基于本體的裝備PHM 知識化建模研究*

余 磊，谷宏強，孟 晨，王 成

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

0 引言

故障預測與健康管理［1-2］（Prognostics and Health Management，PHM）技術作為一種新的維修模式，通過對裝備狀態和運行信息的管理，實現故障診斷和壽命預測，它與傳統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PHM 技術得到飛速發展，但相比之下，我國在PHM 技術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，工程運用方面比較薄弱，其歸根結底的原因是我國裝備維修保障信息化建設水平還沒達到標準。信息獲取是PHM 的基礎，PHM 系統需要大量裝備維修保障信息作為支撐，但系統中的信息存在不同程度上的異構，各系統之間相互獨立，難以實現信息共享［3］。所以提高裝備維修保障信息化水平，實現信息在PHM 系統內共享是破除PHM 系統發展瓶頸的關鍵。

本體技術用于對領域知識進行標準化、形式化描述，為領域信息共享提供統一的描述標準［4-5］。針對裝備維修保障信息領域存在的問題，本文嘗試使用本體技術對裝備PHM 進行知識化建模，構建裝備PHM 本體（Equipment PHM Ontology，EPHMO），對裝備PHM 信息進行統一描述，解決裝備PHM 系統內信息異構問題。

1 PHM 及知識化模型

1.1 PHM

基于狀態的維修［6-7］（Condition Based Maintenance，CBM）通過實時監控裝備狀態，根據裝備狀態信息研究確定維修的最佳時機，制定維修方案。PHM 在CBM 的基礎上進行拓展，它對裝備當前狀態和歷史狀態數據進行分析，確定故障原因和發生時間，預測剩余壽命，制定最佳維修方案，可以大大提高裝備的可用度和任務可靠性，彌補CBM 在“經濟可承受性”方面的不足。

PHM 系統主要功能模塊如圖1 所示，主要由數據采集與處理、健康狀態評估、故障診斷、故障預測和健康管理組成。健康狀態評估通過對裝備當前和歷史數據進行分析，確定裝備當前技術狀態以及健康水平；故障診斷通過對裝備出現的異?，F象進行分析，確定故障發生原因，并進行故障定位；故障預測的目的在于確定異常狀態所產生的最終結果以及時間，使維修人員提前預知故障的發生，提高維修工作的準確性以及經濟可承受性，這也是PHM 與其他診斷系統有所區別的關鍵特征；故障維修根據健康狀態評估、故障診斷和故障預測的結果，制定科學有效的維修方案，輔助維修人員進行維修決策。

圖1 PHM 功能模塊

1.2 知識化模型

裝備維修保障信息系統知識化就是要將裝備的狀態信息、測試信息、環境信息以及設計信息進行加工和分析，形成直接用于指導裝備維修保障的維修決策、維修作業指導的知識。裝備維修保障信息系統的知識化模型如圖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、壽命預測、信息篩選等過程實現。裝備信息（包含狀態信息、測試信息和環境信息等）經過故障診斷模型和故障預測模型的處理后，得到故障診斷結果和故障預測結果，結合歷史案例可方便、科學地作出維修決策，根據維修決策和作業要求，篩選出維修作業所需的裝備技術資料和作業指導，保證保障作業的高效完成。保障作業完成后，最新的維修案例和故障案例充實到維修案例庫和故障案例庫中，實現知識的更新。

裝備PHM 系統作為裝備維修保障信息系統的一部分，其知識化建?？梢詤⒄請D2 進行。知識加工的核心是將裝備相關信息轉化為共享的維修決策知識，知識加工的實現可以借助本體技術實現。

圖2 裝備維修保障信息系統的知識化模型

2 EPHMO 分析

本體最早起源于哲學領域，用于描述事物的起源與本質。近幾十年被應用到計算機領域，在人工智能、計算機語言以及數據庫理論中起到越來越重要的作用。關于本體的定義很多，目前被人們廣泛接受的是Studer 的觀點，他提出“本體是共享概念模型的形式化規范說明”，主要突出概念化、明確、形式化以及共享這4 層含義［8-10］。

使用本體技術對裝備PHM 進行知識化建模得到EPHMO，實現裝備PHM 知識形式化描述，是實現裝備PHM 知識語義共享的基礎，可以為彌補裝備PHM 系統在知識資源利用方面的不足提供新思路。根據PHM 系統實際運行過程，可以把裝備PHM知識分為裝備基本信息、裝備測試、健康狀態評估、故障診斷、故障預測以及維修案例共6 個部分，對應地建立6 個子本體，這些子本體相互關聯，共同構成EPHMO 的知識體系，如下頁圖3 所示。

