基于本體的無人機事故案例建模方法

陳豐華 秦嘉徐 李有森

(中國民用航空飛行學院航空工程學院 四川 廣漢 618307)

基于本體的無人機事故案例建模方法

陳豐華 秦嘉徐 李有森

(中國民用航空飛行學院航空工程學院 四川 廣漢 618307)

為推動無人機適航法規的建立與完善，提出一種基于本體的無人機事故案例建模方法。首先歸納出無人機事故的知識組成；然后分析了本體與無人機事故案例建模的關系，進而提出基于本體的知識建模方法；在此基礎上構建了無人機事故案例本體框架，并分別對本體的類、關系、屬性和實例進行定義；最后利用關系數據庫實現了知識本體的形式化描述而完成知識建模，最終驗證了該本體建模方法的可行性。

事故；本體；案例建模；無人機；關系數據庫

一、引言

無人機系統以其優越的性能表現在工業生產、搶險救災、科學實驗等諸多領域顯示出巨大的發展潛力。世界各國家和組織開始制定相應的法律法規來保證無人機安全高效運營，如ICAO的《無人機系統》、EASA的《民用無人機融入歐洲航空系統路線圖》、FAA的《小型無人機系統的運行和審定》以及CAAC的《輕小無人機運行規定》[1]-[4]?？傮w而言，無人機系統的適航法規體系尚未完全建立。航空事故結論對適航法規的建立和完善有積極的推動作用。所以，開展無人機事故案例建模方法研究將推動無人機的適航立法，使無人機產業健康發展。

耿增顯[5]等人基于Reason模型進行了航空器事故調查分析軟件設計，能夠較快得出事故發生的前因后果，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準，得到了可信度較高分析結果；崔利杰[7]等人基于Bow-Tie模型對事故進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)對事故進行了分析統計；孫瑞山[9]借鑒ECCAIRS分析框架，在EEMA邏輯和CCAR396部的分類方法基礎上，構建了人為差錯事故/事件分析模型(ECARM)，并對其實用性進行了理論探討。另外，在事故案例建模方面，本體建模與案例推理(Case-Based Reasoning)的應用較為廣泛，如楊晶[10]開發了基于化學品安全生產事故本體的案例推理系統，為預防事故發生以及事故應急處理提供了一種快速得出應急方案的參考方法；李婧[11]開發的煤礦安全事故本體的案例推理系統，為煤礦事故發生后，相關單位及救援人員的快速響應提供了解決方案并在實際應用中取得了良好效果；沈嗣賢[12]開發的針對民航適航指令頒發的輔助決策支持系統，提高了適航信息管理的效率，并在各地區管理局投入使用；陳銘[13]開發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，將語義相似度應用于事故案例檢索當中，使調查人員能夠快速準確理解事故原因，并制定防范措施。綜上所述，在無人機產業快速發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事故案例建模方法，為無人機適航法規的建立和完善提供支撐。

二、無人機系統事故案例建模

(一)本體與知識建模

本體作為一種知識建模工具，它能夠合理規范地表示領域知識及其結構，并提高知識的利用效率和共享性[14]。無人機事故作為一種特殊的事故類型，采用基于本體的知識建模方法可有效表示該領域知識的結構和語義，有利于知識的積累、分析和統計。

(二)基于本體的無人機系統事故案例建模方法

基于本體的知識建模方法處于不斷發展的階段，尚未出現統一成熟的建模標準[15]。根據已有的研究，基于本體的知識建模包括知識獲取、知識表示和知識評價三部分。本文針對無人機事故這一特定領域，結合載人航空器事故調查程序，首先對航空事故的知識進行深入分析，提煉出重要術語和概念；然后根據概念之間的關系，建立本體框架，并對本體類、屬性、關系和實例進行定義；最后利用數據庫來實現知識本體，從而完成了無人機系統事故案例知識建模，為知識的積累和分析奠定基礎。

