吳志文,王林林
民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
吳志文1,王林林2
(1.深圳航空有限責(zé)任公司廣州分公司維修工程部,廣州510000;2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院,廣州510403)
為了縮短民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修的時(shí)間,提高航線維修效率,降低航班延誤率,針對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修工作的特點(diǎn),提出了基于故障特征利用模糊技術(shù)建立專(zhuān)家系統(tǒng)的模糊知識(shí)庫(kù),并結(jié)合智能檢索技術(shù)建立民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)的方法,該方法能夠提高專(zhuān)家系統(tǒng)解決問(wèn)題的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。重點(diǎn)闡述了專(zhuān)家系統(tǒng)模糊知識(shí)庫(kù)構(gòu)建和智能檢索技術(shù)的邏輯思路。相比于以關(guān)鍵故障特征為知識(shí)點(diǎn)建立的數(shù)據(jù)庫(kù),模糊知識(shí)庫(kù)包含了更全面的故障特征知識(shí)。智能檢索基于概念或語(yǔ)義檢索,相比于關(guān)鍵詞檢索,對(duì)自然語(yǔ)言有更好地理解,便于航線維修工作人員使用。
航線維修;專(zhuān)家系統(tǒng);模糊數(shù)據(jù)庫(kù);智能檢索;航空發(fā)動(dòng)機(jī)
近年來(lái),中國(guó)民航事業(yè)高速發(fā)展,飛機(jī)數(shù)量不斷增加,機(jī)隊(duì)規(guī)模不斷擴(kuò)大,“十一五”期間全行業(yè)機(jī)隊(duì)規(guī)模達(dá)到2600多架[1],預(yù)計(jì)“十二五”末中國(guó)民航飛機(jī)的規(guī)模將超過(guò)4500架[2]。飛機(jī)數(shù)量、航班密度的驟增,給航線維修在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面都帶來(lái)了更大壓力[3],因此必須提高航線維修的效率,縮短維修時(shí)間,降低航班的延誤率。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、部件間耦合影響強(qiáng)烈,是造成航班延誤,引發(fā)飛機(jī)故障的重要因素之一。美國(guó)航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)對(duì)7571架飛機(jī)在1981~2001年間由于機(jī)械故障引起的航空事故的調(diào)查結(jié)果顯示,發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)故障占所有機(jī)械故障的36%[4]。因此,在航線維修環(huán)節(jié),引入針對(duì)航線維修的實(shí)用型專(zhuān)家系統(tǒng),對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行快速排查與維護(hù),能大大提高航線維修效率。
專(zhuān)家系統(tǒng)是利用業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),結(jié)合基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的人工智能技術(shù),幫助用戶(hù)快速、有效解決問(wèn)題的系統(tǒng)[5]。這一系統(tǒng)始于1965年,并在20世紀(jì)90年代進(jìn)入成熟發(fā)展階段[6]。雖然不斷發(fā)展的專(zhuān)家系統(tǒng)已在某些領(lǐng)域表現(xiàn)出遠(yuǎn)超專(zhuān)家的能力,但在復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域,其實(shí)用性、易用性并未獲得廣泛驗(yàn)證。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為人類(lèi)復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的代表,其生產(chǎn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、維修等各方面都亟需專(zhuān)家系統(tǒng)輔助。文獻(xiàn)[6~10]反映了近年來(lái)部分國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的研究成果,主要集中在專(zhuān)家系統(tǒng)推理判斷的智能化上,例如基于實(shí)例優(yōu)先[7]、功能模型[8]、遺傳算法[9]的推理機(jī)制,基于故障特征融合的診斷機(jī)制[10],以及基于各類(lèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。這些研究都具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值,與發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷、健康管理技術(shù)相結(jié)合,為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能完整性做出了較大貢獻(xiàn),但這些技術(shù)在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)用性還缺乏充分證明。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的航線維修具有其特殊性:首先,民航發(fā)動(dòng)機(jī)大多來(lái)自國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司,無(wú)法獲取其設(shè)計(jì)和運(yùn)行的核心技術(shù)。