空管安全系統(tǒng)中人為因素的本體建模研究

劉繼新，沈麗楠

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇南京210016)

本體源于哲學(xué)領(lǐng)域，且一直以來(lái)存在著許多不同的用法。在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，其核心意思是指一種模型，用于描述由一套對(duì)象類型(概念或類)、屬性以及關(guān)系類型所構(gòu)成的世界［1］。

現(xiàn)代本體是指一種“形式化的，對(duì)共享概念體系明確而又詳細(xì)的說(shuō)明”［2－3］，用于描述特定領(lǐng)域中概念與概念之間的系統(tǒng)關(guān)系的集合，具有通過(guò)概念之間的關(guān)系來(lái)表達(dá)概念語(yǔ)義的能力。

國(guó)內(nèi)對(duì)空管安全系統(tǒng)中人為因素的研究起步較晚，20世紀(jì)90年代，國(guó)外人為因素理論才開(kāi)始傳入我國(guó)民航系統(tǒng)。鑒于當(dāng)前的項(xiàng)目主要局限于對(duì)人為因素的概括性研究，筆者將引入本體這一概念，以補(bǔ)充對(duì)空管安全系統(tǒng)中人為因素的研究。

1 本體模型的構(gòu)建

1.1 本體的構(gòu)成和定義

本體主要由個(gè)體(實(shí)例)、類(概念)、屬性以及關(guān)系組成。個(gè)體(實(shí)例)是研究的對(duì)象;類(概念)表示領(lǐng)域中的一組或一類實(shí)體;屬性是對(duì)象(和類)所可能具有的屬性、特征、特性、特點(diǎn)和參數(shù);關(guān)系是描述概念之間、概念與其屬性或?qū)傩耘c屬性之間的相互作用。類或概念是指任何事務(wù)，如工作描述、功能、行為、策略和推理過(guò)程。從語(yǔ)義上講，其表示的是對(duì)象的集合，其定義一般采用框架結(jié)構(gòu)，包括概念的名稱，與其他概念之間的關(guān)系集合，以及用自然語(yǔ)言對(duì)概念的描述。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類就是體的抽象群、集合或集成。它們可能包含個(gè)體、其他類或兩者的組合。如人是所有人的集合，個(gè)體代表所有個(gè)體的類。關(guān)系是領(lǐng)域概念之間的交互作用。從語(yǔ)義上講，基本的關(guān)系共4種，如表1 所示［4］。

表1 本體模型中的基本關(guān)系

實(shí)例代表元素，從語(yǔ)義上講實(shí)例表示對(duì)象。

在實(shí)際的建模過(guò)程中，由于面對(duì)的情況種類繁多，概念之間的關(guān)系要遠(yuǎn)多于表1中列出的4種關(guān)系，因此可以視具體情況而定義相應(yīng)的關(guān)系。

1.2 本體層次關(guān)系

對(duì)空管人為因素進(jìn)行分析歸類后，根據(jù)概念(類)之間的語(yǔ)義關(guān)系，可以構(gòu)建出本體層次關(guān)系圖(ontology hierarchy，OH)［5］，如圖 1 所示。圖 1中圓形表示概念，箭頭表示概念間的關(guān)系，虛線代表實(shí)例與概念間的映射。

(1)本體層次關(guān)系圖中的一個(gè)概念表示空管安全系統(tǒng)中的某一類(如屬于人或?qū)儆跈C(jī)類)。

(2)實(shí)例層中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示空管系統(tǒng)中出現(xiàn)的人為差錯(cuò)事故。

圖1 本體層次關(guān)系圖

(3)本體層次關(guān)系圖中的關(guān)聯(lián)由兩部分組成:一是概念層內(nèi)部各概念之間的關(guān)聯(lián)，二是實(shí)例層與概念層之間的關(guān)聯(lián)。

