麥　強(qiáng), 王　寧, 安　實(shí), 王　釗

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

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基于本體語(yǔ)義建模的航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)庫(kù)

麥強(qiáng)1, 王寧1, 安實(shí)1, 王釗2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

工程風(fēng)險(xiǎn)分析方法已經(jīng)提出了大量的風(fēng)險(xiǎn)事件、發(fā)生概率及風(fēng)險(xiǎn)管理措施,但是這些信息分布在不同的部門和項(xiàng)目中,沒(méi)有形成統(tǒng)一的、可重復(fù)使用的風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí),致使許多風(fēng)險(xiǎn)分析工作是重復(fù)勞動(dòng),效率低下。針對(duì)某航天工程,構(gòu)建了一種基于本體語(yǔ)義建模的風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)。該Ontology知識(shí)庫(kù)由4個(gè)主要的知識(shí)模型組成,分別是系統(tǒng)組成類模型、風(fēng)險(xiǎn)源類模型、風(fēng)險(xiǎn)分類模型和風(fēng)險(xiǎn)事件模型。通過(guò)形式驗(yàn)證和內(nèi)容驗(yàn)證,證明了該Ontology知識(shí)庫(kù)的完整性和一致性。最后,應(yīng)用Protégé軟件建立了該Ontology知識(shí)庫(kù)原型,說(shuō)明了該方法在風(fēng)險(xiǎn)管理中的有效性和適用性。

航天工程; 風(fēng)險(xiǎn)管理; 知識(shí)庫(kù); 本體語(yǔ)義建模

0　引　言

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,航天工程往往大量采用成熟技術(shù),或者是經(jīng)過(guò)其他工程驗(yàn)證的技術(shù)。因此,在一項(xiàng)航天工程開(kāi)始研制時(shí),可以借鑒成熟技術(shù)或經(jīng)過(guò)驗(yàn)證技術(shù)的技術(shù)分析結(jié)果。其中,航天工程風(fēng)險(xiǎn)分析是一項(xiàng)工作量巨大的工作,如何有效利用以往風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果,對(duì)于提高新航天型號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)分析效率,識(shí)別新的風(fēng)險(xiǎn)有著重要的實(shí)用價(jià)值。

航天工程風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程包括3部分內(nèi)容:風(fēng)險(xiǎn)事件識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)事件概率計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)事件損害估計(jì)。圍繞這3個(gè)方面,出現(xiàn)了多種類型的風(fēng)險(xiǎn)分析方法,如風(fēng)險(xiǎn)矩陣、失效模式和后果分析(failure mode and effect analysis,FMEA)和概率風(fēng)險(xiǎn)分析(probabilistic risk analysis,PRA)等[1-3]。

其中,風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法應(yīng)用簡(jiǎn)單的分類及組合方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,操作性較強(qiáng),并且不需要PRA等方法詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持,被廣泛應(yīng)用于航天工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中。該方法的主要步驟包括:劃分風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)、劃分風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)、構(gòu)建最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣。每一步均會(huì)得到一個(gè)表格:風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)表、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)表及風(fēng)險(xiǎn)矩陣表。其中，風(fēng)險(xiǎn)矩陣表綜合了風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)表和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)表的劃分結(jié)果,并用風(fēng)險(xiǎn)損失和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的不同組合表示不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型。不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型代表了評(píng)估人員對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知程度,也意味著不同的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)和管理措施。

盡管以風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法為代表的風(fēng)險(xiǎn)管理方法通過(guò)工具、流程的標(biāo)準(zhǔn)化極大地提高了航天工程風(fēng)險(xiǎn)分析的可靠性和效率,但風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的可重用性仍然較低,風(fēng)險(xiǎn)分析效率仍然有提高的空間。航天工程項(xiàng)目大量的元器件及多階段的研制過(guò)程決定了其風(fēng)險(xiǎn)分析是一個(gè)復(fù)雜的長(zhǎng)期過(guò)程,運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣等方法進(jìn)行人工風(fēng)險(xiǎn)分析是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,人員、時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等消耗巨大。而同時(shí),由于成熟技術(shù)的廣泛應(yīng)用,在不同的航天項(xiàng)目中,存在大量類似的、可以重復(fù)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果。因此,可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的方式對(duì)這類風(fēng)險(xiǎn)矩陣就進(jìn)行處理和存儲(chǔ),以便重復(fù)使用,從而提高航天工程的風(fēng)險(xiǎn)分析效率。

