余 磊，谷宏強(qiáng)，孟 晨，王 成

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

0 引言

故障預(yù)測與健康管理［1-2］（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)作為一種新的維修模式，通過對裝備狀態(tài)和運(yùn)行信息的管理，實(shí)現(xiàn)故障診斷和壽命預(yù)測，它與傳統(tǒng)的事后維修和定時維修不同，能夠有效地防止過度維修，提高裝備完好率和維修效率，降低維修成本。

近些年P(guān)HM 技術(shù)得到飛速發(fā)展，但相比之下，我國在PHM 技術(shù)方面的研究與美國還有很大差距。目前，我國在PHM 理論方面的研究比較多，工程運(yùn)用方面比較薄弱，其歸根結(jié)底的原因是我國裝備維修保障信息化建設(shè)水平還沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。信息獲取是PHM 的基礎(chǔ)，PHM 系統(tǒng)需要大量裝備維修保障信息作為支撐，但系統(tǒng)中的信息存在不同程度上的異構(gòu)，各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)信息共享［3］。所以提高裝備維修保障信息化水平，實(shí)現(xiàn)信息在PHM 系統(tǒng)內(nèi)共享是破除PHM 系統(tǒng)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。

本體技術(shù)用于對領(lǐng)域知識進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、形式化描述，為領(lǐng)域信息共享提供統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)［4-5］。針對裝備維修保障信息領(lǐng)域存在的問題，本文嘗試使用本體技術(shù)對裝備PHM 進(jìn)行知識化建模，構(gòu)建裝備PHM 本體（Equipment PHM Ontology，EPHMO），對裝備PHM 信息進(jìn)行統(tǒng)一描述，解決裝備PHM 系統(tǒng)內(nèi)信息異構(gòu)問題。

1 PHM 及知識化模型

1.1 PHM

基于狀態(tài)的維修［6-7］（Condition Based Maintenance，CBM）通過實(shí)時監(jiān)控裝備狀態(tài)，根據(jù)裝備狀態(tài)信息研究確定維修的最佳時機(jī)，制定維修方案。PHM 在CBM 的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，它對裝備當(dāng)前狀態(tài)和歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定故障原因和發(fā)生時間，預(yù)測剩余壽命，制定最佳維修方案，可以大大提高裝備的可用度和任務(wù)可靠性，彌補(bǔ)CBM 在“經(jīng)濟(jì)可承受性”方面的不足。

PHM 系統(tǒng)主要功能模塊如圖1 所示，主要由數(shù)據(jù)采集與處理、健康狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測和健康管理組成。健康狀態(tài)評估通過對裝備當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定裝備當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)以及健康水平；故障診斷通過對裝備出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，確定故障發(fā)生原因，并進(jìn)行故障定位；故障預(yù)測的目的在于確定異常狀態(tài)所產(chǎn)生的最終結(jié)果以及時間，使維修人員提前預(yù)知故障的發(fā)生，提高維修工作的準(zhǔn)確性以及經(jīng)濟(jì)可承受性，這也是PHM 與其他診斷系統(tǒng)有所區(qū)別的關(guān)鍵特征；故障維修根據(jù)健康狀態(tài)評估、故障診斷和故障預(yù)測的結(jié)果，制定科學(xué)有效的維修方案，輔助維修人員進(jìn)行維修決策。

圖1 PHM 功能模塊

1.2 知識化模型

裝備維修保障信息系統(tǒng)知識化就是要將裝備的狀態(tài)信息、測試信息、環(huán)境信息以及設(shè)計(jì)信息進(jìn)行加工和分析，形成直接用于指導(dǎo)裝備維修保障的維修決策、維修作業(yè)指導(dǎo)的知識。裝備維修保障信息系統(tǒng)的知識化模型如圖2 所示，在知識化模型中，知識加工是信息知識化的核心，它主要通過故障診斷、壽命預(yù)測、信息篩選等過程實(shí)現(xiàn)。裝備信息（包含狀態(tài)信息、測試信息和環(huán)境信息等）經(jīng)過故障診斷模型和故障預(yù)測模型的處理后，得到故障診斷結(jié)果和故障預(yù)測結(jié)果，結(jié)合歷史案例可方便、科學(xué)地作出維修決策，根據(jù)維修決策和作業(yè)要求，篩選出維修作業(yè)所需的裝備技術(shù)資料和作業(yè)指導(dǎo)，保證保障作業(yè)的高效完成。保障作業(yè)完成后，最新的維修案例和故障案例充實(shí)到維修案例庫和故障案例庫中，實(shí)現(xiàn)知識的更新。

