王 苗，楊百龍，田羅庚，張林科，王 迪

(火箭軍工程大學研究生院，西安 710025)

案例作為一類重要的資源型知識，其主要價值在于能為后續(xù)類似故障維修工作提供科學性、指導性的維修意見。人們在長期對通信設備維修保障過程中，積累了大量維修案例，然而，絕大多數維修案例都以自由文本或半結構化文本的形式存儲在文本或數據庫中，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標準，嚴重制約了不同單位之間維修案例數據的信息化處理和交流共享。

一個良好的知識模型是對知識進行表示和管理的重要前提，也是實現案例重用和共享的基礎。目前，中外關于通信設備維修案例知識表示方法的研究較少。陳學文[1]采用產生式規(guī)則表示法實現了野戰(zhàn)地域網通信裝備故障診斷專家系統(tǒng)中的知識表示模塊；Chen等[2]設計了基于規(guī)則的通信設備故障診斷知識庫；Yang[3]采用面向對象法，設計了無線通信設備故障特征診斷模型。前人研究中采用的知識表示方法主要有框架法和產生式法等，由于這些方法不適合表達過程性知識且容易產生組合爆炸問題，往往難以滿足故障維修領域實際應用的需求。

近年來，中外許多學者致力于基于本體的知識表示研究，并取得了一定的成果。蘇正煉等[4]引入本體技術實現了裝備故障知識庫的構建；Dendani-Hadiby等[5]將本體表示法與CBR(case-based reasoning)系統(tǒng)相結合，用于汽輪機故障診斷；Ebrahimipour等[6]采用本體概念的知識表示方法，解決了氣動閥維護記錄異構性的問題；鄧興宇等[7]提出了基于領域本體的語義特征向量空間模型，用于表示電子防護裝備故障案例。本體在知識表示方面具有表達準確、規(guī)范和結構清晰等特點，并且具有強大的語義推理能力，能很好地克服其他知識表示方法的局限性，因此廣泛應用于知識工程、產品設計、應急決策等領域[8]，實現知識的規(guī)范化表示。

針對現階段關于通信設備維修案例知識表示與管理方面的不足，在詳細分析通信設備故障案例知識組成和特點的情況下，提出一種基于本體的通信設備維修案例知識表示及管理方法，實現對通信設備維修案例的結構化表示和存儲。

1 通信設備維修案例知識的構成及特點

故障維修案例源于從設備發(fā)生故障到排除故障所進行的一系列跟蹤記錄，涉及多方面知識要素，如理論、技術、操作等[9-10]。通過整理、歸納大量故障案例，得到通信設備故障維修案例主要由以下三類知識構成：專業(yè)技術理論、維修案例經驗和組織機構信息。圖1為設備維修案例信息結構圖。

專業(yè)技術理論包括設備結構知識、工作原理、技術標準等專業(yè)理論基礎。維修經驗包括維修指導手冊、歷史故障案例經驗、專家排故方法等經驗性指導資源。人員裝備管理信息主要包括對技術人員的任務分工、儀器裝備管理以及設備維修的組織實施辦法等[11]。

圖1 設備維修案例信息結構

設備維修案例知識主要有以下特點。

(1)多樣性。記錄案例時通常需要文本、圖表甚至音視頻等各種類型的數據信息對故障現象等進行描述，數據表示形式多樣。

(2)復雜性。故障維修案例記錄不僅涉及對故障現象和故障分析的描述，還包含對維修方案、維修步驟等過程性知識描述，概念間關系復雜。

(3)重復性。故障維修案例記錄中通常存在大量的相同或相似案例。

(4)經驗性。設備維修是一項實踐性很強的活動，充分借鑒、參考成功的案例經驗能大大提高維修工作的效率。

設備維修案例知識的上述特點，要求知識表示方法要有很強的一致性和可擴展性，而且能準確清晰地表示出各要素概念、屬性及相互關系，才能很好地實現對故障維修案例的結構化、規(guī)范化管理。

本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明[12]，具有豐富的概念關系、屬性約束以及強大的語義表達能力，能清晰地定義設備維修領域中的過程性知識以及概念、屬性之間的復雜關系，消除知識表示的模糊性[13]。而且本體的共享性和可擴展性的特點，正好滿足設備維修這類知識開放性領域。采用本體對維修案例知識進行建模，有利于案例知識的規(guī)范化表示及靈活管理[14]。

