基于本體的民航業(yè)安全管理知識庫構(gòu)建研究

張丹平，鄒 鵬，鄭小玲

（南昌航空大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，南昌 330063）

引言

2019年，據(jù)IATA（International Air Transport Association）記錄，全球共發(fā)生致命空難8起，導(dǎo)致240人遇難，相較于2015—2019年這5年平均發(fā)生的58.4起事故，其中有7.4起為致命事故和223.2人死亡的數(shù)據(jù)來說，去年這3個方面的數(shù)據(jù)情況是接近均值的。但2018年是一個較為特殊的年份，在致命事故（11起）以及死亡人數(shù)（523人）上其安全風(fēng)險指數(shù)異常增高，特別是2018年死亡人數(shù)相較于2017年而言更是有了27倍的增長，數(shù)額之大令人駭然。如表1所示，2013—2019年隨著航班數(shù)不斷上升，民航安全事故以及死亡人數(shù)呈波動型變化，存在民航安全趨勢不可預(yù)測、安全管理問題一時難以解決的現(xiàn)象。故近幾年來，安全管理已成為民航業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重點問題，越來越多國家開始注重航空安全，著力建設(shè)完善、系統(tǒng)的安全管理體系。

表1 2013—2019年民航飛行事故統(tǒng)計

發(fā)達(dá)國家的民航業(yè)提出的航空安全管理體系(SMS)概念對于民航業(yè)可持續(xù)安全發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義，并在搭建基于航空安全管理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等領(lǐng)域已有成效，如美國聯(lián)邦航空局(FAA)設(shè)立了國家航空安全數(shù)據(jù)分析部門[1]；歐盟構(gòu)建了歐盟事故征候和航空事故聯(lián)合報告系統(tǒng)，旨在為其成員國提供航空安全信息的服務(wù)，其中包括信息采集、信息分析和報告發(fā)布[2]。

國外學(xué)者將眾多學(xué)科成果集為一體，針對民航安全管理領(lǐng)域做出全面化、細(xì)致化的整體性研究。如英國伯明翰大學(xué)的Baker[3]認(rèn)為引發(fā)航空事故中的兩大關(guān)鍵性因素是人員因素和組織行為因素。Reinach和Viale[4]在用于調(diào)查和分析航空事故中人為因素的人因分析和分類系統(tǒng)HFACS(Human Factors Analysis and Classification System)模型基礎(chǔ)上增加外部因素建立了完善的HFACS模型框架。Erjavac等[5]建立了造成航空安全事件的潛在和癥狀性因果之間的關(guān)聯(lián)模型，通過關(guān)聯(lián)性控制航空安全事件的發(fā)生。發(fā)達(dá)國家應(yīng)用預(yù)警思想進行民航安全管理，但其局限性在于僅關(guān)注事故發(fā)生后單方面因素的災(zāi)難性后果，未能以人—機—環(huán)境—管理的視角以構(gòu)建民航安全管理知識體系的方式研究整體性的措施。

盡管國內(nèi)航空業(yè)起步和發(fā)展較晚，但國內(nèi)學(xué)者在民航安全管理領(lǐng)域進行了積極探索，如孫瑞山等[6]從“人—機—環(huán)境”的角度考慮，民航事故征候由機組原因、機械原因及外部環(huán)境等諸多因素導(dǎo)致；楊磊等[7]對空管安全管理體系建設(shè)問題提出了建設(shè)具有適用性、系統(tǒng)化特征的空管安全體系的發(fā)展方向；中國民航局航空安全技術(shù)中心還開展了民航安全管理法制基礎(chǔ)、航空風(fēng)險監(jiān)測體系、航空安全信息國際互通共享等多項研究工作。

王劍輝等[8]學(xué)者提出了一種基于不安全事件調(diào)查報告和快速訪問記錄器（QAR）數(shù)據(jù)的運輸航空飛行安全評價方法，按照事件后果嚴(yán)重程度和事件風(fēng)險貢獻程度架構(gòu)了航空飛行安全風(fēng)險矩陣，建立了航空飛行安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系和風(fēng)險評價模型。航空飛行安全風(fēng)險評價模型的建立對其知識系統(tǒng)的構(gòu)建有重要的指導(dǎo)意義，但仍存在不足和一定的局限性，如：指標(biāo)大多是針對不安全事故發(fā)生后的評估，未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，隱性風(fēng)險預(yù)警較難把控及操作；缺乏災(zāi)害預(yù)警中應(yīng)有的全面性和預(yù)見性；未充分考慮民航安全管理各部門間的相關(guān)性和整體性。隨著我國民航業(yè)的信息化進程步伐加快，我國已開發(fā)出面向機場的航空安全管理信息系統(tǒng)[9]以及安全風(fēng)險管理系統(tǒng)[10]，但這兩種系統(tǒng)均未涉及民航安全管理知識系統(tǒng)的建設(shè)。