實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的主要難點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)分析知識(shí)的碎片化。按系統(tǒng)、階段和型號(hào)分類的風(fēng)險(xiǎn)矩陣信息被分散在不同的部門,甚至是不同的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表格中,風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)呈現(xiàn)出碎片化的特征,致使風(fēng)險(xiǎn)分析的效率與航天工程研制管理過(guò)程的信息化要求存在巨大的偏差。

為提高航天工程管理過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)分析效率,將碎片化的風(fēng)險(xiǎn)分析知識(shí)系統(tǒng)化,本文將根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)構(gòu),構(gòu)建一個(gè)基于本體語(yǔ)義建模方法的風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)。該Ontology知識(shí)庫(kù)不僅能夠多層級(jí)的描述航天工程風(fēng)險(xiǎn),還能夠通過(guò)產(chǎn)品、過(guò)程的邏輯關(guān)系推理出新的航天工程風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行準(zhǔn)確的分類,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)分析知識(shí)的重復(fù)應(yīng)用。

1　文獻(xiàn)綜述

1.1航天工程風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法

航天產(chǎn)品如衛(wèi)星、火箭等技術(shù)復(fù)雜,項(xiàng)目成功與否的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響巨大,因此風(fēng)險(xiǎn)分析是一項(xiàng)必須開(kāi)展的重要工作。在風(fēng)險(xiǎn)分析的諸多方法中,風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法由于其方法的綜合性、過(guò)程的簡(jiǎn)潔性和分析結(jié)果的直觀性,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于美國(guó)國(guó)家航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)、歐洲航天局(European space agency,ESA)和我國(guó)航天部門[4-5]。傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法主要通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)獲取風(fēng)險(xiǎn)概率、損失等信息,最終形成電子化或紙質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表。由于歷史數(shù)據(jù)不完備及專家經(jīng)驗(yàn)的主觀性,在不同的項(xiàng)目及不同的研制階段,相同風(fēng)險(xiǎn)事件的概率、損失及分類往往存在不一致現(xiàn)象,這對(duì)風(fēng)險(xiǎn)管理措施的制定帶來(lái)了巨大的難題[6]。

另一方面,無(wú)論是電子化的還是紙質(zhì)的電子表格,均存儲(chǔ)于進(jìn)行該項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分析的部門或單位,風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)呈現(xiàn)出碎片化的特征。分散的信息和文件,使很多類似的風(fēng)險(xiǎn)管理工作不得不重復(fù)進(jìn)行,造成人力、經(jīng)費(fèi)等資源的浪費(fèi)。并且,這種不系統(tǒng)的信息組織模式很難應(yīng)對(duì)不斷變化的研制過(guò)程,無(wú)法迅速、準(zhǔn)確地為研制人員或組織提供即時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)管理信息[7]。

1.2風(fēng)險(xiǎn)分析信息系統(tǒng)

為使風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程更有效率,一些學(xué)者開(kāi)發(fā)了很多的風(fēng)險(xiǎn)分析信息系統(tǒng)。NASA開(kāi)發(fā)了一套定量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)(quantitative risk assessment system, QRAS)定量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng),該系統(tǒng)是一套計(jì)算機(jī)軟件工具,采用PRA方法進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)分析[8]。文獻(xiàn)[9]建立了一種結(jié)合了FMEA和故障樹(shù)分析(fault tree analysis,FTA)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別軟件系統(tǒng),并且將其應(yīng)用于軌道控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]提出了一種風(fēng)險(xiǎn)矩陣可視化的方法。

可以看出,隨著風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)的成熟,出現(xiàn)了眾多的風(fēng)險(xiǎn)分析軟件。但這些軟件僅是風(fēng)險(xiǎn)分析方法的軟件實(shí)現(xiàn),使風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程更有效率。并且,這些風(fēng)險(xiǎn)分析信息系統(tǒng)并不進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的橫向比較,不關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果中所蘊(yùn)含的知識(shí)。盡管這些軟件便于技術(shù)人員進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析工作,但這些風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果中所蘊(yùn)藏的知識(shí)卻沒(méi)有系統(tǒng)化和信息化。