2 通信設備維修案例本體模型設計

2.1 本體構建方法及步驟

圖2 通信設備維修領域本體構建流程圖

本體的構建方法多種多樣，通常都是面向特定領域，因此一般都是從具體項目的工程實踐出發(fā)而設計。目前，常用的本體構建方法主要有：Uschold和King提出的骨架法、Gruninger和Fox等總結的TOVE(toronto virtual enterprise)法、Gomez-perez和Mariano Fernandez提出的Methontology法、斯坦福大學開發(fā)的七步法等[15]，這些方法都是在進行具體項目開發(fā)時總結出來的經驗，針對不同領域，本體構建具有不同需求。結合骨架法和七步法，提出針對通信設備維修領域的本體構建方法，具體流程如圖2 所示。

2.2 知識管理框架

針對故障維修案例知識的復雜特性，在本體技術的基礎上，采用分類、分層的思想，設計了如圖3所示為基于本體的三層案例知識管理框架，整個知識體系框架由知識獲取、知識組織與管理和知識應用三階段構成，很好地實現了對案例知識的層次化、精細化管理。

圖3 設備故障維修案例知識管理框架

2.2.1 知識獲取階段

通過各種渠道收集領域相關知識，如維修手冊、產品說明書、歷史案例記錄等，歸納、提取領域內的專業(yè)術語及相關關系，將其概念化處理，作為數據庫的知識基礎。該階段往往由大量研究人員和領域專家共同完成，以保證知識的公認性和共享性。

2.2.2 知識組織與管理階段

Step1將領域內的概念進行分類，構建相應數據庫，如裝備信息庫、專業(yè)理論庫等公用數據庫以及領域本體庫，便于將結構類型相同的知識集中管理。公用數據庫用于管理人員、裝備、理論等固定型資源，領域本體庫用于管理故障維修方面的針對型資源。

Step2分析大量真實案例，提取出案例通用的框架結構作為案例模板，建立維修案例表示本體。維修案例表示本體為案例提供結構一致的表示框架，并對公用數據庫和領域本體庫中的知識進行集成、調用。

Step3最后根據維修案例表示本體提供的實例模板，將具體案例進行實例化。

2.2.3 知識應用階段

對案例庫進行檢索、重用、修正，可實現歷史案例再利用，發(fā)揮歷史數據的潛在價值。

3 通信設備維修案例本體

通信設備維修案例本體由五要素構成：領域本體、案例表示本體、特征屬性、故障邏輯和真實案例，五要素相輔相成，共同實現對維修案例的完整描述。

3.1 領域本體庫構建

通信設備維修領域本體是由設備故障維修過程中涉及的概念、術語等抽象出來的知識所構建，構成了描述該領域內具體知識的基礎。通過分析如圖4所示的通信設備故障維修過程，將領域概念體系分為4個側面并分別構建相應的子本體：結構功能子本體、故障原因子本體、故障模式子本體、維修方案子本體，形成領域本體庫，實現對知識的分類管理。

圖4 通信設備故障維修過程

3.1.1 結構功能子本體

結構功能子本體用于管理設備在空間上的物理結構、單元模塊之間的關系以及模塊功能等信息。結構功能子本體的概念集可表示為五元組：SFC={S-Code，S-Name，S-Id，S-Systems，S-Function}，其中S-Code為設備代碼，S-Name為模塊名稱，S-Id為模塊標識，S-Systems為模塊所屬系統(tǒng)層次，S-Function為功能描述。屬性關系集可表示為七元組：SFR={has_ckt_unit，has_up_ckt，has_sub_module，has_low_ckt，has_function，has_code，has_id}，分別表示電路單元、上層模塊、下層模塊、子模塊、功能描述、代碼屬性、模塊標識。以某型電臺為例，其相應的結構功能概念及屬性關系如圖5所示。

圖5 某型電臺結構功能概念及屬性關系

3.1.2 故障原因子本體

故障原因子本體用于描述對故障現象的分析及判斷等信息，是設備故障模式的具體體現。故障原因是維修過程中重要信息之一，起承上啟下的作用，上接設備故障現象，下連維修方案，為維修方案的制定提供依據。

