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(第二炮兵工程大學(xué)， 陜西 西安 710025)

引言

某大型特種工程車工作機(jī)構(gòu)采用液壓系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)的故障維修知識對于整車故障診斷和維修有重要作用，但是在共享和利用方面卻存在一些問題。由于傳統(tǒng)的知識表示大多是線性結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較簡單，如產(chǎn)生式規(guī)則，這種結(jié)構(gòu)的表示形式對于復(fù)雜的故障不能十分有效的表示，并且對于實(shí)踐中產(chǎn)生的故障維修知識的獲取、維護(hù)以及知識的推理也是存在諸多問題[1]。本體是近年來知識建模領(lǐng)域出現(xiàn)的新方法，具有豐富的語義表達(dá)能力，知識表示能力和推理能力強(qiáng)，可擴(kuò)充性好[2]。本研究采用本體子語言O(shè)WL-DL結(jié)合SWRL規(guī)則來解決特種工程車液壓系統(tǒng)復(fù)雜故障維修知識的表示、共享和推理問題，為特種工程車的故障知識庫和故障專家系統(tǒng)的建立提供參考。

1 相關(guān)概念

1.1 本體

本體(Ontology)來源于哲學(xué)，用于描述事物的本質(zhì)。最廣泛的定義是Gruber于1993年提出的：“本體是概念化明確的、形式化、規(guī)范說明”[3]。本體具有類、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例五個基本建模元語。OWL(Web Ontology Language)有三個子語言：OWL-Lite、OWL-DL、OWL-Full。它們的表達(dá)能力由弱到強(qiáng)。OWL-Lite具有子類分類能力和簡單約束功能但表達(dá)能力最弱；OWL-DL提供盡可能大的表達(dá)能力和描述邏輯推理；OWL-Full表達(dá)能力最強(qiáng)但不保證計算的完備性并且不存在完整的推理算法[4]，因此本研究建模選用OWL-DL語言。

1.2 SWRL規(guī)則

語義Web規(guī)則語言(SWRL，Semantic Web Rule Languang)是一種基于語義網(wǎng)的表示規(guī)則的語言，是W3C的規(guī)范之一[5]。SWRL由RuleML演變而來，以O(shè)WL-DL與OWL-Lite為基礎(chǔ)，利用高度抽象的語法表達(dá)本體所表達(dá)的知識。SWRL規(guī)則是為了驅(qū)使Horn-like規(guī)則與OWL知識庫相結(jié)合，從而彌補(bǔ)OWL在規(guī)則描述以及推理方面的不足[6]。規(guī)則的編寫基于類、屬性、實(shí)例以及類的表達(dá)語句。本體構(gòu)建時結(jié)合SWRL可以建立豐富、完善的本體，使其具有更多的推理規(guī)則。SWRL一條規(guī)則包括一個前提(antecedent)和一個結(jié)論(consequent)，其基本形式為：

antecedent →consequent

含義是：如果前提正確，則能夠得出結(jié)論[7]。建立本體時運(yùn)用SWRL建立故障診斷規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了對故障的精確描述和實(shí)例的推理。

2 故障本體的建立

2.1 類的建立

大型特種工程車液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件多，故障不易發(fā)現(xiàn)和排除。本體的建立根據(jù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用由上至下的分類方法，將系統(tǒng)分成幾部分液壓回路，每部分回路包含主要的液壓元件，其液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，液壓系統(tǒng)包括機(jī)械起豎回路、前支腿回路、中支柱回路、后支腿回路等回路，如起豎回路中含有起豎液壓缸、單向閥、平衡閥等。本體中不僅包含系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且還有故障維修知識。根據(jù)故障知識的一般特點(diǎn)，將其分為故障名稱、故障現(xiàn)象、故障原因、故障維修四部分，每部分由故障的相應(yīng)知識組成，這些成為本體中類的概念。

圖1 某工程車液壓系統(tǒng)回路圖

2.2 屬性的建立

屬性是描述本體中各個類之間關(guān)系，并且定義各個類具有的屬性，與類一起構(gòu)成本體知識庫的重要部分。在本體知識庫中，共分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、故障名稱、故障現(xiàn)象、故障原因、故障維修五部分，它們之間的聯(lián)系通過屬性has abnormal part、has disposals、has phenomenon、has phenomenon part、has reason，對于每一個故障都有出現(xiàn)故障現(xiàn)象的元件和其表現(xiàn)出來的相應(yīng)故障，這二者通過has phenomenon part和has phenomenon屬性與故障名稱相聯(lián)系。在本體中故障元件和現(xiàn)象元件這兩個類并不存在，它們都屬于液壓系統(tǒng)。分析故障現(xiàn)象可以找到發(fā)生故障的異常原件和故障原因，這二者通過has reason和has abnormal part與之聯(lián)系，故障原因和故障維修通過has disposals聯(lián)系。液壓系統(tǒng)故障復(fù)雜，可以通過多種手段進(jìn)行故障診斷，壓力和流量是其中的兩個重要依據(jù)，因此也建立數(shù)據(jù)屬性has pressure和has flow-rate。故障本體模型如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)故障知識本體模型圖

