基于本體的機(jī)場安全熱點特征分析方法

王潔寧，趙曉鵬，周　沅

（1.中國民航大學(xué)天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，天津　300300；2.民航華東地區(qū)空管局，上?！?00335）

基于本體的機(jī)場安全熱點特征分析方法

王潔寧1，趙曉鵬1，周沅2

（1.中國民航大學(xué)天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，天津300300；2.民航華東地區(qū)空管局，上海200335）

針對民用機(jī)場熱點特征識別與分類需求，在Protégé中構(gòu)建機(jī)場熱點的頂層概念框架并描述邏輯（DLs）表達(dá)，引入對機(jī)場安全熱點在不同層面形式化的描述，建立機(jī)場安全熱點領(lǐng)域本體，以FaCT++推理機(jī)將熱點按不同特征分類推理。該方法的意義在于為機(jī)場熱點特征識別信息化和熱點分類協(xié)同工作的全過程提供了一定的語義支撐，管制員可以直觀、全面地掌握熱點區(qū)域狀況。

機(jī)場安全熱點；頂層概念；領(lǐng)域本體；FaCT++；熱點分類

機(jī)場區(qū)域內(nèi)具有發(fā)生歷史的、潛在的碰撞或跑道侵入且飛行員和司機(jī)需要著重關(guān)注的位置稱為機(jī)場熱點[1]?？茖W(xué)識別機(jī)場安全熱點特征，并合理地區(qū)分機(jī)場安全熱點，使管制員了解到危險類型，保障航班安全運行，防止航班與車輛相撞或追尾事件發(fā)生。

機(jī)場熱點的識別在國內(nèi)尚且處于起步階段，且大都缺乏理論支撐與實踐指導(dǎo)[2]。北上廣等地的機(jī)場圖已標(biāo)示了本場的熱點區(qū)域，但只有白云機(jī)場分析說明了機(jī)場安全熱點的成因，并對途經(jīng)熱點區(qū)域的飛行員和場面特種車輛司機(jī)作出警示。研究人員針對熱點區(qū)域識別提出了結(jié)合德爾菲法、矩陣法和模糊聚類分析的三選法[3]，以及基于場面監(jiān)視雷達(dá)數(shù)據(jù)提取分析飛機(jī)地面滑行軌跡識別熱點的方法[4]。國外提出由于機(jī)場道面幾何布局欠佳、地面交通流、標(biāo)記標(biāo)識牌不明確、燈光設(shè)置不當(dāng)或者人為差錯等[5-8]都易導(dǎo)致熱點產(chǎn)生，并進(jìn)一步提出用圓形或多邊形在機(jī)場圖中表示熱點。

本文針對熱點特征識別與分類問題提出采用本體建模軟件Protégé，結(jié)合自上而下的方法建立機(jī)場熱點領(lǐng)域本體。首先確定熱點領(lǐng)域本體的重要術(shù)語，將機(jī)場熱點本體定義為熱點（hotspot）、產(chǎn)生位置（location）、風(fēng)險評估（risk assessment）、危險因素（hazard factors）等4大類，并確定類的等級關(guān)系。其次，定義類之間的屬性關(guān)系以及屬性的分面，如“風(fēng)險評估”概念的子類“風(fēng)險發(fā)生可能性”的取值類型為小數(shù)以及允許的取值、熱點屬性的定義域（domain）、值域（range）、單向關(guān)系和逆反關(guān)系等。最后，完成模型的創(chuàng)建，通過推理功能將被疊加了不同危險因素的熱點依據(jù)不同特征滿足不同的需求分類。通過構(gòu)建熱點本體，有助于使熱點被計算機(jī)理解成為可能，有助于克服不同系統(tǒng)之間的鴻溝，有助于建立基于該模型的特征識別與分類策略。

1　本體概述

1.1本體的定義

目前本體還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化定義，學(xué)術(shù)界普遍推介的定義是“本體即為可共享的概念化體系的明確的形式化說明”[9]，定義了本體的4部分含義為“概念化”、“共享化”、“形式化”和“明確化”。概念化說明是從客觀世界范疇中捕獲的相關(guān)領(lǐng)域概念的抽象模型，具有獨立于具體環(huán)境的特性；共享化反映的是這個領(lǐng)域里公認(rèn)的詞匯，而非個體的共識，具有復(fù)用性；形式化指本體的數(shù)學(xué)描述的精確性，是一種可機(jī)器理解的標(biāo)準(zhǔn)化的描述方法；明確化指的是概念的定義及概念的屬性定義都是明確的。本體提供了一個用來表達(dá)和交流某些主題知識詞表的一個關(guān)系集，關(guān)系集是詞表中術(shù)語間關(guān)系的集合[10]。