1.3工程管理的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,工程管理已經(jīng)進(jìn)入到基于知識(shí)的智能化管理時(shí)代,很多學(xué)者在不同的領(lǐng)域構(gòu)建了不同的知識(shí)體系。文獻(xiàn)[11]根據(jù)ISO/IEC 27001標(biāo)準(zhǔn)建立了事故管理的風(fēng)險(xiǎn)控制庫(kù)。文獻(xiàn)[12]提出了一種信息和通信技術(shù)(information and communication technology, ICT)以存儲(chǔ)、重用和分享FMEA知識(shí)庫(kù)。文獻(xiàn)[13]構(gòu)建了航天工業(yè)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)本體庫(kù)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)航天工業(yè)中的經(jīng)費(fèi)管理問(wèn)題提出了一種基于模糊語(yǔ)義本體方法的知識(shí)庫(kù)。文獻(xiàn)[15]基于本體概念設(shè)計(jì)了武器裝備故障知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)組成。

綜上可知,Ontology知識(shí)庫(kù)已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用,并且也有一些風(fēng)險(xiǎn)Ontology知識(shí)庫(kù)的研究。但是還沒(méi)有綜合風(fēng)險(xiǎn)矩陣表和Ontology知識(shí)庫(kù)的研究,并且在航天工程領(lǐng)域也未見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)的相關(guān)報(bào)道。

2　研究目標(biāo)

本文的目標(biāo)是應(yīng)用語(yǔ)義分析方法分析風(fēng)險(xiǎn)矩陣表,構(gòu)建一個(gè)航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理的Ontology知識(shí)庫(kù),風(fēng)險(xiǎn)管理人員能夠應(yīng)用該Ontology知識(shí)庫(kù)發(fā)現(xiàn)、處理和共享風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)。這樣的一個(gè)Ontology知識(shí)庫(kù)是非常龐大的,因此本文將構(gòu)建某種航天器的Ontology知識(shí)庫(kù),并且僅構(gòu)建出子系統(tǒng)及以上層次的Ontology知識(shí)庫(kù)。

3　研究方法

構(gòu)建航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理的Ontology知識(shí)庫(kù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作,因此采用系統(tǒng)工程方法構(gòu)建Ontology知識(shí)庫(kù)。主要內(nèi)容包括Ontology知識(shí)庫(kù)的需求定義,Ontology知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì),Ontology知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)及Ontology知識(shí)庫(kù)的驗(yàn)證,具體過(guò)程如圖1所示。

圖1　航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)構(gòu)建的系統(tǒng)工程過(guò)程Fig.1　System engineering process of Ontology knowledge base for risk management

3.1構(gòu)建Ontology知識(shí)庫(kù)的目的

構(gòu)建航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)的目的是挖掘傳統(tǒng)文本型的風(fēng)險(xiǎn)管理文件中所蘊(yùn)含的風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí),并用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)建Ontology知識(shí)庫(kù)的原因有以下3點(diǎn):①大量的風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)蘊(yùn)含在諸如風(fēng)險(xiǎn)管理矩陣的風(fēng)險(xiǎn)管理文件中,構(gòu)建Ontology知識(shí)庫(kù)可以通過(guò)知識(shí)屬性的定義及知識(shí)的分類,將知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化和信息化;②標(biāo)準(zhǔn)化和信息化的知識(shí)有助于不同層次上風(fēng)險(xiǎn)管理元知識(shí)的重用,能夠極大地提高風(fēng)險(xiǎn)管理的效率;③標(biāo)準(zhǔn)化和信息化的知識(shí)消除了知識(shí)的不一致性,提高了風(fēng)險(xiǎn)管理的質(zhì)量。

航天產(chǎn)品的很多創(chuàng)新是集成創(chuàng)新,即多種已知產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行綜合后,會(huì)形成新的產(chǎn)品或技術(shù)。針對(duì)這種類型的創(chuàng)新,風(fēng)險(xiǎn)管理的Ontology知識(shí)庫(kù)也可以通過(guò)推理,對(duì)集成創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)事件、概率及損失進(jìn)行自動(dòng)化建模和分類。因此,本文還研究了基于Ontology知識(shí)庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)管理語(yǔ)義模型,試圖基于Ontology知識(shí)庫(kù),自動(dòng)化生成創(chuàng)新產(chǎn)品或技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)管理內(nèi)容。

