基于知識圖譜的新一代民航安全監(jiān)管體系綜述

楊宸，何元清

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各國都加強(qiáng)了對航空產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)與發(fā)展，其中航空安全一直是各個(gè)國家不斷追求和探索的重要主題，故必須提高數(shù)據(jù)利用率，將多源數(shù)據(jù)整合分析，為了解決這一問題并降低事故發(fā)生率，可以選擇借助知識圖譜進(jìn)行知識組合，以確保數(shù)據(jù)的充分利用。

國外早在上世紀(jì)便已經(jīng)對民航安全監(jiān)管做了大量理論研究，并且也一直應(yīng)用于實(shí)踐之中［1］。如美國早在1938年就通過了航空安全法案開始用法律約束安全監(jiān)管工作［2］，因此美國安全監(jiān)管也逐漸從法規(guī)監(jiān)管階段發(fā)展到如今的系統(tǒng)安全監(jiān)管［3］，并逐漸形成現(xiàn)如今較為健全的安全監(jiān)管體系［4］。

當(dāng)前國內(nèi)主要是針對集中風(fēng)險(xiǎn)評估、分析和預(yù)測等信息進(jìn)行研究，提出的利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對民航突發(fā)事件因果關(guān)系進(jìn)行分析［5］、對面向民航運(yùn)營的組合安全進(jìn)行評估［6］和對稀疏降噪自編碼神經(jīng)網(wǎng)路的通用航空風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測［7］等方法，缺少對航空安全監(jiān)管態(tài)勢量化表示、多源航空安全數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)以及對航空安全監(jiān)管態(tài)勢的分析。民航安全監(jiān)管態(tài)勢的量化表示是指針對現(xiàn)有的基于監(jiān)察結(jié)果初步統(tǒng)計(jì)的態(tài)勢評判存在的全面性不夠、區(qū)分度不強(qiáng)的問題，提出基于監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)的量化表示方法；多源民航安全數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是指分析航空安全事故報(bào)告數(shù)據(jù)，構(gòu)建航空安全知識圖譜，建立基于知識圖譜的多源航空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法；而航空安全監(jiān)管態(tài)勢的分析及可視化指的是面向事項(xiàng)、時(shí)間、地區(qū)、監(jiān)管對象等不同維度，研究基于監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)的分析方法。

1 知識圖譜與新一代民航安全監(jiān)管態(tài)勢

1.1 知識圖譜簡介

從本質(zhì)上來講，知識圖譜可以被視為能夠展示其實(shí)體之間關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)，亦可將其視為一個(gè)結(jié)構(gòu)化的語義知識庫。此處要明確“信息”和“知識”的區(qū)別。“信息”指的是對外部客觀事實(shí)的描述；“知識”是對外部客觀規(guī)律的歸納和總結(jié)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并不簡單。但是換一種思路來想，如果能夠在一定信息的基礎(chǔ)上，嘗試把各實(shí)體聯(lián)系起來，那么所得到的結(jié)果便是“知識”。我們所要研究的知識圖譜便是由這樣一條一條的知識組成，而每條知識都可以簡單的被視為一個(gè)SPO三元組，即主謂賓三元組。如圖1所示。

圖1 主謂賓（SPO）三元組

目前大多數(shù)知識圖譜工作原理相比過去已經(jīng)有了很大區(qū)別，其構(gòu)建方式基本可以分為兩類：“自底向上”和“自頂向下”。曾經(jīng)知識圖譜采用的是“自頂向下，先定義，后加入”的工作模式，具體是指在獲得較高質(zhì)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，提取出相關(guān)的文本與模式信息，隨后將提取出的信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。若其應(yīng)用范圍不是某個(gè)特定領(lǐng)域（如民航、金融、醫(yī)學(xué)等），則數(shù)據(jù)的來源一般是維基百科等百科類網(wǎng)站。然而目前知識圖譜主要是采用“自底向上”的構(gòu)建方式，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，從數(shù)據(jù)集中提取相應(yīng)的模式，在所提取的模式之中再選取置信度較高的新模式，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫之前，還要進(jìn)行一定的人工審核，使得結(jié)果更為精確和完善，可以理解為是對從前“自頂向下”構(gòu)建方式的進(jìn)一步優(yōu)化，這其中包含對原始數(shù)據(jù)的區(qū)分、信息抽取、實(shí)體對齊、知識融合、本體抽取、質(zhì)量評估、形成知識圖譜等環(huán)節(jié)。其總體構(gòu)建思路如圖2所示。

