国际海上避碰规则知识图谱的构建方法及推理装置

1.本发明属于国际海上避碰领域，具体涉及一种国际海上避碰规则知识图谱的构建方法及推理装置。


背景技术：

2.近年来随着计算机行业的发展，智能船舶的应用需求也日益增长。在以智能船舶自主避碰的研究过程中愈发凸显了规则的重要性，目前基于避碰规则的专家系统的是当下规则在船舶智能化方面较为成熟的应用，专家知识库的优点是知识覆盖全面，推理机和知识库相互独立又可以协同作用，但在处理实时数据和非确定性问题上还没有很好的解决方案。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种国际海上避碰规则知识图谱的构建方法及推理装置，构建国际海上避碰规则知识图谱。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种国际海上避碰规则知识图谱的构建方法，包括：
5.1)抽取国际海上避碰规则知识；
6.2)识别规则中的实体与关系，构建规则本体；
7.3)通过图数据库、关系数据库等方式对构建的本体进行存储形成避碰规则图谱。
8.4)根据国际海上避碰规则图谱，实现对规则知识自动推理。
9.采用知识表示的一般方法将避碰规则知识分为规则实体、实体属性以及避碰约束。国际海上避碰规则描述了水上交通对象及其时序行为组合，形式化表达为：colregs＝{o，b，t，s}；其中o表示对象类，b表示行为类，s表示场景类，t表示时间类。
10.对象类是水上交通实体的集合。水上交通对象类形式化表达为：o＝{oh，oe，os}，其中oh为人员类、oe为环境类、os为船舶类；人员类主要用来表示规则中定义的与船舶有关的人员集合oh＝{o
h1
，o
h2
，...o
hn
}(n＝1，2，3...)；环境类主要是用来描述船舶航行时的周遭环境的集合oe＝{o
e1
，o
e2
，...o
en
}(n＝1，2，3...)，自然环境类与交通环境类作为环境类的子类，前者主要描述自然环境包括风、浪、雾、雨、雪、霾等，后者主要是用来描述船舶航行时的水域特征；船舶类是用来描述避碰规则中定义的船舶的集合os＝{o
s1
，o
s2
，...o
sn
}(n＝1，2，3...)，按照不同的操纵能力可划分为：帆船、从事捕鱼船、一般机动船、特殊操纵能力船，同时规则上还对不同尺度的船舶也进行了约束，故按不同的船舶尺度可分为：50米及以上的船舶、12米至50米的船舶、小于12米的船舶。
11.行为类是人员和船舶的行为总体描述，包涵人员行为、船舶动作和船舶交通行为。人员行为是规则对人员应尽的责任的规范，船舶动作是船舶具体的操纵行为，是在避碰场景中的船舶行为具像化表达，包括船舶的左转、右转、加速、直行、停车、倒车等具体的行为特征，而船舶交通行为则是船舶行为的抽象表达，主要包括追越行为、对遇行为、右交叉行
为、左交叉行为等。
12.时间类是对交通对象的行为的持续的时间的描述，在规则本体中表达为开始时间、结束时间两种。
13.交通场景类是规则知识的核心组成，可以是对当前船舶会遇局面的描述，也可以是对船舶处于会遇场景下的行为指导。根据规则可将场景划分为六大类：不同种类船舶会遇场景、交叉相遇场景、对遇场景、帆船相遇场景、追越场景、能见度不良会遇场景。
14.将规则形式化表达的结果所产生的实体作为避碰规则本体的概念或类、实体属性作为规则本体对象属性或数据属性、避碰约束作为本体避碰决策规则，在将实体属性转换成本体属性时，一般地，实体之间的关系转化成对象属性，如人员类与行为类之间的执行关系，转换成本体的对象属性objectproperties:execbehavior，用来对实体自身特征的详细描述的属性转换为本体的数据属性，如船舶自身的长度、船名转换成dataproperties:length、data properties:name，避碰约束则是用来作为规则知识推理的前置条件。利用本体构建软件构建规则本体，国际海上避碰规则本体的表达方式为四元组，四元组的格式为(知识类，属性，避碰决策规则，知识实例)，并在避碰规则专家和本体专家的审核下，生成避碰规则本体。
