基于本體的無人機(jī)事故案例建模方法

陳豐華 秦嘉徐 李有森

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院 四川 廣漢 618307)

基于本體的無人機(jī)事故案例建模方法

陳豐華 秦嘉徐 李有森

(中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院 四川 廣漢 618307)

為推動(dòng)無人機(jī)適航法規(guī)的建立與完善，提出一種基于本體的無人機(jī)事故案例建模方法。首先歸納出無人機(jī)事故的知識(shí)組成；然后分析了本體與無人機(jī)事故案例建模的關(guān)系，進(jìn)而提出基于本體的知識(shí)建模方法；在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了無人機(jī)事故案例本體框架，并分別對本體的類、關(guān)系、屬性和實(shí)例進(jìn)行定義；最后利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了知識(shí)本體的形式化描述而完成知識(shí)建模，最終驗(yàn)證了該本體建模方法的可行性。

事故；本體；案例建模；無人機(jī)；關(guān)系數(shù)據(jù)庫

一、引言

無人機(jī)系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能表現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等諸多領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。世界各國家和組織開始制定相應(yīng)的法律法規(guī)來保證無人機(jī)安全高效運(yùn)營，如ICAO的《無人機(jī)系統(tǒng)》、EASA的《民用無人機(jī)融入歐洲航空系統(tǒng)路線圖》、FAA的《小型無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和審定》以及CAAC的《輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定》[1]-[4]?？傮w而言，無人機(jī)系統(tǒng)的適航法規(guī)體系尚未完全建立。航空事故結(jié)論對適航法規(guī)的建立和完善有積極的推動(dòng)作用。所以，開展無人機(jī)事故案例建模方法研究將推動(dòng)無人機(jī)的適航立法，使無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

耿增顯[5]等人基于Reason模型進(jìn)行了航空器事故調(diào)查分析軟件設(shè)計(jì)，能夠較快得出事故發(fā)生的前因后果，對于快速確定事故原因并提出對策起到了輔助作用；江浩[6]基于HFACS方法進(jìn)行了航空事故人因分析，對Reason模型各層上的漏洞給出了具體定義，形成了較為完善的分類標(biāo)準(zhǔn)，得到了可信度較高分析結(jié)果；崔利杰[7]等人基于Bow-Tie模型對事故進(jìn)行分析并提出了適航條款的生成方法；劉漢輝[8]等人基于基元事件分析法(EEAM)對事故進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)；孫瑞山[9]借鑒ECCAIRS分析框架，在EEMA邏輯和CCAR396部的分類方法基礎(chǔ)上，構(gòu)建了人為差錯(cuò)事故/事件分析模型(ECARM)，并對其實(shí)用性進(jìn)行了理論探討。另外，在事故案例建模方面，本體建模與案例推理(Case-Based Reasoning)的應(yīng)用較為廣泛，如楊晶[10]開發(fā)了基于化學(xué)品安全生產(chǎn)事故本體的案例推理系統(tǒng)，為預(yù)防事故發(fā)生以及事故應(yīng)急處理提供了一種快速得出應(yīng)急方案的參考方法；李婧[11]開發(fā)的煤礦安全事故本體的案例推理系統(tǒng)，為煤礦事故發(fā)生后，相關(guān)單位及救援人員的快速響應(yīng)提供了解決方案并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果；沈嗣賢[12]開發(fā)的針對民航適航指令頒發(fā)的輔助決策支持系統(tǒng)，提高了適航信息管理的效率，并在各地區(qū)管理局投入使用；陳銘[13]開發(fā)了基于事故成因本體的航空事故相似度決策支持原型系統(tǒng)，將語義相似度應(yīng)用于事故案例檢索當(dāng)中，使調(diào)查人員能夠快速準(zhǔn)確理解事故原因，并制定防范措施。綜上所述，在無人機(jī)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與適航立法相對滯后的背景下，提出一種基于本體的無人機(jī)事故案例建模方法，為無人機(jī)適航法規(guī)的建立和完善提供支撐。