3.2Ontology知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)

本文所選取的傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理文件是風(fēng)險(xiǎn)矩陣列表,因此將根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)損失及風(fēng)險(xiǎn)分類的方法對(duì)Ontology進(jìn)行屬性界定及分類。文獻(xiàn)[16]中應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法對(duì)航天工程中的系統(tǒng)總體及不同子系統(tǒng)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地記錄,因此本文的風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)主要根據(jù)該文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。因此,本文構(gòu)建的Ontology知識(shí)庫(kù)包括系統(tǒng)組成庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)事件庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)概率庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)損失庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)類型庫(kù)及風(fēng)險(xiǎn)管理庫(kù)。其中,系統(tǒng)組成庫(kù)主要包含航天工程的系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)3個(gè)子類,風(fēng)險(xiǎn)事件庫(kù)主要根據(jù)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的類型分為設(shè)計(jì)、原材料、結(jié)構(gòu)、元器件等5個(gè)子類,風(fēng)險(xiǎn)概率庫(kù)、風(fēng)險(xiǎn)損失庫(kù)及風(fēng)險(xiǎn)類型庫(kù)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法的分類標(biāo)準(zhǔn)分為5種類型,而風(fēng)險(xiǎn)管理庫(kù)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件的分類也分為5種類型。

3.3Ontology知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建

風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)的編碼過(guò)程主要由3部分構(gòu)成,分別是Ontology原始數(shù)據(jù)提取,Ontology的編碼及Ontology的推論。在進(jìn)行文本提取的過(guò)程中,本文主要應(yīng)用RapidMiner軟件[17]。該軟件能夠根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣表的數(shù)據(jù)格式提取文本信息并分類。在Ontology知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程中,將采用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)規(guī)則語(yǔ)言(semantic web rule language, SWRL),并且采用的軟件是Protégé[18]。為得到正確的、沒(méi)有冗余的Ontology,將采用基于描述性邏輯的推理器進(jìn)行Ontology的自動(dòng)化推論,一方面提高Ontology的構(gòu)建速度,同時(shí)保證Ontology知識(shí)庫(kù)的一致性。該過(guò)程主要采用的軟件是Protégé的Reasoner工具。在Ontology的構(gòu)建過(guò)程中,與負(fù)責(zé)風(fēng)險(xiǎn)管理的工程實(shí)踐人員有著充分的交流,以聽(tīng)取專家和一線人員的意見(jiàn)。

3.4Ontology知識(shí)庫(kù)的驗(yàn)證

本文采用形式驗(yàn)證和內(nèi)容驗(yàn)證兩種方法進(jìn)行Ontology知識(shí)庫(kù)的驗(yàn)證,采用了兩種類型的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表。在形式驗(yàn)證過(guò)程中,當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣表是一個(gè)殘缺的舊表時(shí)(缺少風(fēng)險(xiǎn)管理信息),本文所構(gòu)建的本體庫(kù)能夠在提取風(fēng)險(xiǎn)事件信息后,自動(dòng)給出風(fēng)險(xiǎn)管理措施建議。并且,本文所構(gòu)建的本體庫(kù)能夠通過(guò)推理實(shí)現(xiàn)新Ontolgoy類型的自動(dòng)添加。而在內(nèi)容驗(yàn)證過(guò)程中,主要采用行業(yè)專家評(píng)價(jià)的方法。

圖2給出了該Ontology知識(shí)庫(kù)構(gòu)建過(guò)程中的體系結(jié)構(gòu),包括參與主體與使用的各種工具。

圖2　Ontology知識(shí)庫(kù)構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of Ontology knowledge base

4　風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)

本文的目的是通過(guò)構(gòu)建一個(gè)Ontology知識(shí)庫(kù)使航天風(fēng)險(xiǎn)管理的知識(shí)信息化。該Ontology知識(shí)庫(kù)包括4個(gè)主要的域知識(shí)模型:系統(tǒng)組成類知識(shí)模型、風(fēng)險(xiǎn)源類知識(shí)模型、風(fēng)險(xiǎn)分類知識(shí)模型和風(fēng)險(xiǎn)事件類知識(shí)模型。