隨著本體知識和本體構(gòu)建技術(shù)的進一步深入，目前本體作為一種可共享的語義基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于信息檢索領(lǐng)域與醫(yī)藥、軍事、法律等學(xué)科領(lǐng)域。領(lǐng)域本體成為描述特定領(lǐng)域知識的一種專門本體。它給出了領(lǐng)域?qū)嶓w概念、領(lǐng)域?qū)傩愿拍?、領(lǐng)域?qū)傩灾导跋嗷リP(guān)系，以及該領(lǐng)域所具有的特性和規(guī)律的一種形式化描述[11]。對民航領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)驗知識，基于本體的知識庫能進行明確的定義和描述，可加強隱性知識的知識表示、知識集成和知識共享等操作，在不同用戶之間實現(xiàn)知識交流和知識經(jīng)驗互享。因此，本體知識庫的構(gòu)建有助于解決民航領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)驗知識概念模糊、格式不規(guī)范、易產(chǎn)生歧義等問題，實現(xiàn)知識庫復(fù)雜語義的表達(dá)，提高知識的表達(dá)能力，及時識別民航業(yè)的安全風(fēng)險隱患，相關(guān)部門能夠有針對性地采取有效措施，預(yù)防和控制不安全事故的發(fā)生，民航業(yè)安全管理知識體系的構(gòu)建意義非常重大。

一、知識庫構(gòu)建方法及工具

（一）知識庫

知識庫的作用在于利用計算機針對某一領(lǐng)域問題求解的需要，采用某種知識表示方式實現(xiàn)不同功能模塊的知識獲取、知識傳遞和知識推理，滿足不同用戶的需求。

在本體知識庫應(yīng)用方面，周義剛[12]在本體知識庫應(yīng)用中將知識管理作為數(shù)字檔案管理的主要發(fā)展方向；劉成亮等[13]認(rèn)為本體能夠?qū)㈧o態(tài)知識進行分離、重組，進一步提高知識的可利用率。李亞東[14]設(shè)計并實現(xiàn)了將本體應(yīng)用到科技信息領(lǐng)域當(dāng)中，確定該領(lǐng)域的核心概念和概念間的關(guān)系，實現(xiàn)了術(shù)語的統(tǒng)一；孫新丹[15]對基于HAZOP和本體技術(shù)的跑道入侵危險分析方法進行了研究。

基于本體的知識庫以本體中的概念和關(guān)系作為知識庫中的概念層和事實層，使領(lǐng)域知識分類具有清晰的層次結(jié)構(gòu)，且通過本體中的各種關(guān)系可以挖掘領(lǐng)域潛在的隱性知識。同時對概念和關(guān)系進行SWRAL規(guī)則的制定，可以完成知識推理的需求，本體在知識庫中的作用可總結(jié)如下：

第一，提高知識庫中知識的共享性、可擴展性和可重用性。

第二，利用本體模型可清楚表達(dá)各類知識塊形成的知識結(jié)構(gòu)層次。

第三，根據(jù)本體模型可更好的進行知識查詢、知識推理等操作。

（二）構(gòu)建方法

在現(xiàn)階段，本體構(gòu)建的方法形式多樣，不同領(lǐng)域需求以及不同開發(fā)工具對應(yīng)不同的構(gòu)建方法，暫未形成統(tǒng)一的方法體系。國際上主流使用的是骨架法、企業(yè)建模法、KACTUS工程法、Merhontology法和七步法等本體構(gòu)建方法[16]。通過對本體構(gòu)建方法的比較發(fā)現(xiàn)，七步法具有較為成熟的方法體系、詳細(xì)具體的步驟說明等優(yōu)點，并且七步法是基于Protégé這一構(gòu)建本體工具所提出的方法，二者互相匹配。

