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基于多源异构信息的船舶碰撞事故防控知识图谱研究

余红楚 郭正 魏天明 许磊 方庆龙

余红楚, 郭正, 魏天明, 许磊, 方庆龙. 基于多源异构信息的船舶碰撞事故防控知识图谱研究[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 10-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.002
引用本文: 余红楚, 郭正, 魏天明, 许磊, 方庆龙. 基于多源异构信息的船舶碰撞事故防控知识图谱研究[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 10-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.002
YU Hongchu, GUO Zheng, WEI Tianming, XU Lei, FANG Qinglong. A Knowledge Graph of Ship Collision Prevention and Control Based on Multi-source Heterogeneous Information[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 10-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.002
Citation: YU Hongchu, GUO Zheng, WEI Tianming, XU Lei, FANG Qinglong. A Knowledge Graph of Ship Collision Prevention and Control Based on Multi-source Heterogeneous Information[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 10-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.002

基于多源异构信息的船舶碰撞事故防控知识图谱研究

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.002
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2022YFC3302703

国家自然科学基金项目 42101429

国家自然科学基金项目 42371415

中国科学技术协会青年人才托举工程项目 YESS20220491

海南省教育厅项目 Hnjg2024-284

详细信息
    通讯作者:

    余红楚(1990—),博士,教授. 研究方向:水路运输大数据建模与预测研究.E-mail:hcyu@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U69

A Knowledge Graph of Ship Collision Prevention and Control Based on Multi-source Heterogeneous Information

  • 摘要: 传统水上交通事故研究主要利用事故案例挖掘事故致因和事故间相互影响关系,在反映事故全过程和人-船-货-环-管-信等要素间相互作用方面存在不足。为此,以船舶碰撞事件为例,基于多源异构信息构建了水上交通事故领域船舶碰撞事故防控知识图谱。充分考虑“事件-时空行为-事件致因-事件后果-责任主体-处置决策”事故组成要素,提出了船舶碰撞事故知识标准化框架;构建了基于中文全词掩码预训练语言模型(Chinese-bert-wwm)的知识抽取模型;依托Neo4j数据库,构建了船舶碰撞事故防控知识图谱,图谱包括15种实体类型和39种关系类型,包含35 784个实体和325 097个关系。所提船舶碰撞事故防控知识图谱,在规模上显著优于现有水上交通领域的知识图谱,知识自动抽取的精度达到85%,明显高于隐马尔可夫模型(hidden Markovmodel,HMM)和条件随机场(conditional random field,CRF)等模型。其中,“船舶”“人员特征”“时间”“人员”和“法律法规”类实体上下文推理的F1值分别为95%、91%、89%、88%和88%,关系识别的F1值达到94%。以上结果表明:通过Chinese-bert-wwm模型提取船舶碰撞事故的语义特征,增强了知识抽取模型的泛化能力。本研究不仅可以支持对船舶碰撞事故知识表示、海事执法人员对事故的回溯及利用,也有助于提高水上交通系统的管理效能。

     

  • 图  1  船舶碰撞防控知识图谱构建流程

    Figure  1.  Ship collision prevention and control knowledge graph construction process

    图  2  船舶碰撞防控知识图谱概念结构

    Figure  2.  Conceptual structure of ship collision prevention and control knowledge graph

    图  3  船舶碰撞事故知识三元互联网络

    Figure  3.  Ternary internet network of ship collision accident safety knowledge

    图  4  实体识别模型

    Figure  4.  Named entity recognition module

    图  5  关系抽取模型

    Figure  5.  Relation extraction module

    图  6  Label-studio标注示例

    Figure  6.  Annotation example in Label-Studio.

    图  7  实体识别结果

    Figure  7.  Named entity recognition results

    图  8  关系抽取结果

    Figure  8.  Relation extraction results

    图  9  船舶碰撞防控知识图谱示例

    Figure  9.  Example of ship collision prevention and control knowledge graph

    图  10  船舶碰撞防控知识图谱实体类型

    Figure  10.  Entity distribution of the ship collision prevention and control knowledge graph

    图  11  船舶碰撞防控知识图谱关系分布

    Figure  11.  Relationships distribution of the ship collision prevention and control knowledge graph

