賈寶惠，姜番，王玉鑫，*，王杜

1．中國(guó)民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300

2．中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300

民用飛機(jī)在運(yùn)營(yíng)中，不可避免地會(huì)發(fā)生各類意外事故和系統(tǒng)故障，開展面向民用飛機(jī)故障診斷的研究工作，是確保民機(jī)安全運(yùn)行和持續(xù)適航的重要前提。故障診斷的目標(biāo)是當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到故障，維修人員就需要根據(jù)具體情況以及相關(guān)手冊(cè)判斷故障原因，從而提出故障修復(fù)方案［1］。而人工排故會(huì)在一定程度上受人的主觀因素影響并且浪費(fèi)維修人員的時(shí)間成本。由于對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)建模十分困難，目前學(xué)者們廣泛應(yīng)用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，建立傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)模型挖掘數(shù)據(jù)中的信息，以進(jìn)行故障診斷［2］。

目前大部分對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷工作都是基于易于分析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)開展的［3］，然而這樣忽略了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的豐富的故障信息。在飛機(jī)日常運(yùn)營(yíng)中會(huì)積累大量的維修記錄，以文本的形式保存在數(shù)據(jù)庫中，包含了故障問題信息、故障檢修方法及故障原因等關(guān)鍵特征［4］。目前這些維修文本數(shù)據(jù)由于自身的復(fù)雜性還未被充分利用，如果從這些數(shù)據(jù)中提取知識(shí)，能夠輔助維修人員依據(jù)故障現(xiàn)象快速準(zhǔn)確定位設(shè)備的故障位置及原因，大大降低了人工依賴度，有利于提高基于知識(shí)的故障診斷的自主化程度、可解釋性和診斷精度［5］，對(duì)進(jìn)一步提升航空安全保障水平具有重要的意義［6］。

中文文本分析技術(shù)主要是從中文文本中抽取和挖掘高質(zhì)量的、有價(jià)值的信息。文本分析技術(shù)最早起源于1958年，Luhn［7］選擇了詞頻作為特征并融入了詞語的位置分布的信息進(jìn)行文本分析，開創(chuàng)了文本分析研究先河。經(jīng)過眾多學(xué)者的不斷探索，文本分析出現(xiàn)了一些經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如樸素貝葉斯［8］、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）［9］等。直 到2012年，深 度 學(xué)習(xí)算法引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，它可以實(shí)現(xiàn)一種端到端的直接分析過程，避免了傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法需要復(fù)雜的特征工程的問題［10］。Abedin 等［11］使用修改后的Basilisk 框架自動(dòng)增加基礎(chǔ)詞典，生成的詞典在支持向量機(jī)分類中用于識(shí)別事件原因。在Andrzejczak 等［12］研 究 中 也 使 用 了 根 據(jù) 詞 典來識(shí)別事件原因的方法，但是該方法難以捕捉文檔中存在的非常有用的潛在含義。Tulechki［13］將自然語言處理技術(shù)應(yīng)用在與航空安全相關(guān)信息處理框架中，采用SVM 算法構(gòu)造分類器來預(yù)測(cè)發(fā)生安全事件類別。Zhang 等［14］建立CNNLSTM-Attention 融合模型學(xué)習(xí)句子的語義和情感信息以及關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)文本的情感分析。鄭煒等［15］針對(duì)軟件安全缺陷報(bào)告數(shù)量少、特征復(fù)雜等特點(diǎn)，采用TextCNN-Attention-TextRNN 模型實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件安全問題的預(yù)測(cè)。田園和馬文［16］使用引入注意力機(jī)制的雙向長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Bidirectional Long Short-Term Memory，BiLSTM）對(duì)電網(wǎng)領(lǐng)域運(yùn)行設(shè)備形成的故障日志進(jìn)行故障識(shí)別。李新琴等［17］使用組合權(quán)重計(jì)算方法將BiGRU 和BiLSTM 的學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路信號(hào)道岔設(shè)備故障數(shù)據(jù)的分類。上述研究雖然在一些領(lǐng)域上逐漸實(shí)現(xiàn)了文本的自動(dòng)分析，但仍存在以下問題：

1）基于民機(jī)維修文本數(shù)據(jù)的故障診斷還處于人工分析階段，未實(shí)現(xiàn)智能診斷。

2）文本挖掘技術(shù)與專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)結(jié)合較為困難，在預(yù)處理操作時(shí)由于專業(yè)詞語較多很難使用分詞技術(shù)做到詞語的精確劃分，這為語義特征的學(xué)習(xí)帶來了難度。

