基于本体推理的单一飞行员驾驶模式自适应切换方法

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2025.10.21

系统工程与电子技术 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (10): 3367-3377.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2025.10.21

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基于本体推理的单一飞行员驾驶模式自适应切换方法

董磊¹^,², 余永跃³, 刘嘉琛¹^,⁴, 陈曦¹^,²^,*

1. 中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300
2. 中国民航大学科技创新研究院，天津 300300
3. 陕西千山航空电子有限责任公司，陕西西安 710065
4. 中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300

收稿日期:2023-12-25 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-10-23
通讯作者: 陈曦
作者简介:董　磊（1983—），男，副研究员，博士，主要研究方向为民机航电系统适航审定
余永跃（1998—），男，硕士研究生，主要研究方向为单一飞行员驾驶模式
刘嘉琛（1996—），男，博士研究生，主要研究方向为智能航电系统
基金资助:
中央高校基本科研业务费（3122022044）资助课题

Single-pilot operation mode adaptive switching method based on ontological reasoning

Lei DONG¹^,², Yongyue YU³, Jiachen LIU¹^,⁴, Xi CHEN¹^,²^,*

1. Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness Technology，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
2. Department of Science and Technology，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
3. Shaanxi Qianshan Avionics Company Limited，Xi’an 710065，China
4. College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2023-12-25 Online:2025-10-25 Published:2025-10-23
Contact: Xi CHEN

摘要/Abstract

摘要：

单一飞行员驾驶(single-pilot operation，SPO)模式具有领域知识体量庞大、体系复杂、重复使用困难等特点，导致领域知识认知不统一、自适应智能驾驶模式界定模糊等问题。针对这些问题，首先，分析SPO模式协同飞行组织架构并梳理其领域相关知识，基于Protégé构建面向SPO模式的多领域语义网络本体模型。其次，结合SPO模式自适应切换方法推理框架和流程，基于本体和语义网规则语言(semantic web rule language，SWRL)定义本体语义特征规则和数值特征规则，以推理在不同运行场景下的高匹配性自适应驾驶模式。最后，基于指标体系定量评估SPO模式领域本体模型质量。评估结果表明，所设计的SPO模式领域本体模型具有高内聚、低耦合的特性。构建的典型飞行场景案例验证了SPO模式自适应切换逻辑的可行性，以及本体的一致性和自适应切换驾驶模式的正确性。

关键词: 单一飞行员驾驶模式, 本体推理, 语义网规则语言, 智能驾驶模式, 自适应切换

Abstract:

Single-pilot operation （SPO） mode has the characteristics of a large amount of domain knowledge, complex system, and difficulty in reuse, which leads to problems such as inconsistent domain knowledge cognition and vague definition of adaptive intelligent driving mode. In order to solve these problems, firstly, the organizational structure of the SPO mode collaborative flight is analyzed, and the domain related knowledge is sorted out, and a multi-domain semantic network ontology model for the SPO model is constructed based on Protégé. Secondly, combined with the reasoning framework and process of SPO mode adaptive switching method, ontology semantic feature rules and numerical feature rules are defined based on ontology and semantic web rule language （SWRL）, in order to infer high-matching adaptive driving modes in different operating scenarios. Finally, the quality of the SPO mode domain ontology model is quantitatively analyzed based on the index system. The evaluation results show that the SPO mode domain ontology model has the characteristics of high cohesion and low coupling. The constructed typical flight scenario case verifies the feasibility of the adaptive switching logic of the SPO mode, the consistency of the ontology and the correctness of switching the adaptive driving mode.

Key words: single-pilot operation （SPO） mode, ontological reasoning, semantic web rule language （SWRL）, intelligent driving mode, adaptive switching

中图分类号:

V 328

董磊, 余永跃, 刘嘉琛, 陈曦. 基于本体推理的单一飞行员驾驶模式自适应切换方法[J]. 系统工程与电子技术, 2025, 47(10): 3367-3377.

Lei DONG, Yongyue YU, Jiachen LIU, Xi CHEN. Single-pilot operation mode adaptive switching method based on ontological reasoning[J]. Systems Engineering and Electronics, 2025, 47(10): 3367-3377.