    图  12  知识图谱节点嵌入聚类效果

    Figure  12.  Knowledge graph node embedding clustering effect

    图  13  碰撞案例最短路径查询

    Figure  13.  Shortest path query for collision case

    图  14  知识图谱查询

    Figure  14.  Knowledge graph query

    表  1  各类实体及属性定义

    Table  1.   Definitions of the various types of entities and attributes

    类型 名称 定义
    实体 事故 串联所有实体的重要一环
    船舶 作为知识图谱的骨干,船舶实体直接从信息源中提取并链接到其他实体类型
    船舶动态 事故发展过程中,船舶行为一直处于动态变化中,船舶动态记录事故的演变过程
    人员 人员是整个事故的重要一环,人员的行为、决策和技能直接影响着事故的发展,与多类实体有链接关系
    组织 包括海上安全调查机构、船舶检验机构、船舶修造厂、航运管理公司等其他机构,在事故的管理、调查、处理和预防中扮演着重要角色
    时间 包括事件节点时间、船舶建造和审核时间、人员从业时间和机构成立时间等,有助于对事故发展的全过程进行追踪和分析,其主要形式为**年**月**日****时
    位置 包括国家、各级行政区、各类海洋功能区和人工地点等,为事故的空间分析提供了地理背景和定位依据
    环境 环境因素是影响事故发生和发展的重要背景信息,包括气象、水温、交通流环境等,例如风力**级、流速**节、通航环境复杂等
    设备 包括船舶设备、机舱设备、救助设备和执法机构的执法设备,比如船载雷达、海上红外监控等,设备的功能、性能和故障情况直接影响事故的发生与处理,是分析事故成因和制定预防措施的重要因素
    原因 包括导致事故发生的一系列原因,由人为错误、设备故障、环境条件和管理疏忽等因素产生
    结果 包括事故最终造成的人员损伤、经济损失、环境影响、事故等级和船体受损情况等,对于评估事故的严重性和制定改进措施至关重要
    法律法规 包括事件发生后可能涉及触犯的所有法律条款,为事故的后续处置提供法律依据
    建议 包括对人员的建议和对机构的建议, 机构的建议包含对企业和监管机构的建议
    属性 船舶特征 船舶实体都具有多种属性,例如MMSI、IMO、船籍、船舶尺寸等
    人员特征 人员实体具有多种属性,例如姓名、年龄、学历、性别等相关属性,为事故分析提供了关于人员行为和决策的背景参考
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    表  2  关系类型

    Table  2.   Relation types

    类型 关系名称 类型 关系名称
    属性主客关系 of_船舶特征 of_违反
    of_人员特征 of_后果
    发现 因果关系 of_原因
    任职 产生_of_原因
    管理 of_建议
    持有 on_of_实时动态
    装备 on_of_航行状态
    调度 on_of_主机状态
    发生事故 at_of_实时动态
    救助 at_of_航行状态
    概念之间的隶属关系 使用 at_of_主机状态
    会遇 on_位置
    通知 时空关系 go_位置
    调查 at_时间
    报告 leave_位置
    隶属 at_in_环境
    操纵_of_实时动态 at_on_位置
    操纵_of_主机状态 in_环境
    操纵_of_航行状态 to_时间
    时间_to_时间
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    表  3  数据集统计

    Table  3.   Dataset statistics

    数据设置 语句量 词元数 实体数
    训练集 7 650 634 503 42 298
    验证集 850 69 551 6 553
    总量 8 500 704 054 48 851
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    表  4  模型参数设置

    Table  4.   Model parameter settings

    参数 设置
    max_seq_len 512
    train_batch_size 32
    dev_batch_size 8
    bert_learning_rate 3×10-5
    crf_learning_rate 3×10-3
    bert_hidden_size 768
    lstm_hidden_size 128
    Dropout rate 0.01
    optimizer Adam
    save_step 200
    epochs 100
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    表  5  对比模型实验结果

    Table  5.   Comparison model experimental results

    模型 精确度 召回率 F1值
    HMM 0.55 0.60 0.58
    CRF 0.68 0.70 0.69
    Bi-lstm_CRF 0.62 0.64 0.63
    Chinese-bert-wwm_Bi-lstm_CRF 0.85 0.86 0.85
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    表  6  水上交通领域知识图谱对比

    Table  6.   Comparison of knowledge graphs in the field of water transportation

    知识图谱 实体 关系 实体类型 关系类型 数据类型
    文献[20] 395 478 6 3 结构化
    文献[13] 416 532 5 5 半结构
    文献[15] 910 1 920 6 14 半结构
    文献[28] 3 934 15 13 非结构化
    文献[29] 1 401 2 386 9 8 非结构化
    船舶碰撞防控知识图谱 35 589 321 948 15 40 非结构化/半结构化
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  • 收稿日期:  2024-08-14
  • 网络出版日期:  2025-10-11

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