裝備PHM 系統(tǒng)作為裝備維修保障信息系統(tǒng)的一部分，其知識化建模可以參照圖2 進(jìn)行。知識加工的核心是將裝備相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為共享的維修決策知識，知識加工的實(shí)現(xiàn)可以借助本體技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 裝備維修保障信息系統(tǒng)的知識化模型

2 EPHMO 分析

本體最早起源于哲學(xué)領(lǐng)域，用于描述事物的起源與本質(zhì)。近幾十年被應(yīng)用到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，在人工智能、計(jì)算機(jī)語言以及數(shù)據(jù)庫理論中起到越來越重要的作用。關(guān)于本體的定義很多，目前被人們廣泛接受的是Studer 的觀點(diǎn)，他提出“本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明”，主要突出概念化、明確、形式化以及共享這4 層含義［8-10］。

使用本體技術(shù)對裝備PHM 進(jìn)行知識化建模得到EPHMO，實(shí)現(xiàn)裝備PHM 知識形式化描述，是實(shí)現(xiàn)裝備PHM 知識語義共享的基礎(chǔ)，可以為彌補(bǔ)裝備PHM 系統(tǒng)在知識資源利用方面的不足提供新思路。根據(jù)PHM 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程，可以把裝備PHM知識分為裝備基本信息、裝備測試、健康狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測以及維修案例共6 個部分，對應(yīng)地建立6 個子本體，這些子本體相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成EPHMO 的知識體系，如下頁圖3 所示。

3 EPHMO 構(gòu)建

3.1 EPHMO 概念層次結(jié)構(gòu)及類的構(gòu)建

由第上節(jié)可知，EPHMO 分為裝備基本信息子本體、裝備測試子本體、健康狀態(tài)評估子本體、故障診斷子本體、故障預(yù)測子本體以及維修案例子本體。本文從這6 個方面出發(fā)，通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)（比如維修性保障性術(shù)語、國防敘詞表、國防部對后勤保障分析記錄的要求等）以及和領(lǐng)域內(nèi)專家的交流，確定各子本體的概念層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成EPHMO 概念層次結(jié)構(gòu)的建立。EPHMO 整體概念層次結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 EPHMO 子本體

圖4 EPHMO 概念層次圖

以裝備基本信息子本體為例，使用Protege 軟件對子本體進(jìn)行形式化描述，由于Protege 不支持中文推理，所以使用英文對知識進(jìn)行描述。其他的子本體概念層次描述按照這個方法進(jìn)行。裝備基本信息子本體的概念層次結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 裝備基本信息子本體概念層次結(jié)構(gòu)

使用Protege 軟件中class 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)概念類的構(gòu)建，類的注釋和描述可以通過class annotation 和class description 控件實(shí)現(xiàn)，最終的概念層級結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)樹的形式展現(xiàn)。采用OWL 形式化語言對概念結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行描述，表達(dá)方式如下：

3.2 EPHMO 屬性的定義和構(gòu)建

在完成概念類的構(gòu)建后，對EPHMO 屬性進(jìn)行定義和構(gòu)建。本體屬性包括對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，在Protege 軟件中，Object Properties 和Data Properties 兩個標(biāo)簽負(fù)責(zé)本體屬性構(gòu)建。在進(jìn)行屬性構(gòu)建時，需要定義屬性的定義域和值域，并使用Characteristics 標(biāo)簽進(jìn)行屬性的約束。

Object Properties 負(fù)責(zé)EPHMO 對象屬性的描述，對象屬性的定義根據(jù)概念的實(shí)際關(guān)系進(jìn)行，這里給出了部分基本對象屬性，比如：1）IsPartOf；2）HasPart；3） IsAttributeOf；4） HasAttribute；5） IsInstanceOf；6）HasInstance，這些基本對象屬性的定義域和值域都是整個EPHMO。

Data Properties 標(biāo)簽負(fù)責(zé)對概念數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行描述，用來描述屬性的數(shù)據(jù)特征。根據(jù)裝備PHM 操作的實(shí)際情況，定義了10 個數(shù)據(jù)屬性，分別為：1）HasID；2）HasLevel；3）HasModel；4）HasName；5）HasReason；6）HasResult；7）HasTech-Specif；8） HasTime；9）HasUnit；10）HasValue。HasID 表示裝備編碼的格式必須是ID 型，具有唯一性；HasTime 表示數(shù)據(jù)格式必須是時間格式；HasName 的數(shù)據(jù)格式必須是String 型等。在對數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行定義時，可以使用annotation 標(biāo)簽進(jìn)行屬性描述。

