王俊龍 袁偉 管旭軍

摘 要：為了改善目前船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援系統(tǒng)缺乏知識(shí)查詢、相似案例檢索、案例推理等知識(shí)管理缺陷，提出基于本體構(gòu)建的遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。通過對(duì)故障案例進(jìn)行分析，提取案例特征，并運(yùn)用屬性相似度計(jì)算，進(jìn)行案例檢索匹配；若檢索到的故障案例不適用，則運(yùn)用模糊C均值法對(duì)故障案例庫(kù)進(jìn)行處理并得到精簡(jiǎn)案例庫(kù)，同時(shí)運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)形成案例推理能力，再結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，形成實(shí)用的故障解決方案。研究結(jié)果表明，該方法解決了目前船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援系統(tǒng)缺乏知識(shí)查詢、相似案例檢索、案例推理等問題，提高了船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援的知識(shí)管理能力和效率。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程支援；本體知識(shí)庫(kù)；模糊C均值；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

DOIDOI：10.11907/rjdk.182262

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）010-0137-04

英文摘要Abstract：In order to solve the disadvantage in current ship equipment remote maintenance technical support system which is lack of knowledge query， similar case retrieval， case reasoning and other knowledge management issues， we propose the remote maintenance technology support knowledge base system based on ontology. Through the analysis of the fault case and extraction of the case characteristics， the attribute similarity calculation to carry out the case search matching is then conducted. If the retrieved fault cases are not applicable， the fuzzy C-means is applied. The method processes the fault case library and obtains a streamlined case library. At the same time， it uses neural network for training so that the system forms case reasoning ability， and then combines expert experience to form a practical fault solution. The research results show that the method solves the problems of lack of knowledge inquiry， similar case retrieval and case reasoning in the current ship equipment remote maintenance technical support system， and improves the capability and efficiency of remote maintenance technical support for ship equipment.

英文關(guān)鍵詞Key Words：remote support； ontology knowledge base；fuzzy C-means； neural network

0 引言

隨著船舶遠(yuǎn)海航行不斷增多，其裝備使用頻率不斷提升，工作強(qiáng)度不斷加大，對(duì)船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援[1]的維修保障能力也提出了更高要求。遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)不僅可為船員提供遠(yuǎn)程知識(shí)查詢，還可以為船員、專家提供相似案例匹配、案例推理等知識(shí)服務(wù)功能，為遠(yuǎn)海船舶裝備故障問題提供實(shí)時(shí)、有效的故障解決方案。因此遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援的知識(shí)管理功能顯得尤為重要，已成為遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援系統(tǒng)需要解決的重要問題之一。

近年來，眾多學(xué)者和研究人員針對(duì)船舶遠(yuǎn)程支援業(yè)務(wù)流程、呼叫中心及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-4]進(jìn)行了相應(yīng)研究，為遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援體系的建立及系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，在本體知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)研究方面，史江萍、佟偉光、王大玲等[5]提出一種基于描述框架的故障知識(shí)表示方法，使知識(shí)能進(jìn)行推理。王珉、胡蔦慶、楊思峰等[6]運(yùn)用產(chǎn)生式規(guī)則表示知識(shí)，對(duì)故障知識(shí)庫(kù)的更新方法進(jìn)行研究并仿真，實(shí)現(xiàn)了故障知識(shí)的積累。前述研究成果實(shí)現(xiàn)了知識(shí)管理功能，但其知識(shí)共享與案例推理能力較弱，效率較低。王志、夏士雄、牛強(qiáng)等[7]通過引入本體，對(duì)故障知識(shí)推理方法進(jìn)行研究，使故障知識(shí)共享、知識(shí)復(fù)用能力得到提高，但缺乏對(duì)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建過程的詳細(xì)說明?？祫ι?、姚路、曾斌等[8]采用CBR與RBR混合專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障案例的推理，但其推理能力依然較弱。

