余 磊，馬 暉，谷宏強

（1.洛陽電子裝備試驗中心，洛陽 471003；2.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

0 引言

在開展裝備故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）工作過程中，涉及裝備在設計、研制、試驗、使用和維修等各個階段產(chǎn)生的測試、運行和維修保障等數(shù)據(jù)信息。但由于在我軍裝備維修保障信息化建設過程中，裝備數(shù)據(jù)信息管理機制不健全并缺乏統(tǒng)一描述標準，使得數(shù)據(jù)信息廣泛存在于裝備的生產(chǎn)制造、服役使用以及維修保障等部門，并且各部門對裝備數(shù)據(jù)信息描述方式不統(tǒng)一，導致裝備數(shù)據(jù)信息存在大量冗余和不一致現(xiàn)象，同樣的信息內容在不同部門系統(tǒng)中廣泛存在，但編碼、格式都不相同，信息數(shù)據(jù)存在不同程度的異構，產(chǎn)生的信息難以共享，在一定程度上制約了PHM 技術在裝備維修保障領域的應用。

本體技術在解決領域內信息異構問題上有其獨到之處，它是概念化的詳細說明，通過提取領域內公認概念以及概念關系，構建領域概念基本框架，為領域信息交流提供統(tǒng)一的認知平臺，使得信息交流可以在平臺上無歧義地進行，可以有效解決領域信息異構問題［1］。

1 裝備PHM 及其信息共享關鍵技術

裝備PHM 根據(jù)裝備健康狀態(tài)退化情況開展工作，圖1 給出了3 種不同的健康退化趨勢曲線。

圖1 裝備健康狀態(tài)退化曲線

圖中時間t 表示定時維修的時間點（統(tǒng)計學評估得到的維修間隔），對于曲線L1表示的裝備在定時維修之前可能發(fā)生了故障，此時采用定時維修容易產(chǎn)生很大的安全風險；曲線L3表示的裝備可能發(fā)生的故障時間會在t 之后很遠，此時采用定時維修將造成浪費。研究發(fā)現(xiàn)，裝備健康狀態(tài)始終會經(jīng)歷狀態(tài)良好、早期潛在故障到發(fā)生故障這個過程，在裝備狀態(tài)良好時通過狀態(tài)監(jiān)測獲取裝備實時運行狀態(tài)信息；當健康狀態(tài)退化到裝備早期潛在故障點A 處時，開始識別故障特征，估計裝備剩余使用壽命，制定預防性維修策略；當裝備健康狀態(tài)退化到故障點D 處時，開展故障診斷工作，對故障進行定位，估計故障影響，并制定故障維修方案，防止出現(xiàn)二次故障，實現(xiàn)裝備健康管理。針對曲線L2表示的裝備開展裝備PHM 工作時，可以從時變的角度將裝備PHM 工作過程簡化為圖2。

圖2 裝備PHM 工作過程

本文的PHM 信息是指裝備PHM 工作領域內所包含的信息，基于本體技術對其開展共享技術研究時，需要解決的關鍵問題包括：1）裝備PHM 信息分析；2）裝備PHM 信息標準化描述；3）裝備PHM信息應用。裝備PHM 信息分析是開展信息共享研究的基礎，它可以為信息標準化描述提供信息支持；裝備PHM 領域本體模型用于實現(xiàn)裝備PHM 信息的標準化描述，解決裝備PHM 信息異構問題；裝備PHM 信息應用是信息共享的實現(xiàn)途徑，通過信息應用技術將裝備PHM 信息應用到裝備維修保障實踐中，可以提高裝備PHM 信息利用率，實現(xiàn)裝備PHM 信息共享。綜上，基于本體的裝備PHM 信息共享關鍵技術主要包括裝備PHM 領域本體建模和領域本體應用兩方面內容，其中本體應用通過語義檢索實現(xiàn)。

2 裝備PHM 領域本體建模

裝備PHM 領域本體建模綜合采用7 步法和循環(huán)獲取法，建模流程如圖3 所示，主要分為本體準備、本體構建以及本體實例化3 部分，裝備PHM 領域本體建模參照建模流程進行。

圖3 裝備PHM 領域本體建模流程

2.1 裝備PHM 領域本體準備

在構建領域本體時，明確本體研究的專業(yè)領域和范疇是首要工作，主要從本體涉及的專業(yè)領域、應用目標、作用范圍以及應用對象等方面進行說明［2-3］。開展裝備PHM 領域本體研究準備工作，主要包括以下幾個方面：