3）當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，所建立的分析模型參數(shù)量較大，運(yùn)行時(shí)占用內(nèi)存多，因此導(dǎo)致了分析時(shí)間過長(zhǎng)，處理速度慢等問題。

本文提出了一種修正迭代的基于BERTLightGBM 模型的飛機(jī)維修記錄故障原因分析流程，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)維修文本數(shù)據(jù)端到端的智能診斷，提升了維修文本的利用率及使用價(jià)值；相比于其他文本分析模型本文所提模型在民機(jī)維修文本故障原因分析中準(zhǔn)確率較高；在診斷速度上有所優(yōu)化，提升了方法的實(shí)用性。從而能夠輔助維修人員依據(jù)故障現(xiàn)象快速準(zhǔn)確定位設(shè)備的故障位置及原因，大大降低了人工依賴度。首先，結(jié)合維修案例文本的特點(diǎn)，對(duì)文本預(yù)處理、文本表示、特征提取模型和特征分類模型的構(gòu)建做了具體研究；其次，不斷增加飛機(jī)維修文本數(shù)據(jù)驗(yàn)證所提出的故障診斷流程的有效性，建立BERT 模型用于構(gòu)建全局、雙向的文本特征提取能力，解決民航維修領(lǐng)域文本分詞困難、上下文信息相關(guān)性高的問題；并將LightGBM 作為分類器，以實(shí)現(xiàn)并行分析減小模型的參數(shù)數(shù)量，在降低模型復(fù)雜度，增強(qiáng)分析效率方面達(dá)到良好的效果，提升了方法在工程上的實(shí)用性；最后，對(duì)比其他分類方法，從準(zhǔn)確率及診斷時(shí)間方面驗(yàn)證了使用BERT-LightGBM 模型進(jìn)行民機(jī)維修文本故障原因分析的可行性和優(yōu)越性。

1 民機(jī)維修記錄文本特點(diǎn)

在民航運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的維修記錄，維修人員在檢查、維修過程中的信息以文本形式保存在故障數(shù)據(jù)庫中，部分維修記錄如表1 所示。通過分析大量的飛機(jī)維修記錄，總結(jié)得出如下特點(diǎn)：

表1 維修記錄Table 1 Maintenance records

1）長(zhǎng)度短，數(shù)據(jù)量大。經(jīng)分析飛機(jī)維修文本大多數(shù)在100 個(gè)字符以內(nèi)，但是數(shù)量大。因此存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)稀疏的問題，對(duì)文本處理時(shí)形成了高維稀疏的特征空間。

2）文本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不規(guī)范。不同書寫人員習(xí)慣不同導(dǎo)致同一信息可能因?yàn)椴煌藛T書寫方式存在差異。

3）包含大量的專有名詞縮寫和代碼。例如“剎車組件”會(huì)縮寫成“剎組”，“發(fā)動(dòng)機(jī)”會(huì)縮寫成“發(fā)”。

針對(duì)以上特點(diǎn)，使用對(duì)短文本分析有較好的效果的BERT 模型進(jìn)行分析，可以結(jié)合上下文進(jìn)行區(qū)分同一詞語在不同語句中的不同語義；引入多頭自注意力機(jī)制可以克服在航空這種特定領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)詞語較多，難以全部收錄在領(lǐng)域詞典里的問題；并且還可以解決維修記錄口語化嚴(yán)重，難以使用傳統(tǒng)分詞技術(shù)進(jìn)行語義理解的問題；融合LightGBM 模型能夠充分捕捉特征與故障原因標(biāo)簽的關(guān)系，從而獲得更準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

2 模型基本理論

2.1 BERT 模型基本理論

基于預(yù)訓(xùn)練語言模型雙向轉(zhuǎn)換器編碼表示（Bidirectional Encoder Representations from Transformers，BERT）［18］預(yù)訓(xùn)練模型是谷歌2018年提出的大型多任務(wù)語言模型，是一種基于多層雙向Transformer 架構(gòu)［19］的深度學(xué)習(xí)語言表示模型。其模型基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中EN為字向量編碼表示，TN指輸出向量。