本系統(tǒng)通過引入本體，構(gòu)建本體模型基礎(chǔ)平臺(tái)，提供本體查詢、本體可視化、本體存儲(chǔ)等管理功能；然后對(duì)故障案例信息進(jìn)行描述并形式化，通過提取故障案例特征，進(jìn)行相似度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)案例檢索匹配；同時(shí)，結(jié)合模糊C均值法對(duì)故障案例庫(kù)進(jìn)行處理，去除故障案例庫(kù)中的冗余故障案例，得到精簡(jiǎn)案例庫(kù)，和其它故障案例庫(kù)相比，既節(jié)省了部分存儲(chǔ)空間，又提高了案例檢索精度；再運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在案例預(yù)測(cè)及屬性權(quán)重方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行充分訓(xùn)練，使系統(tǒng)形成案例推理能力；最后結(jié)合保障領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)，形成實(shí)用的故障解決方案，并及時(shí)提供給船員、維修人員和專家，實(shí)施遠(yuǎn)程故障維修。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)主要分為知識(shí)獲取和知識(shí)運(yùn)用兩個(gè)環(huán)節(jié)。在知識(shí)獲取環(huán)節(jié)，以裝備對(duì)象為中心，依據(jù)相關(guān)技術(shù)資料、維修保障記錄共同構(gòu)建裝備故障與維修知識(shí)模型，并對(duì)其進(jìn)行形式化處理，構(gòu)建信息庫(kù)、術(shù)語字典、案例庫(kù)；在知識(shí)運(yùn)用環(huán)節(jié)，通過向用戶提供信息查詢、IETM數(shù)據(jù)包、案例推理庫(kù)等功能，最終給用戶提供良好的知識(shí)學(xué)習(xí)、推理和檢索功能，其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

遠(yuǎn)程知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)主要分為本體模型基礎(chǔ)平臺(tái)和知識(shí)庫(kù)管理業(yè)務(wù)模塊兩個(gè)層次，前者為基礎(chǔ)。

本體模型[9-12]基礎(chǔ)平臺(tái)主要用于本體模型的構(gòu)建和管理[13-15]，主要包括通用本體管理平臺(tái)和船舶維修保障本體定制模塊兩部分，前者是定義本體的工具，后者是面向船舶維修保障領(lǐng)域的本體定制。

知識(shí)庫(kù)管理業(yè)務(wù)模塊按照功能劃分為基本信息管理模塊、技術(shù)資料管理模塊、維修保障記錄管理模塊、技術(shù)力量管理模塊、案例管理模塊和IETM數(shù)據(jù)包管理模塊。其中基本信息管理模塊、技術(shù)資料管理模塊、維修保障記錄管理模塊支撐案例管理模塊，基本信息管理模塊支撐技術(shù)力量管理模塊，前5個(gè)模塊支撐IETM數(shù)據(jù)包管理模塊。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 故障案例表示

船舶裝備故障案例是遠(yuǎn)程支援知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，而基于案例推理[16-18]生成的維修方案，則是船舶裝備故障案例的主要數(shù)據(jù)來源。故障案例表示是知識(shí)獲取的第一階段，直接關(guān)系到知識(shí)檢索的精度和速度，因此，需要對(duì)其進(jìn)行形式化處理。故障案例主要包括故障裝備、故障部位、故障現(xiàn)象、故障原因、修復(fù)方案等，表示為一組屬性的集合，如表1所示。

2.2 故障案例生成方法

基于故障案例推理的維修方案生成方法如圖2所示，主要分為以下幾步：

（1）故障問題描述。當(dāng)發(fā)生故障問題時(shí)，用戶首先對(duì)該故障問題進(jìn)行理解，并用可識(shí)別的語言進(jìn)行解釋，系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上形成一個(gè)結(jié)構(gòu)化并可查詢的故障案例，為下一步故障案例檢索提供依據(jù)。本系統(tǒng)采用XML-Schema對(duì)故障案例信息進(jìn)行描述，具體故障案例信息的XML-Schema如下：

解決方案1. 損傷曲軸曲柄銷軸頸修復(fù)、拋光及檢測(cè)

2. 裝配新配軸瓦

3. 制定滑油系統(tǒng)清潔方案，將故障導(dǎo)致的滑油系統(tǒng)污染徹底清除

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)柴油機(jī)連桿摩擦，使脫落的軸瓦合金層進(jìn)入滑油過濾器，導(dǎo)致堵塞，壓力下降

Default=”unqualified”>

利用DOM解析技術(shù)對(duì)XML-Schema進(jìn)行解析，提取文檔結(jié)構(gòu)，載入其數(shù)據(jù)，以上述故障案例信息為例，其結(jié)構(gòu)如下所示：

<故障案例信息xmlns：xsi=”http：//www.w3.org/2001/XML-Schema instance” xsi：noNamespaceSchemaLocation=”F：＼＼xml＼故障案例信息.xsd>

<故障 案例編號(hào)=” CTR2016121701”>

<故障裝備>柴油機(jī)

<故障部位>活塞

<故障時(shí)間>2016年12月17日

<故障現(xiàn)象>柴油機(jī)活塞冷卻滑油壓力報(bào)警停機(jī)，啟動(dòng)預(yù)供油泵后發(fā)現(xiàn)無法盤車

<故障原因>主柴油機(jī)工作時(shí)間已11 000小時(shí)，個(gè)別連桿大端軸瓦磨損超差后，滑油油膜難以充分建立，干摩擦導(dǎo)致軸瓦合金層燒熔