1）根據(jù)裝備PHM 工作過程，明確了裝備PHM領域本體覆蓋的專業(yè)領域主要包括：開展裝備PHM工作中涉及的裝備及其相應的管理、測試、故障預測、故障診斷和維修等專業(yè)領域。

2）裝備PHM 領域本體的應用目標主要是解決裝備PHM 信息異構問題，在海量的維修保障信息中實現(xiàn)裝備PHM 信息智能集成，便于維修保障人員智能在線檢索裝備PHM 信息，為維修保障作業(yè)提供信息支持，實現(xiàn)裝備PHM 信息共享。

3）裝備PHM 領域本體主要將裝備維修保障過程中有關裝備PHM 工作的活動抽象成一組概念及概念之間的關系，這些活動包括裝備測試、故障預測、故障診斷和故障維修等，涉及的關系包括裝備結構、測試數(shù)據(jù)、裝備故障、故障維修以及維修資源等之間的關系。其作用主要在于方便維修保障人員合理利用各裝備PHM 活動中產(chǎn)生的信息資源，提高維修保障信息資源利用率。

4）本文構建的裝備PHM 領域本體涉及的裝備主要指導彈、雷達、火炮、車輛、艦艇、坦克以及飛機等，其應用對象主要指裝備的使用以及維修保障人員。

2.2 裝備PHM 領域本體框架構建

構建本體框架是在分析領域概念的基礎上，提取領域本體核心類，通過對本體核心類的概念擴展構建概念層次，分析概念層次中各概念之間的關系，創(chuàng)建概念屬性，進而達到構建本體框架的目的。

從裝備PHM 工作過程出發(fā)對裝備PHM 信息構成進行分析，可以將其分為裝備基本信息、裝備測試信息、故障預測信息、故障診斷信息以及故障維修信息5 個方面，其中裝備測試信息用于描述通過狀態(tài)監(jiān)測獲取的測試數(shù)據(jù)相關信息。以這5 類信息作為裝備PHM 領域本體的核心概念類，在此基礎上對概念進行擴展，構建概念層次，得到的裝備PHM 領域本體概念層次如圖4 所示。

圖4 裝備PHM 領域本體概念基本層次圖

本體概念層次結構是領域本體的“骨架”，構建領域本體還需要通過構建概念屬性來充實本體“血肉”。本體概念屬性主要包括對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，其中對象屬性表示概念與概念之間的關系，數(shù)據(jù)屬性表示概念具備的數(shù)據(jù)特性［4-5］。在分析裝備PHM領域本體概念層次結構的基礎上，對概念屬性進行定義，得到部分對象屬性和數(shù)據(jù)屬性如表1 和表2所示。

表1 裝備PHM 領域本體部分對象屬性

表2 裝備PHM 領域本體部分數(shù)據(jù)屬性

2.3 裝備PHM 領域本體實例化

本體實例化是裝備PHM 領域本體構建的最后一步，本文在裝備PHM 領域本體框架的基礎上，以某型導彈武器系統(tǒng)為研究對象，對裝備PHM 領域本體進行實例化。裝備基本信息是構建裝備PHM領域本體的基礎，裝備測試、故障預測、故障診斷和故障維修的本體實例構建均需要在裝備結構信息的基礎上展開。對某型導彈裝備基本信息進行實例化，得到部分實例關系如圖5 所示。

圖5 某型導彈裝備基本信息部分實例關系圖

3 裝備PHM 領域本體語義相似性檢索

3.1 裝備PHM 領域本體檢索模型

開展裝備PHM 領域本體信息共享技術研究，其目標在于將裝備PHM 信息應用到裝備維修保障實踐中去，用戶如何高效地獲取并運用裝備PHM信息成為信息共享技術實現(xiàn)的關鍵。為此，本文采用基于語義相似度的檢索方法對裝備PHM 領域本體進行檢索，檢索模型如圖6 所示。

語義相似度用來表示兩個概念之間共性的多少，概念之間的相似度越大，它們之間擁有的共性越多［6］。在基于語義相似度的裝備PHM 領域本體檢索模型中，檢索過程可以分為兩個階段。第1 部分是粗選階段，這一階段在裝備結構匹配的基礎上，采用概念語義相似度算法對裝備故障模式和裝備PHM 領域本體庫中故障模式進行概念匹配，獲取達到一定相似度閾值的初選本體實例集，可以大大縮小本體實例的檢索范圍，提高本體實例檢索效率；第2 部分是細選階段，在初選本體實例的基礎上，采用屬性語義相似性算法對故障特征數(shù)據(jù)和初選本體實例故障特征數(shù)據(jù)進行語義匹配，選取屬性相似度達到閾值的故障實例作為本體檢索結果。最終檢索結果通過綜合計算概念語義相似度和屬性語義相似度進行篩選。