圖2 知識圖譜總體構(gòu)建流程

圖注：

原始數(shù)據(jù)包含：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；

信息抽取包含：實(shí)體抽取，關(guān)系抽取，屬性抽取；

實(shí)體對齊包含：指代消解，實(shí)體消歧

1.2 當(dāng)前民航安全監(jiān)管所存在的問題

現(xiàn)階段，我國民航業(yè)對于飛行安全監(jiān)管存在全面性不夠、區(qū)分度不強(qiáng)、前瞻性不足、信息碎片化等問題。主要是對信息的利用不夠充分。在民航飛行安全信息分析（主要分析方法是以文獻(xiàn)［4］中的REASON模型為基礎(chǔ)）方面，最終所得到的評估指標(biāo)體系，主要是基于人、飛行器、所處研究環(huán)境、管理而建立，成果也絕大部分都集中在航空公司的安全運(yùn)行領(lǐng)域。另外，在確定指標(biāo)權(quán)重之時(shí)，不可避免的會(huì)摻入相關(guān)專家的主觀因素，這便會(huì)導(dǎo)致結(jié)果沒有較強(qiáng)的客觀性。并且以上都是基于監(jiān)察結(jié)果初步統(tǒng)計(jì)所得出的態(tài)勢評判，不難看出其中存在一定的局限性。

除此之外我國當(dāng)前傳統(tǒng)的監(jiān)管體系還存在監(jiān)管力度不夠，沒有較為全面的法律法規(guī)做支撐等問題。

1.3 解決方案

新一代民航監(jiān)管引入了監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)來刻畫民航安全監(jiān)管態(tài)勢，為其分析、監(jiān)管提供了新的方法，并且能夠突破上述所提到的監(jiān)察結(jié)果全面性不夠、區(qū)分度不強(qiáng)等難題。同時(shí)由于目前民航監(jiān)管還存在粗放監(jiān)管、對數(shù)據(jù)利用不充分的情況，所以在新一代民航監(jiān)管體系研究中提出了將知識圖譜應(yīng)用于多源航空安全數(shù)據(jù)分析中，目的是為了對實(shí)現(xiàn)差異化的行政監(jiān)察計(jì)劃管理提供技術(shù)指導(dǎo)。其技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 新一代民航安全監(jiān)管技術(shù)路線

基于知識圖譜的新一代民航監(jiān)管體系可以解決的關(guān)鍵問題有：

（1）通過構(gòu)建航空安全知識圖譜使得多元數(shù)據(jù)可視化，充分展示數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，方便管理與分析數(shù)據(jù)。

（2）增強(qiáng)各類數(shù)據(jù)對航空監(jiān)管態(tài)勢影響權(quán)重的確定性并且可以更為全面的分析航空安全監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)走勢。

（3）通過完善監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)的內(nèi)涵、特性，做到對航空安全事故的深層次分析。

主要研究方法有：

（1）數(shù)據(jù)分析法。數(shù)據(jù)分析法是指用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法對收集來的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將它們加以匯總和理解并消化，以求最大化地開發(fā)數(shù)據(jù)功能，發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用。數(shù)據(jù)分析是為了提取有用信息和形成結(jié)論而對數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過程［9］。

（2）特征關(guān)聯(lián)性分析法。用來研究各個(gè)現(xiàn)象之間是否存在某種聯(lián)系，并對相互存在聯(lián)系的事件及現(xiàn)象進(jìn)行探討，歸納總結(jié)后得出結(jié)論。常用到的分析方法有圖表法與相關(guān)系數(shù)法。

（3）知識圖譜可視化。用來展示各個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系，將錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系清晰化。最常用的可視化方法是三元組顯示方法，圖中的節(jié)點(diǎn)表示實(shí)體，節(jié)點(diǎn)間的線段表示實(shí)體之間的關(guān)系，即用關(guān)系來連接兩個(gè)實(shí)體。其中實(shí)體和關(guān)系均要進(jìn)行清晰的標(biāo)注以實(shí)現(xiàn)對已有信息的快速精準(zhǔn)查詢。

（4）主成分分析法。一種多元統(tǒng)計(jì)方法，通過對少數(shù)主要成分的推算得出多個(gè)變量的研究方法。

（5）層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）。一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策方法，主要思想是將復(fù)雜問題分解，使其層次化，并通過建立各要素的層級，清楚的實(shí)現(xiàn)各層、各要素及各準(zhǔn)則之間的關(guān)系。

1.4 新一代民航監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)

