空管安全系统中人为因素的本体建模研究

刘继新，沈丽楠

(南京航空航天大学民航学院，江苏南京210016)

本体源于哲学领域，且一直以来存在着许多不同的用法。在计算机科学领域，其核心意思是指一种模型，用于描述由一套对象类型(概念或类)、属性以及关系类型所构成的世界［1］。

现代本体是指一种“形式化的，对共享概念体系明确而又详细的说明”［2－3］，用于描述特定领域中概念与概念之间的系统关系的集合，具有通过概念之间的关系来表达概念语义的能力。

国内对空管安全系统中人为因素的研究起步较晚，20世纪90年代，国外人为因素理论才开始传入我国民航系统。鉴于当前的项目主要局限于对人为因素的概括性研究，笔者将引入本体这一概念，以补充对空管安全系统中人为因素的研究。

1 本体模型的构建

1.1 本体的构成和定义

本体主要由个体(实例)、类(概念)、属性以及关系组成。个体(实例)是研究的对象;类(概念)表示领域中的一组或一类实体;属性是对象(和类)所可能具有的属性、特征、特性、特点和参数;关系是描述概念之间、概念与其属性或属性与属性之间的相互作用。类或概念是指任何事务，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程。从语义上讲，其表示的是对象的集合，其定义一般采用框架结构，包括概念的名称，与其他概念之间的关系集合，以及用自然语言对概念的描述。简单来说，类就是体的抽象群、集合或集成。它们可能包含个体、其他类或两者的组合。如人是所有人的集合，个体代表所有个体的类。关系是领域概念之间的交互作用。从语义上讲，基本的关系共4种，如表1 所示［4］。

表1 本体模型中的基本关系

实例代表元素，从语义上讲实例表示对象。

在实际的建模过程中，由于面对的情况种类繁多，概念之间的关系要远多于表1中列出的4种关系，因此可以视具体情况而定义相应的关系。

1.2 本体层次关系

对空管人为因素进行分析归类后，根据概念(类)之间的语义关系，可以构建出本体层次关系图(ontology hierarchy，OH)［5］，如图 1 所示。图 1中圆形表示概念，箭头表示概念间的关系，虚线代表实例与概念间的映射。

(1)本体层次关系图中的一个概念表示空管安全系统中的某一类(如属于人或属于机类)。

(2)实例层中的一个节点表示空管系统中出现的人为差错事故。

图1 本体层次关系图

(3)本体层次关系图中的关联由两部分组成:一是概念层内部各概念之间的关联，二是实例层与概念层之间的关联。

2 空管人为因素的本体建模

2.1 确定本体的专业领域

空管安全系统是一个具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所构成的整体，领域中的概念不是孤立存在的，而是根据不同的属性以类的形式进行划分。

空管安全系统的运行是以安全为中心的，因此为了杜绝安全隐患，系统必须严格按照流程来运行。空管安全系统是一个环环相扣的模型，因此，每一次不安全事件的发生必然是有环节发生了错误，即不安全事件的发生存在着一定的逻辑关系，一旦其中一个环节出错，往往会形成“多米诺骨牌”效应，对后面的流程和环节会产生一系列的影响。但是目前空管安全系统中的不安全事件几乎都是以自然语言的形式出现的，没有一套严格的逻辑描述形式。尽管其数据存在一定的记录模式，但模式与数据之间的界限模糊，并且一般的特征提取多是基于框架的，不具备语义表达能力，因此不安全事件中内在的、隐含的关系往往不易被发觉。而本体恰恰具有良好的概念层次结构和逻辑推理能力，弥补了以上不足。通过构建本体模型，可以将空管中的不安全事件用形式化的语言表现出来，从而明确影响不安全事件发生的人为因素，并将事件发生的逻辑关系提取出来。

2.2 定义类和类的等级

在空管这个特定领域中，本体中的内容也与其他领域有所区别。根据人－机－环境系统工程理论将空管安全系统分为人(生命件)、机(软硬件)、环境和组织影响4大类，这4类构成空中交通管制安全领域的本体。

