彭 亮 岳冬梅 石晨光 趙 翀 孫文州

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)本體建模研究*

彭 亮1岳冬梅2石晨光2趙 翀1孫文州1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

針對(duì)艦炮供彈系統(tǒng)故障頻發(fā),故障診斷知識(shí)激增,傳統(tǒng)診斷難度增大的問(wèn)題,在對(duì)供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于本體的艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)建模方法和表示模型。構(gòu)建了包含供彈系統(tǒng)故障源、故障現(xiàn)象、參數(shù)指標(biāo)、故障原因及排故措施五要素,由決策樹連接的供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體。并應(yīng)用推理機(jī)Pellet對(duì)模型進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。實(shí)例驗(yàn)證表明,該本體模型不僅表述直觀、效率高,而且利于知識(shí)的共享和擴(kuò)充。

艦炮供彈系統(tǒng); 本體; Protégé; 故障診斷

Class Number TP182

1 引言

在艦炮領(lǐng)域有多種故障診斷方法,這些方法的診斷原理都是建立在知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上。艦船裝備信息化程度在不斷提高,艦炮領(lǐng)域所積累的知識(shí)也在激增,將這些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)高效地表示和利用對(duì)艦船裝備保障有重要意義。同時(shí),新型裝備往往缺乏保障數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)豐富的保障人員。所以開(kāi)發(fā)一種接口友好,知識(shí)表示方法完備,知識(shí)獲取方法靈活,在艦炮領(lǐng)域內(nèi)有通用性的故障知識(shí)庫(kù)就愈發(fā)重要。

本體可以有效地描述知識(shí)層次結(jié)構(gòu)及相互關(guān)聯(lián)的模型,已經(jīng)被廣泛地引入到故障診斷系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域,并充分展現(xiàn)出本體建模技術(shù)在知識(shí)共享[1～3],推理分析等方面的優(yōu)勢(shì)。本文將本體引入到艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)領(lǐng)域中,應(yīng)用W3C規(guī)范的本體描述語(yǔ)言O(shè)WL對(duì)艦炮供彈系統(tǒng)領(lǐng)域本體進(jìn)行描述[4～6]。通過(guò)該本體實(shí)現(xiàn)供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)的查詢、重用和共享,以提高故障診斷的效率。

2 供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)分析

供彈系統(tǒng)故障診斷過(guò)程,實(shí)際上是在發(fā)生故障現(xiàn)象后對(duì)可能發(fā)生故障的單元進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,確定故障原因,定位故障源,給予用戶相應(yīng)的排故措施的過(guò)程。通過(guò)上述分析不難得到供彈系統(tǒng)故障診斷涉及的五個(gè)要素：

1) 故障源。對(duì)艦炮裝備而言,故障源可能是子部分控制系統(tǒng),也可能存在于子機(jī)械系統(tǒng)。

2) 故障原因。發(fā)生故障的癥結(jié)所在,簡(jiǎn)單故障可能容易找到,對(duì)于復(fù)雜故障需要專業(yè)的故障診斷人員才能獲得[7]。

3) 故障現(xiàn)象。包括所有能夠被人或儀器檢測(cè)到的故障現(xiàn)象。

4) 參數(shù)指標(biāo)。主要包括對(duì)艦炮供彈系統(tǒng)正常運(yùn)行起重要影響的各單元的相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。通過(guò)參數(shù)指標(biāo)可直接判斷該單元的運(yùn)行狀態(tài)。