3 SWRL規(guī)則的構(gòu)建

特種工程車輛液壓系統(tǒng)復(fù)雜且與普通車輛或者一般工程設(shè)備差異比較大，其故障比較特殊。由于系統(tǒng)復(fù)雜其故障也比較多，本研究以其中的2個故障為例進(jìn)行規(guī)則建立的詳細(xì)描述。由于故障特殊，沒有專門的名稱，所以本體中以故障編號代替名稱，并在本體注釋中說明。本體中故障3：工程車液壓系統(tǒng)不能解鎖，其開鎖油路壓力小于20 MPa，轉(zhuǎn)換為規(guī)則為：

液壓系統(tǒng)∧壓力∧小于20 MPa→Fault3

SWRL規(guī)則為：

TEST(?x)∧has_phenomenon_part(?x,Hydraulic_system_ex)∧haspresssure(?x,?y)∧swrlb:lessThanOrEqual(?y,20) → Fault3(?x)

上述規(guī)則中TEST是故障的測試類，用于建立實(shí)例進(jìn)行推理，F(xiàn)ault(3)是不能解鎖故障在本體中的編號。

故障5：起豎液壓缸回收到位之后，接近開關(guān)BX9仍然亮，電磁換向閥YA17斷電后，壓力表P4仍然有壓力。轉(zhuǎn)化為規(guī)則為：

接近開關(guān)BX9∧燈亮∧電磁換向閥YA17∧斷電∧壓力表P4∧有壓力→Fault5

SWRL規(guī)則為：

TEST(?x)∧has_phenomenon_part(?x,BX9_ex)∧has_phenomenon(?x,Light_on_ex)∧has_phenomenon_part(?x,YA17_ex)∧has_phenomenon(?x,No_power_ex)∧has_phenomenon_part(?x,P4_ex)∧has_phenomenon(?x,Have_pressure_after_the_operation_ex)→Fault5(?x)

根據(jù)上述兩個例子規(guī)則的建立原理，相應(yīng)的建立工程車其他液壓系統(tǒng)故障的規(guī)則，其建立的部分規(guī)則如圖3所示。

圖3 SWRL規(guī)則圖

4 故障的推理

Jess(Java Expert System Shell)是一個基于Java的推理機(jī)，通過規(guī)則和描述語言進(jìn)行推理, 采用產(chǎn)生式規(guī)則作為基本的知識表達(dá)方式[8]。將本體和SWRL規(guī)則通過SWR L Jess Tab轉(zhuǎn)換為Jess的事實(shí)庫，然后運(yùn)行Jess推理機(jī)進(jìn)行推理，最后再將推理結(jié)果轉(zhuǎn)換到本體庫中，即Jess轉(zhuǎn)換為OWL，完善和修正本體中的各種關(guān)系。建立本體之后需要測試故障本體的正確性，因此在TEST類中建立實(shí)例TEST_1并且添加各種屬性關(guān)系，以上述起豎液壓缸回收之后仍有壓力為例，建立的實(shí)例如圖4所示，故障是屬于Fault 5。推理前后其實(shí)例對比圖如圖5，由對比可知本研究建立的本體庫正確，并且可以實(shí)現(xiàn)SWRL故障推理。

圖4 TEST-1屬性描述圖

圖5 TEST-1推理前后對比圖

5 結(jié)論

針對某大型特種工程車液壓系統(tǒng)故障知識表達(dá)、共享、重用的問題，引進(jìn)本體建立故障本體以表達(dá)知識和實(shí)現(xiàn)共享。復(fù)雜的故障問題采用SWRL規(guī)則表達(dá)，建立了故障推理規(guī)則，并在本體中運(yùn)用Jess推理機(jī)推理，檢測和完善本體中實(shí)例的正確性以及實(shí)現(xiàn)故障推理，驗(yàn)證了本體結(jié)合SWRL規(guī)則可以有效表示復(fù)雜故障和實(shí)現(xiàn)知識共享。

參考文獻(xiàn)：

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