2 空管人為因素的本體建模

2.1 確定本體的專業(yè)領(lǐng)域

空管安全系統(tǒng)是一個(gè)具有特定功能的、相互間具有有機(jī)聯(lián)系的許多要素所構(gòu)成的整體，領(lǐng)域中的概念不是孤立存在的，而是根據(jù)不同的屬性以類的形式進(jìn)行劃分。

空管安全系統(tǒng)的運(yùn)行是以安全為中心的，因此為了杜絕安全隱患，系統(tǒng)必須嚴(yán)格按照流程來(lái)運(yùn)行?？展馨踩到y(tǒng)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的模型，因此，每一次不安全事件的發(fā)生必然是有環(huán)節(jié)發(fā)生了錯(cuò)誤，即不安全事件的發(fā)生存在著一定的邏輯關(guān)系，一旦其中一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，往往會(huì)形成“多米諾骨牌”效應(yīng)，對(duì)后面的流程和環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生一系列的影響。但是目前空管安全系統(tǒng)中的不安全事件幾乎都是以自然語(yǔ)言的形式出現(xiàn)的，沒(méi)有一套嚴(yán)格的邏輯描述形式。盡管其數(shù)據(jù)存在一定的記錄模式，但模式與數(shù)據(jù)之間的界限模糊，并且一般的特征提取多是基于框架的，不具備語(yǔ)義表達(dá)能力，因此不安全事件中內(nèi)在的、隱含的關(guān)系往往不易被發(fā)覺(jué)。而本體恰恰具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)和邏輯推理能力，彌補(bǔ)了以上不足。通過(guò)構(gòu)建本體模型，可以將空管中的不安全事件用形式化的語(yǔ)言表現(xiàn)出來(lái)，從而明確影響不安全事件發(fā)生的人為因素，并將事件發(fā)生的邏輯關(guān)系提取出來(lái)。

2.2 定義類和類的等級(jí)

在空管這個(gè)特定領(lǐng)域中，本體中的內(nèi)容也與其他領(lǐng)域有所區(qū)別。根據(jù)人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)工程理論將空管安全系統(tǒng)分為人(生命件)、機(jī)(軟硬件)、環(huán)境和組織影響4大類，這4類構(gòu)成空中交通管制安全領(lǐng)域的本體。

根據(jù)類的思想，在空管安全系統(tǒng)中，運(yùn)用圖1的本體層次關(guān)系圖，筆者設(shè)計(jì)出空管安全系統(tǒng)本體概念圖，如圖2所示?！叭恕边@一類中包括不同類型的管制員和飛行員，如進(jìn)近管制員、塔臺(tái)管制員、區(qū)域管制員和機(jī)組等都是“人”的直接繼承類;“機(jī)”這一類主要包括雷達(dá)監(jiān)視設(shè)備、通信設(shè)備等;“組織影響”這一類主要包括班組的搭配、規(guī)章制度和安全檢查等［6］。

圖2 空管領(lǐng)域的本體概念圖

2.3 定義類的屬性

在空管系統(tǒng)中，“人”這一類的屬性對(duì)空管系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生直接影響，每一個(gè)“人”的微小差錯(cuò)都有可能導(dǎo)致空管系統(tǒng)的運(yùn)行錯(cuò)誤，從而造成不安全事件的發(fā)生;“機(jī)”這一類屬性主要作為空管系統(tǒng)的被操作對(duì)象而存在，人的主要操作對(duì)象就是“機(jī)”，因此它必須具備可操作性;“環(huán)境”在空管系統(tǒng)這一特定的領(lǐng)域中主要是指管制員指揮航空器的環(huán)境和機(jī)組操作航空器的環(huán)境;“組織影響”涵蓋非常廣，但在該領(lǐng)域中，筆者關(guān)注的組織影響主要是班組的搭配，人員的配合協(xié)調(diào)和所在組織的規(guī)章制度。

2.4 本體建模的流程

在領(lǐng)域本體中，概念元素好比各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，而關(guān)系元素是使各個(gè)概念元素相互連接起來(lái)的橋梁，概念和關(guān)系組成的網(wǎng)絡(luò)就是本體模型網(wǎng)絡(luò)［7］。人為因素的本體建模流程如圖3所示。