在此前提下,處在研究前沿、未獲得驗(yàn)證的智能化推理技術(shù)應(yīng)用于未掌握核心機(jī)理論的國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)中,無(wú)法保障推理結(jié)果的有效性。其次,在成熟的民航運(yùn)行體系保障下,主要對(duì)頻發(fā)、但程度不深的各類(lèi)故障進(jìn)行維修,因此,民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)無(wú)需復(fù)雜的推理機(jī)制,更強(qiáng)調(diào)專(zhuān)家系統(tǒng)的針對(duì)性(或?qū)S眯裕┖蛯?shí)用性,并不追求功能的全面性和先進(jìn)性。航空公司利用國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)公司提供的軟件,收集、分析、統(tǒng)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和維修數(shù)據(jù),指導(dǎo)航線維修工作。這些系統(tǒng)并未提供復(fù)雜的推理判斷機(jī)制,僅基于關(guān)鍵詞的搜索,說(shuō)明把專(zhuān)家系統(tǒng)的前沿研究結(jié)果應(yīng)用到注重安全和時(shí)效的民航航線維修,仍有較大風(fēng)險(xiǎn)。基于關(guān)鍵詞匹配的“專(zhuān)家系統(tǒng)”雖然具有較高的可靠性,在知識(shí)庫(kù)正確的情況下,不會(huì)提供錯(cuò)誤指導(dǎo),但對(duì)用戶(hù)輸入信息的挑剔性強(qiáng),不能識(shí)別語(yǔ)義,搜索結(jié)果過(guò)于依賴(lài)是否包含關(guān)鍵詞,而非使用者語(yǔ)義,排他性過(guò)高,指導(dǎo)性較差。亟需設(shè)計(jì)1種不采用復(fù)雜推理機(jī)制,能夠理解自然語(yǔ)言,根據(jù)與使用者語(yǔ)義的相關(guān)程度對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行排序后輸出的系統(tǒng),即可為民用航空提供1種安全、可靠、高效、實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)。
以故障特征為知識(shí)點(diǎn)建立依據(jù),與該故障特征直接、間接相關(guān)的因素、事件都存儲(chǔ)在同一知識(shí)點(diǎn)中,利用模糊數(shù)學(xué)建立模糊數(shù)據(jù)庫(kù)[11-13],再以基于概念或語(yǔ)義檢索自然語(yǔ)言為溝通方式的智能檢索技術(shù)[14]作為輔助,建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng),將能改善溝通效果,提高專(zhuān)家系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力和效率,縮短航線維修排故時(shí)間,降低航班延誤率。
1.1.1 知識(shí)庫(kù)管理
普通用戶(hù)可以瀏覽知識(shí)庫(kù)內(nèi)容,將新的故障事件、原因以及維修方法等知識(shí)點(diǎn)添加到知識(shí)庫(kù)中,并對(duì)自己添加的內(nèi)容擁有編輯、增補(bǔ)、刪除等操作權(quán)限。其上傳的新知識(shí)點(diǎn)存儲(chǔ)到待審核的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊中,系統(tǒng)管理員審核確認(rèn)后即可整合入庫(kù)。專(zhuān)家擁有系統(tǒng)管理員權(quán)限,可對(duì)整個(gè)知識(shí)庫(kù)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行勘誤、增減、整合優(yōu)化,對(duì)知識(shí)庫(kù)信息的全面性、及時(shí)性、合理性和有效性負(fù)責(zé),負(fù)責(zé)系統(tǒng)的日常運(yùn)行和維護(hù)。
1.1.2 故障診斷
系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入的故障現(xiàn)象進(jìn)行推理,給出故障原因,定位到可能的故障單元,并提供故障排除方法。具有解釋功能的系統(tǒng),能夠就每個(gè)推理步驟給用戶(hù)必要的解釋?zhuān)扔兄谟脩?hù)辨別推理的可信度,也有利于用戶(hù)理解排故原理和方法。
1.1.3 權(quán)限管理
能夠?qū)Ω鞑块T(mén)、用戶(hù)的使用權(quán)限進(jìn)行分配和管理,保障系統(tǒng)信息的安全性,方便使用和維護(hù)系統(tǒng)。
針對(duì)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),系統(tǒng)的基本構(gòu)成分為應(yīng)用層、運(yùn)算層和數(shù)據(jù)層3個(gè)層次,每個(gè)層次又包含相應(yīng)的模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
知識(shí)處理模塊的功能是進(jìn)行知識(shí)庫(kù)的更新和維護(hù)。分析推理模塊是根據(jù)用戶(hù)輸入的信息,調(diào)用知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)的知識(shí),通過(guò)一定的推理機(jī)制,分析推理出故障產(chǎn)生的原因,給出故障的解決方案。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)專(zhuān)家系統(tǒng)正在處理的故障信息,例如用戶(hù)輸入的初始數(shù)據(jù)、推理時(shí)的中間信息、推理完成后的結(jié)論等,幫助系統(tǒng)模塊用以提供系統(tǒng)使用的基本幫助。