5) 排故措施。與故障原因?qū)?yīng),包括對(duì)故障單元進(jìn)行維修、更換等處理。

圖1 供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

故障診斷知識(shí)是故障事實(shí)、診斷規(guī)則、相關(guān)概念的集合,一般以描述型方法存儲(chǔ)和管理知識(shí),形成一個(gè)故障知識(shí)域。圖1為供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。供彈系統(tǒng)有著復(fù)雜的構(gòu)造,各型號(hào)裝備還存在一定的差別,所以確定故障易發(fā)生部位之間的層次聯(lián)系及確定各故障間的層次結(jié)構(gòu)是建立知識(shí)庫(kù)的重難點(diǎn)。此外,供彈系統(tǒng)故障的隨機(jī)性與多重耦合(一種故障原因可產(chǎn)生多種故障現(xiàn)象,一種故障現(xiàn)象又常常對(duì)應(yīng)多種故障原因),也為明確故障診斷知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)置了難度。

故障診斷的根本目的是提高裝備的戰(zhàn)備完好率,那么有效的故障診斷本體要清晰客觀,且具有良好的可理解性、推理性、一致性、易維護(hù)性。

3 供彈系統(tǒng)領(lǐng)域本體構(gòu)建

斯坦福的Gruber教授認(rèn)為“本體(ontology)是關(guān)于共享的概念模型協(xié)議”[8]。斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于Java的本體工具Protégé[9],鑒于其開(kāi)放性的接口、良好的界面設(shè)計(jì)及支持儲(chǔ)存本體數(shù)據(jù),本文選擇Protégé進(jìn)行供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域故障知識(shí)本體開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。主要建模步驟: 1) 確定模型目標(biāo)和范疇; 2) 分析艦炮供彈系統(tǒng)故障類型的故障特征、敏感參數(shù)、故障原因、排故措施,列出所有的艦炮供彈系統(tǒng)故障知識(shí),以其構(gòu)建供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體的類; 3) 確定所需建立的供彈系統(tǒng)故障本體中的類和關(guān)系; 4) 利用相關(guān)本體開(kāi)發(fā)工具建立供彈系統(tǒng)故障診斷本體,獲得供彈系統(tǒng)故障知識(shí)的形式化表示與編碼。

3.1 艦炮供彈系統(tǒng)本體的相關(guān)定義

定義1 供彈系統(tǒng)故障知識(shí)分別用C,A,P,R,M來(lái)描述,C為供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體模型中所有故障源的非空有限集合,C={C1,C2,…,Cn};A為供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體模型中全部故障現(xiàn)象的非空有限集合,A={A1,A2,…,An};P為供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體模型中全部參數(shù)指標(biāo)的非空有限集合,P={P1,P2,…,Pn};R為供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體模型中全部故障原因的非空有限集合,R={R1,R2,…,Rn};M為供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體模型中全部排故措施的非空有限集合,M={M1,M2,…,Mn}。

3.2 列舉術(shù)語(yǔ)

表1 供彈系統(tǒng)的故障術(shù)語(yǔ)

因?yàn)楸倔w構(gòu)建的最終目標(biāo)是共享,所以保證術(shù)語(yǔ)的通用性至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)故障描述語(yǔ)句的分析,可將語(yǔ)句劃分為可以表達(dá)語(yǔ)義的一些關(guān)鍵詞匯。表1是提取出的供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)。

3.3 定義類及類層次

以具有炮塔供彈部分、補(bǔ)彈系統(tǒng)、揚(yáng)彈機(jī)的典型艦炮供彈系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立其及類層次。由于篇幅限制,這里僅列出炮塔中供彈部分易發(fā)生故障部件,如圖2所示。

圖2 炮塔供彈部分組成框圖

定義3 供彈系統(tǒng)本體可表示為四元組O=〈C,R,P,I〉。其中：C為本體中的類集;R為類的關(guān)系集合;P為屬性(Properties);I是實(shí)例集(Instances)。類由類間關(guān)系加以約束,通過(guò)實(shí)例予以呈現(xiàn),不同類的實(shí)例又通過(guò)屬性賦以聯(lián)系。

最典型的類間關(guān)系是繼承關(guān)系(is-a),還存在等價(jià)(Equivalent)、先類(Ancestor)、父類(Super)、子類(Descendant)等諸多類間關(guān)系,特別指出相離(Disjoint)是對(duì)系統(tǒng)推理起重要作用的關(guān)系,一般用于同一層次的類。比如故障現(xiàn)象與故障原因的關(guān)系就是相離。