15.在国际海上避碰规则知识本体的基础上，不断扩充实体，并建立实体间关系，实体属性；通过知识推理并在已有的知识库基础上进一步挖掘隐含知识，从而扩展知识库；定义知识推理规则，实现避碰场景自动判断。
16.本发明还提供一种国际海上避碰规则知识图谱推理装置，国际海上避碰规则知识图谱构建装置包括若干处理器与存储器，存储器用来存储若干计算机程序，处理器用来执行存储器中的程序用来增添新的实例，保证图谱的可扩充性；
17.此外规则图谱推理装置还包括实体识别模块，用于基于知识图谱，从外部传感器中获取船舶数据与避碰规则图谱进行实体与属性匹配；
18.图计算模块，所述实体识别模块输出的实体与属性，进行图计算，筛选船舶适用规则条款；
19.交互模块，用于调用图计算模块，获取船舶适用规则，与规则场景模型相匹配，生成符合当前局面的规则条款，并结合图谱推理模块将推理结果推送给用户。
20.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
21.本发明不仅能够实现国际海上避碰规则知识的可视化表达，而且利用知识图谱技术全面梳理避碰规则知识，为船舶智能避碰算法提供参考依据；并根据避碰规则知识图谱构建了一套基于规则知识的自动推理装置，能实现水上交通对象识别、会遇场景判断与符合规则的避碰行为指导。
附图说明
22.图1为本发明的国际海上避碰规则知识图谱的构建方法流程图；
23.图2为本发明国际海上避碰规则知识图谱构建装置的结构示意图；
24.图3为本发明国际海上避碰规则知识图谱构推理装置示意图；
25.图4为本发明实体识别模式层图；
26.图5为本发明国际海上避碰规则知识图谱示意图；
27.图6为本发明国际海上避碰规则知识图谱推理装置整体示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.图1为本发明的国际海上避碰规则知识图谱的构建方法流程图，国际海上避碰规则知识图谱的构建方法，包括：
30.1)抽取国际海上避碰规则知识；
31.2)识别规则中的实体与关系，构建规则本体；
32.3)通过图数据库、关系数据库等方式对构建的本体进行存储形成避碰规则图谱。
33.4)根据国际海上避碰规则图谱，实现对规则知识自动推理。
34.本实施例的国际海上避碰规则知识图谱构建装置，如图2所示，包括以下单元结构：
35.避碰规则本体构建单元100，利用四元组的方式对规则所述实体、场景进行属性关联，形成避碰规则本体；
36.数据收集单元101，主要将收集到的数据进行储存与管理并为规则本体提供数据属性并将规则本体实例化；
37.文本数据单元102，文本数据主要是指imo或地方主管当局颁布的新的规章或建议；
38.航行数据单元103，航行数据包括船舶航行时的航向、航速、号灯、号型、车、舵等数据信息；
39.图谱构建单元104，结合图数据库与规则本体生成避碰规则图谱。
40.从海事事故调查报告中获取文本数据，并识别出文本数据中的实体，如：船舶、交通场景、碰撞时间等，其次结合航行数据获取船舶运动状态，抽取这两种数据并以四元组的格式(知识类，属性，避碰决策规则，知识实例)构建国际海上避碰规则本体，最后将规则本体导入数据库neo4j中形成规则知识图谱。
41.如图3所示，国际海上避碰规则知识图谱推理装置的示意图，包括：
42.避碰规则知识图谱s01，是图计算与实体识别模块的基础，同时图计算与实体识别模块的结构也能动态反馈与知识图谱从而补充扩充图谱；
43.实体识别模块s02，用于所述的知识图谱，从传感器单元获得数据源并进行实体与属性识别；
