艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識本體建模研究*

彭 亮 岳冬梅 石晨光 趙 翀 孫文州

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識本體建模研究*

彭 亮1岳冬梅2石晨光2趙 翀1孫文州1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

針對艦炮供彈系統(tǒng)故障頻發(fā),故障診斷知識激增,傳統(tǒng)診斷難度增大的問題,在對供彈系統(tǒng)故障診斷知識結(jié)構(gòu)和語義特點分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于本體的艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識建模方法和表示模型。構(gòu)建了包含供彈系統(tǒng)故障源、故障現(xiàn)象、參數(shù)指標、故障原因及排故措施五要素,由決策樹連接的供彈系統(tǒng)故障知識本體。并應(yīng)用推理機Pellet對模型進行一致性檢驗。實例驗證表明,該本體模型不僅表述直觀、效率高,而且利于知識的共享和擴充。

艦炮供彈系統(tǒng); 本體; Protégé; 故障診斷

Class Number TP182

1 引言

在艦炮領(lǐng)域有多種故障診斷方法,這些方法的診斷原理都是建立在知識庫系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上。艦船裝備信息化程度在不斷提高,艦炮領(lǐng)域所積累的知識也在激增,將這些知識和經(jīng)驗高效地表示和利用對艦船裝備保障有重要意義。同時,新型裝備往往缺乏保障數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗豐富的保障人員。所以開發(fā)一種接口友好,知識表示方法完備,知識獲取方法靈活,在艦炮領(lǐng)域內(nèi)有通用性的故障知識庫就愈發(fā)重要。

本體可以有效地描述知識層次結(jié)構(gòu)及相互關(guān)聯(lián)的模型,已經(jīng)被廣泛地引入到故障診斷系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域,并充分展現(xiàn)出本體建模技術(shù)在知識共享[1～3],推理分析等方面的優(yōu)勢。本文將本體引入到艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識領(lǐng)域中,應(yīng)用W3C規(guī)范的本體描述語言O(shè)WL對艦炮供彈系統(tǒng)領(lǐng)域本體進行描述[4～6]。通過該本體實現(xiàn)供彈系統(tǒng)故障診斷知識的查詢、重用和共享,以提高故障診斷的效率。

2 供彈系統(tǒng)故障診斷知識分析

供彈系統(tǒng)故障診斷過程,實際上是在發(fā)生故障現(xiàn)象后對可能發(fā)生故障的單元進行參數(shù)測試,確定故障原因,定位故障源,給予用戶相應(yīng)的排故措施的過程。通過上述分析不難得到供彈系統(tǒng)故障診斷涉及的五個要素：

1) 故障源。對艦炮裝備而言,故障源可能是子部分控制系統(tǒng),也可能存在于子機械系統(tǒng)。

2) 故障原因。發(fā)生故障的癥結(jié)所在,簡單故障可能容易找到,對于復(fù)雜故障需要專業(yè)的故障診斷人員才能獲得[7]。

3) 故障現(xiàn)象。包括所有能夠被人或儀器檢測到的故障現(xiàn)象。

4) 參數(shù)指標。主要包括對艦炮供彈系統(tǒng)正常運行起重要影響的各單元的相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標。通過參數(shù)指標可直接判斷該單元的運行狀態(tài)。

5) 排故措施。與故障原因?qū)?yīng),包括對故障單元進行維修、更換等處理。

圖1 供彈系統(tǒng)故障診斷知識結(jié)構(gòu)圖

故障診斷知識是故障事實、診斷規(guī)則、相關(guān)概念的集合,一般以描述型方法存儲和管理知識,形成一個故障知識域。圖1為供彈系統(tǒng)故障診斷知識結(jié)構(gòu)圖。供彈系統(tǒng)有著復(fù)雜的構(gòu)造,各型號裝備還存在一定的差別,所以確定故障易發(fā)生部位之間的層次聯(lián)系及確定各故障間的層次結(jié)構(gòu)是建立知識庫的重難點。此外,供彈系統(tǒng)故障的隨機性與多重耦合(一種故障原因可產(chǎn)生多種故障現(xiàn)象,一種故障現(xiàn)象又常常對應(yīng)多種故障原因),也為明確故障診斷知識結(jié)構(gòu)設(shè)置了難度。

故障診斷的根本目的是提高裝備的戰(zhàn)備完好率,那么有效的故障診斷本體要清晰客觀,且具有良好的可理解性、推理性、一致性、易維護性。

3 供彈系統(tǒng)領(lǐng)域本體構(gòu)建

斯坦福的Gruber教授認為“本體(ontology)是關(guān)于共享的概念模型協(xié)議”[8]。斯坦福大學(xué)開發(fā)了基于Java的本體工具Protégé[9],鑒于其開放性的接口、良好的界面設(shè)計及支持儲存本體數(shù)據(jù),本文選擇Protégé進行供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域故障知識本體開發(fā)設(shè)計。主要建模步驟: 1) 確定模型目標和范疇; 2) 分析艦炮供彈系統(tǒng)故障類型的故障特征、敏感參數(shù)、故障原因、排故措施,列出所有的艦炮供彈系統(tǒng)故障知識,以其構(gòu)建供彈系統(tǒng)故障知識本體的類; 3) 確定所需建立的供彈系統(tǒng)故障本體中的類和關(guān)系; 4) 利用相關(guān)本體開發(fā)工具建立供彈系統(tǒng)故障診斷本體,獲得供彈系統(tǒng)故障知識的形式化表示與編碼。