图/表 14

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参考文献 31

1	COMERFORD D, BRANDT S L, LACHTER J B, et al. NASA’s single-pilot operations technical interchange meeting: proceedings and findings[C]//Proc. of the Technical Interchange Meeting, 2013.
2	WOLTER C A, GORE B F. A validated task analysis of the single pilot operations concept[R]. Washington D. C.: National Aeronautics and Space Administration, 2015.
3	王淼, 肖刚, 王国庆. 单一飞行员驾驶模式技术[J]. 航空学报, 2020, 41 (4): 323541.
	WANG M, XIAO G, WANG G Q. Single-pilot driving mode technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41 (4): 323541.
4	SPRENGART S M, NEIS S M, SCHIEFELE J. Role of the human operator in future commercial reduced crew operations[C]//Proc. of the IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference, 2018.
5	WANG M, LUO Y, HUANG K, et al. Optimization and verification of single pilot operations model for commercial aircraft based on biclustering method[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, 36 (5): 286- 305. doi: 10.1016/j.cja.2022.10.014
6	WANG G Q, LI M, WANG M, et al. A systematic literature review of human-centered design approach in single pilot operations[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, 36 (11): 1- 23. doi: 10.1016/j.cja.2023.07.026
7	许为, 陈勇, 董文俊, 等. 大型商用飞机单一飞行员驾驶的人因工程研究进展与展望[J]. 航空工程进展, 2021, 13 (1): 1- 18.
	XU W, CHEN Y, DONG W J, et al. Research progress and prospect of human factors engineering for single pilot piloting of large commercial aircraft[J]. Progress in Aeronautical Engineering, 2021, 13 (1): 1- 18.
8	YANG L, CORMICAN K, YU M. Ontology-based systems engineering: a state-of-the-art review[J]. Computers in Industry, 2019, 111, 148- 171. doi: 10.1016/j.compind.2019.05.003
9	ZHANG X, SUN Y C, ZHANG Y J. Ontology modelling of intelligent HCI in aircraft cockpit[J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2021, 93 (5): 794- 808. doi: 10.1108/AEAT-11-2020-0255
10	INSAURRALDE C C, BLASCH E P, COSTA P C G, et al. Uncertainty-driven ontology for decision support system in air transport[J]. Electronics, 2022, 11 (3): 362. doi: 10.3390/electronics11030362
11	王明达, 李云飞, 吴志生, 等. 面向燃驱压缩机组的故障知识本体建模及应用研究[J]. 安全与环境学报, 2023, 23 (10): 3472- 3482.
	WANG M D, LI Y F, WU Z S, et al. Research on fault knowledge ontology modeling and application for combustion drive compressor unit[J]. Journal of Safety and Environment, 2023, 23 (10): 3472- 3482.
12	MENG Z C, TANG T, WEI G D, et al. Analysis of ATO system operation scenarios based on UPPAAL and the operational design domain[J]. Electronics, 2021, 10 (4): 503. doi: 10.3390/electronics10040503
13	HU X, LIU J. Requirements knowledge model construction and requirements elicitation method of avionics systems software based on multi-ontology[C]//Proc. of the 24th International Conference on Advanced Communication Technology, 2022: 1265−1279.
14	杨丽晨. 基于本体的STPA起落架刹车系统安全性分析方法研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2022.
	YANG L C. Research on safety analysis method of STPA landing gear braking system based on ontology[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2022.
15	董磊, 刘嘉琛, 陈曦, 等. 面向适航符合性的智能航电系统认证研究进展[J]. 航空工程进展, 2023, 14 (3): 26- 40.