基于現(xiàn)實情況，可對傳統(tǒng)的七步法構(gòu)建本體流程進行改良：首先，前文已經(jīng)對研究的主要目的和需求做了說明，因此此部分不再累述。其次，在研究開始前已經(jīng)通過Web檢索考察是否可以套用現(xiàn)有民航本體的可能性，但由于目前在各大平臺上未有對整個民航安全管理領(lǐng)域進行大規(guī)模、系統(tǒng)化的應(yīng)用本體，因此取消了傳統(tǒng)七步法的第二步“考察套用現(xiàn)有本體的可能性”。同時，將七步法中的“定義類的屬性”和“定義屬性的約束”進行歸納整合成“定義類屬性及屬性約束”。最終本體知識庫采取以下步驟進行構(gòu)建：

1）知識表示?獲取術(shù)語。

2）定義類及其層次結(jié)構(gòu)。

3）定義類屬性及屬性約束。

4）創(chuàng)建本體實例。

（三）構(gòu)建工具

由斯坦福大學(xué)研究所研發(fā)的Protégé是一種基于Java環(huán)境下的開源應(yīng)用工具。同時Protégé支持多種語言描述本體如XML、RDFS、OWL等，此外Protégé通過嵌入多樣化的插件實現(xiàn)部分功能擴展，如本體可視化插件、知識規(guī)則插件等。根據(jù)語言學(xué)習(xí)難度、工具使用難度兩方面綜合考慮，較其他的開發(fā)本體工具而言，Protégé工具有著易操作、可用多種語言描述、且在眾多本體構(gòu)建工具中僅有其支持中文輸入的突出優(yōu)勢。民航領(lǐng)域的安全管理本體知識庫采用當(dāng)前較新的Protégé 5.2.0開發(fā)工具進行搭建。

二、民航領(lǐng)域的安全管理知識表示

由于民航領(lǐng)域內(nèi)存在很大一部分不易被非專業(yè)人士接觸、生澀難懂的專業(yè)性詞匯以及潛在性的隱性知識，需要通過查閱相關(guān)資料，在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下盡可能多地獲取表達(dá)民航安全管理方面的術(shù)語或概念。民航安全管理相關(guān)術(shù)語的知識表示可以通過自動獲取或者人工獲取，但自動化獲取的術(shù)語可靠性不高，仍需要手工整理。由于專業(yè)術(shù)語較多，表2～表4列舉了事故（accident）、原因（Reason）、措施（Measure）類別部分術(shù)語表示，具體如下：

表2 事故類別部分術(shù)語表示

表3 原因類別部分術(shù)語表示

表4 安全措施類別部分術(shù)語表示

在獲取專業(yè)術(shù)語之后，需要按知識結(jié)構(gòu)進行分類，并以類及子類的形式添加到本體中，根據(jù)不同術(shù)語之間知識范圍確定各本體的層次結(jié)構(gòu)排布。

三、本體知識庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）定義類及層次結(jié)構(gòu)

由于類具有繼承性的特點，因此知識庫中類的層次結(jié)構(gòu)采用自頂向下的方法，即先確定父類，再確定子類。其中，底層類能夠繼承父類中所有的屬性，具有更加詳細(xì)具體的實體概念。對于民航安全管理本體，目前沒有確定該本體類和類層次結(jié)構(gòu)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，通過查找相關(guān)文獻信息[17-18]以及查閱民航安全管理條例，確定民航安全管理本體中類的層次關(guān)系，主要分為三大類：事故（Accident）類及其子類、原因（Reason）類及其子類、措施（Measure）類及其子類，并在Protégé中定義部分結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示：

圖1 事故類（Accident）層次結(jié)構(gòu)

圖2 原因類（Resson）層次結(jié)構(gòu)

圖3 措施類（Measure）層次結(jié)構(gòu)

（二）定義類的屬性及其屬性約束

通過提取專業(yè)術(shù)語可以定義類及其類層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，但是只通過簡單的類名并不能表達(dá)知識的所有內(nèi)容，類的內(nèi)在含義及類間隱性關(guān)系需要通過其屬性來體現(xiàn)，因此，需要為每一個類定義其特有的屬性。本體中的屬性包括兩種：對象型屬性（Object property）和數(shù)據(jù)型屬性（Data property），子類可以繼承父類所有屬性，并可添加能夠唯一標(biāo)識該類的屬性。

1.對象型屬性

對象型屬性即用于描述類與類之間關(guān)系的屬性，根據(jù)對事故類、原因類、措施類之間的關(guān)系，可將對象型屬性分為圖4所示的七種：

圖4 對象型屬性定義

在定義對象屬性時，比較關(guān)鍵的點在于屬性之間的互逆關(guān)系，如圖4所示，圖中存在三對互逆關(guān)系，分別是“is_part_of”和“has_parts”的部分整體的關(guān)系、“is_caused_by”和“has_caused”的原因關(guān)系、 “is_sulusion_of”和“has_solution”的措施關(guān)系?；ツ骊P(guān)系可以補充說明本體類間關(guān)系并不斷對后續(xù)的推理過程進行優(yōu)化。