二、無人機(jī)系統(tǒng)事故案例建模

(一)本體與知識(shí)建模

本體作為一種知識(shí)建模工具，它能夠合理規(guī)范地表示領(lǐng)域知識(shí)及其結(jié)構(gòu)，并提高知識(shí)的利用效率和共享性[14]。無人機(jī)事故作為一種特殊的事故類型，采用基于本體的知識(shí)建模方法可有效表示該領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu)和語義，有利于知識(shí)的積累、分析和統(tǒng)計(jì)。

(二)基于本體的無人機(jī)系統(tǒng)事故案例建模方法

基于本體的知識(shí)建模方法處于不斷發(fā)展的階段，尚未出現(xiàn)統(tǒng)一成熟的建模標(biāo)準(zhǔn)[15]。根據(jù)已有的研究，基于本體的知識(shí)建模包括知識(shí)獲取、知識(shí)表示和知識(shí)評價(jià)三部分。本文針對無人機(jī)事故這一特定領(lǐng)域，結(jié)合載人航空器事故調(diào)查程序，首先對航空事故的知識(shí)進(jìn)行深入分析，提煉出重要術(shù)語和概念；然后根據(jù)概念之間的關(guān)系，建立本體框架，并對本體類、屬性、關(guān)系和實(shí)例進(jìn)行定義；最后利用數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)知識(shí)本體，從而完成了無人機(jī)系統(tǒng)事故案例知識(shí)建模，為知識(shí)的積累和分析奠定基礎(chǔ)。

(三)知識(shí)分析

對于航空事故，通常由相關(guān)領(lǐng)域的專家對事故進(jìn)行調(diào)查和分析并撰寫事故報(bào)告，其包含了數(shù)量巨大、內(nèi)容龐雜的事故信息。因此，本文參考《民用航空器事故和事故征候調(diào)查程序》[16]將無人機(jī)事故知識(shí)主要分為以下幾個(gè)方面：(1)事故概述：事故概述是對事故情況進(jìn)行概要介紹，包括事發(fā)地點(diǎn)、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、無人機(jī)型號(hào)、任務(wù)類型等。(2)事實(shí)資料：事實(shí)資料是反映事故真實(shí)情況重要依據(jù)，也是事故調(diào)查的根本證據(jù)。其包括任務(wù)規(guī)劃、人員、無人機(jī)系統(tǒng)、氣象等。(3)事故分析：事故分析是是根據(jù)事實(shí)資料中重要的事物、現(xiàn)象、概念等知識(shí)進(jìn)行討論、分析、評估和研究，其目的是尋找可能導(dǎo)致事故發(fā)生的直接、間接和潛在的危險(xiǎn)、隱患等因素，以及它們的關(guān)系、內(nèi)在聯(lián)系和促成的結(jié)果。(4)事故結(jié)論：事故結(jié)論是根據(jù)事實(shí)資料與事故分析推論出來的判斷，通常包括調(diào)查結(jié)果、事故原因兩部分。(5)安全建議：安全建議是指調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)與事故發(fā)生有重要影響的問題以及對安全運(yùn)行構(gòu)成威脅的隱患所提出的改進(jìn)意見和糾正措施，其參考來源主要來自于事故分析和事故結(jié)論。

(四)本體框架

上述有關(guān)無人機(jī)事故的大量知識(shí)，沒有形成完整的知識(shí)組織體系，不利于知識(shí)的利用。因此，需要構(gòu)建一個(gè)層次清晰的本體框架對知識(shí)進(jìn)行分類，如圖1所示，從而達(dá)到知識(shí)高效利用的目的。