故障原因子本體的概念集可定義為四元組：REC={R-Position，R-Phenomenon，R-Dreason，R-Ireason}，R-Position為故障部位，R-phenomenon為故障現象，R-Dreason為故障直接原因，R-Ireason為根本原因。屬性關系集可表示為三元組：RER={has_phenomenon，has_dreason，has_ireason}。以故障現象“電源不通”為例進行說明，故障原因子本體概念及關系圖如圖6所示。

圖6 故障原因子本體概念及屬性關系

3.1.3 故障模式子本體

故障模式子本體用于對設備可觀、可測的故障現象進行規(guī)范化描述。故障模式子本體的概念集可定義為四元組：MOC={M-Phenomenon，M-Type，M-Mode，M-Level}，M-Phenomenon為故障現象，M-Type為故障類型，M-Mode為故障模式，M-Level為故障等級。屬性關系集可表示為三元組：MOR={has_phenomenon，is_mode，is_level}。其概念及關系圖如圖7所示。

圖7 故障模式子本體概念及屬性關系

3.1.4 維修方案子本體

維修方案子本體用于管理排除具體故障時的維修信息。維修方案的制定以故障現象及故障原因為依據，同時要綜合考慮故障維修的緊急性和經濟性等方面。維修方案子本體的概念集可定義為五元組：PLC={P-Position，P-Reason，P-Solution，P-Resource，P-Type}，P-Position為維修部位，P-Reason為故障原因，P-Solution為解決方案，P-Resource為維修資源，P-Type為維修類型。屬性關系集可表示為四元組：PLR={has_reason，has_solution，has_resource，is_type}。其概念及屬性關系圖如圖8所示。

圖8 維修方案子本體概念及屬性關系

3.2 故障邏輯

領域本體庫中四個子本體分別用于管理故障維修過程四個不同側面的知識概念，但四者并不完全獨立，而是存在一定的相互關系，即故障邏輯。故障邏輯用于描述領域本體庫中子本體之間以及子本體本身概念間的邏輯關系，如包含、因果等關系。子本體本身概念間邏輯關系上文中已分別介紹，本節(jié)介紹子本體之間邏輯關系。

從圖4設備故障維修過程可知，四者存在明顯先后順序和因果關系。根據結構功能子本體中某設備結構具體的故障現象，分析得到具體原因，具體原因作為故障原因子本體的一部分，一方面由抽象與具體關系連接故障原因子本體和故障模式子本體，另一方面由因果關系連接故障原因子本體和維修方案子本體。本文涉及的領域子本體間故障邏輯如表1所示，圖9為子本體間故障邏輯描述，并以電源故障維修案例進行同步說明。

表1 領域子本體間故障邏輯說明

3.3 維修案例表示本體

案例是技術人員長期對設備進行維修而積累的記錄資料。案例不同于一般的理論知識，它提供了如故障環(huán)境、分析測試等具體故障背景和排故細節(jié)，具有很強的實踐性和針對性。通過分析積累的大量故障案例，總結出通信設備故障維修案例主要由以下六方面信息構成：基本信息、故障描述、故障原因、維修方案、處理結論以及評價與反饋。詳細的故障案例知識體系結構圖如圖10所示，并以該結構為案例框架構建維修案例表示本體。維修案例表示本體為真實案例提供統(tǒng)一的描述框架，以實現案例知識描述的一致性，完成對非結構化案例的結構化表示，便于后期知識的處理與共享。

領域本體庫作為故障維修專業(yè)知識的基礎，與公用數據庫一起，共同為案例表示本體提供共享概念及知識來源，由圖3的知識管理框架可知，案例表示本體實現了領域本體庫以及各類公用數據庫的知識集成，對知識庫內的知識進行調用，具體的知識調用關系如圖11所示。

圖9 子本體間故障邏輯描述

圖10 故障案例知識體系結構

圖11 知識調用關系

3.4 特征屬性設置

屬性包括兩種類型：對象屬性和數據屬性，對象屬性用于描述概念(類)之間的相互關系，數據屬性用于描述概念的元素特征與數據類型。如故障模式是故障原因的具體表現，維修方案是依據故障原因而制定的針對性的維修措施，則故障模式與故障原因、維修方案與故障原因之間的關系即為對象屬性。如裝備代碼、案例編號等概念，都是以數據的形式表現，則其具有數據屬性。維修案例表示本體中部分屬性介紹如表2所示。