1.2本體的形式化表示

Perez等[11]提出本體的建模元語，即：概念（C）、關(guān)系（R）、個體（I）、公理（A）。

1）概念，亦稱類，是一個三元組，包括概念名稱、概念屬性和概念關(guān)系。通過框架結(jié)構(gòu)來表示對象的集合。集合中包含概念名稱和概念描述。

2）關(guān)系，對概念集合的關(guān)系集合下定義，即為相關(guān)領(lǐng)域中概念間的相互作用，在語義上主要關(guān)系有part-of、kind-of、instance-of以及attribute-of等。

3）個體，即為實例，個體是本體模型當(dāng)中最小的對象，可以帶入推理機(jī)中推理，成為另外一些類的子類。

4）公理，是不需要證明的邏輯真理，例如概念B屬于概念A(yù)的范圍。

1.3本體的類型

由于不同本體的應(yīng)用領(lǐng)域不同，本體可大致分3類，涉及具有普遍意義的客觀世界常識的本體稱為頂級本體，描述一般化的概念，如空間、時間、事件、行動等，獨立于特定的問題與領(lǐng)域；涉及特定學(xué)科領(lǐng)域的本體稱為領(lǐng)域本體，使用屬性、關(guān)系進(jìn)行定義與描述真實世界中特定的領(lǐng)域知識；涉及問題求解的本體稱為問題、方法本體或應(yīng)用本體[12]。本文所構(gòu)建本體為領(lǐng)域本體。

2　機(jī)場熱點本體構(gòu)建

2.1本體構(gòu)建基本思路

圖1為構(gòu)建機(jī)場熱點本體的總體思路。這種方法既說明了構(gòu)建過程中必要的步驟和思路，又相對完善地解決了本體構(gòu)建中的優(yōu)化問題，對今后本體的維護(hù)與優(yōu)化有一定作用。

圖1　機(jī)場熱點本體建模流程圖Fig.1　Flow chart of hotspot ontology

2.2機(jī)場熱點領(lǐng)域分析

1）熱點特征分析

本文按照3種維度分析方法展開領(lǐng)域本體分析。第1種維度是從產(chǎn)生位置的角度挖掘熱點特征。所謂產(chǎn)生位置，即熱點集中于滑行道與滑行道交叉點、滑行道與跑道交叉點等道面交通狀況復(fù)雜的位置。第2種維度是從危險因素角度挖掘熱點特征。危險因素是指處于機(jī)場熱點中發(fā)揮重要作用衍生不良后果的特征因素，其具有多條特征鏈，共同形成熱點危險因素。第3種維度是從風(fēng)險評估的角度挖掘熱點特征。所謂風(fēng)險評估，就是由機(jī)場內(nèi)熱點發(fā)生的可能性及其嚴(yán)重度共同構(gòu)成。不同機(jī)場內(nèi)不同熱點的可能性和嚴(yán)重度是不同的，提出風(fēng)險評估有助于對熱點特征細(xì)分。本文將熱點危險嚴(yán)重程度分為A、B、C、D 4個等級[13]，A級最為嚴(yán)重，D級嚴(yán)重度最輕。A級：風(fēng)險更大，需要采取特別措施才可避免碰撞事故；B級：風(fēng)險繼續(xù)增加，非常有可能發(fā)生碰撞；C級：風(fēng)險有所增加，但有充裕的距離和時間避免碰撞；D級：幾乎沒有可能發(fā)生碰撞。圖2為從3種維度分析機(jī)場熱點特征構(gòu)成方法圖。

圖2　從3種維度分析機(jī)場熱點特征構(gòu)成方法圖Fig.2　Method chart of hot spot feature analysis from three dimensions

2）危險因素來源

由于熱點危險來源由多方面構(gòu)成，本文利用魚骨圖的方法優(yōu)勢[14]分析危險因素，以便于發(fā)現(xiàn)危險的來源。結(jié)合專家評估和分析，圖3從5個主要方面進(jìn)行分析，列舉熱點的主要危險因素。該方法列出了構(gòu)成危險因素的5大主要類別：人為差錯、設(shè)施、機(jī)場幾何地形、地面交通流和管制員盲區(qū)，同時對這5大因素深入探究，列出危險因素的來源。在對現(xiàn)場的實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些因素在實際中以問題的形式體現(xiàn)出來，成為構(gòu)成熱點主要危險因素。

