余 磊，馬 暉，谷宏強(qiáng)

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

0 引言

在開展裝備故障預(yù)測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）工作過程中，涉及裝備在設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、使用和維修等各個(gè)階段產(chǎn)生的測試、運(yùn)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(shè)過程中，裝備數(shù)據(jù)信息管理機(jī)制不健全并缺乏統(tǒng)一描述標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)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(nèi)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(gòu)，產(chǎn)生的信息難以共享，在一定程度上制約了PHM 技術(shù)在裝備維修保障領(lǐng)域的應(yīng)用。

本體技術(shù)在解決領(lǐng)域內(nèi)信息異構(gòu)問題上有其獨(dú)到之處，它是概念化的詳細(xì)說明，通過提取領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)概念以及概念關(guān)系，構(gòu)建領(lǐng)域概念基本框架，為領(lǐng)域信息交流提供統(tǒng)一的認(rèn)知平臺(tái)，使得信息交流可以在平臺(tái)上無歧義地進(jìn)行，可以有效解決領(lǐng)域信息異構(gòu)問題［1］。

1 裝備PHM 及其信息共享關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)間t 表示定時(shí)維修的時(shí)間點(diǎn)（統(tǒng)計(jì)學(xué)評估得到的維修間隔），對于曲線L1表示的裝備在定時(shí)維修之前可能發(fā)生了故障，此時(shí)采用定時(shí)維修容易產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險(xiǎn)；曲線L3表示的裝備可能發(fā)生的故障時(shí)間會(huì)在t 之后很遠(yuǎn)，此時(shí)采用定時(shí)維修將造成浪費(fèi)。研究發(fā)現(xiàn)，裝備健康狀態(tài)始終會(huì)經(jīng)歷狀態(tài)良好、早期潛在故障到發(fā)生故障這個(gè)過程，在裝備狀態(tài)良好時(shí)通過狀態(tài)監(jiān)測獲取裝備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息；當(dāng)健康狀態(tài)退化到裝備早期潛在故障點(diǎn)A 處時(shí)，開始識(shí)別故障特征，估計(jì)裝備剩余使用壽命，制定預(yù)防性維修策略；當(dāng)裝備健康狀態(tài)退化到故障點(diǎn)D 處時(shí)，開展故障診斷工作，對故障進(jìn)行定位，估計(jì)故障影響，并制定故障維修方案，防止出現(xiàn)二次故障，實(shí)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(shí)，可以從時(shí)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(lǐng)域內(nèi)所包含的信息，基于本體技術(shù)對其開展共享技術(shù)研究時(shí)，需要解決的關(guān)鍵問題包括：1）裝備PHM 信息分析；2）裝備PHM 信息標(biāo)準(zhǔn)化描述；3）裝備PHM信息應(yīng)用。裝備PHM 信息分析是開展信息共享研究的基礎(chǔ)，它可以為信息標(biāo)準(zhǔn)化描述提供信息支持；裝備PHM 領(lǐng)域本體模型用于實(shí)現(xiàn)裝備PHM 信息的標(biāo)準(zhǔn)化描述，解決裝備PHM 信息異構(gòu)問題；裝備PHM 信息應(yīng)用是信息共享的實(shí)現(xiàn)途徑，通過信息應(yīng)用技術(shù)將裝備PHM 信息應(yīng)用到裝備維修保障實(shí)踐中，可以提高裝備PHM 信息利用率，實(shí)現(xiàn)裝備PHM 信息共享。綜上，基于本體的裝備PHM 信息共享關(guān)鍵技術(shù)主要包括裝備PHM 領(lǐng)域本體建模和領(lǐng)域本體應(yīng)用兩方面內(nèi)容，其中本體應(yīng)用通過語義檢索實(shí)現(xiàn)。

2 裝備PHM 領(lǐng)域本體建模

裝備PHM 領(lǐng)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(zhǔn)備、本體構(gòu)建以及本體實(shí)例化3 部分，裝備PHM 領(lǐng)域本體建模參照建模流程進(jìn)行。