圖1 無人機(jī)事故案例知識(shí)本體框架

(五)類、屬性、關(guān)系

類、關(guān)系、屬性、實(shí)例是知識(shí)本體的基本組件。在無人機(jī)事故案例本體中，涉及的關(guān)系主要為組成關(guān)系，類之間的組成關(guān)系構(gòu)成樹狀知識(shí)本體，如“路徑規(guī)劃類”是“任務(wù)規(guī)劃類”的有機(jī)組成部分。同時(shí)某個(gè)類可以作為另一個(gè)類的屬性，如“總飛行小時(shí)”就是“機(jī)組”的屬性。本體模型中類的屬性可以是文本、數(shù)值、圖像等，如“無人機(jī)系統(tǒng)履歷類”中的“維修記錄”屬性就屬于表格，“出廠后總飛行小時(shí)”屬性就屬于數(shù)值，“氣象資料類”的“衛(wèi)星云圖”屬性就屬于圖像。

根據(jù)本體框架，檢索索引中“型號(hào)”作為實(shí)體類，就對應(yīng)了某個(gè)具體事故案例的無人機(jī)型號(hào)，如翼龍、利劍等。同時(shí)，本體結(jié)構(gòu)中所有實(shí)體類的實(shí)例可以構(gòu)成一個(gè)具體的無人機(jī)事故案例實(shí)例。根據(jù)上述的本體組件的構(gòu)建過程可知，無人機(jī)事故案例本體涵蓋了無人機(jī)事故涉及到的各方面知識(shí)，清晰地描述了無人機(jī)事故中的知識(shí)組成及相互關(guān)系，形成了知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)例的形式表達(dá)了具體的事故案例，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)的高效組織與表示，并便于案例知識(shí)的檢索重用。

(六)基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的案例本體實(shí)現(xiàn)

本體的形式化描述方式很多[17]，考慮到無人機(jī)事故案例涉及的信息量大、領(lǐng)域范圍廣，且是面向企業(yè)級(jí)應(yīng)用，需要更高的效率和權(quán)限角色管理，因此選擇關(guān)系數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)該本體。數(shù)據(jù)庫中建立了抽象類表、實(shí)體類表等，通過列類型以及外鍵關(guān)系實(shí)現(xiàn)了本體的類、關(guān)系和屬性。

三、無人機(jī)事故案例管理原型系統(tǒng)開發(fā)及驗(yàn)證

以VS2008為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合SQLServer2012關(guān)系數(shù)據(jù)庫，利用VC#開發(fā)了無人機(jī)事故案例知識(shí)庫平臺(tái)以驗(yàn)證本文方法的有效性。原型系統(tǒng)包括案例管理、案例查詢、輔助工具三個(gè)模塊，案例管理子模塊又包括事故概況、無人機(jī)信息、機(jī)組信息、氣象信息和事故致因五個(gè)子模塊，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的知識(shí)實(shí)例，工具欄中的命令按鈕分別對子模塊的信息進(jìn)行添加、查詢、編輯和刪除；案例查詢模塊主要負(fù)責(zé)事故案例的查詢功能，包括簡單查詢和高級(jí)查詢，簡單查詢是根據(jù)關(guān)鍵詞進(jìn)行案例匹配查詢，高級(jí)查詢是根據(jù)關(guān)鍵詞對案例進(jìn)行相似度查詢；輔助工具負(fù)責(zé)打開Word和Excel進(jìn)行文檔表格編輯以及打開Internet連接，以方便文件上傳。無人機(jī)事故案例本體知識(shí)建模原型系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 無人機(jī)事故案例知識(shí)建模原型系統(tǒng)

四、結(jié)束語

無人機(jī)進(jìn)入民用領(lǐng)域是大勢所趨，無人機(jī)系統(tǒng)適航立法是保證其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。無人機(jī)事故案例本體知識(shí)建模為我國無人機(jī)適航管理提供了一種有益的新思路，有利于推動(dòng)我國無人機(jī)適航法規(guī)的建立和完善。目前，無人機(jī)事故案例本體知識(shí)庫系統(tǒng)已能完成基本的數(shù)據(jù)管理和維護(hù)工作，能夠根據(jù)用戶需要進(jìn)行案例查詢。后續(xù)在此工作的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行無人機(jī)事故調(diào)查、事故分析、安全評價(jià)等方面的深入研究，并為無人機(jī)適航法規(guī)的建立和完善提供參考。

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四川省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目——無人機(jī)事故案例建模與檢索(201610624001)。