公路工程是典型的信息和知识密集型行业，项目进程中文件、资料的富集度较高，数据总量庞大、来源广泛，价值密度低，项目各参与方难以直接从分散的数据中高效获取到可用信息。这对于工程安全管理的进程而言是一个较大的挑战。由于安全问题影响因素较为复杂，知识缺口的问题普遍存在于公路工程安全领域，极大程度地增加了人员投入需求、安全事故隐患和风险排查成本。因此，海量的工程安全数据亟待有效的内容整合、转化和应用，实现从信息富集到知识富集的过程，推动公路工程安全领域的精细化管理进程。
本研究重点关注公路工程安全领域的知识建模方法，实现基于非结构化的文本数据构建领域结构化知识模型的过程，并借助知识模型和建筑信息模型（Building Information Model, BIM）的融合，将研究成果应用于工程项目的安全管理。特别地，本研究构建了一套本体方法，用以辅助领域知识的建模、组织和更新，有助于实现知识模型与BIM的有机关联和面向工程管理应用场景的知识服务。
研究方法
本研究依次采用本体引导的领域知识提取方法和知识网络引导的本体更新方法，实现构建、更新领域知识图谱的过程。结合知识模型与BIM模型的关联方法，开发领域知识图谱在工程安全管理中的组织形式和应用场景。
研究构建的领域知识模型为包含层状和网状体系的混合结构。其中，本体层作为知识图谱的底层逻辑架构和数据层的概念化抽象结构，以兼顾知识深度和广度的多维度层状分类结构进行表达，以承担重要的组织、引导作用。数据层的实体间呈辐射状相连接，形成网状交织的知识结构。对于海量文本数据，以语句为单位进行知识提取，得到的小型图谱结构经过实体和数据的融合后构成数据层的大型网状知识结构。
本体的更新以领域术语库作为桥梁。规范中存在大量“术语解释”类条款，对此类文本的解构和整合为本体层的重新加工提供了必要条件。通过正则表达式构造和语句分词，提取术语条目（Term）及其英文表示（English）、解释说明（Explanation），再扩充类属（r_Typeof）、构成（r_Consistof）、功能（r_Usedfor）等关系类型——这些信息能辅助数据层向本体层的扩展。以术语库中的语料作为媒介，提出基于类属关系、构成关系、实体核心词聚类的三种本体更新方法。
图1 公路安全领域知识提取流程图
图2 领域术语库提取流程
成果简介
研究构建的知识模型中，本体层提炼为一个包含6个分类维度、384个实体节点、1384个关系连接的多维度层状分类知识结构，数据层为包含近30万个有效实体结点的网状连接结构。采用三类本体更新方法实现本体层的扩展，累计扩展节点201个，占原有节点的51.5%。
图3 公路安全管理本体结构示意图
图4 本体层、数据层融合结果局部图
图5 基于实体核心词聚类的本体层扩展示例图
研究提供的一套基于本体的知识建模方法实现了知识图谱构建、更新、应用的完整过程，可支持智能化检索、模型审查、安全生产引导等应用形式。将本研究构建的领域知识图谱服务于中江高速公路改扩建工程，开发了一套针对公路工程的安全信息检索与应用系统。该系统可用于展示知识导航、知识名片等应用实例，以及本体引导的知识图谱应用于工程安全管理实际场景时的组织形式。
图6 知识名片与关联的IFC节点示例图
图7 基于BIM模型和智能化搜索的工程安全管理示意
作者简介
胡振中，于清华大学土木工程系先后获得工学学士和工学博士学位。现任清华大学深圳国际研究生院教研系列副教授、博导，海洋工程研究院院长助理，信息与数据服务中心副主任，广东省粤港澳研究团队负责人；兼任中国图学学会理事、BIM专委会副主任、顶刊Automation in Construction编委等职务。从事基于复杂系统的数字防灾减灾理论与技术研究，涉及海洋与土木工程信息技术领域，尤其海洋数字孪生、以及基础设施的智能建造与智慧运维的基础研究和技术推广工作。详情可查看胡振中个人网站（http://www.huzhenzhong.net）。
文章信息
刘广宇,安芃,伍震等.基于本体的公路工程安全领域知识建模和应用[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-11[2023-11-08].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.054.
期刊介绍
《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。
《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。