圖3 裝備PHM 領(lǐng)域本體建模流程

2.1 裝備PHM 領(lǐng)域本體準(zhǔn)備

在構(gòu)建領(lǐng)域本體時(shí)，明確本體研究的專業(yè)領(lǐng)域和范疇是首要工作，主要從本體涉及的專業(yè)領(lǐng)域、應(yīng)用目標(biāo)、作用范圍以及應(yīng)用對象等方面進(jìn)行說明［2-3］。開展裝備PHM 領(lǐng)域本體研究準(zhǔn)備工作，主要包括以下幾個(gè)方面：

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

2）裝備PHM 領(lǐng)域本體的應(yīng)用目標(biāo)主要是解決裝備PHM 信息異構(gòu)問題，在海量的維修保障信息中實(shí)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(shí)現(xiàn)裝備PHM 信息共享。

3）裝備PHM 領(lǐng)域本體主要將裝備維修保障過程中有關(guān)裝備PHM 工作的活動(dòng)抽象成一組概念及概念之間的關(guān)系，這些活動(dòng)包括裝備測試、故障預(yù)測、故障診斷和故障維修等，涉及的關(guān)系包括裝備結(jié)構(gòu)、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(guān)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(dòng)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(gòu)建的裝備PHM 領(lǐng)域本體涉及的裝備主要指導(dǎo)彈、雷達(dá)、火炮、車輛、艦艇、坦克以及飛機(jī)等，其應(yīng)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(lǐng)域本體框架構(gòu)建

構(gòu)建本體框架是在分析領(lǐng)域概念的基礎(chǔ)上，提取領(lǐng)域本體核心類，通過對本體核心類的概念擴(kuò)展構(gòu)建概念層次，分析概念層次中各概念之間的關(guān)系，創(chuàng)建概念屬性，進(jìn)而達(dá)到構(gòu)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(gòu)成進(jìn)行分析，可以將其分為裝備基本信息、裝備測試信息、故障預(yù)測信息、故障診斷信息以及故障維修信息5 個(gè)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(guān)信息。以這5 類信息作為裝備PHM 領(lǐng)域本體的核心概念類，在此基礎(chǔ)上對概念進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建概念層次，得到的裝備PHM 領(lǐng)域本體概念層次如圖4 所示。

圖4 裝備PHM 領(lǐng)域本體概念基本層次圖

本體概念層次結(jié)構(gòu)是領(lǐng)域本體的“骨架”，構(gòu)建領(lǐng)域本體還需要通過構(gòu)建概念屬性來充實(shí)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(guān)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(lǐng)域本體概念層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對概念屬性進(jìn)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(lǐng)域本體部分對象屬性

表2 裝備PHM 領(lǐng)域本體部分?jǐn)?shù)據(jù)屬性

2.3 裝備PHM 領(lǐng)域本體實(shí)例化

本體實(shí)例化是裝備PHM 領(lǐng)域本體構(gòu)建的最后一步，本文在裝備PHM 領(lǐng)域本體框架的基礎(chǔ)上，以某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為研究對象，對裝備PHM 領(lǐng)域本體進(jìn)行實(shí)例化。裝備基本信息是構(gòu)建裝備PHM領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)，裝備測試、故障預(yù)測、故障診斷和故障維修的本體實(shí)例構(gòu)建均需要在裝備結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)上展開。對某型導(dǎo)彈裝備基本信息進(jìn)行實(shí)例化，得到部分實(shí)例關(guān)系如圖5 所示。

圖5 某型導(dǎo)彈裝備基本信息部分實(shí)例關(guān)系圖

3 裝備PHM 領(lǐng)域本體語義相似性檢索

3.1 裝備PHM 領(lǐng)域本體檢索模型

開展裝備PHM 領(lǐng)域本體信息共享技術(shù)研究，其目標(biāo)在于將裝備PHM 信息應(yīng)用到裝備維修保障實(shí)踐中去，用戶如何高效地獲取并運(yùn)用裝備PHM信息成為信息共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為此，本文采用基于語義相似度的檢索方法對裝備PHM 領(lǐng)域本體進(jìn)行檢索，檢索模型如圖6 所示。