3 EPHMO 構建

3.1 EPHMO 概念層次結構及類的構建

由第上節可知，EPHMO 分為裝備基本信息子本體、裝備測試子本體、健康狀態評估子本體、故障診斷子本體、故障預測子本體以及維修案例子本體。本文從這6 個方面出發，通過查閱相關標準文獻（比如維修性保障性術語、國防敘詞表、國防部對后勤保障分析記錄的要求等）以及和領域內專家的交流，確定各子本體的概念層次結構，進而完成EPHMO 概念層次結構的建立。EPHMO 整體概念層次結構如圖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行描述。其他的子本體概念層次描述按照這個方法進行。裝備基本信息子本體的概念層次結構如表1 所示。

表1 裝備基本信息子本體概念層次結構

使用Protege 軟件中class 標簽實現概念類的構建，類的注釋和描述可以通過class annotation 和class description 控件實現，最終的概念層級結構以結構樹的形式展現。采用OWL 形式化語言對概念結構樹進行描述，表達方式如下：

3.2 EPHMO 屬性的定義和構建

在完成概念類的構建后，對EPHMO 屬性進行定義和構建。本體屬性包括對象屬性和數據屬性，在Protege 軟件中，Object Properties 和Data Properties 兩個標簽負責本體屬性構建。在進行屬性構建時，需要定義屬性的定義域和值域，并使用Characteristics 標簽進行屬性的約束。

Object Properties 負責EPHMO 對象屬性的描述，對象屬性的定義根據概念的實際關系進行，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 標簽負責對概念數據屬性進行描述，用來描述屬性的數據特征。根據裝備PHM 操作的實際情況，定義了10 個數據屬性，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 表示數據格式必須是時間格式；HasName 的數據格式必須是String 型等。在對數據屬性進行定義時，可以使用annotation 標簽進行屬性描述。

Characteristics 標簽包含7 個選項對屬性進行約束，分別為Functional（函數性）、Inverse functional（反函數性）、Transitive（傳遞性）、Symmetric（對稱性）、Asymmetric（反對稱性）、Reflexive（自反性）和Irreflexive（反自反性）。數據屬性只有Functional 約束，對象屬性約束包含所有7 個選項。屬性約束和屬性的值域、定義域性質不相同，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中，如果對屬性的約束不當，使用推理機進行推理將會出現推理錯誤。

3.3 某型導彈裝備EPHMO 實例化

前文建立了EPHMO 概念架構，并對概念屬性進行了定義和構建，下面以某型導彈武器系統為對象，構建導彈EPHMO，使用Protege 軟件進行實例化操作。以導彈武器裝備基本信息為例，參考裝備基本信息子本體OWL-VIZ 展現實例化過程，如圖5所示。

圖5 裝備基本信息子本體知識結構圖

定義實例M-EPHM，令其類型為“EPHMO”；對導彈裝備基本信息進行實例化，定義MissileSystem的類型為WeaponsSystem，擁有對象屬性“Is-PartOf”，對象為“M-PHM”，數據屬性“HasID”，定義屬性約束類型為ID，賦值“001”，代表編碼為“001”，數據屬性“HasModel”，約束類型為“string”，賦值為“MMM”，代表型號為“MMM”；導彈武器系統通常包括發射制導車（F-Car）、搜索指揮車（S-Car）、電子維護車（D-Car）、標桿車（B-Car）、電站（DZ）和桶裝導彈（Missile）等單體裝備，對它們進行實例化，令其類型為“MonomerEquipment”，對象屬性為“IsPartOf”，對象為MissileSystem，數據屬性“HasID”，賦值編碼分別為“0011”、“0012”、“0013”、“0014”、“0015”和“0016”。導彈裝備結構依次往下進行實例化構建。定義實例HT2Y，令其類型為“Manufacture”，對象屬性為“IsAttributeOf”，對象為“B-Car”；定義實例“2011-01-01”，令其類型為“ManufactureDate”，對象屬性為“IsAttribute-Of”，對象為“B-Car”；定義實例FKL，令其類型為“ServiceUnit”，對象屬性為“IsAttributeOf”，對象為“B-Car”；定義實例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例化如下頁圖6 所示。

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

圖6 導彈裝備基本信息子本體結構圖

3.4 邏輯檢測

前文對EPHMO 的概念層次結構和屬性進行了定義，并依托導彈武器裝備為背景進行了實例化，下面進行本體的邏輯檢測，這也是本體構建的最后一個環節。Protege 自帶的FACT++推理機可以實現邏輯推理功能，進行邏輯檢測。點擊Reasoner 標簽下的FACT++標簽，系統自動進行本體邏輯檢測，檢測結果在Inferred class hierarchy 界面展示。

4 結論

隨著我軍信息化建設不斷推進，對信息化保障的要求也越來越高。但當前我軍維修保障信息存在不同程度的異構，難以實現共享，知識利用率低。針對這些問題，本文對裝備PHM 知識進行分析；采用本體技術對裝備PHM 進行知識化建模，借助Protege 軟件實現裝備PHM 本體的形式化描述，解決領域信息異構問題。這些研究將為下一步裝備PHM知識在計算機上共享實現提供技術支持。