44.图计算模块s03，用于基于所述的知识图谱、实体识别模块输出的实体及属性进行图计算，识别当前船舶所处场景；
45.交互模块s04，用于调用图计算模块的输出结果反馈给用户。
46.具体实施过程为：从船载航行设备处获取船舶当前航向、航速、位置等数据由实体识别模块s02进行实体识别，将识别的实体通过图计算模块s03计算出通船舶当前处于的会遇场景，并通过交互模块s04向用户推送推理当前会遇场景，并向用户建议该场景下符合避
碰规则的避碰策略。
47.知识图谱实体识别模式如图4所示，图4定义了实体class(船舶)并定义了实体属性string(用作或者能够用作水上运输工具)，结合instance(机动船)定义实体属性string(用机器推进的任何船舶)、location(纬度,经度)、数据属性(航向，相对方位，相对距离，航速)，以及定义机动船使用的规则，利用上述的识别模式对水上交通对象进行识别，形成图知识推理的基础。
48.在识别的实体基础上，图计算模块s03内置了11条swrl推理规则来实现规则图谱会遇场景的识别与避碰策略推荐功能。部分swrl推理规则如表1所示：
49.表1部分swrl推理表
[0050][0051][0052]
规则1表示船舶a收到与船舶b有碰撞危险，分别警告a,b两船，并断言船舶两船都有碰撞危险。
[0053]
规则2则是定义了一级操纵能力的机动船(一级操纵能力指除从事捕鱼船、失控船、帆船、操限船之外的机动船)航向差值在174
°
≤δc≤186
°
范围内且两船收到了碰撞危险警告的情况下为对遇场景。
[0054]
规则3则是定义了给出了船舶在对遇局面下的行为指导，即各自向右转。
[0055]
规则4定义一级操纵能力的机动船舷角差值在6
°
≤δq≤112.5
°
范围内且两船存在碰撞危险的行为为右交叉行为。
[0056]
规则5则是定义了左交叉行为。
[0057]
规则6、7则是定义让路与直航的船舶。
[0058]
规则8给出了在交叉情景下让路船应采用右转的方式让路。
[0059]
规则9定义了两船的舷角差值在112.5
°
≤δq≤247.5
°
且两船间的速度关系y1＞x1cosq的情况下为追越行为。
[0060]
规则10则是定义了在追越情景下的方位处于112.5
°
≤δb≤247.5
°
为让路船。
[0061]
规则11则是定义了追越场景下的让路船应采取左转让路的行为。
[0062]
依据上述自定义推理规则可实现国际海上避碰规则知识图谱的推理功能，展现出规则图谱智能化的特点。
[0063]
图计算模块，对识别的实体进行属性路径计算，得到与实体相关联的节点，并结合自定义的规则进行推理，将得到的推理结果推荐给用户。
[0064]
知识图谱建立完成后以rdf的形式存储在图数据库中，现给出部分结果示例如图5所示，确定实体间的上下层级关系构建isa网络，其次添加实体属性并进行属性关联，最后形成避碰规则知识图谱。
[0065]
本发明还提供一种国际海上避碰规则知识图谱推理装置，如图6所示，国际海上避碰规则知识图谱构建装置包括若干处理器与存储器，存储器用来存储若干计算机程序，处理器用来执行存储器中的程序用来增添新的实例，保证图谱的可扩充性；
[0066]
此外规则图谱推理装置还包括实体识别模块，用于基于知识图谱，从外部传感器中获取船舶数据与避碰规则图谱进行实体与属性匹配；
[0067]
图计算模块，所述实体识别模块输出的实体与属性，进行图计算，筛选船舶适用规则条款；
[0068]
交互模块，用于调用图计算模块，获取船舶适用规则，与规则场景模型相匹配，生成符合当前局面的规则条款，并结合图谱推理模块将推理结果推送给用户。
[0069]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。