“監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)”是監(jiān)管部門整合了一定民航安全事故數(shù)據(jù)之后，形成的在一定時(shí)間之內(nèi)“關(guān)鍵詞”的動(dòng)態(tài)指數(shù)變化，目的是方便監(jiān)管人員直觀的看出所發(fā)生的高頻事故原因等相關(guān)信息。實(shí)際上知識圖譜主要是依據(jù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)且可將其視為一種圖數(shù)據(jù)庫，故對于知識圖譜的標(biāo)準(zhǔn)查詢語言為SPARQL（simple protocol and RDF query language）。如想查詢在某一環(huán)境發(fā)生的飛行事故，可以使用命令“select”從圖譜中獲取有效數(shù)據(jù)。隨后可以根據(jù)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推測未來是否會(huì)在相同的環(huán)境下發(fā)生事故，以達(dá)到在未來降低風(fēng)險(xiǎn)的效果。

監(jiān)管事項(xiàng)指數(shù)可以量化表示地區(qū)、監(jiān)管對象在某個(gè)監(jiān)管業(yè)務(wù)或監(jiān)察項(xiàng)目方面的相對狀態(tài)，同時(shí)也可以探索基于知識圖譜的航空安全事故報(bào)告各實(shí)體之間及實(shí)體間關(guān)系的方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)開源的航空安全數(shù)據(jù)與監(jiān)管態(tài)勢之間映射關(guān)系，最終制定面向精準(zhǔn)的監(jiān)管計(jì)劃，為實(shí)現(xiàn)差異化的行政監(jiān)察計(jì)劃管理提供更為合理的科學(xué)依據(jù)。因此，多源數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的航空安全態(tài)勢分析是民航精準(zhǔn)監(jiān)管的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作，也是以狀態(tài)感知為前提的民航智慧監(jiān)管建設(shè)的基礎(chǔ)之一。

2 航空事故知識圖譜示例

2.1 事故案例

知識圖譜應(yīng)用于民航安全信息監(jiān)管的好處是可以充分展示數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，使抽象數(shù)據(jù)可視化、文本數(shù)據(jù)圖示化，方便空管部門查詢管理。本案例中所采用的數(shù)據(jù)為航空事故的文本描述，包含大量的SPO三元組，如對于保加利亞的維亞航空公司所發(fā)生的事故描述為：

2013年5月24日，一架保加利亞維亞（VIA）航空公司空客A320-200客機(jī)（注冊號LZ-MDR），執(zhí)行從德國萊比錫飛往保加利亞瓦爾納的VL-502航班。當(dāng)?shù)貢r(shí)間10：19（世界協(xié)調(diào)時(shí)07：19）飛機(jī)在瓦爾納機(jī)場的09號跑到著陸，但沖出跑道約270 m，沖過航向標(biāo)天線，撞到機(jī)場圍欄后停了下來。機(jī)組實(shí)施緊急撤離，兩位年長女乘客（分別為71歲和81歲）在車?yán)镞^程中腳踝骨折。最終保加利亞航空事故調(diào)查局將事故原因歸因于氣象預(yù)測過程中對氣象條件的分析不夠深入，以及瓦爾納機(jī)場的氣象部門等低估了氣象觀測對飛機(jī)下降的影響。在飛機(jī)觸地前風(fēng)俗和風(fēng)向的動(dòng)態(tài)急劇變化導(dǎo)致了這場事故。

表1 實(shí)體屬性描述

2.2 知識圖譜實(shí)例展示

知識圖譜是由各個(gè)實(shí)體以及實(shí)體之間的關(guān)系所構(gòu)成，其中實(shí)心圓代表事件本身，四周與其相連的實(shí)體為事件屬性，節(jié)點(diǎn)之間邊上的文字代表關(guān)系屬性。本實(shí)例中數(shù)據(jù)來源于中國民用航空信息網(wǎng)，挑選了其中2012—2014年的部分國際航空事故調(diào)查跟蹤報(bào)告。具體可視化結(jié)果如圖4所示。

圖4 民航事故知識圖譜部分展示

3 結(jié)語

保證民航飛行作業(yè)持續(xù)安全穩(wěn)定是一項(xiàng)極其艱巨的任務(wù)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須不斷完善現(xiàn)有航空安全監(jiān)管體系。

作為目前大數(shù)據(jù)時(shí)代重要技術(shù)之一，知識圖譜在各行各業(yè)均得到廣泛應(yīng)用。但該項(xiàng)技術(shù)在民航領(lǐng)域中還處于探索階段，其構(gòu)建過程也需要大量的專家學(xué)者支持。因此如何將知識圖譜充分的應(yīng)用于未來民航大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，制定更加完善的行業(yè)規(guī)范，從而提升飛行安全效率，將成為今后主要研究方向之一。