語義相似度用來表示兩個(gè)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(lǐng)域本體檢索模型中，檢索過程可以分為兩個(gè)階段。第1 部分是粗選階段，這一階段在裝備結(jié)構(gòu)匹配的基礎(chǔ)上，采用概念語義相似度算法對裝備故障模式和裝備PHM 領(lǐng)域本體庫中故障模式進(jìn)行概念匹配，獲取達(dá)到一定相似度閾值的初選本體實(shí)例集，可以大大縮小本體實(shí)例的檢索范圍，提高本體實(shí)例檢索效率；第2 部分是細(xì)選階段，在初選本體實(shí)例的基礎(chǔ)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(shí)例故障特征數(shù)據(jù)進(jìn)行語義匹配，選取屬性相似度達(dá)到閾值的故障實(shí)例作為本體檢索結(jié)果。最終檢索結(jié)果通過綜合計(jì)算概念語義相似度和屬性語義相似度進(jìn)行篩選。

3.2 裝備PHM 領(lǐng)域本體語義相似度算法

3.2.1 概念語義相似度計(jì)算

基于語義相似度的裝備PHM 領(lǐng)域本體檢索方法第1 階段通過計(jì)算概念語義相似度來篩選本體實(shí)例，本文在計(jì)算概念語義相似度時(shí)，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(jì)算方法上，將概念密度和概念深度納入語義相似度計(jì)算范圍。

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

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

式中，d（A）和d（B）代表概念A(yù) 和B 的概念深度，d（A，B）表示概念A(yù) 和B 最近公共節(jié)點(diǎn)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(jìn)行加權(quán)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(diào)節(jié)α可以合理地調(diào)整概念信息量和概念深度在計(jì)算概念相似度時(shí)的權(quán)重。

3.2.2 屬性語義相似度計(jì)算

基于語義相似度的裝備PHM 領(lǐng)域本體檢索方法第2 階段在計(jì)算概念語義相似度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算屬性語義相似度，提高本體實(shí)例獲取的準(zhǔn)確度。屬性語義相似度主要計(jì)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(jì)算，計(jì)算方法也不相同。

當(dāng)屬性特征值取值為精確值時(shí)，相似度計(jì)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(dāng)屬性特征值取值為區(qū)間時(shí)，相似度計(jì)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(lǐng)域本體檢索模型設(shè)計(jì)，在領(lǐng)域本體信息粗選階段采用式（3）進(jìn)行相似度計(jì)算，獲取相似度超過閾值的本體實(shí)例，在細(xì)選階段采用屬性語義相似度進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)匹配，當(dāng)屬性數(shù)據(jù)特征取值為精確值時(shí)，采用式（4）進(jìn)行相似度計(jì)算；當(dāng)屬性數(shù)據(jù)特征取值為區(qū)間值時(shí)，采用式（5）進(jìn)行相似度計(jì)算。

3.2.3 整體語義相似度計(jì)算

最終計(jì)算整體語義相似度時(shí)需要對概念和屬性語義相似度進(jìn)行加權(quán)，權(quán)值由各主成分在語義相似度計(jì)算中貢獻(xiàn)率決定，采用主成分分析法計(jì)算各主成分貢獻(xiàn)率［12］，得到整體語義相似度計(jì)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(jìn)行本體建模，運(yùn)用Jena 引擎對本體信息進(jìn)行管理，并使用Microsoft SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫對本體數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射制導(dǎo)車測試診斷信息為基礎(chǔ)，開展裝備PHM 信息共享系統(tǒng)應(yīng)用，涉及的測試信息從裝備通用檢測診斷平臺(tái)上獲取。下頁表3 是日常開展裝備維護(hù)時(shí)獲取的發(fā)射制導(dǎo)車部分測試診斷信息，將獲取的測試診斷信息通過本體實(shí)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(chǔ)的裝備PHM 本體信息進(jìn)行匹配，得到如圖7 所示的檢索結(jié)果，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對裝備PHM 工作過程中存在的信息異構(gòu)、難以共享的問題，基于本體對裝備PHM 領(lǐng)域信息進(jìn)行建模，采用基于語義相似度的檢索方法對裝備PHM 領(lǐng)域本體進(jìn)行檢索，綜合運(yùn)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(yùn)用裝備PHM 信息的需求，基本實(shí)現(xiàn)了裝備PHM 信息共享功能。

表3 某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射制導(dǎo)車部分測試診斷信息

圖7 基于語義相似度的本體檢索結(jié)果