4.1系統(tǒng)組成類知識(shí)模型

系統(tǒng)組成類知識(shí)模型包括某類航天器的主要子系統(tǒng)構(gòu)成,包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、無(wú)線電測(cè)控系統(tǒng)、返回著陸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。該類知識(shí)模型是風(fēng)險(xiǎn)矩陣表與Ontology知識(shí)庫(kù)的主要接口,因?yàn)閷?shí)際的風(fēng)險(xiǎn)矩陣均是按照工程的子系統(tǒng)分類進(jìn)行分類和存儲(chǔ)的。各類子系統(tǒng)也可以進(jìn)行進(jìn)一步分解,如子系統(tǒng)可以分解為分系統(tǒng)。本文的目的是為了說(shuō)明Ontology的結(jié)構(gòu),因此在這里不再進(jìn)行更詳細(xì)的工作分解結(jié)構(gòu)。

3) 已知驅(qū)動(dòng)鐵鉆工回轉(zhuǎn)需要TH=11 894 Nm的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)傳動(dòng)比可以計(jì)算出T1=2 787 Nm，T2=4 703Nm。

4.2風(fēng)險(xiǎn)源類知識(shí)模型

風(fēng)險(xiǎn)源類知識(shí)模型包含了不同子系統(tǒng)均可能產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的原因,是對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)事件的總結(jié)。根據(jù)大量的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表,將這些風(fēng)險(xiǎn)源分為設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)源、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)源、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)源和材料風(fēng)險(xiǎn)源。其中,每類風(fēng)險(xiǎn)源還可以細(xì)分為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源,如設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)線索可以分級(jí)為方案設(shè)計(jì)、輸入設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等。這部分內(nèi)容主要是通過(guò)文本的聚類分析得到的。風(fēng)險(xiǎn)源類與系統(tǒng)組成類之間通過(guò)“System-hasRiskSource-RiskSource”和“RiskSource-isRiskSourceof-System”的屬性對(duì)應(yīng)方式建立聯(lián)系。

4.3風(fēng)險(xiǎn)分類知識(shí)模型

風(fēng)險(xiǎn)分類知識(shí)模型不同于一般的知識(shí)分類方法,僅僅對(duì)風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)損失和風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行分類,并且這些分類是相互獨(dú)立的,不存在交叉。其中,所有的類型均按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣的分類方法進(jìn)行分類:風(fēng)險(xiǎn)概率分為“Scarce”“Rare”“Accidental”“Likely”和“Frequent” 5種類型;風(fēng)險(xiǎn)損失分為“Slight”“Mild”“Medium”“Serious”和“Catastrophic” 5種類型;風(fēng)險(xiǎn)矩陣中根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)損失的不同組合對(duì)風(fēng)險(xiǎn)類型的分類,將其分為“Miminum”“Low”“Moderate”“Higher”“Highest” 5種類型。

4.4風(fēng)險(xiǎn)事件類知識(shí)模型

風(fēng)險(xiǎn)事件類知識(shí)模型描述了與某類風(fēng)險(xiǎn)源相關(guān)的具體風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)事件原因及風(fēng)險(xiǎn)管理措施。所有的風(fēng)險(xiǎn)事件和風(fēng)險(xiǎn)管理措施均通過(guò)文本分析方法來(lái)源于文獻(xiàn)[16]的風(fēng)險(xiǎn)管理矩陣。它與風(fēng)險(xiǎn)線索類(RiskSource)之間有著isRiskEventOf屬性關(guān)系限制,與RiskProbilityValuePartition之間有著hasRiskProbilityValuePartition屬性限制,與RiskSeverityValuePartition之間有著hasRiskSeverityValuePartition屬性限制。以上類型的屬性類型均為存在限制。