根据类的思想，在空管安全系统中，运用图1的本体层次关系图，笔者设计出空管安全系统本体概念图，如图2所示。“人”这一类中包括不同类型的管制员和飞行员，如进近管制员、塔台管制员、区域管制员和机组等都是“人”的直接继承类;“机”这一类主要包括雷达监视设备、通信设备等;“组织影响”这一类主要包括班组的搭配、规章制度和安全检查等［6］。

图2 空管领域的本体概念图

2.3 定义类的属性

在空管系统中，“人”这一类的属性对空管系统的运行产生直接影响，每一个“人”的微小差错都有可能导致空管系统的运行错误，从而造成不安全事件的发生;“机”这一类属性主要作为空管系统的被操作对象而存在，人的主要操作对象就是“机”，因此它必须具备可操作性;“环境”在空管系统这一特定的领域中主要是指管制员指挥航空器的环境和机组操作航空器的环境;“组织影响”涵盖非常广，但在该领域中，笔者关注的组织影响主要是班组的搭配，人员的配合协调和所在组织的规章制度。

2.4 本体建模的流程

在领域本体中，概念元素好比各个独立的节点，而关系元素是使各个概念元素相互连接起来的桥梁，概念和关系组成的网络就是本体模型网络［7］。人为因素的本体建模流程如图3所示。

图3 人为因素的本体建模流程图

(1)通过分析空管领域的具体情况，抽象出用于描述空管不安全事件的人为因素本体模型;

(2)通过分析大量不安全事件，将导致不安全事件发生的关键因素提取出来;

(3)将不安全事件用本体形式语言描述出来，同时将评价信息反馈给用户;

(4)根据空管领域的规章和规则，不断对本体模型进行调整，使其更加完善;

(5)对不安全事件实例进行分析。

2.5 不安全事件中人为因素的分析策略

确定人、机、环境和组织管理这4大类构成空管安全领域本体模型的主概念层［8］，笔者的分析策略以这4大类为起点和基础。根据SHEL模型，“人”是空管系统中关键部分［9］。在空管系统中，“人”的存在主要是指管制员和机组，他们在活动时，都受到了人、机、环境和组织的不同程度的影响。而当这些因素加之于“人”时，他们的行为就关乎不安全事件的发生与否。不安全事件发生致因分析如图4所示。

图4 不安全事件发生的致因分析图

在上述分析之后，就可以通过对不安全事件的聚类分析，将关键因素提取出来，具体的步骤是:①确定不安全事件责任人;②不安全事件受到“人－机－环境－组织影响”中哪些部分的影响;③不安全事件的解决者。

3 案例分析

不安全事件［10］:2009年 5月 5日，A320－200飞机执行长春—杭州航班，在杭州萧山机场盲降进近过程中低高度复飞。

事件经过是:进近前，左座申请练习断开自动油门、飞行指引仪和自动驾驶仪的人工操纵飞行。机组做了分工:由左座操纵飞机，右座教员负责监控发动机参数并负责油门。在五边进近过程中当航迹出现较大偏差时，机组失去了对发动机参数的监控，致使飞机在全形态时表速曾一度减少至215.76 km/h，比目标进近速度慢了约37 km/h。在自动驾驶仪、自动油门和飞行指引断开方式转换为自动驾驶接通方式的过程中，没有监控和改变飞行状态，导致飞机自动驾驶仪接通后，在五边仍然长时间保持约365 m/min的下降率，直至发生下滑道低的警告。在出现了较大偏差不具备稳定进近的条件时，没有采取有效措施加以制止和纠正;特别是在管制员提醒有较大偏差时，没有马上引起警觉，也未及时采取相应的有效措施。

