李書明，楊龍飛，黃燕曉

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

目前國內(nèi)民航發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷和健康管理技術(shù)仍停留在理論研究上，國外故障診斷與健康管理技術(shù)已經(jīng)由理論研究進(jìn)入到了實(shí)際應(yīng)用中，最為典型的就是由波音公司推出的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（Aircraft Health Management System，AHM）［1］和空客公司推出的飛機(jī)維修分析軟件系統(tǒng)（Aircraft Maintenance Analysis，AIRMAN），此外還有專門用于發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控的軟件，如羅羅公司的Compass（Condition Monitoring Performance Analysis Software System）、普惠公司的EHM（Engine Health Management）等。以上諸多系統(tǒng)和軟件主要是靠監(jiān)測飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)與在相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得出主要性能參數(shù)的偏差值來發(fā)現(xiàn)故障，對于故障的準(zhǔn)確定位和排除在很大程度上還要依賴于個(gè)人的維修經(jīng)驗(yàn)以及對相同或類似故障案例處理方案的參考［2］。本文從航空公司的實(shí)際需求出發(fā)，旨在建立一套民航發(fā)動(dòng)機(jī)的故障案例數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這對發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷具有很大的實(shí)用價(jià)值。

1 故障案例庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例數(shù)據(jù)庫是故障分析診斷時(shí)所需知識(shí)庫的重要組成部分，是基于案例推理技術(shù)的直接知識(shí)源，它不僅能提供大量的與待檢測新故障類似的舊案例以加快故障的準(zhǔn)確定位，更重要的是能夠給出類似故障的解決方案，便于維修工作的進(jìn)行。

故障案例庫在設(shè)計(jì)時(shí)，除了要遵從一般的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)原則和規(guī)范外，還要考慮以下內(nèi)容：①能準(zhǔn)確有效地表示和存儲(chǔ)故障案例；②保證故障案例信息的完整性，能真實(shí)反映案例情況；③故障案例信息規(guī)范化，以保證案例庫具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；④案例庫應(yīng)與檢索匹配模塊相獨(dú)立，保證在案例庫內(nèi)案例發(fā)生變化時(shí)不會(huì)對檢索匹配模塊產(chǎn)生影響；⑤案例庫一定要有足夠的穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性，以便于自身的維護(hù)和更新。

1.1 案例庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用3層Browser/Server體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。用戶采用瀏覽器直接就可以訪問系統(tǒng)資源；應(yīng)用層使用IIS作為Web服務(wù)器，同時(shí)系統(tǒng)以ASP.NET作為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)Web應(yīng)用程序，該層主要分為案例檢索和案例庫系統(tǒng)維護(hù)兩大模塊；數(shù)據(jù)庫層使用SQL Server作為后臺(tái)服務(wù)器，存儲(chǔ)著大量發(fā)動(dòng)機(jī)的故障案例以及用戶信息，通過ADO.NET技術(shù)與應(yīng)用層連接，以實(shí)現(xiàn)用戶對后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的管理和操縱。

1.2 案例庫系統(tǒng)功能

本故障案例庫系統(tǒng)主要包括登錄主界面、故障案例檢索界面和案例庫系統(tǒng)維護(hù)界面。其中登錄主界面是整個(gè)系統(tǒng)的首頁，主要用于驗(yàn)證登錄人員的身份是否合法并完成登錄進(jìn)入系統(tǒng)的工作；故障案例檢索界面是整個(gè)案例庫系統(tǒng)的核心應(yīng)用部分，用于完成案例的檢索并給出查詢結(jié)果；案例庫系統(tǒng)維護(hù)主要包括用戶/管理員信息管理、案例管理和系統(tǒng)備份與恢復(fù)。

用戶管理界面是對系統(tǒng)用戶的管理，主要包括新建用戶、修改用戶信息、刪除用戶和權(quán)限管理設(shè)置等，其中權(quán)限管理是重點(diǎn)工作，是保障系統(tǒng)安全有序工作的基礎(chǔ)。在本系統(tǒng)中共包括三種權(quán)限：普通用戶、管理員和超級管理員。

案例管理主要是完成對案例的維護(hù)，包括案例的修改、刪除、增添等操作，要及時(shí)地更新和擴(kuò)充案例庫以不斷完善系統(tǒng)；系統(tǒng)備份與恢復(fù)是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)不可或缺的一部分。

圖1 案例庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 故障案例庫系統(tǒng)的查詢檢索功能

2.1 故障案例的表示

案例表示是整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其格式不僅直接影響到數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，而且對案例檢索的方法也有很大影響。相對于傳統(tǒng)的知識(shí)表示法，面向?qū)ο蟊硎痉ǜ先藗冋J(rèn)識(shí)問題和分析問題的習(xí)慣思維方式。