在描述完對象型屬性類型之后，還需要多維定義和聲明該類型所屬的定義域（Domain）、值域 （ Range）以及特殊屬性（如Functional、Transitive等），通過屬性可以將定義域和值域聯(lián)系起來，即定義域和值域連接了兩個不同的類。圖5表達(dá)了事故原因—事故結(jié)果的屬性聯(lián)系，圖6表達(dá)了原因/事故—措施的屬性，二者均設(shè)置了可傳遞的Transitive屬性。

圖5 has_caused對象型屬性設(shè)置

圖6 has_solusion對象型屬性設(shè)置

2.數(shù)據(jù)型屬性

數(shù)據(jù)型屬性描述的是實例本身的屬性，是類和實例具體化的特征表示。同樣，對數(shù)據(jù)型屬性設(shè)置也包含了定義域、值域等設(shè)置，其中定義域的起點是不同的類，值域的終點是數(shù)據(jù)類型，本體數(shù)據(jù)型屬性的取值類型具有數(shù)字、字符串、日期等，通過數(shù)據(jù)型屬性將數(shù)據(jù)和類連接得到實例的完整性表述，表5～表8定義了事故類（Accident）、原因類 （ Reason）類及其飛行員子類、措施類（Measure）的數(shù)據(jù)型屬性。

表5 事故類數(shù)據(jù)型屬性定義

表8 安全管理措施類數(shù)據(jù)型屬性定義

1）事故類的數(shù)據(jù)型屬性。

表5中，事故類型編號設(shè)置為主鍵，事故描述的數(shù)據(jù)類型選擇了Text型，確保可以盡可能詳細(xì)描述事故。

2）原因類及飛行員子類的數(shù)據(jù)型屬性

表6中，原因編號設(shè)置為主鍵，所導(dǎo)致事故編號設(shè)置為外鍵，確保其取值只能是事故表中的事故類型編號。表7的所屬原因編號既是主鍵又是外鍵，保證了其取值只能是原因表中的原因編號及主鍵約束。

表6 原因類數(shù)據(jù)型屬性定義

表7 飛行員子類數(shù)據(jù)型屬性定義

3）措施類的數(shù)據(jù)型屬性。

表8中，安全管理措施編號設(shè)置為主鍵，解決所屬的事故編號設(shè)置為外鍵，確保其取值只能是事故表中的事故類型編號。

3.類的約束定義

對象型屬性的作用實質(zhì)上是定義了類間的關(guān)系，在定義對象型屬性后，可以對類添加約束，即用 “some”“only”量詞以及“min”“max”“exacly”數(shù)量詞對各類間的關(guān)系進行約束描述?？稍赑rotégé 5.2.0中的Subclass of對添加約束。

如圖7所示，航空器起火?非撞擊事故的可能原因是發(fā)動機著火或雷擊著火，而為了解決或預(yù)防該事故的發(fā)生可采取的措施有：風(fēng)險管理、加強飛行員的飛行專業(yè)素質(zhì)、加強機務(wù)維修人員對發(fā)動機等高危設(shè)備的安全意識管理。圖8是對失控飛行事故中的小于間隔事故做約束，引發(fā)該事故的原因?qū)儆陲w行員的操作失誤，在飛行過程中兩太航空器距離間隔過?。ㄐ∮?0千米），用數(shù)量量詞min對安全飛行距離做標(biāo)準(zhǔn)約束，解決該事故的措施有：空中交通管制部門應(yīng)及時采取數(shù)據(jù)監(jiān)控，在飛行間隔過小時及時給予警示；規(guī)范飛行員空中飛行標(biāo)準(zhǔn)；進行風(fēng)險評估并形成風(fēng)險報告。

圖7 Fire_NotCrash類的約束定義

圖8 LessThan_Interval類的約束定義

四、創(chuàng)建本體實例

類是概念性的，但是與類相對應(yīng)的實例卻是具體的，實例的創(chuàng)建是構(gòu)建本體知識庫最為關(guān)鍵不可或缺的一步，對知識庫的實際應(yīng)用具有重大指導(dǎo)意義。在此次民航安全管理知識庫的構(gòu)建過程中，創(chuàng)建的是2018年在全球民航業(yè)發(fā)生安全事故的實例，圖9～圖12展示的是部分事故類實例。