圖3　機(jī)場熱點危險因素魚骨圖Fig.3　Fishbone diagram of hotspot hazard factors

3）危險因素分類

本文將機(jī)場熱點危險因素分為人為差錯和非人為差錯2大類，每大類由不同子類構(gòu)成。人為差錯可分為管制員、飛行員和司機(jī)造成的差錯；非人為差錯可分設(shè)施、管制員盲區(qū)、地面交通流和機(jī)場幾何地形的差錯。圖4為人為差錯分類，圖5為非人為差錯分類。

圖4　人為差錯分類Fig.4　Human error classification

圖5　非人為差錯分類Fig.5　Non-human error classification

2.3本體構(gòu)建

1）層次關(guān)系

熱點可以分為3個主要特征：產(chǎn)生位置、危險因素和風(fēng)險評估。

產(chǎn)生位置包括滑行道/滑行道交叉口以及滑行道/跑道交叉口2個方面。

危險因素包括人為差錯和非人為差錯。人為差錯是指因為人員操作不當(dāng)或者差錯而導(dǎo)致危險的因素，包括管制員、司機(jī)和飛行員3個方面相關(guān)差錯。非人為差錯包括機(jī)場幾何布局、地面交通流、管制員盲區(qū)和設(shè)施不清晰4個方面。其中機(jī)場幾何布局包含雙道交叉、三路交叉和多路交叉3個方面；設(shè)施不清晰包含燈光、標(biāo)識、標(biāo)牌3個方面。

風(fēng)險評估包含可能性和嚴(yán)重度2個方面，嚴(yán)重度包括A、B、C、D 4個等級。

2）屬性公理

在機(jī)場熱點本體中，Thing（超類）含有4個類：HotSpot（熱點）、Location（產(chǎn)生位置）、HazardFactor（危險因素）和RiskAssessment（風(fēng)險評估）。本文采用描述邏輯DLs（description logics）[15]表示屬性公理。如熱點和產(chǎn)生位置之間存在一對互逆對象屬性公理的描述邏輯表示為：

其中hasLocation是對象型屬性，其定義域為HotSpot，值域為Location，該屬性是isLocationOf的逆。

3）本體構(gòu)建

構(gòu)建機(jī)場熱點本體的類層次結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。本體概念間的層級關(guān)系可以簡要作如下說明，例如：

a）熱點的描述邏輯表示為：

本文定義熱點的原子概念由產(chǎn)生位置和危險因素2個概念組成。

b）HS_1的描述邏輯表示為：

圖6　本體的概念層次結(jié)構(gòu)Fig.6　Structure of ontology concept

3　機(jī)場熱點本體的應(yīng)用

3.1FaCT++推理

為說明機(jī)場熱點本體的推理特性，構(gòu)建熱點的子類，命名為“Named HotSpot”，在Named HotSpot下創(chuàng)建了5個子類，為便于區(qū)分命名為“HS_1”、“HS_2”、“HS_3”、“HS_4”、“HS_5”。HS_1為具有地面交通流因素和雙道交叉因素的熱點；HS_2為具有地面交通流因素、雙道交叉因素和標(biāo)識不明確因素的熱點；HS_3為具有地面交通流因素、雙道交叉因素、標(biāo)識不明確因素和飛行員相關(guān)牽連差錯的熱點；HS_4為具有司機(jī)相關(guān)牽連差錯和多道口交叉因素的熱點；HS_5為具有管制員盲區(qū)因素和雙道交叉因素的熱點。為使定義的概念具有邏輯可推理性，還需要將這些因素生成為閉合公理（closure axiom），即充分必要性。圖7為HS_1中閉合公理的表達(dá)。

圖7　閉合公理在本體分類中的應(yīng)用示例Fig.7　Application example of closure axiom in ontology

針對不同熱點特征的不同現(xiàn)狀，為區(qū)分這5個熱點而試驗性地定義了2類熱點：第1類為Interesting_ Hotspot：包含地面交通流因素和雙道交叉因素的熱點；第2類為“Twoways_Intersection_Hotspot”，包含雙道交叉因素的熱點。然后使用Protégé 4.2中的FaCT++推理機(jī)[16]，對給出的試驗用熱點分類。針對Interesting_ HotSpot，通過推理，只有HS_1符合要求；定義一類熱點Twoways_Intersection_HotSpot為含有雙道交叉口因素的熱點，通過推理機(jī)推理，得到只有除HS_4外的其他熱點均含有雙道交叉口因素。使用推理機(jī)后類的分類推理圖如圖8所示。