表1給出了所有模型的類及定義類關(guān)系的屬性。

表1　Ontology風(fēng)險(xiǎn)事件類和風(fēng)險(xiǎn)線索類

5　風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)的驗(yàn)證

采用了兩種方法進(jìn)行Ontology知識(shí)庫(kù)的驗(yàn)證,一種是內(nèi)容驗(yàn)證,一種是形式驗(yàn)證。內(nèi)容檢驗(yàn)是檢驗(yàn)所有的Ontology知識(shí)庫(kù)能否全面的描述本領(lǐng)域的所需信息,并且是否能夠支持其管理活動(dòng)。形式驗(yàn)證的目的是檢驗(yàn)所構(gòu)建的模型框架是否符合風(fēng)險(xiǎn)管理的形式化要求,對(duì)本文所構(gòu)建的Ontology知識(shí)庫(kù)來(lái)說(shuō),就是檢驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的信息能否自動(dòng)化地被完全添加到Ontology知識(shí)庫(kù)中,所有內(nèi)容與原有內(nèi)容保持一致,并且沒(méi)有信息丟失。

表2　Ontology知識(shí)庫(kù)評(píng)價(jià)結(jié)果

在形式檢驗(yàn)過(guò)程中,本文采取了Reasoner推理的方法,即通過(guò)本文分析方法抽取風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的一條風(fēng)險(xiǎn)事件信息,通過(guò)推理觀察其能否自動(dòng)化地將相關(guān)信息添加到Ontology知識(shí)庫(kù)的各種知識(shí)類中。下文以飛行失穩(wěn)(FlightInstability)為例說(shuō)明該過(guò)程。飛行風(fēng)險(xiǎn)失穩(wěn)是飛行器控制系統(tǒng)通常發(fā)生的一類風(fēng)險(xiǎn)事件,其主要原因在于總體方案設(shè)計(jì)中質(zhì)心系數(shù)和壓心系數(shù)的選擇不合理,穩(wěn)定裕度不夠,其風(fēng)險(xiǎn)源屬于設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。而其嚴(yán)重性等級(jí)是災(zāi)難(Catastrophic),發(fā)生的可能性等級(jí)是很少(Rare)。通過(guò)Reasoner推理,可以看到其風(fēng)險(xiǎn)類別為中度風(fēng)險(xiǎn),與風(fēng)險(xiǎn)矩陣表一致,并且所有信息均被推理器自動(dòng)地增加到各個(gè)類別當(dāng)中。圖3描述了該推理結(jié)果。

圖3　FlightInstability類的推理結(jié)果Fig.3　Reasoning result of FlightInstability class

6　風(fēng)險(xiǎn)管理Ontology知識(shí)庫(kù)原型

根據(jù)對(duì)某航天器風(fēng)險(xiǎn)事件的參照性識(shí)別,列舉出8個(gè)系統(tǒng)(結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、無(wú)線電測(cè)控系統(tǒng)、返回著陸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn))和4大風(fēng)險(xiǎn)線索(設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)線索、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)線索、結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)線索和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)線索)下的12個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)線索(方案設(shè)計(jì)、輸入設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)可靠性、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)?zāi)芰?、試?yàn)效果、元器件、軟硬件接口、系統(tǒng)接口、新材料和新工藝)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件舉例,并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)性的自動(dòng)歸類管理。列舉的風(fēng)險(xiǎn)事件如表3所示。

表3　某航天器基本風(fēng)險(xiǎn)事件

根據(jù)表3中所列舉的風(fēng)險(xiǎn)事件,參照已有的材料對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生的可能性等級(jí)和嚴(yán)重性等級(jí)的相關(guān)評(píng)價(jià),可以給出其綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。據(jù)此,進(jìn)行5級(jí)綜合評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分,具體見(jiàn)表4(所有符號(hào)采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣表的符號(hào))。

根據(jù)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的屬性描述,按照上述Ontology知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方式,構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)事件結(jié)果如圖4所示。

采用Ontology的推理機(jī)功能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件類的自動(dòng)分類推理,推理結(jié)果如圖5所示,12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件都對(duì)應(yīng)的推理到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類別中。

根據(jù)自動(dòng)推理結(jié)果,對(duì)照給出的風(fēng)險(xiǎn)事件的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)描述,可發(fā)現(xiàn)推理結(jié)果與其一一對(duì)應(yīng),驗(yàn)證了Ontology自動(dòng)推理功能的準(zhǔn)確性。