3.2 裝備PHM 領域本體語義相似度算法

3.2.1 概念語義相似度計算

基于語義相似度的裝備PHM 領域本體檢索方法第1 階段通過計算概念語義相似度來篩選本體實例，本文在計算概念語義相似度時，采用李文清、孫新和張常有等人提出的WSim_OC 算法［7］，該方法在傳統(tǒng)的基于路徑［8］和基于信息量［9］的計算方法上，將概念密度和概念深度納入語義相似度計算范圍。

WSim_OC 算法對基于信息量的語義相似度計算方法進行改進，得到計算方法如式（1）所示：

將概念深度引入到基于路徑的計算方法中，得到改進的基于路徑的概念相似度計算方法，如式（2）所示：

式中，d（A）和d（B）代表概念A 和B 的概念深度，d（A，B）表示概念A 和B 最近公共節(jié)點的概念深度，概念深度表示概念抽象程度，公共概念深度越大，抽象程度越具體，兩概念相似度越大。

對式（1）和式（2）兩種方法進行加權整合，得到WSim_OC 算法，如式（3）：

式中，α+β=1，代表SimIC（A，B）的影響因子，調節(jié)α可以合理地調整概念信息量和概念深度在計算概念相似度時的權重。

3.2.2 屬性語義相似度計算

基于語義相似度的裝備PHM 領域本體檢索方法第2 階段在計算概念語義相似度的基礎上，進一步計算屬性語義相似度，提高本體實例獲取的準確度。屬性語義相似度主要計算數(shù)據(jù)屬性的相似程度，數(shù)據(jù)特征值的取值可以分為兩種，分別是精確值和區(qū)間值，它們的語義相似度需要分開計算，計算方法也不相同。

當屬性特征值取值為精確值時，相似度計算方法如式（4）所示［10］：

式中，（a，b）代表屬性A 和屬性B 的精確特征值，α和β 代表特征值取值范圍的下限和上限，式（4）比較好理解，語義相似度與兩精確值之間的距離大小成反比。

當屬性特征值取值為區(qū)間時，相似度計算方法定義如式（5）所示［11］：

根據(jù)基于語義相似度的裝備PHM 領域本體檢索模型設計，在領域本體信息粗選階段采用式（3）進行相似度計算，獲取相似度超過閾值的本體實例，在細選階段采用屬性語義相似度進行屬性數(shù)據(jù)匹配，當屬性數(shù)據(jù)特征取值為精確值時，采用式（4）進行相似度計算；當屬性數(shù)據(jù)特征取值為區(qū)間值時，采用式（5）進行相似度計算。

3.2.3 整體語義相似度計算

最終計算整體語義相似度時需要對概念和屬性語義相似度進行加權，權值由各主成分在語義相似度計算中貢獻率決定，采用主成分分析法計算各主成分貢獻率［12］，得到整體語義相似度計算方法如式（6）所示：

4 案例分析

本文以MyEclipse 作為軟件開發(fā)環(huán)境，采用Protégé 軟件對裝備PHM 信息進行本體建模，運用Jena 引擎對本體信息進行管理，并使用Microsoft SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫對本體數(shù)據(jù)進行存儲，開發(fā)了基于本體的裝備PHM 信息共享原型系統(tǒng)。

下面以某型導彈武器系統(tǒng)發(fā)射制導車測試診斷信息為基礎，開展裝備PHM 信息共享系統(tǒng)應用，涉及的測試信息從裝備通用檢測診斷平臺上獲取。下頁表3 是日常開展裝備維護時獲取的發(fā)射制導車部分測試診斷信息，將獲取的測試診斷信息通過本體實例管理模塊存入信息共享原型系統(tǒng)，在語義查詢中檢索電源數(shù)據(jù)異常和30 V 電源，系統(tǒng)通過概念和屬性與數(shù)據(jù)庫中存儲的裝備PHM 本體信息進行匹配，得到如圖7 所示的檢索結果，達到預期目標。

5 結論

本文針對裝備PHM 工作過程中存在的信息異構、難以共享的問題，基于本體對裝備PHM 領域信息進行建模，采用基于語義相似度的檢索方法對裝備PHM 領域本體進行檢索，綜合運用Protégé 軟件和Jena 引擎搭建了裝備PHM 信息共享原型系統(tǒng)，能夠滿足用戶獲取并運用裝備PHM 信息的需求，基本實現(xiàn)了裝備PHM 信息共享功能。

表3 某型導彈武器系統(tǒng)發(fā)射制導車部分測試診斷信息

圖7 基于語義相似度的本體檢索結果