定義4 任意兩個(gè)類C1和C2,如果不存在任意x,使得x同時(shí)屬于C1和C2的實(shí)例,則稱C1和C2是相離的(Disjoint),記為disjoint(C1,C2)。這里disjoint(C1,C2)與disjoint(C2,C1)是等價(jià)的。

3.4 定義屬性

在建立了供彈系統(tǒng)的類后,需要建立類間的關(guān)系。定義屬性主要是定義類的對(duì)象屬性(Object Properties)和數(shù)據(jù)屬性(Data Properties)。對(duì)象屬性的作用是說(shuō)明各類間的實(shí)例關(guān)系。供彈系統(tǒng)的故障類型有故障現(xiàn)象(has_reaction)、參數(shù)指標(biāo)(has_Parameters)、故障原因(has_Reason)、排故措施(has_Measure),所對(duì)應(yīng)的逆關(guān)系為Is_Reaction_Of、Is_Parameters_Of、Is_Reason_Of和Is_Measure_Of。數(shù)據(jù)屬性作用是說(shuō)明類所具有的數(shù)據(jù)特征。例如,在供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域,對(duì)“上揚(yáng)彈機(jī)”定義數(shù)據(jù)屬性“特征頻率,integer型數(shù)據(jù)”、“排故工具,string型數(shù)據(jù)”等。

屬性也有自己的約束。屬性有定義域(Domain)與值域(Range)。例如”has_reaction”的定義域是故障組件,值域?yàn)楣收犀F(xiàn)象。此外還可以定義函數(shù)約束Functional,對(duì)稱約束Symmetric,傳遞約束Transitive,逆約束Inverse。

3.5 添加類實(shí)例

定義5 供彈系統(tǒng)故障實(shí)例FSIndividuals可定義為FSIndividuals=(FS_Instances),公式中FS_Instances為實(shí)例的集合。

在建立起本體的框架后,就要向各類添加故障診斷實(shí)例,實(shí)例的數(shù)量和準(zhǔn)確度也對(duì)本體的質(zhì)量有相當(dāng)大的影響。利用Protégé的插件Ontograf可以完整展示出已經(jīng)建立的故障知識(shí)本體模型。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 故障診斷實(shí)例

根據(jù)故障現(xiàn)象定位故障原因,并給出解決方案是故障診斷系統(tǒng)的主要功能。決策樹是連接故障現(xiàn)象和故障原因的橋梁。假定由某一故障原因引起系統(tǒng)故障,系統(tǒng)依據(jù)故障發(fā)生概率可生成如圖3所示的揚(yáng)彈機(jī)電機(jī)異響狀態(tài)下的故障診斷決策樹。圖中用“□”表示決策點(diǎn),由它引出的分枝叫做方案分枝。用“○”表示機(jī)會(huì)點(diǎn),由它引出的分枝叫做事件(狀態(tài))分枝。用“△”表示結(jié)果點(diǎn),它是決策樹的葉節(jié)點(diǎn),表示排除故障所應(yīng)用的方法。當(dāng)用戶對(duì)揚(yáng)彈機(jī)電機(jī)異響的現(xiàn)象請(qǐng)求故障診斷支持時(shí),診斷系統(tǒng)在故障域中搜索揚(yáng)彈機(jī)電機(jī)異響概念。此概念與測(cè)試域中保險(xiǎn)絲檢測(cè)概念連接概率值最大,因此系統(tǒng)將提示進(jìn)行保險(xiǎn)絲檢測(cè)。如若檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異物,系統(tǒng)按概率值降序給出與揚(yáng)彈機(jī)電機(jī)異響概念相連接的異物進(jìn)入檢測(cè)提醒,引導(dǎo)用戶進(jìn)行診斷排故。診斷系統(tǒng)用據(jù)故障決策樹依概率進(jìn)行故障原因排查,有效提升了故障診斷效率。