	DONG L, LIU J C, CHEN X, et al. Research progress on certification of intelligent avionics system for airworthiness compliance[J]. Advances in Aeronautical Engineering, 2023, 14 (3): 26- 40.
16	NEIS S M, KLINGAUF U, SCHIEFELE J. Classification and review of conceptual frameworks for commercial single pilot operations[C]//Proc. of the IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference, 2018.
17	董磊, 陈泓兵, 陈曦, 等. 基于DQN的单一飞行员驾驶模式分布式多智能体联盟任务分配策略[J]. 航空学报, 2023, 44 (13): 327895.
	DONG L, CHEN H B, CHEN X, et al. Task assignment strategy of distributed multi-agent alliance based on single pilot driving mode based on DQN[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44 (13): 327895.
18	赵长啸, 李浩, 张伟, 等. 涌现性视角下机载系统人机交互安全性分析[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32 (11): 113- 120.
	ZHAO C X, LI H, ZHANG W, et al. Safety analysis of human-computer interaction in airborne system from the perspective of emergence[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32 (11): 113- 120.
19	刘嘉琛, 董磊, 陈曦, 等. 基于改进STPA-DEMATEL的智能航电系统致因要素分析[J]. 系统工程与电子技术, 2024, 46 (6): 2023- 2033.
	LIU J C, DONG L, CHEN X, et al. Analysis of causal factors of intelligent avionics system based on improved STPA-DEMTEL[J]. Systems Engineering and Electronics, 2024, 46 (6): 2023- 2033.
20	张炯, 曾锐. 商用飞机单一飞行员驾驶模式设计及测试[J]. 航空科学技术, 2020, 31 (6): 42- 49.
	ZHANG J, ZENG R. Design and test of single-pilot driving mode for commercial aircraft[J]. Aeronautical Science and Technology, 2020, 31 (6): 42- 49.
21	刘沁宇. 基于飞行场景的民机驾驶舱人机界面评估与需求捕获方案的研究[D]. 天津: 中国民用航空飞行学院, 2022.
	LIU Q Y. Research on human-machine interface evaluation and demand capture scheme of civil aircraft cockpit based on flight scenario[D]. Tianjin: Civil Aviation Flight University of China, 2022.
22	PIERA M A, MUNOZ J L, GIL D, et al. A socio-technical simulation model for the design of the future single pilot cockpit: an opportunity to improve pilot performance[J]. IEEE Access, 2022, 10, 22330- 22343. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3153490
23	HERNANDEZ S A, YAURI J, FOLCH P, et al. Recognition of the mental workloads of pilots in the cockpit using EEG signals[J]. Applied Sciences, 2022, 12 (5): 2298. doi: 10.3390/app12052298
24	LI Q B, CHEN C H, KAM K H, et al. Single-pilot operations in commercial flight: effects on neural activity and visual behaviour under abnormalities and emergencies[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2024, 37 (8): 277- 292. doi: 10.1016/j.cja.2024.04.007
25	NASA. Human integration design handbook (HIDH)[R]. Cologne: European Union Aviation Safety Agency, 2010.
26	AC 00-24C. Thunderstorms[S]. Washington D.C.: Federal Aviation Administration, 2013.
27	AC 00-30C. Clear air turbulence avoidance[S]. Washington D.C.: Federal Aviation Administration, 2016.
28	AC 00-54C. Pilot windshear guide[S]. Washington D.C.: Federal Aviation Administration, 1988.
29	AC 00-6B. Aviation weather[S]. Washington D.C.: Federal Aviation Administration, 2016.
30	OH S, YEOM H Y, AHN J. Cohesion and coupling metrics for ontology modules[J]. Information Technology and Management, 2011, 12, 81- 96. doi: 10.1007/s10799-011-0094-5
31	LIU J, GARDI A, RAMASAMY S, et al. Cognitive pilot-aircraft interface for single-pilot operations[J]. Knowledge-Based Systems, 2016, 112, 37- 53. doi: 10.1016/j.knosys.2016.08.031