(三)知識分析

對于航空事故，通常由相關領域的專家對事故進行調查和分析并撰寫事故報告，其包含了數量巨大、內容龐雜的事故信息。因此，本文參考《民用航空器事故和事故征候調查程序》[16]將無人機事故知識主要分為以下幾個方面：(1)事故概述：事故概述是對事故情況進行概要介紹，包括事發地點、人員傷亡、財產損失、無人機型號、任務類型等。(2)事實資料：事實資料是反映事故真實情況重要依據，也是事故調查的根本證據。其包括任務規劃、人員、無人機系統、氣象等。(3)事故分析：事故分析是是根據事實資料中重要的事物、現象、概念等知識進行討論、分析、評估和研究，其目的是尋找可能導致事故發生的直接、間接和潛在的危險、隱患等因素，以及它們的關系、內在聯系和促成的結果。(4)事故結論：事故結論是根據事實資料與事故分析推論出來的判斷，通常包括調查結果、事故原因兩部分。(5)安全建議：安全建議是指調查過程中發現與事故發生有重要影響的問題以及對安全運行構成威脅的隱患所提出的改進意見和糾正措施，其參考來源主要來自于事故分析和事故結論。

(四)本體框架

上述有關無人機事故的大量知識，沒有形成完整的知識組織體系，不利于知識的利用。因此，需要構建一個層次清晰的本體框架對知識進行分類，如圖1所示，從而達到知識高效利用的目的。

圖1 無人機事故案例知識本體框架

(五)類、屬性、關系

類、關系、屬性、實例是知識本體的基本組件。在無人機事故案例本體中，涉及的關系主要為組成關系，類之間的組成關系構成樹狀知識本體，如“路徑規劃類”是“任務規劃類”的有機組成部分。同時某個類可以作為另一個類的屬性，如“總飛行小時”就是“機組”的屬性。本體模型中類的屬性可以是文本、數值、圖像等，如“無人機系統履歷類”中的“維修記錄”屬性就屬于表格，“出廠后總飛行小時”屬性就屬于數值，“氣象資料類”的“衛星云圖”屬性就屬于圖像。

根據本體框架，檢索索引中“型號”作為實體類，就對應了某個具體事故案例的無人機型號，如翼龍、利劍等。同時，本體結構中所有實體類的實例可以構成一個具體的無人機事故案例實例。根據上述的本體組件的構建過程可知，無人機事故案例本體涵蓋了無人機事故涉及到的各方面知識，清晰地描述了無人機事故中的知識組成及相互關系，形成了知識網絡，以實例的形式表達了具體的事故案例，實現了知識的高效組織與表示，并便于案例知識的檢索重用。

(六)基于關系數據庫的案例本體實現

本體的形式化描述方式很多[17]，考慮到無人機事故案例涉及的信息量大、領域范圍廣，且是面向企業級應用，需要更高的效率和權限角色管理，因此選擇關系數據庫來實現該本體。數據庫中建立了抽象類表、實體類表等，通過列類型以及外鍵關系實現了本體的類、關系和屬性。

三、無人機事故案例管理原型系統開發及驗證

以VS2008為開發平臺，結合SQLServer2012關系數據庫，利用VC#開發了無人機事故案例知識庫平臺以驗證本文方法的有效性。原型系統包括案例管理、案例查詢、輔助工具三個模塊，案例管理子模塊又包括事故概況、無人機信息、機組信息、氣象信息和事故致因五個子模塊，分別對應數據庫中相應的知識實例，工具欄中的命令按鈕分別對子模塊的信息進行添加、查詢、編輯和刪除；案例查詢模塊主要負責事故案例的查詢功能，包括簡單查詢和高級查詢，簡單查詢是根據關鍵詞進行案例匹配查詢，高級查詢是根據關鍵詞對案例進行相似度查詢；輔助工具負責打開Word和Excel進行文檔表格編輯以及打開Internet連接，以方便文件上傳。無人機事故案例本體知識建模原型系統界面如圖2所示。

圖2 無人機事故案例知識建模原型系統

四、結束語

無人機進入民用領域是大勢所趨，無人機系統適航立法是保證其安全運行的關鍵。無人機事故案例本體知識建模為我國無人機適航管理提供了一種有益的新思路，有利于推動我國無人機適航法規的建立和完善。目前，無人機事故案例本體知識庫系統已能完成基本的數據管理和維護工作，能夠根據用戶需要進行案例查詢。后續在此工作的基礎上，可以進行無人機事故調查、事故分析、安全評價等方面的深入研究，并為無人機適航法規的建立和完善提供參考。

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四川省大學生創新訓練項目——無人機事故案例建模與檢索(201610624001)。