使用Ontology知識(shí)庫(kù)對(duì)航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理有重要的作用。首先,可以有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事件的準(zhǔn)確識(shí)別和等級(jí)劃分,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行按系統(tǒng)、按風(fēng)險(xiǎn)線索和按風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的不同要求對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確歸類存儲(chǔ)和便捷的查詢管理。其次,便于新風(fēng)險(xiǎn)事件的歸類查詢及風(fēng)險(xiǎn)管理措施的匹配。當(dāng)某一工程發(fā)生某類風(fēng)險(xiǎn)事件時(shí),可以在該Ontology知識(shí)庫(kù)根據(jù)其屬性定義自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)事件分類,并根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行精確匹配。第三,支持未來(lái)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)及智能決策。

表4　風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)應(yīng)的屬性描述

圖4　風(fēng)險(xiǎn)事件類Fig.4　Class of risk events

圖5　風(fēng)險(xiǎn)事件自動(dòng)推理類別劃分Fig.5　Classification of risk events by reasoner

7　結(jié)　論

本文用基于本體的語(yǔ)義建模方法對(duì)航天工程中通常采用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行知識(shí)建模,構(gòu)建了一個(gè)針對(duì)航天工程風(fēng)險(xiǎn)管理的Ontology知識(shí)庫(kù)。通過(guò)形式檢驗(yàn)和內(nèi)容檢驗(yàn)兩種途徑,本文證明了該Ontology知識(shí)庫(kù)不僅完整地反映了風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的各項(xiàng)信息,并且在分類過(guò)程中保證了信息的一致性。風(fēng)險(xiǎn)管理者可以在該Ontology知識(shí)庫(kù)中查詢各類風(fēng)險(xiǎn)信息,如某個(gè)子系統(tǒng)的所有風(fēng)險(xiǎn)事件、某件風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)概率等。當(dāng)進(jìn)行某項(xiàng)航天工程項(xiàng)目時(shí),還可以根據(jù)該Ontology知識(shí)庫(kù)形成特定的風(fēng)險(xiǎn)矩陣。并且,該Ontology使不同部門之間的工作協(xié)同更為便利和準(zhǔn)確,避免由于信息不一致產(chǎn)生的“次風(fēng)險(xiǎn)”現(xiàn)象及不必要的成本增加。在今后的研究中,可以將該Ontology知識(shí)庫(kù)與航天工程型號(hào)設(shè)計(jì)工作結(jié)合在一起,通過(guò)三維顯示嵌入到型號(hào)的數(shù)字化設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)信息與其他設(shè)計(jì)信息的融合。并且,還可以將該Ontology庫(kù)與決策信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)基于風(fēng)險(xiǎn)的方案決策和管理決策。

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Risk management knowledge base for aerospace engineering based on Ontology-based semantic modeling

MAI Qiang1, WANG Ning1, AN Shi1, WANG Zhao2

(1. School of Management, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.ShanghaiAerospaceSystemsEngineeringInstitute,Shanghai201108,China)

A lot of information about risk events, occurrence probability and risk management measures are proposed by different methods of risk analysis in aerospace industry. However, the information that scattered in different organizations and projects is not transformed into unified and reusable knowledge of risk management for efficient risk analysis. An Ontology-based knowledge base for one aerospace engineering is proposed by using the semantic-modeling method. It consists of four main knowledge models, namely, the system model, the risk source model, the risk classification model and the risk event model. The formal test and the content test are conducted for to verify the integrity and consistency of the Ontology-based knowledge base. Finally, a prototype of the Ontology-based knowledge base is proposed by using Protégé as a case to illustrate the validity and applicability in risk management.

aerospace engineering; risk management; knowledge base; Ontology-based semantic modeling

2016-02-22；

2016-04-15；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-06-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金(71390522,71571057)資助課題

V 57

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.10.16

麥強(qiáng)(1977-),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)楹教煜到y(tǒng)工程、風(fēng)險(xiǎn)分析。

E-mail: maiqiang@hit.edu.cn

王寧(1978-),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)楹教旃こ坦芾怼?/p>

E-mail:13911189211@139.com

安實(shí)(1968-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)楹教煜到y(tǒng)工程。

E-mail:anshi@hit.edu.cn

王釗(1983-),女,高級(jí)工程師,碩士,主要研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)。

E-mail:wangzhaoii@sina.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160619.1134.014.html