徐 斌,曹存根,張再躍

(1.江蘇科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.中國科學(xué)院 計算技術(shù)研究所,北京 100190)

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研知，目前關(guān)于艦船設(shè)備的故障診斷技術(shù)相關(guān)研究不多，已有對艦船的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及柴油機(jī)動力系統(tǒng)等進(jìn)行故障診斷研究[1-3]，但關(guān)于艦船揚(yáng)彈機(jī)故障診斷的研究工作還未見正式發(fā)表的論文。揚(yáng)彈機(jī)作為供彈系統(tǒng)的主要構(gòu)件，聯(lián)系著彈藥和艦炮，保證揚(yáng)彈機(jī)的工作可靠性對于艦船火炮裝備來說至關(guān)重要[4]，因此研究揚(yáng)彈機(jī)的智能故障診斷技術(shù)，具有很高的理論意義和軍事價值。

本體及語義網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界獲得了廣泛的關(guān)注，同為W3C規(guī)范的本體描述語言O(shè)WL與語義網(wǎng)規(guī)則語言SWRL相互結(jié)合，可提供更強(qiáng)大的邏輯表達(dá)能力。本研究基于本體和SWRL規(guī)則的推理機(jī)制進(jìn)行揚(yáng)彈機(jī)故障本體設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，通過揚(yáng)彈機(jī)技術(shù)手冊構(gòu)建了不同種類的診斷規(guī)則，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能快速準(zhǔn)確定位故障部位，方便地存儲和查找故障診斷知識，且耗時少、響應(yīng)快，能夠滿足艦船設(shè)備維護(hù)維修實(shí)時性高的要求。

1 揚(yáng)彈機(jī)本體建模

揚(yáng)彈機(jī)本體作為一個領(lǐng)域本體，主要是描述其中涉及的概念和概念之間的關(guān)系，可按照揚(yáng)彈機(jī)部件構(gòu)成的層次來劃分本體的各層類，而故障現(xiàn)象則作為每個類的屬性。

本體的類通常也被稱為概念，從語義上講，類表示的是對象的集合。在設(shè)計揚(yáng)彈機(jī)本體類時，從其主要部件出發(fā)，著重體現(xiàn)其每個機(jī)械系統(tǒng)的相互組成關(guān)系。揚(yáng)彈機(jī)主要由接彈機(jī)、中部裝彈機(jī)、驅(qū)動裝置、裝彈機(jī)等主要部件組成。針對這些主要部件，把揚(yáng)彈機(jī)的本體分為四大類，分別是驅(qū)動、傳動、制動、工作。根據(jù)揚(yáng)彈機(jī)本體的特點(diǎn)，形式化定義如下：

O=〈C,P,R〉 其中，C表示概念(類)，P表示概念的屬性，R表示概念之間的關(guān)系。其中概念之間的關(guān)系為part-cf，即子類是父類的一個組成部分。部分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示是揚(yáng)彈機(jī)本體的主要層次圖，接彈機(jī)的每個故障可能發(fā)生的部件作為接彈機(jī)類的子類，如甲板套筒、鏈條、水密蓋等，與父類接彈機(jī)之間存在part-cf關(guān)系。

揚(yáng)彈機(jī)本體的屬性主要是為了表述揚(yáng)彈機(jī)可能涉及的各種故障現(xiàn)象如：震動、卡住、電流過大等。一個診斷規(guī)則中的屬性關(guān)系以A(?x,?y)的謂詞形式定義，其中A代表一個狀態(tài)、現(xiàn)象或操作的謂詞，而?x和?y可以是變量，也可以是本體中類的實(shí)例以及本體中的數(shù)據(jù)值。例如：Unlight(?x,?y)表示熄滅狀態(tài)；Rotate(?x,?y)表示旋轉(zhuǎn)操作屬性。

2 故障診斷規(guī)則構(gòu)建

2.1 SWRL規(guī)則

在基于SWRL規(guī)則推理中，所使用的推理基礎(chǔ)是由OWL本體提供，利用本體實(shí)例和屬性建立Atom子句，這些子句再成為推理式[5]。SWRL作為基礎(chǔ)的規(guī)則描述語言，其目的是為了驅(qū)使規(guī)則，可與OWL本體知識庫相互結(jié)合。其規(guī)則的形式可以定義為：A1(?x,?y)∧A2(?x,?y)∧…∧An(?x,?y)?C(?x,?y)。其中推出符號的前部分為規(guī)則的推理前提，即body部分，推出符號的后部分為規(guī)則的推理結(jié)果，即規(guī)則的head部分。利用已經(jīng)定義好的本體中屬性和關(guān)系建立的SWRL規(guī)則，相較于OWL具有更強(qiáng)的邏輯表達(dá)能力。

2.2 揚(yáng)彈機(jī)故障規(guī)則構(gòu)建

在已建立的揚(yáng)彈機(jī)本體基礎(chǔ)上，通過對本體概念的提取確定出故障所涉及的具體推理元素，并根據(jù)元素組建推理規(guī)則。推理規(guī)則的推理結(jié)果將會填充揚(yáng)彈機(jī)部件的故障屬性值。并且屬性值可以重新寫入本體文件，將推理結(jié)果保存到本體，達(dá)到知識的存儲與共享。

為了說明具體規(guī)則的建立過程，下面首先根據(jù)揚(yáng)彈機(jī)運(yùn)行時“噪音過大”這個故障現(xiàn)象進(jìn)行說明。

根據(jù)揚(yáng)彈機(jī)技術(shù)文檔中的知識抽取可知，揚(yáng)彈機(jī)運(yùn)行時噪音過大的一個原因是工作鏈條太松，那么建立規(guī)則：Chain(?z)∧hasNoise(?x,Big)∧hasPart(?x,?z)→isLoose(?x,?z)