圖3 人為因素的本體建模流程圖

(1)通過(guò)分析空管領(lǐng)域的具體情況，抽象出用于描述空管不安全事件的人為因素本體模型;

(2)通過(guò)分析大量不安全事件，將導(dǎo)致不安全事件發(fā)生的關(guān)鍵因素提取出來(lái);

(3)將不安全事件用本體形式語(yǔ)言描述出來(lái)，同時(shí)將評(píng)價(jià)信息反饋給用戶;

(4)根據(jù)空管領(lǐng)域的規(guī)章和規(guī)則，不斷對(duì)本體模型進(jìn)行調(diào)整，使其更加完善;

(5)對(duì)不安全事件實(shí)例進(jìn)行分析。

2.5 不安全事件中人為因素的分析策略

確定人、機(jī)、環(huán)境和組織管理這4大類構(gòu)成空管安全領(lǐng)域本體模型的主概念層［8］，筆者的分析策略以這4大類為起點(diǎn)和基礎(chǔ)。根據(jù)SHEL模型，“人”是空管系統(tǒng)中關(guān)鍵部分［9］。在空管系統(tǒng)中，“人”的存在主要是指管制員和機(jī)組，他們?cè)诨顒?dòng)時(shí)，都受到了人、機(jī)、環(huán)境和組織的不同程度的影響。而當(dāng)這些因素加之于“人”時(shí)，他們的行為就關(guān)乎不安全事件的發(fā)生與否。不安全事件發(fā)生致因分析如圖4所示。

圖4 不安全事件發(fā)生的致因分析圖

在上述分析之后，就可以通過(guò)對(duì)不安全事件的聚類分析，將關(guān)鍵因素提取出來(lái)，具體的步驟是:①確定不安全事件責(zé)任人;②不安全事件受到“人－機(jī)－環(huán)境－組織影響”中哪些部分的影響;③不安全事件的解決者。

3 案例分析

不安全事件［10］:2009年 5月 5日，A320－200飛機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)春—杭州航班，在杭州蕭山機(jī)場(chǎng)盲降進(jìn)近過(guò)程中低高度復(fù)飛。

事件經(jīng)過(guò)是:進(jìn)近前，左座申請(qǐng)練習(xí)斷開(kāi)自動(dòng)油門(mén)、飛行指引儀和自動(dòng)駕駛儀的人工操縱飛行。機(jī)組做了分工:由左座操縱飛機(jī)，右座教員負(fù)責(zé)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)并負(fù)責(zé)油門(mén)。在五邊進(jìn)近過(guò)程中當(dāng)航跡出現(xiàn)較大偏差時(shí)，機(jī)組失去了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的監(jiān)控，致使飛機(jī)在全形態(tài)時(shí)表速曾一度減少至215.76 km/h，比目標(biāo)進(jìn)近速度慢了約37 km/h。在自動(dòng)駕駛儀、自動(dòng)油門(mén)和飛行指引斷開(kāi)方式轉(zhuǎn)換為自動(dòng)駕駛接通方式的過(guò)程中，沒(méi)有監(jiān)控和改變飛行狀態(tài)，導(dǎo)致飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀接通后，在五邊仍然長(zhǎng)時(shí)間保持約365 m/min的下降率，直至發(fā)生下滑道低的警告。在出現(xiàn)了較大偏差不具備穩(wěn)定進(jìn)近的條件時(shí)，沒(méi)有采取有效措施加以制止和糾正;特別是在管制員提醒有較大偏差時(shí)，沒(méi)有馬上引起警覺(jué)，也未及時(shí)采取相應(yīng)的有效措施。