生理参数	数值/语义特征规则
体温/℃	略感不便：36.5~37.5
	感到不适：38.0~38.5（持续≤20min）
	执行任务能力下降：38.0~38.5（持续＞20min）
	永久生理损伤：>38.5
心率/BPM	晕眩乏力：<40
	正常：40~100
	感到压力、焦虑：100~140
	激动、发热、可能昏厥：>140

环境参数	数值/语义特征规则
氧气含量/mmHg	过多：148~160
	适中：125~148
	较少：92~107
	极少：<92
振动均方根/g	弱：0~0.064
	中：0.064~0.101
	强：0.101~0.163
	极强：0.204~0.400
天气雷达降水强度/dBZ	弱：<30
	中：30~40
	强：40~50
	极强：>50

类别	OWL描述
类	<Declaration> < Class IRI=”#SinglePilot”/> </ Declaration>
属性	<Declaration> <ObjectProperty IRI=”# hasTakeAction”/> </ Declaration> <ObjectPropertyDomain> <ObjectProperty IRI=”# hasTakeAction”/> < Class IRI=”# SinglePilot”/> </ObjectPropertyDomain >
对象属性	<ObjectPropertyRange> <ObjectProperty IRI=”# hasTakeAction”/> < Class IRI=”# PilotOperation”/> </ObjectPropertyRange > <FunctionObjectPropertyRange> <ObjectProperty IRI=”# hasTakeAction”/> </ FunctionObjectPropertyRange >
实例	<ClassAssertion> < Class IRI=”# SinglePilot”/> <NamedIndividual IRI=”#复飞”/> </ ClassAssertion>

类型	编号	SWRL规则
单一飞行员状态推理	Rule-1	S-PF（?A） ^ CoreTemperature（?A，?X） ^ greaterThan（?X，38） → hasLoadClass （?A，Class I Load）
单一飞行员状态推理	Rule-2	S-PF（?A） ^ BlinkFrequency（?A，?X） ^ lessThanOrEqual（?X，5） → hasLoadClass （?A，Class I Load）
飞机运行环境推理	Rule-3	S-PF（?A） ^ ExternalEnvironment（?p） ^ WindShear（?p，?c） ^ greaterThanOrEqual（?c，0.1） → hasEnvironmentalState（?p，UnusualEnvironment）
飞机运行环境推理	Rule-4	S-PF（?A） ^ ExternalEnvironment（?p） ^ CockpitVibration（?p，?c） ^ greaterThanOrEqual（?c，0.101） → hasEnvironmentalState（?p，UnusualEnvironment）
飞机性能参数推理	Rule-5	S-PF （?A） ^ FlightPhase（?A，?C） ^ Approach（?C） ^ Vrtg（?A，?O） ^ greaterThan（?O，1.1） ^ Altr（?A，?N） ^ greaterThan（?N，2.74） ^ hasManipulation（?A，?X） ^ Land（?X） → hasStatus（?A，AbnormalOperation）
飞机性能参数推理	Rule-6	S-PF （?A） ^ FlightPhase（?A，?C） ^ Approach（?C） ^ Vrtg（?A，?O） ^ greaterThan（?O，3.04） ^ hasManipulation（?A，?X） ^ Land（?X） → hasStatus（?A，AbnormalOperation）
复合推理规则	Rule-7	S-PF（?A）^CoreTemperature（?A,?X）^greaterThan（?X,38）^ExternalEnvironment（?P）^CockpitVibration（?P,?C） ^ greaterThanOrEqual（?C，0.101） ^ FlightPhase（?A，?K） ^ Approach （?K） ^ Vrtg（?A，?O） ^ greaterThan（?O，1.1） ^ Altr（?A，?N） ^ greaterThan（?N，2.74） ^ hasManipulation（?A，?U） ^ Land（?U） → hasLoadClass （?A，Class I Load） ^ hasEnvironmentalState（?p，AbnormalEnvironment） ^ hasStatus（?A，AbnormalOperation）

模块	类数量	关系最短距离	层次结构数关系	非层次结构数	NSHR	NSNR	Coh（M_k）	Coup（M_k）
M₁	8	（1,13）（2,5）	7	4	3	0	0.554	0.300
M₂	9	（1,14）（2,13）	8	7	2	0	0.569	0.175
M₃	12	（1,21）（2,19）	13	9	3	0	0.462	0.161

基于本体推理的单一飞行员驾驶模式自适应切换方法

Single-pilot operation mode adaptive switching method based on ontological reasoning

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[1]	付卫红，张飞，刘乃安. 基于改进AMC的LTE MIMO模式自适应切换算法[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2013, 35(1): 191-195.
[2]	王洪伟1，霍佳震1，王伟2，廖雅国3. 面向语义检索应用的本体模型结构设计[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2010, 32(1): 166-174.