用戶(hù)通常以較為便利的自然語(yǔ)言與系統(tǒng)互動(dòng)。自然語(yǔ)言具有鮮明的模糊性和不確定性。知識(shí)庫(kù)處理的知識(shí)點(diǎn)也可能是模糊的。僅以關(guān)鍵詞、關(guān)鍵特征為知識(shí)點(diǎn),建立知識(shí)庫(kù),存在2個(gè)明顯的問(wèn)題:關(guān)鍵詞雖然是確定的,但用戶(hù)在使用該關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢(xún)時(shí),該詞在語(yǔ)句中所表達(dá)的語(yǔ)義未必是數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)鍵詞所要表達(dá)的語(yǔ)義;數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)鍵詞也未必能表達(dá)清楚該知識(shí)點(diǎn)下的所有內(nèi)容。前者需要智能檢索技術(shù)來(lái)解決,后者依靠建立模糊知識(shí)庫(kù)來(lái)解決。
建立模糊數(shù)學(xué)理論,可使操作者用數(shù)量來(lái)描述模糊事件,把不完整性和模糊性引入知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)中,從而形成模糊知識(shí)庫(kù)。模糊知識(shí)庫(kù)是指能夠處理模糊知識(shí)的知識(shí)庫(kù),是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與模糊技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。一般的知識(shí)庫(kù)以2值邏輯為基礎(chǔ),不能表示模糊不清的知識(shí);模糊知識(shí)庫(kù)不但可以處理任意數(shù)據(jù)類(lèi)型,其表述也更加符合人類(lèi)自然語(yǔ)言的特點(diǎn),配合智能檢索技術(shù),可以減小人與系統(tǒng)溝通的隔閡。
以發(fā)動(dòng)機(jī)故障特征為中心,建立1種環(huán)狀模糊知識(shí)模型[15],此知識(shí)模型的存儲(chǔ)原理是以代表故障特征的關(guān)鍵詞為知識(shí)點(diǎn)的環(huán)中心,其它知識(shí)元素環(huán)繞各環(huán)中心,每個(gè)知識(shí)點(diǎn)就是知識(shí)庫(kù)中的1個(gè)模糊子集,每個(gè)模糊子集都有自己獨(dú)立的環(huán)中心和環(huán)繞環(huán)中心的軌道,軌道數(shù)量因知識(shí)點(diǎn)的復(fù)雜程度而異。環(huán)中心是模糊知識(shí)庫(kù)的核心,代表1個(gè)模糊子集,是模糊數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)點(diǎn)劃分的標(biāo)準(zhǔn),其它知識(shí)元素圍繞環(huán)中心聚集,隸屬度大的知識(shí)元素離環(huán)中心近,隸屬度小的知識(shí)元素離環(huán)中心遠(yuǎn),隸屬度相同的知識(shí)元素在與環(huán)中心距離相同的同一軌道。數(shù)據(jù)可以根據(jù)其隸屬程度存儲(chǔ)于某個(gè)模糊子集中,建成模糊知識(shí)庫(kù),而非傳統(tǒng)的非此即彼的絕對(duì)隸屬關(guān)系建立的二義性知識(shí)庫(kù)。以CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)反推系統(tǒng)故障為例建立的環(huán)狀模糊子集如圖2所示。軌道數(shù)目除了受知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜程度的影響外,也受到專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的制約,軌道數(shù)目越多,系統(tǒng)也越復(fù)雜。
圖2 模糊子集
專(zhuān)家系統(tǒng)分析推理機(jī)制的實(shí)質(zhì)是檢索[7],通過(guò)檢索,在專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)中找到問(wèn)題的解決方案。采用基于概念、語(yǔ)義分析的智能檢索技術(shù),能有效地解決傳統(tǒng)檢索技術(shù)中出現(xiàn)的“詞不匹配”和關(guān)鍵詞的二義性和多義性問(wèn)題[15]。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修系統(tǒng)以智能檢索技術(shù)作為分析、推理機(jī)制的核心,不采用復(fù)雜的推理邏輯。由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在不掌握發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造的核心信息的前提下,進(jìn)行復(fù)雜、嚴(yán)密的分析推理沒(méi)有實(shí)際意義,無(wú)法保障其結(jié)果的可信度。對(duì)于航線維修來(lái)說(shuō),缺乏經(jīng)驗(yàn)的工作人員并不具備判斷系統(tǒng)復(fù)雜邏輯推理結(jié)果正確與否的能力。以智能檢索技術(shù)為分析推理機(jī)制的核心,通過(guò)對(duì)模糊專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)的檢索,能把與故障信息高度相關(guān)的知識(shí)元素羅列出來(lái),不引入系統(tǒng)邏輯推理的誤差,分析結(jié)果和推理過(guò)程也更易被航線維修人員理解和接受。
智能檢索采用模糊匹配技術(shù)以適應(yīng)模糊專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù),檢索的結(jié)果不再是100%的匹配,可以根據(jù)隸屬度將相關(guān)信息全部展現(xiàn),而非僅提供少量100%匹配的信息,大幅提升了實(shí)用性。智能檢索技術(shù)能夠?qū)τ脩?hù)輸入的自然語(yǔ)言進(jìn)行切分,抽取、概念搜索和同義詞輸出,力爭(zhēng)理解自然語(yǔ)言的真實(shí)意圖。
在以智能檢索為基礎(chǔ)的分析、推理模塊中構(gòu)建模糊匹配模塊,用以解決同義詞搜索問(wèn)題。在系統(tǒng)內(nèi)部建立同義詞詞典,模糊匹配模塊根據(jù)同義詞詞典找出所有搜索關(guān)鍵詞的同義詞,并將這些同義詞共同作為搜索約束,可以有效解決不同用戶(hù)用詞不統(tǒng)一的問(wèn)題,減少對(duì)搜索詞限制,便于用戶(hù)使用[11]。分析推理模塊如圖3所示。