构建该不安全事件的本体模型如图5所示。

图5 不安全事件实例局部本体模型

粗略分析该不安全事件时，往往会把大部分精力放在事故的责任者机组上面，事故的发生主要是机组操作人员监控不力，导致分析不全面，事故原因寻找不到位。但是通过建立本体模型，当在空管安全系统本体模型中输入事故原因(即本体层次模型中的实例)时，通过本体模型本身存在的逻辑推理能力以及层次关系，可以更加广泛全面地推理出一次事故/不安全事件的潜在原因，如上述案例中就可以推断出如下致错原因:相关机组人员监控不力;虽然管制员对机组发布了复飞命令，在机组没有执行命令时，双方没有进行有效协调;在机组没有听从管制员命令时，管制员没有发布有效指令加以制止等。

通过对不安全事件实例的人为因素本体建模分析，从该不安全事件中提取出了导致事件发生的关键因素，同时分析各因素之间的内在隐形潜在关系，挖掘出一定的逻辑关系，为以后案例的分析提供了经验。

4 结论

主要介绍和研究了本体这一抽象的概念和本体论(即本体)这一模型构建方法，将其引入空管安全系统中，并对其可操作性做了分析。本体论作为一项在复杂关系模型构建中有着出色表现的模型构建方式，越来越受到各领域学者的青睐。然而在空管领域中，本体论的使用还不广泛。笔者特别介绍了本体的构成，构建方法和规则，为空管领域中的本体建模设置了前提和依据。同时对不安全事件进行了人为因素的本体建模分析，通过对不安全事件的实例分析，检验了空管中人为因素本体建模分析的实用性。

在人为因素的本体建模分析中，如何提取不安全事件中的致错因素是值得研究的问题。笔者构建的人为因素本体模型只停留在理论方面，还需要进一步的研究。简单介绍了本体的建模方法，虽然理论简单，但是实施起来有很大的难度，比如在特定领域的术语和类的定义这一步上，可能要耗费的人力物力都不可估量。因为对类的定义几乎就是对整个领域的划分和整顿，这在现实中显然是很难实现的。但在不安全事件的本体建模分析上，认为还有很大的可研究性。通过对大量不安全事件的聚类分析，可以归纳出一些常见的人为因素对事件的影响，以及这些因素内部的隐性关系，从而为空管领域的本体建模提供可研究的数据和资料。随着航空业的发展，内部的关系越来越复杂，对空管系统的要求也逐步提高，因此，本体的引入完全可以降低系统建模的复杂性。但是，如何建立一个可以适用于所有事件的本体模型还有待于研究。

［1］PEREZA G，BENJAMINSV R.Overview of knowledge sharing and reuse components:ontologies and problem－ solvingmethods［C］//Proceedings of the UCAI－99 Workshop on Ontologies and Problem－Solving Methods(KRR5).Stockholm:［s.n.］，1999:1 －15.

［2］SCOTT A S，DOUGLASAW.The human factors analysis and classification system(HFACS)［R］.Washington:Office of Aviation Medicine，2000.

［3］孙瑞山，刘俊杰.航空安全自愿报告系统在中国的发展与展望［J］.空中交通管理，2007(1):4－7.

［4］王洁宁，杨海滨.面向空管安全系统中人为因素的本体建模分析［J］.中国民航大学学报，2009，27(4):33－36.

［5］李静，周竹荣，甘诚智.学习资源的本体建模研究［J］.计算机工程与设计，2008，29(1):251 －254.

［6］万健，夏洪山，李敬.空管灾害诱因分析及监测指标体系的构建［J］.中国民航大学学报，2007，25(5):1－3.

［7］李恒杰，李军权，李明.领域本体建模方法研究［J］.计算机工程与设计，2008，29(2):381 －384.

［8］龙升照，黄端生，陈道木，等.人－机－环境系统工程理论及应用基础［M］.北京:科学出版社，2004:32－78.

［9］中国民航总局航空安全办公室，中国民航学院民航安全科学研究所.航空安全中人的因素［R］.北京:中国民航总局航空安全办公室，中国民航学院民航安全科学研究所，2004.

［10］中国民用航空局航空安全办公室.中国民航不安全事件统计分析报告［R］.北京:中国民用航空局航空安全办公室，2009.