采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對故障案例進(jìn)行表示，可將案例定義為一個(gè)三元組，即C＝＜D.S.M＞［3］，其中，D為故障案例的描述性信息，主要包括案例的編號(hào)、發(fā)生故障的機(jī)型、故障部位所屬系統(tǒng)、故障日期、故障現(xiàn)象等；S為故障的特征屬性，該屬性是案例匹配的關(guān)鍵詞；M為故障的處理方案，包括采取的排故措施以及處理后取得的效果。

2.2 案例庫的組織結(jié)構(gòu)

良好的組織結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)案例存儲(chǔ)和快速查詢的基礎(chǔ)?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件及子部件之間的隸屬關(guān)系，故障案例庫適宜采用層次結(jié)構(gòu)來進(jìn)行組織。

層次結(jié)構(gòu)模型實(shí)質(zhì)上是一種有根結(jié)點(diǎn)的定向有序樹，可實(shí)現(xiàn)對面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示的有效組織。故障案例庫系統(tǒng)中的案例可以按照故障系統(tǒng)分類，本文設(shè)計(jì)的民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例庫層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可以明顯地看出，故障案例庫系統(tǒng)是以歷史故障案例作為層次結(jié)構(gòu)的底結(jié)點(diǎn)，不僅包括故障案例的特征屬性，同時(shí)也包括了排故解決方案。此層次結(jié)構(gòu)為后續(xù)的案例檢索提供了自頂向下的快速索引方式。

2.3 案例的查詢檢索技術(shù)

圖3為故障案例庫系統(tǒng)工作流程，可以清楚地看出案例檢索功能在整個(gè)系統(tǒng)中所起到的關(guān)鍵性作用。案例檢索所要解決的兩個(gè)核心問題是相關(guān)性的計(jì)算和排序算法，其中相關(guān)性計(jì)算又是二者中要解決的首要問題。

相關(guān)性就是對待檢測故障案例與歷史故障案例之間相似度的一種定量地度量，它是實(shí)現(xiàn)案例匹配的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的信息檢索主要采用向量空間模型計(jì)算相關(guān)度。向量空間模型把對文本內(nèi)容的處理簡化為向量空間中的向量運(yùn)算，并且它以空間上的相似度表達(dá)語義的相似度，直觀易懂。當(dāng)文本內(nèi)容被表示成文本空間的向量，就通過計(jì)算向量之間的相似度來度量文本間的相似性。按照該思想，案例庫中的每一個(gè)故障案例都用一個(gè)特征向量Ci＝｛t1i，t2i，…，tni｝表示，其中tji表示第Ci個(gè)案例的第j個(gè)故障特征關(guān)鍵字（i，j＝1，2，…，n）。由于每個(gè)故障特征關(guān)鍵字代表故障案例的重要程度不同，因此要對每個(gè)特征關(guān)鍵字賦予一定的權(quán)重wji加以量化，加權(quán)后Ci＝｛w1i/t1i，w2i/t2i，…，wni/tni｝。同樣將待檢測故障也用一個(gè)特征向量X＝｛w1/x1，w2/x2，…，wn/xn｝表示，xi表示待檢測故障的第i個(gè)特征關(guān)鍵字，按照余弦距離的相似度量方式，待檢測故障X與任意一個(gè)歷史案例的相關(guān)性為：

圖2 民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例庫層次結(jié)構(gòu)示意圖

通過比較待檢測故障X的特征向量與每一個(gè)歷史案例的特征向量Ci的余弦距離，即可得出不同的相關(guān)性。然而，該向量空間模型在將故障案例用特征向量表示時(shí)，認(rèn)為向量的特征屬性之間是彼此獨(dú)立的，但實(shí)際上特征屬性之間并非是相互獨(dú)立的，而是存在一定的語義關(guān)聯(lián)權(quán)重的。本文提出利用互信息函數(shù)來計(jì)算特征關(guān)鍵字之間的語義關(guān)聯(lián)權(quán)重來改進(jìn)向量空間模型。

互信息是信息論里一種有用的信息度量，它是指兩個(gè)事件集合之間的相關(guān)性。在已知訓(xùn)練文檔集的背景下，關(guān)鍵字tk與tl之間的語義關(guān)聯(lián)權(quán)重用互信息（MI）函數(shù)近似表示為：