用戶(hù)輸入的查詢(xún)信息首先經(jīng)由查詢(xún)信息處理模塊傳遞給語(yǔ)義分析模塊,語(yǔ)義分析模塊對(duì)用戶(hù)輸入的自然語(yǔ)言進(jìn)行分析,得出反映用戶(hù)意圖的關(guān)鍵信息,模糊匹配模塊再對(duì)這些信息進(jìn)行同義詞匹配處理,將處理后的搜索信息傳遞給搜索模塊,搜索模塊依據(jù)這些信息對(duì)模糊知識(shí)庫(kù)進(jìn)行搜索,最終搜索的結(jié)果和整個(gè)處理的過(guò)程都存儲(chǔ)于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中,作為輸出解釋模塊的輸入源。
圖3 分析推理模塊
模糊數(shù)據(jù)庫(kù)和智能檢索技術(shù)是近年來(lái)人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)中出現(xiàn)的新技術(shù),本文以此為基礎(chǔ),針對(duì)航線維修的特點(diǎn),提出民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)與常規(guī)的基于確定性信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)鍵詞匹配檢索技術(shù)的專(zhuān)家系統(tǒng)相比,模糊數(shù)據(jù)庫(kù)和智能檢索技術(shù)在理論上具有先天優(yōu)勢(shì),能夠降低對(duì)航線維修人員的要求,可以增強(qiáng)故障診斷的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,縮短航線維修的時(shí)間,提高航線維修的工作效率,從而適應(yīng)中國(guó)民航事業(yè)不斷發(fā)展的要求。
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Analysis of the Design for Civil Aeroengine Airline Maintenance Expert System
WU Zhi-wen1,Wang Lin-lin2
(1.Shenzhen Airlines,Maintenance Engineering Department,Guangzhou 510000,China;2.Guangzhou Civil Aviation College,School of Aircraft Maintenance Engineering,Guangzhou 510000,China)
In order to shorten the civil aviation aeroengine airline maintenance time,improve the maintenance efficiency,and finally reduce the flight delay rates,a civil aviation aeroengine airline maintenance expert system design method was proposed.According to the aeroengine airline maintenance features,the method was performed that fuzzy knowledge base of expert system was built using fuzzy technology based on fault feature;the aeroengine airline maintenance expert system was built.The fuzzy technology and intelligent retrieval technologies could improve the accuracy and time efficiency of the expert system.The fuzzy knowledge base design and the logic of the intelligent retrieval technology was discussed.Aeroengine fault feature knowledge from the fuzzy expert system knowledge base is more complete than that in the expert system knowledge base which using the key fault feature technology.Base on the concept or semantics searching,the intelligent retrieval is better than the keyword searching on natural language understanding.Therefore,the intelligent retrieval technology would make the expert system easy for the airline maintenance staffs.
airline maintenance;expert system;fuzzy knowledge base;intelligent retrieval;aeroengine
V263.6
A
10.13477/j.cnki.aeroengine.2015.01.020
2013-11-07
吳志文(1980),男,工程師,主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航與維修理論研究工作;E-mail:wzwmen@hotmail.com。
吳志文,王林林.民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)航線維修專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),2015,41(1):99-102.WUZhiwen,WANGLinlin.Analysis of thedesign for civil aeroengineairlinemaintenanceexpert system[J].Aeroengine,2015,41(1):99-102.
(編輯:趙明菁)