3.1 艦炮供彈系統(tǒng)本體的相關(guān)定義

定義1 供彈系統(tǒng)故障知識分別用C,A,P,R,M來描述,C為供彈系統(tǒng)故障知識本體模型中所有故障源的非空有限集合,C={C1,C2,…,Cn};A為供彈系統(tǒng)故障知識本體模型中全部故障現(xiàn)象的非空有限集合,A={A1,A2,…,An};P為供彈系統(tǒng)故障知識本體模型中全部參數(shù)指標的非空有限集合,P={P1,P2,…,Pn};R為供彈系統(tǒng)故障知識本體模型中全部故障原因的非空有限集合,R={R1,R2,…,Rn};M為供彈系統(tǒng)故障知識本體模型中全部排故措施的非空有限集合,M={M1,M2,…,Mn}。

3.2 列舉術(shù)語

表1 供彈系統(tǒng)的故障術(shù)語

因為本體構(gòu)建的最終目標是共享,所以保證術(shù)語的通用性至關(guān)重要。通過對故障描述語句的分析,可將語句劃分為可以表達語義的一些關(guān)鍵詞匯。表1是提取出的供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域的術(shù)語。

3.3 定義類及類層次

以具有炮塔供彈部分、補彈系統(tǒng)、揚彈機的典型艦炮供彈系統(tǒng)為研究對象,建立其及類層次。由于篇幅限制,這里僅列出炮塔中供彈部分易發(fā)生故障部件,如圖2所示。

圖2 炮塔供彈部分組成框圖

定義3 供彈系統(tǒng)本體可表示為四元組O=〈C,R,P,I〉。其中：C為本體中的類集;R為類的關(guān)系集合;P為屬性(Properties);I是實例集(Instances)。類由類間關(guān)系加以約束,通過實例予以呈現(xiàn),不同類的實例又通過屬性賦以聯(lián)系。

最典型的類間關(guān)系是繼承關(guān)系(is-a),還存在等價(Equivalent)、先類(Ancestor)、父類(Super)、子類(Descendant)等諸多類間關(guān)系,特別指出相離(Disjoint)是對系統(tǒng)推理起重要作用的關(guān)系,一般用于同一層次的類。比如故障現(xiàn)象與故障原因的關(guān)系就是相離。

定義4 任意兩個類C1和C2,如果不存在任意x,使得x同時屬于C1和C2的實例,則稱C1和C2是相離的(Disjoint),記為disjoint(C1,C2)。這里disjoint(C1,C2)與disjoint(C2,C1)是等價的。

3.4 定義屬性

在建立了供彈系統(tǒng)的類后,需要建立類間的關(guān)系。定義屬性主要是定義類的對象屬性(Object Properties)和數(shù)據(jù)屬性(Data Properties)。對象屬性的作用是說明各類間的實例關(guān)系。供彈系統(tǒng)的故障類型有故障現(xiàn)象(has_reaction)、參數(shù)指標(has_Parameters)、故障原因(has_Reason)、排故措施(has_Measure),所對應(yīng)的逆關(guān)系為Is_Reaction_Of、Is_Parameters_Of、Is_Reason_Of和Is_Measure_Of。數(shù)據(jù)屬性作用是說明類所具有的數(shù)據(jù)特征。例如,在供彈系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域,對“上揚彈機”定義數(shù)據(jù)屬性“特征頻率,integer型數(shù)據(jù)”、“排故工具,string型數(shù)據(jù)”等。

屬性也有自己的約束。屬性有定義域(Domain)與值域(Range)。例如”has_reaction”的定義域是故障組件,值域為故障現(xiàn)象。此外還可以定義函數(shù)約束Functional,對稱約束Symmetric,傳遞約束Transitive,逆約束Inverse。

3.5 添加類實例

定義5 供彈系統(tǒng)故障實例FSIndividuals可定義為FSIndividuals=(FS_Instances),公式中FS_Instances為實例的集合。

在建立起本體的框架后,就要向各類添加故障診斷實例,實例的數(shù)量和準確度也對本體的質(zhì)量有相當大的影響。利用Protégé的插件Ontograf可以完整展示出已經(jīng)建立的故障知識本體模型。