其中：A為文檔集中tk和tl同時(shí)出現(xiàn)的次數(shù)；B為文檔集中tk出現(xiàn)而tl沒有出現(xiàn)的次數(shù)；C為文檔集中tl出現(xiàn)而tk沒有出現(xiàn)的次數(shù)；N為文檔總數(shù)。

對于具有同義或近義詞關(guān)系的特征關(guān)鍵字，由于它們在案例集中同時(shí)出現(xiàn)的幾率很小，若用式（2）進(jìn)行計(jì)算是不能表達(dá)它們之間相同或相近的關(guān)系，如“漏油”和“油泄漏”表達(dá)的是同一種情況。因此，像這種同義或近義的情況，將它們之間的語義關(guān)聯(lián)權(quán)重設(shè)定為MI（tk，tl）＝0.95。

有了上述特征關(guān)鍵字之間的語義關(guān)聯(lián)權(quán)重的定義后，改進(jìn)后的向量空間模型用于民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例檢索匹配的算法如下：

通過式（3）可求得cos（X，C1），cos（X，C2），…，cos（X，Ci），…，然后再通過比較各余弦值的大小，得出各歷史案例與待檢測故障相似度匹配的值，最后由排序算法實(shí)現(xiàn)檢索結(jié)果按相似度匹配由高到低排序，并返回給用戶。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，改進(jìn)后的向量空間模型的查全率和查準(zhǔn)率都比原向量空間模型有所提高。

圖3 故障案例庫系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

3.1 開發(fā)工具和平臺(tái)的選擇

SQL Server數(shù)據(jù)庫作為當(dāng)前流行的數(shù)據(jù)庫技術(shù)具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)，包括易用性、適合分布式組織的可伸縮性、良好的編程基礎(chǔ)等［4］，故本系統(tǒng)采用了SQL Server作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具。C＃作為一種面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，其語言簡潔、自由、執(zhí)行效率高，因此系統(tǒng)采用C＃作為應(yīng)用程序開發(fā)語言。為了保證本系統(tǒng)的先進(jìn)性，系統(tǒng)基于Visual Studio 2010平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)［5］。

3.2 系統(tǒng)的呈現(xiàn)與應(yīng)用

本案例庫系統(tǒng)的核心組成主要包括用戶/管理員信息管理、故障案例庫的管理、案例的檢索3部分，其中案例庫的管理與維護(hù)是保證案例檢索功能實(shí)現(xiàn)的前提。民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例庫管理界面如圖4所示。

符合權(quán)限要求的管理員通過訪問該界面可以完成對故障案例的管理工作，通過下拉列表選擇或文本框輸入可以查看案例庫中已有的案例，按照數(shù)據(jù)庫中案例存儲(chǔ)的統(tǒng)一格式添加新的故障案例，通過編輯和刪除按鈕可以完成對歷史案例的更新和刪除操作，及時(shí)對案例庫進(jìn)行管理和維護(hù)以實(shí)現(xiàn)案例庫的不斷更新和擴(kuò)充。

故障案例檢索界面如圖5所示。通過圖5的界面進(jìn)行案例檢索時(shí)，首先要選擇機(jī)型，因?yàn)橥煌臋C(jī)型所安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)也有所不同；其次可以通過選擇ATA章節(jié)給待檢測故障一個(gè)大致的定位，若不能判斷待檢測故障所屬的系統(tǒng)可以對該項(xiàng)不予選擇；最后通過手動(dòng)輸入故障特征關(guān)鍵字進(jìn)行檢索工作，最終系統(tǒng)按相似度從大到小將檢索出的案例呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，維修人員可以參照數(shù)據(jù)表中與待檢測故障相同或相似故障案例進(jìn)行維修工作。

圖4 民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例庫管理界面

圖5 故障案例檢索界面

4 結(jié)論

建立了一種基于.NET框架的民航發(fā)動(dòng)機(jī)故障案例數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)對后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的連接與操縱。系統(tǒng)界面簡潔友好，易于操作，利用改進(jìn)后的向量空間模型可以較好地實(shí)現(xiàn)案例的檢索功能，具有較大的實(shí)用價(jià)值。故障案例庫系統(tǒng)的建立為案例的查詢和重用提供了方便，減輕了工程技術(shù)人員的工作量并提高了工作效率。

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［2］呂琦.基于知識(shí)的民航飛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005：32.

［3］雷鳴，李學(xué)仁，劉林剛.基于MAS的飛機(jī)健康管理專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.控制管理，2009，25（1－3）：17－19.

［4］張紅，趙旭，石飛.基于ASP.NET的高校 Web考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2009（15）：30－31.

［5］杜黨黨，賈曉亮，張宇.航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.航空制造技術(shù)，2014（7）：99－103.