Characteristics 標(biāo)簽包含7 個選項(xiàng)對屬性進(jìn)行約束，分別為Functional（函數(shù)性）、Inverse functional（反函數(shù)性）、Transitive（傳遞性）、Symmetric（對稱性）、Asymmetric（反對稱性）、Reflexive（自反性）和Irreflexive（反自反性）。數(shù)據(jù)屬性只有Functional 約束，對象屬性約束包含所有7 個選項(xiàng)。屬性約束和屬性的值域、定義域性質(zhì)不相同，值域和定義域用于對屬性的描述，是對屬性使用范圍的約束，而屬性約束這7 個特性是對屬性功能的約束，它將用于本體推理當(dāng)中，如果對屬性的約束不當(dāng)，使用推理機(jī)進(jìn)行推理將會出現(xiàn)推理錯誤。

3.3 某型導(dǎo)彈裝備EPHMO 實(shí)例化

前文建立了EPHMO 概念架構(gòu)，并對概念屬性進(jìn)行了定義和構(gòu)建，下面以某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為對象，構(gòu)建導(dǎo)彈EPHMO，使用Protege 軟件進(jìn)行實(shí)例化操作。以導(dǎo)彈武器裝備基本信息為例，參考裝備基本信息子本體OWL-VIZ 展現(xiàn)實(shí)例化過程，如圖5所示。

圖5 裝備基本信息子本體知識結(jié)構(gòu)圖

定義實(shí)例M-EPHM，令其類型為“EPHMO”；對導(dǎo)彈裝備基本信息進(jìn)行實(shí)例化，定義MissileSystem的類型為WeaponsSystem，擁有對象屬性“Is-PartOf”，對象為“M-PHM”，數(shù)據(jù)屬性“HasID”，定義屬性約束類型為ID，賦值“001”，代表編碼為“001”，數(shù)據(jù)屬性“HasModel”，約束類型為“string”，賦值為“MMM”，代表型號為“MMM”；導(dǎo)彈武器系統(tǒng)通常包括發(fā)射制導(dǎo)車（F-Car）、搜索指揮車（S-Car）、電子維護(hù)車（D-Car）、標(biāo)桿車（B-Car）、電站（DZ）和桶裝導(dǎo)彈（Missile）等單體裝備，對它們進(jìn)行實(shí)例化，令其類型為“MonomerEquipment”，對象屬性為“IsPartOf”，對象為MissileSystem，數(shù)據(jù)屬性“HasID”，賦值編碼分別為“0011”、“0012”、“0013”、“0014”、“0015”和“0016”。導(dǎo)彈裝備結(jié)構(gòu)依次往下進(jìn)行實(shí)例化構(gòu)建。定義實(shí)例HT2Y，令其類型為“Manufacture”，對象屬性為“IsAttributeOf”，對象為“B-Car”；定義實(shí)例“2011-01-01”，令其類型為“ManufactureDate”，對象屬性為“IsAttribute-Of”，對象為“B-Car”；定義實(shí)例FKL，令其類型為“ServiceUnit”，對象屬性為“IsAttributeOf”，對象為“B-Car”；定義實(shí)例Xiaoxiu，令其類型為“Resumeinformation”，對象屬性為“IsAttribu teOf”，對象為“B-Car”。得到裝備基本信息子本體實(shí)例化如下頁圖6 所示。

由此類推，其他子本體的實(shí)例化也可以依照這個方法進(jìn)行。但裝備基本信息子本體實(shí)例化是其他子本體實(shí)例化的基礎(chǔ)，在進(jìn)行其他子本體實(shí)例化之前，必須完成裝備基本信息子本體實(shí)例化。

圖6 導(dǎo)彈裝備基本信息子本體結(jié)構(gòu)圖

3.4 邏輯檢測

前文對EPHMO 的概念層次結(jié)構(gòu)和屬性進(jìn)行了定義，并依托導(dǎo)彈武器裝備為背景進(jìn)行了實(shí)例化，下面進(jìn)行本體的邏輯檢測，這也是本體構(gòu)建的最后一個環(huán)節(jié)。Protege 自帶的FACT++推理機(jī)可以實(shí)現(xiàn)邏輯推理功能，進(jìn)行邏輯檢測。點(diǎn)擊Reasoner 標(biāo)簽下的FACT++標(biāo)簽，系統(tǒng)自動進(jìn)行本體邏輯檢測，檢測結(jié)果在Inferred class hierarchy 界面展示。

4 結(jié)論

隨著我軍信息化建設(shè)不斷推進(jìn)，對信息化保障的要求也越來越高。但當(dāng)前我軍維修保障信息存在不同程度的異構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)共享，知識利用率低。針對這些問題，本文對裝備PHM 知識進(jìn)行分析；采用本體技術(shù)對裝備PHM 進(jìn)行知識化建模，借助Protege 軟件實(shí)現(xiàn)裝備PHM 本體的形式化描述，解決領(lǐng)域信息異構(gòu)問題。這些研究將為下一步裝備PHM知識在計(jì)算機(jī)上共享實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。