表2 維修案例表示本體部分屬性

4 實現與應用

采用OWL作為本體描述語言，Protégé 5.2.0作為本體編輯和開發(fā)工具構建了通信設備維修案例本體，領域本體及案例表示本體的構建過程均嚴格遵守本體的規(guī)范標準。Protégé提供了對本體的概念、屬性、關系、約束、實例的構建方法，能很好地描述領域本體概念間相互關系及故障邏輯關系，使得知識附有豐富的語義信息。維修領域本體建模如圖12所示。

維修案例表示本體為真實案例提供了結構一致的表示框架，將大量以自由文本形式存在的故障維修案例記錄進行實例化，構成通信設備故障維修案例庫，便于對歷史案例的共享和重用。圖13所示為通信電源交流接觸器故障維修案例記錄，圖14所示為根據案例記錄對維修案例表示本體添加相應的實例，完成案例知識表示的過程，實例的結構化表示驗證了該方法的可行性。由以上對本體及實例創(chuàng)建的過程可見，本體模型能清晰、準確地定義知識概念，同時能很好地描述概念間的語義關系，并且具有良好的可擴展性和靈活性，模型維護代價小。

本體構建完成后，采用Microsoft SQL Server 2012關系數據庫對OWL本體文件進行存儲，Java為編程語言，Eclipse 4.7.1a為開發(fā)環(huán)境。從本體的OWL文件中提取類、屬性、約束、實例等資源，分別創(chuàng)建概念類表、屬性表、屬性約束表、實例表，對于案例中知識概念的不同分類進一步創(chuàng)建案例基本信息表、案例故障描述表、案例故障原因表、案例維修方案表、案例處理結論表等關系表，各表通過實例URI(uniform resource identifier)、案例編號URI與實例表、屬性表等數據表相連，明確地描述了各類資源之間的關聯(lián)關系，盡可能保留了本體模型中的語義信息。詳細的OWL存儲設計模式及對應的轉換算法如圖15所示，圖16為轉換后案例基本信息表的存儲情況。

圖12 知識調用關系

圖13 通信電源交流接觸器故障案例

圖14 維修案例表示本體實例創(chuàng)建

圖16 案例基本信息表的存儲情況

在轉換完成的數據庫中進行案例檢索，如檢索“由觸點氧化引起交流接觸器不通而導致的通信電源故障”這一類案例，語義檢索與常規(guī)檢索的檢索效率對比如表3所示。實驗數據表明，語義檢索在添加語義信息的檢索約束下，比常規(guī)檢索得到的案例數少，但符合條件的案例數卻比常規(guī)檢索多；常規(guī)檢索由于限定條件不夠，僅依靠關鍵概念檢索，得到的案例數甚至比庫中符合要求的案例數還多，

表3 語義檢索與常規(guī)檢索對比

但其中符合條件的案例數卻只占51.4%，檢索效率和準確率遠低于語義檢索。

5 結論

針對通信設備維修領域大量非結構化故障案例缺乏統(tǒng)一規(guī)范標準、案例利用率低等問題，在分析了通信設備維修案例知識構成特點及本體技術適用性的基礎上，提出了基于領域本體的設備故障維修案例知識管理框架，完成了通信設備維修案例本體的構建，實現對通信設備維修案例知識的結構化表示和精細化、靈活化管理。最后利用關系數據庫存儲本體模型，既有效利用了關系數據庫成熟的數據管理技術，又盡可能保留了本體的語義信息，結合二者的優(yōu)勢，實現對歷史案例的有效管理，大大提高了案例檢索的效率，便于后續(xù)對案例知識的共享和重用。該方法的提出為下一步通信設備故障維修案例知識庫的構建打下基礎，對于不同單位之間的案例資源共享、提高通信設備故障維修速度和效率有重大意義。

由于在通信設備維修領域尚不存在現有本體可供參考和復用，現階段構建的本體全部由人工構建，工作量大且過程煩瑣。由于知識的局限性，目前構建的本體模型仍不夠系統(tǒng)全面。本體具有很好的可擴展性，隨著技術的進步，人們的專業(yè)素養(yǎng)和認知能力不斷提高，可采取子類擴展、屬性擴展、實例擴展等方式進一步豐富本體模型。