(1)

規(guī)則(1)中工作鏈條記作“z”，揚(yáng)彈機(jī)部件記作“x”，“Big”用來描述噪音的程度比較大，即非正常噪音?！癶asPart”用來限制揚(yáng)彈機(jī)部件“x”下的工作鏈條“z”(有可能揚(yáng)彈機(jī)其他部件也存在工作鏈條)。“isLoose”作為一個屬性關(guān)系連接“x”與“z”，也就是說揚(yáng)彈機(jī)部件“x”的工作鏈條太松。其中“x”，“z”是一個變量，一般會是類中的一個實(shí)例來擔(dān)任。

上面規(guī)則建立，基本體現(xiàn)了揚(yáng)彈機(jī)故障規(guī)則的建立過程。在建立規(guī)則的過程中，希望達(dá)到如下的指標(biāo)：

1)保證規(guī)則能夠完整描述故障的發(fā)生部件以及故障發(fā)生的最直觀的現(xiàn)象。

2)故障現(xiàn)象用謂詞形式保存，謂詞定義需統(tǒng)一的制定標(biāo)準(zhǔn)并盡可能減少冗余。

根據(jù)以上規(guī)則建立的方法，其他的故障規(guī)則也按照此方法建立，表1顯示了部分規(guī)則的詳情。

表1 揚(yáng)彈機(jī)故障診斷規(guī)則(部分)

3 基于SWRL的故障推理實(shí)現(xiàn)

本文揚(yáng)彈機(jī)的本體和規(guī)則是基于本體創(chuàng)建軟件Protégé 3.4 以及其插件SWRL Editor來創(chuàng)建的。Protégé軟件是斯坦福大學(xué)基于Java語言開發(fā)的本體編輯和知識獲取軟件，屬于開放源代碼軟件[6]。SWRLEditor整合了JESS規(guī)則引擎，能夠輕易實(shí)現(xiàn)OWL本體實(shí)事庫到JESS事實(shí)庫的轉(zhuǎn)化，SWRL規(guī)則庫到JESS規(guī)則庫的轉(zhuǎn)化。使用JESS引擎推理得出的結(jié)果也可以通過該插件來轉(zhuǎn)化為新的OWL本體知識保存到原來的本體文件中，實(shí)現(xiàn)知識庫的擴(kuò)充。

下面通過一個實(shí)例來顯示整個推理過程。首先從預(yù)先設(shè)置的故障描述中設(shè)置相應(yīng)的知識以及相應(yīng)的規(guī)則。

如“噪音大”中的一規(guī)則Chain(?z)∧hasPart(?x,?z)∧hasNoise(?x,Big)→hasDryfriction(?z,Chain-Guide-Rail-1)在JESS推理機(jī)運(yùn)行之前首先載入若干相關(guān)的individual：

“Chain-Guide-Rail(Chain-Guide-Rail-1)”、“Chain(Chain-1)”、“Receiver(Receiver-1)”、“Status(Big)”。

同時載入的Axioms如下：“hasNoise(Receiver-1,Big)”、“hasPart(Receiver-1,Chain-1)”；

這些公理和實(shí)例在建立每個規(guī)則時定義到本體文件中，以供規(guī)則推理時進(jìn)行調(diào)用并得出推理的結(jié)果。按照上面的示例JESS推理機(jī)執(zhí)行匹配的規(guī)則可推出結(jié)果：“hasDryfriction(Chain-1,Chain-Guide-Rail-1)”，該結(jié)果表示鏈條與鏈條導(dǎo)軌之間發(fā)生了干摩擦。此示例是故障推理過程中的一部分，通過類似的多次推理，最終會推理出故障的原因以及故障排除方法，從而實(shí)現(xiàn)揚(yáng)彈機(jī)故障推理診斷的基本功能。

一般的，基于本體和規(guī)則的故障推理流程如圖2所示。

該故障診斷系統(tǒng)采用的JESS推理機(jī)是整個系統(tǒng)應(yīng)用的核心組件，其主要作用是協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并通過內(nèi)置的推理算法取用知識庫中的相關(guān)知識以及規(guī)則庫中的特定規(guī)則執(zhí)行推理過程。推理機(jī)的效率很大程度上取決于推理引擎的匹配算法，JESS推理機(jī)通過實(shí)現(xiàn)Rete匹配算法來提供高效的前向和后向推理，利用診斷系統(tǒng)中時間冗余性和結(jié)構(gòu)相似性的特點(diǎn)，有效地減少了用于匹配操作的次數(shù)，因此該診斷系統(tǒng)采用JESS推理平臺具有耗時少、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

設(shè)備的故障診斷是一個相當(dāng)復(fù)雜的工程，對于設(shè)備要求更高的軍工設(shè)備尤為如此。本文所研究的揚(yáng)彈機(jī)故障診斷系統(tǒng)，故障的診斷規(guī)則采用了OWL本體形式，方便知識的存儲與共享?；赟WRL規(guī)則與JESS推理機(jī)的架構(gòu)具有通用性強(qiáng)、推理快、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。初步實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠快速根據(jù)現(xiàn)象推理定位可能的故障部位，達(dá)到了基本的故障診斷能力。隨著領(lǐng)域本體運(yùn)用技術(shù)不斷成熟，本體和規(guī)則推理診斷技術(shù)將廣泛服務(wù)于各種設(shè)備維護(hù)工作中，并逐漸融合到各行各業(yè)的智能化變革之中，加快促進(jìn)我國智能化信息發(fā)展的步伐。

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