圖3 故障診斷決策樹示意圖

4.2 一致性檢驗(yàn)實(shí)例

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不完整和知識(shí)進(jìn)化歧義等問(wèn)題,不斷增加的本體知識(shí)和本體已有知識(shí)可能會(huì)發(fā)生沖突。因此,供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體要進(jìn)行類間關(guān)系一致性檢驗(yàn)以保證本體的有效性,主要包括類間結(jié)構(gòu)繼承與關(guān)系沖突一致性檢驗(yàn)[10]。檢驗(yàn)定理1、2為實(shí)例檢驗(yàn)提供理論依據(jù)。

檢驗(yàn)定理1供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體中的任意類C1、C2、C3,若有is-a(C1,C2),且is-a(C2,C3),則有is-a(C1,C3);

檢驗(yàn)定理2供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體中的任意類C1、C2、C3、C4,若有is-a(C1,C3),is-a(C2,C4),且disjoint(C3,C4),則有disjoint(C1,C2)。

圖4 一致性檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

“系統(tǒng)不能啟動(dòng)”為揚(yáng)彈機(jī)故障現(xiàn)象的子類,揚(yáng)彈機(jī)有子類“揚(yáng)彈機(jī)控制機(jī)組”,且“緊急制動(dòng)”為揚(yáng)彈機(jī)控制機(jī)組的故障現(xiàn)象。通過(guò)檢驗(yàn)定理可知,“緊急制動(dòng)”應(yīng)為“系統(tǒng)不能啟動(dòng)”的子類。圖4為以Pellet1.5.2為推理機(jī)得到的本體推理類一致性檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖,表明推理結(jié)果與分析結(jié)果一致。文中所構(gòu)建的供彈系統(tǒng)故障知識(shí)本體的經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)證明沒(méi)有歧義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)本體,分析了供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了對(duì)應(yīng)本領(lǐng)域的本體構(gòu)建方法,構(gòu)建了供彈系統(tǒng)故障診斷知識(shí)本體模型,實(shí)現(xiàn)了由故障現(xiàn)象到排故措施的決策診斷模式并予以實(shí)例驗(yàn)證。利用工具Protégé和Pellet對(duì)構(gòu)建的本體進(jìn)行了推理一致性驗(yàn)證,結(jié)果符合邏輯分析。下一步對(duì)供彈系統(tǒng)領(lǐng)域推理規(guī)則與本體的檢查與評(píng)價(jià)進(jìn)行更深入的研究,完善故障診斷知識(shí)本體,開(kāi)發(fā)共享度高的領(lǐng)域本體模型。

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Research on Ontology-based Knowledge Modeling for Gun Feeding System Fault Diagnosis

PENG Liang1YUE Dongmei2SHI Chenguang2ZHAO Chong1SUN Wenzhou1

(1. Department of Graduate Management, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Naval Gun, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

Against the main problem of a great range of gun feeding system fault, the increasing knowledge of fault diagnosis and the more difficult to use traditional fault diagnosis, this paper studied knowledge structure and semantic properties for gun feeding system fault diagnosis. A kind of modeling method and fault knowledge representation was proposed based on ontology, which was working for gun feeding system. The system included fault units, fault phenomenon, parameter indexes, fault causes and control measures, connected by decision tree. The knowledge was proved to be consistent by Protégé and Pellet. The case study showed that the ontology can not only be intuitive and efficient but also useful in knowledge reusing and extending.

gun feeding system, ontology, Protégé, fault diagnosis

2014年5月7日,

2014年6月26日 作者簡(jiǎn)介:彭亮,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。岳冬梅,女,碩士,副教授,研究方向:時(shí)滯系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)魯棒控制。石晨光,男,碩士,副教授,研究方向:裝備維修保障。趙翀,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。孫文洲,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.034