圖9 事故類實例——“二·一八”航空安全事故（飛行員操作失誤）實例聲明

圖12 事故類實例——“八·一六”航空安全事故（機組溝通協(xié)調(diào)不夠）實例聲明

圖9所示為根據(jù)“二?一八”航空安全事故所創(chuàng)建的一個事故類實例，表明該事故發(fā)生的原因是由于飛機積冰環(huán)境以及飛行員操作失誤?未進行除冰操作雙重原因引起的飛機撞山墜毀事故。同時對“二?一八”航空安全事故實例添加了數(shù)據(jù)類型描述，包括：事故發(fā)生時間為2018年2月18日，空難地點是伊朗，事故編號為“Crash_02”，飛機型號為 “ATR72”，航班號為俄羅斯的“EP3707”，飛機損傷程度“嚴(yán)重”，死亡人數(shù)“66”人，屬于“特別重大飛行”事故，并且對該事故的主要具體原因做了補充說明：起飛前未進行除冰作業(yè)和飛行員未意識到飛機應(yīng)該除冰。

該事故在一定程度上表明了除了重視飛行員飛行技術(shù)的之外，還應(yīng)該增設(shè)培訓(xùn)課加強對安全意識、安全習(xí)慣的培養(yǎng)，避免空難事故的發(fā)生。

圖10是“五?二一”航空安全事故的實例聲明。這是一起因起落架故障而造成的安全事故。

圖10 事故類實例——“五·二一”航空安全事故（起落架故障）實例聲明

圖11是“八?〇一”航空安全事故的實例聲明。這是一起因氣候變化而造成的安全事故。而圖12所呈現(xiàn)的“八?一六”航空安全事故，則是由于機組溝通協(xié)調(diào)不夠造成的。

圖11 事故類實例——“八·〇一”航空安全事故（風(fēng)切變）實例聲明

針對事故實例、原因?qū)嵗约按胧嵗g的關(guān)系，可以“八?一六”航空安全事故為例，對三者關(guān)系作以下描述：“八?一六”航空安全事故是民航安全事故類的一個典型案例，具體類型事故為“跑道沖出”，通過對現(xiàn)場事故的了解和相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)事故的主要原因是由環(huán)境因素和人為因素兩方面引起的，其中，環(huán)境因素主要是原因類中的“雷暴天氣”，而對事故起關(guān)鍵性因素的人為因素主要包括以下3個方面：一是機組協(xié)調(diào)溝通不夠；二是機長的傲慢自大的心理因素；三是缺乏對外籍飛行員的管理。

通過原因剖析，進而得出相應(yīng)的一些安全管理措施。雷暴天氣這種類型的自然環(huán)境因素人為是避免不了的，但可以加強環(huán)境風(fēng)險安全事件的風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險評估和風(fēng)險控制，提升雷暴、風(fēng)切變等自然環(huán)境的風(fēng)險管理能力和危機處理能力。而人為因素是可控因素，能采取相應(yīng)的措施組織和預(yù)防風(fēng)險事故的發(fā)生，如構(gòu)建CRM(機組管理)體系，明確機組團隊合作的重要性；開設(shè)安全管理教育培訓(xùn)，其中包含安全文化教育和心理輔導(dǎo)；調(diào)整和改革外籍飛行人員管理模式。

綜上，我們可以構(gòu)建“八?一六”航空安全事故—跑道沖出—因素分析—強雷暴天氣/機組協(xié)調(diào)不夠—夠—得出措施—安全風(fēng)險管理/安全教育/調(diào)整管理模式”的本體實例框架，如圖13所示。

圖13 “八·一六”航空安全事故本體實例表示

結(jié) 論

通過比較研究本體的構(gòu)建方法，對傳統(tǒng)的七步法進行改進并構(gòu)建民航安全管理知識庫，將民航領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語歸納整合成類完成知識表示，使眾多龐雜、分散的知識整合歸納并可以被計算機識別。定義類間的層次關(guān)系、屬性及其屬性約束，同時通過類及屬性的設(shè)定，實現(xiàn)民航安全管理各個知識塊間的聯(lián)系。在領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)上構(gòu)建的航空安全事故實例，可運用到本體知識庫中，對不同安全事故產(chǎn)生的原因加以識別并形成預(yù)判，從而制定相關(guān)的解決方案，減少安全事故的發(fā)生，并且形成風(fēng)險管理機制，提升民航安全管理效果。