圖8　使用推理機(jī)后的分類推理圖Fig.8　Reasoned inference graph

3.2風(fēng)險程度選擇

FaCT++推理機(jī)不僅能對定義的熱點按照特征分類，而且能選擇單個熱點實例的風(fēng)險程度。上文提到，在熱點風(fēng)險評估類中含有風(fēng)險可能性這一子類，定義2個熱點實例（individual），分別命名為：“example hotspot1”，類型（Type）為HS_2，數(shù)據(jù)屬性中風(fēng)險可能性為0.002；“example hotspot2”，Type為HS_3，數(shù)據(jù)屬性中風(fēng)險可能性為0.004。現(xiàn)在定義一類熱點命名為“Random_Hot Spot”，其為風(fēng)險可能性大于0.002的熱點。使用推理機(jī)后，結(jié)果如圖9所示，推理機(jī)在Random_HotSpot的members中選擇了example hotspot2作為其子類。

3.3案例推理

為驗證模型的有效性，本文選擇文獻(xiàn)[17]中一案例推理驗證。圖10所示機(jī)場圖中B1滑行道與兩條跑道同時交叉的陰影區(qū)域為一熱點，飛行員需要得到管制許可方可穿越B1滑行道停止線進(jìn)入跑道，但此時飛機(jī)途經(jīng)滑行道和兩條跑道交叉區(qū)域時，極有可能發(fā)生跑道混淆而誤入另一條跑道造成跑道侵入事件，對其他在該跑道著陸或起飛的航空器造成潛在危險。

圖9　使用推理機(jī)后對實例的分類Fig.9　Classification of reasoned individuals

圖10　機(jī)場熱點圖Fig.10　Hotspot case

根據(jù)上述案例，可推斷出如下結(jié)論：

通過上述分析，在Protégé 4.2軟件中建立如圖11所示熱點的實例B1，通過FaCT++推理得出該熱點案例對應(yīng)的熱點類型，分別是：機(jī)組相關(guān)熱點、三路交叉熱點，如圖12所示。根據(jù)推理結(jié)果，機(jī)組在進(jìn)入B1熱點區(qū)域時，應(yīng)當(dāng)特別注意三路交叉點的復(fù)雜地形情況，核實清楚具體進(jìn)入的跑道方位，避免發(fā)生錯入跑道事件。

圖11　熱點實例B1描述Fig.11　Individual of hot spotcase B1

圖12　FaCT++推理結(jié)果Fig.12　Reasoning results by FaCT++

4　結(jié)語

針對民用機(jī)場熱點的特征識別與分類需求，提出了一種基于本體的機(jī)場熱點特征識別與分類方法：

1）機(jī)場熱點本體模型使用了FaCT++推理機(jī)，對熱點特征進(jìn)行歸類，細(xì)分不同熱點的特征。相對于傳統(tǒng)經(jīng)驗識別方法，能更精確地對熱點分類和識別；

2）機(jī)場熱點本體模型引入了選擇熱點風(fēng)險大小的功能，基于此的熱點特征歸類不僅讓管制人員了解到熱點危險種類，而且能直觀地認(rèn)識到風(fēng)險可能性。

本文主要從屬性和概念等價性2個方面對機(jī)場熱點風(fēng)險進(jìn)行了歸類和推理，下一步工作是建立以語義Web規(guī)則語言（SWRL）描述模型，開發(fā)用于機(jī)場熱點管理語義規(guī)則推理方法。

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Ontology-based approach for airdrome safety hotspots analysis

WANG Jiening1,ZHAO Xiaopeng1,ZHOU Yuan2
（1.Tianjin Key Lab of ATM Operation Planning and Safety Techniques,CAUC,Tianjin 300300,China; 2.Air Traffic Control Bureau of East China,Shanghai 200335,China）

According to the demands for characteristics identification and classification of civil airdrome hotspots,the toplevel concept framework of hotspots is built using with Protégé tool,the core terminology is validated by descriptive logics,introducing formalized description of airport safety hot spots at different levels.A domain ontology is established,in which hotspots are classified in accordance with features based on FaCT++.This approach has benefits on common knowledge construction of airport hotspots identification and classification.It can also help controllers to know hotspots'risk level directly and completely.

airdrome safety hotspots;top-level concept;domain ontology;FaCT++;hotspots classification

X949；V351

A

1674-5590（2016）04-0016-05

2015-11-27；

2015-12-31

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（3122013P008，3122014P040）；國家空管委基金項目（GKG201410003）

王潔寧（1966—），男，甘肅蘭州人，研究員，博士，研究方向為空管運行安全及空管系統(tǒng)仿真.