<解決方案>損傷曲軸曲柄銷軸頸修復(fù)、拋光及檢測(cè)；裝配新配軸瓦；制定滑油系統(tǒng)的清潔方案，將故障導(dǎo)致的滑油系統(tǒng)污染徹底清除

<經(jīng)驗(yàn)總結(jié)>柴油機(jī)連桿摩擦，導(dǎo)致脫落的軸瓦合金層進(jìn)入滑油過濾器，導(dǎo)致堵塞，壓力下降

故障

（2）故障案例檢索。故障案例通常包含多個(gè)不同的案例屬性，根據(jù)新的柴油機(jī)故障案例的屬性，進(jìn)行屬性匹配和相似度計(jì)算，從已有的柴油機(jī)故障案例庫(kù)中檢索與新的柴油機(jī)故障案例屬性相似度最大的故障案例，根據(jù)故障案例之間可能存在的父子關(guān)系、因果關(guān)系等進(jìn)行推理并整合故障案例。其檢索算法如下：設(shè)新的柴油機(jī)故障案例為故障案例A，原始故障案例為故障案例B，根據(jù)公式（1）計(jì)算兩者相似度，其取值越小，則案例A與案例B相似度越大，對(duì)故障案例的推理與整合更有效。

min（A，B）=∑ni=1Wi[xi（A）-xi（B）]2/∑ni=1Wi（1）

其中，xi（A）、xi（B）分別表示故障案例A與故障案例B的第i個(gè)屬性的置信度，[xi（A）-xi（B）]2表示故障案例A與故障案例B在屬性i上的相似度，Wi表示屬性i的權(quán)重值，該值由保障領(lǐng)域的專家給出。

（3）故障案例推理及整合。如果系統(tǒng)檢索出相似的柴油機(jī)故障案例，則根據(jù)該次故障案例屬性進(jìn)行調(diào)整，并修改檢索出的相似故障案例中故障解決方案的某些參數(shù)，依據(jù)案例之間可能存在的父子關(guān)系、因果關(guān)系等進(jìn)行推理并整合案例，得到適合當(dāng)前遠(yuǎn)程維修問題的建議方案。

（4）故障案例修正。在重復(fù)使用過程中，若提供的方案完全不適用，或僅部分適用于新問題，則需依據(jù)新問題的具體條件對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，以適用該問題。

（5）故障案例存儲(chǔ)。把故障案例修正后提供的解決方案運(yùn)用到本次柴油機(jī)故障維修中，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估，然后對(duì)案例檢索和案例修正后的故障案例進(jìn)行加工處理，將其作為新故障案例存儲(chǔ)于系統(tǒng)案例庫(kù)，以使系統(tǒng)案例庫(kù)規(guī)模擴(kuò)大、完善。

2.3 故障案例推理流程

故障案例檢索及推理過程如圖3所示。

（1）搜集整理已有的歷史故障案例及解決方案，找出案例中包含的屬性，并建立原始案例庫(kù)。

（2）利用FCM方法（即模糊C均值法）對(duì)原始案例庫(kù)進(jìn)行去噪處理，得到新的精簡(jiǎn)案例庫(kù)，并輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本中[19]。

（3）利用距離公式[20]檢索得到最相似案例及其相應(yīng)解決方案，在分類問題中，解決方案即為案例所屬類別。

（4）將系統(tǒng)檢索得到的結(jié)果與專家自身的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，得出所需建議方案，然后船上維修人員根據(jù)該建議方案進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證，若實(shí)施成功，則形成最終確認(rèn)方案；若實(shí)施不成功，則需重新進(jìn)行案例推理及整合，給出新的建議方案，直到方案能夠成功實(shí)施。

（5）專家對(duì)確認(rèn)方案進(jìn)行提煉形成新案例，并將新案例存儲(chǔ)到案例庫(kù)中。

3 結(jié)語

通過船舶裝備遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的研究，解決了支援系統(tǒng)僅基于Wiki數(shù)據(jù)管理而無法提供知識(shí)管理功能的問題。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了船員、維修人員、保障專家之間的溝通，并提供知識(shí)查詢、相似案例檢索及案例推理等功能。目前，系統(tǒng)故障案例規(guī)模較小，隨著船舶遠(yuǎn)海任務(wù)的常態(tài)化，后期系統(tǒng)中的案例將逐漸增多，案例庫(kù)將更完善，為系統(tǒng)知識(shí)檢索提供更加豐富的素材。后期根據(jù)積累的案例庫(kù)，將對(duì)系統(tǒng)檢索效率與精度進(jìn)行更加深入的研究及驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯：江 艷）