4 實例驗證

4.1 故障診斷實例

根據(jù)故障現(xiàn)象定位故障原因,并給出解決方案是故障診斷系統(tǒng)的主要功能。決策樹是連接故障現(xiàn)象和故障原因的橋梁。假定由某一故障原因引起系統(tǒng)故障,系統(tǒng)依據(jù)故障發(fā)生概率可生成如圖3所示的揚彈機電機異響狀態(tài)下的故障診斷決策樹。圖中用“□”表示決策點,由它引出的分枝叫做方案分枝。用“○”表示機會點,由它引出的分枝叫做事件(狀態(tài))分枝。用“△”表示結(jié)果點,它是決策樹的葉節(jié)點,表示排除故障所應(yīng)用的方法。當用戶對揚彈機電機異響的現(xiàn)象請求故障診斷支持時,診斷系統(tǒng)在故障域中搜索揚彈機電機異響概念。此概念與測試域中保險絲檢測概念連接概率值最大,因此系統(tǒng)將提示進行保險絲檢測。如若檢測未發(fā)現(xiàn)異物,系統(tǒng)按概率值降序給出與揚彈機電機異響概念相連接的異物進入檢測提醒,引導(dǎo)用戶進行診斷排故。診斷系統(tǒng)用據(jù)故障決策樹依概率進行故障原因排查,有效提升了故障診斷效率。

圖3 故障診斷決策樹示意圖

4.2 一致性檢驗實例

因為結(jié)構(gòu)不完整和知識進化歧義等問題,不斷增加的本體知識和本體已有知識可能會發(fā)生沖突。因此,供彈系統(tǒng)故障知識本體要進行類間關(guān)系一致性檢驗以保證本體的有效性,主要包括類間結(jié)構(gòu)繼承與關(guān)系沖突一致性檢驗[10]。檢驗定理1、2為實例檢驗提供理論依據(jù)。

檢驗定理1供彈系統(tǒng)故障知識本體中的任意類C1、C2、C3,若有is-a(C1,C2),且is-a(C2,C3),則有is-a(C1,C3);

檢驗定理2供彈系統(tǒng)故障知識本體中的任意類C1、C2、C3、C4,若有is-a(C1,C3),is-a(C2,C4),且disjoint(C3,C4),則有disjoint(C1,C2)。

圖4 一致性檢驗結(jié)構(gòu)圖

“系統(tǒng)不能啟動”為揚彈機故障現(xiàn)象的子類,揚彈機有子類“揚彈機控制機組”,且“緊急制動”為揚彈機控制機組的故障現(xiàn)象。通過檢驗定理可知,“緊急制動”應(yīng)為“系統(tǒng)不能啟動”的子類。圖4為以Pellet1.5.2為推理機得到的本體推理類一致性檢驗結(jié)構(gòu)圖,表明推理結(jié)果與分析結(jié)果一致。文中所構(gòu)建的供彈系統(tǒng)故障知識本體的經(jīng)過一致性檢驗證明沒有歧義。

5 結(jié)語

本文研究了艦炮供彈系統(tǒng)故障診斷知識本體,分析了供彈系統(tǒng)故障診斷知識的語義結(jié)構(gòu)特點,提出了對應(yīng)本領(lǐng)域的本體構(gòu)建方法,構(gòu)建了供彈系統(tǒng)故障診斷知識本體模型,實現(xiàn)了由故障現(xiàn)象到排故措施的決策診斷模式并予以實例驗證。利用工具Protégé和Pellet對構(gòu)建的本體進行了推理一致性驗證,結(jié)果符合邏輯分析。下一步對供彈系統(tǒng)領(lǐng)域推理規(guī)則與本體的檢查與評價進行更深入的研究,完善故障診斷知識本體,開發(fā)共享度高的領(lǐng)域本體模型。

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Research on Ontology-based Knowledge Modeling for Gun Feeding System Fault Diagnosis

PENG Liang1YUE Dongmei2SHI Chenguang2ZHAO Chong1SUN Wenzhou1

(1. Department of Graduate Management, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Naval Gun, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

Against the main problem of a great range of gun feeding system fault, the increasing knowledge of fault diagnosis and the more difficult to use traditional fault diagnosis, this paper studied knowledge structure and semantic properties for gun feeding system fault diagnosis. A kind of modeling method and fault knowledge representation was proposed based on ontology, which was working for gun feeding system. The system included fault units, fault phenomenon, parameter indexes, fault causes and control measures, connected by decision tree. The knowledge was proved to be consistent by Protégé and Pellet. The case study showed that the ontology can not only be intuitive and efficient but also useful in knowledge reusing and extending.

gun feeding system, ontology, Protégé, fault diagnosis

2014年5月7日,

2014年6月26日 作者簡介:彭亮,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。岳冬梅,女,碩士,副教授,研究方向:時滯系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)魯棒控制。石晨光,男,碩士,副教授,研究方向:裝備維修保障。趙翀,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。孫文洲,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)分析、論證與仿真。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.034