構(gòu)建該不安全事件的本體模型如圖5所示。

圖5 不安全事件實(shí)例局部本體模型

粗略分析該不安全事件時(shí)，往往會(huì)把大部分精力放在事故的責(zé)任者機(jī)組上面，事故的發(fā)生主要是機(jī)組操作人員監(jiān)控不力，導(dǎo)致分析不全面，事故原因?qū)ふ也坏轿?。但是通過(guò)建立本體模型，當(dāng)在空管安全系統(tǒng)本體模型中輸入事故原因(即本體層次模型中的實(shí)例)時(shí)，通過(guò)本體模型本身存在的邏輯推理能力以及層次關(guān)系，可以更加廣泛全面地推理出一次事故/不安全事件的潛在原因，如上述案例中就可以推斷出如下致錯(cuò)原因:相關(guān)機(jī)組人員監(jiān)控不力;雖然管制員對(duì)機(jī)組發(fā)布了復(fù)飛命令，在機(jī)組沒(méi)有執(zhí)行命令時(shí)，雙方?jīng)]有進(jìn)行有效協(xié)調(diào);在機(jī)組沒(méi)有聽(tīng)從管制員命令時(shí)，管制員沒(méi)有發(fā)布有效指令加以制止等。

通過(guò)對(duì)不安全事件實(shí)例的人為因素本體建模分析，從該不安全事件中提取出了導(dǎo)致事件發(fā)生的關(guān)鍵因素，同時(shí)分析各因素之間的內(nèi)在隱形潛在關(guān)系，挖掘出一定的邏輯關(guān)系，為以后案例的分析提供了經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

主要介紹和研究了本體這一抽象的概念和本體論(即本體)這一模型構(gòu)建方法，將其引入空管安全系統(tǒng)中，并對(duì)其可操作性做了分析。本體論作為一項(xiàng)在復(fù)雜關(guān)系模型構(gòu)建中有著出色表現(xiàn)的模型構(gòu)建方式，越來(lái)越受到各領(lǐng)域?qū)W者的青睞。然而在空管領(lǐng)域中，本體論的使用還不廣泛。筆者特別介紹了本體的構(gòu)成，構(gòu)建方法和規(guī)則，為空管領(lǐng)域中的本體建模設(shè)置了前提和依據(jù)。同時(shí)對(duì)不安全事件進(jìn)行了人為因素的本體建模分析，通過(guò)對(duì)不安全事件的實(shí)例分析，檢驗(yàn)了空管中人為因素本體建模分析的實(shí)用性。

在人為因素的本體建模分析中，如何提取不安全事件中的致錯(cuò)因素是值得研究的問(wèn)題。筆者構(gòu)建的人為因素本體模型只停留在理論方面，還需要進(jìn)一步的研究。簡(jiǎn)單介紹了本體的建模方法，雖然理論簡(jiǎn)單，但是實(shí)施起來(lái)有很大的難度，比如在特定領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)和類的定義這一步上，可能要耗費(fèi)的人力物力都不可估量。因?yàn)閷?duì)類的定義幾乎就是對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的劃分和整頓，這在現(xiàn)實(shí)中顯然是很難實(shí)現(xiàn)的。但在不安全事件的本體建模分析上，認(rèn)為還有很大的可研究性。通過(guò)對(duì)大量不安全事件的聚類分析，可以歸納出一些常見(jiàn)的人為因素對(duì)事件的影響，以及這些因素內(nèi)部的隱性關(guān)系，從而為空管領(lǐng)域的本體建模提供可研究的數(shù)據(jù)和資料。隨著航空業(yè)的發(fā)展，內(nèi)部的關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)空管系統(tǒng)的要求也逐步提高，因此，本體的引入完全可以降低系統(tǒng)建模的復(fù)雜性。但是，如何建立一個(gè)可以適用于所有事件的本體模型還有待于研究。

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［9］中國(guó)民航總局航空安全辦公室，中國(guó)民航學(xué)院民航安全科學(xué)研究所.航空安全中人的因素［R］.北京:中國(guó)民航總局航空安全辦公室，中國(guó)民航學(xué)院民航安全科學(xué)研究所，2004.

［10］中國(guó)民用航空局航空安全辦公室.中國(guó)民航不安全事件統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告［R］.北京:中國(guó)民用航空局航空安全辦公室，2009.