(tǒng)的核心部分。其任務是模擬領域專 家的思維過程、控制并執(zhí)行對問題的求解。它能根據(jù)當前已知的事實，利用知識庫的知識， 按一定的推理方法和搜索策略進行推理，求得問題的答

20、案或證明某個結論的正確性。 專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘的結合實現(xiàn)了對決策問題的定性分析輔助決策， 再與模型庫子系統(tǒng)和數(shù) 據(jù)庫子系統(tǒng)結合，就形成了 IDSS，實現(xiàn)了定性和定量相結合的輔助決策。 2.5 新決策支持系統(tǒng) 新決策支持系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘和 OLAP。它從數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫種提取綜合 數(shù)據(jù)和信息，這些數(shù)據(jù)和信息反映了大量數(shù)據(jù)的內在本質。同時，在 OLAP 中可以利用模 型庫中的有關模型提高 OLAP 的數(shù)據(jù)分析能力。 2.5.1 數(shù)據(jù)倉庫 數(shù)據(jù)倉庫是面向主題的、集成的、穩(wěn)定的、不同時間的數(shù)據(jù)集合，用于支持經(jīng)營管理中 的決策定制過程3。它從大量的數(shù)據(jù)中提取綜合信息和預測信息輔助決策，是支持決

21、策的新 技術。數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)倉庫、倉庫管理和分析工具三部分組成。數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)包括 當前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和綜合數(shù)據(jù)，來源于多個數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源包括企業(yè)內部數(shù)據(jù)、市場調查 報告以及各種文檔之類的外部數(shù)據(jù)。 2.5.2 數(shù)據(jù)挖掘 知識發(fā)現(xiàn)（KDD：Knowledge Discovery in Database）是從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)知識的整個過程。 數(shù)據(jù)挖掘是 KDD 過程中的一個特定步驟，它是用專門算法從數(shù)據(jù)中抽取模式（Pattern） 。數(shù) 據(jù)挖掘任務由六項：關聯(lián)分析、時序模式、聚類、分類、偏差檢測以及預測。 2.5.3 聯(lián)機分析處理 聯(lián) 機 分 析 處 理 OLAP 是 共 享 多 維 信 息 的

22、 快 速 分 析 （ Fast Analysis of Shared Multidimensional Information）,其目的是為決策管理人員提供一種靈活的數(shù)據(jù)分析、展 現(xiàn)手段， 通過多維數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)。 OLAP 的多維數(shù)據(jù)分析的基本功能有切片和切塊 （Slice and Dice） 、鉆取（Dill）旋轉（Pivoting） 。隨著 OLAP 的深入發(fā)展，OLAP 也逐漸具有計算和智 能的能力。 2.6 問題綜合與交互系統(tǒng) 問題綜合與交互系統(tǒng)主要作用是集成除數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之外的上述各子系統(tǒng)， 使系統(tǒng)可根 據(jù)問題的規(guī)模和復雜程度決定是采用 DSS 或 ES 或 IDSS 或 SDSS

23、進行輔助決策。同時，問題 綜合與交互系統(tǒng)還是高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)的人機界面。 智能化人機界面的表現(xiàn)方式應該 是圖形、 表格、 窗口和自然語言等交互的形式。 通過人機對話， 使決策者能夠依據(jù)個人經(jīng)驗， 主動地利用系統(tǒng)的各種支持功能，反復學習、分析，以選擇一個最優(yōu)決策方案。 3 結 語 本文提出了一種基于 IDSS 的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)的思路，并描述了該系統(tǒng)的基本結 構，探討了各子系統(tǒng)的功能和運行機制?；?IDSS 的高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)能較好地解決 以往養(yǎng)護管理系統(tǒng)的缺陷。但作為一種新的研究技術，SDSS 在實際應用還存在著很多需要 解決的問題。下一步需要做的工作是對以下的關鍵技術做進一步深

24、入研究。 （1）高速公路養(yǎng)護管理系統(tǒng)中模型庫系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。它包括模型庫的組織結構，模型 庫管理系統(tǒng)的功能，模型定義語言等方面的設計和實現(xiàn)； （2）高速公路養(yǎng)護管理領域內知識（含專家知識和數(shù)據(jù)挖掘出來的知識）的獲取和知識的 表示； （3）針對高速公路養(yǎng)護管理所建立的數(shù)據(jù)倉庫的結構、數(shù)據(jù)綜合的方法和技術； （4）適合高速公路養(yǎng)護管理輔助決策的數(shù)據(jù)挖掘方法和技術。 參考文獻： 1 潘玉利 . 路面管理系統(tǒng) M . 北京：人民交通出版社，1998. Pan Yu-li. Pavement management system M . Beijing: China Communications Press,1998 2 黃梯云 . 智能決策支持系統(tǒng) M . 北京：電子工業(yè)出版社，2002. Huang t