圖1 BERT 模型基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of BERT model

BERT 預(yù)訓(xùn)練模型與經(jīng)典的Word2Vec 詞向量訓(xùn)練模型不同之處在于，Word2vec 只能表現(xiàn)詞的獨(dú)立語義信息，而BERT 模型不僅在Transformer 的Encoder 中引入多頭注意力機(jī)制（Multi-head Self-Attention），并且創(chuàng)新性地提出了遮蔽語言模型（Mask Language Model，MLM）和下個(gè)句子預(yù)測(cè)任務(wù)（Next Sentence Prediction，NSP）［20］，在模型訓(xùn)練時(shí)不斷根據(jù)具體任務(wù)調(diào)節(jié)參數(shù)，使得其能更好地捕捉并融合全文語義。在實(shí)際預(yù)訓(xùn)練中NSP 任務(wù)和MLM 任務(wù)結(jié)合，讓模型能夠更準(zhǔn)確地理解字、詞、句子甚至全文的語義信息［21］。

1）遮蔽語言模型：MLM 任務(wù)是隨機(jī)遮蔽每個(gè)句子中的15%的詞語，用剩下的詞語來預(yù)測(cè)被遮蔽的詞。對(duì)于被遮蔽的詞語，其80% 用［MSAK］代替，10% 用一個(gè)隨機(jī)詞代替，剩下10%的被遮蔽的詞語保持原詞不變。這樣就使得當(dāng)預(yù)測(cè)一個(gè)詞語時(shí)，模型并不知道輸入的是否為正確的詞語，因此就會(huì)更多的依賴上下文的信息去預(yù)測(cè)詞語，賦予了模型的一定的糾錯(cuò)能力。

2）下個(gè)句子預(yù)測(cè)任務(wù)：NSP 任務(wù)是從語料庫中隨機(jī)選擇50%正確語對(duì)和50%錯(cuò)誤語對(duì)進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)句子間的語義相關(guān)性，判斷句子間的正確關(guān)系。

BERT 模型實(shí)現(xiàn)過程中有預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)兩部分：在預(yù)訓(xùn)練過程中通過動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，最小化損失，從而使得模型訓(xùn)練得到的特征能夠盡可能地表征出語義的本質(zhì)［22］；在微調(diào)階段，根據(jù)具體的任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練好的模型參數(shù)不斷進(jìn)行微調(diào)。因此BERT 模型不僅能夠有效獲取航空領(lǐng)域詞匯的上下文信息，而且能夠充分捕捉語義特征。

2.2 LightGBM 模型基本理論

輕量級(jí)梯度提升機(jī)（Light Gradient Boosting Machine， LightGBM）［23］是基于梯度提升決策樹［24］（Gradient Boosting Decision Tree，GBDT）的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。它的原理與GBDT 相似，是將損失函數(shù)的負(fù)梯度作為當(dāng)前決策樹的殘差近似值，去擬合新的決策樹，使預(yù)測(cè)值不斷逼近真實(shí)值［25］。

相比于傳統(tǒng)的GBDT，LightGBM 算法中融合了基于梯度的單邊采樣（Gradient-based One-Side Sampling，GOSS）和互斥特征捆綁（Exclusive Feature Bundling，EFB）2 種方法，可以減少信息丟失同時(shí)節(jié)省內(nèi)存占用加快運(yùn)行速度，解決了傳統(tǒng)提升算法在樣本數(shù)據(jù)量較大的環(huán)境下非常耗時(shí)的問題，能夠有效提高模型的準(zhǔn)確率和魯棒性。因此本文使用LightGBM 模型實(shí)現(xiàn)對(duì)所提取的語義特征進(jìn)行分類。

3 故障診斷流程設(shè)計(jì)

本文基于民機(jī)歷史維修數(shù)據(jù)，提出了一種基于BERT-LightGBM 模型的反復(fù)迭代的故障診斷流程，診斷模型建立過程如圖2 所示，分為4 個(gè)步驟。

圖2 民機(jī)維修文本故障診斷模型建立流程Fig.2 Process of establishing fault diagnosis model for civil aircraft maintenance texts

步驟1構(gòu)建故障數(shù)據(jù)庫和故障原因數(shù)據(jù)庫

由于已有的維修記錄缺少故障原因，因此首先需要將民機(jī)原始維修文本根據(jù)專家知識(shí)及人工經(jīng)驗(yàn)人工標(biāo)注故障原因，并將現(xiàn)有的民機(jī)維修記錄整理到故障案例數(shù)據(jù)庫和故障原因數(shù)據(jù)庫中。

步驟2故障文本預(yù)處理

由于民機(jī)維修記錄是由維修和檢查人員手工記錄的，會(huì)存在一定的不規(guī)范。因此在輸入故障診斷模型前，需要將其進(jìn)行處理使模型更好地提取語義特征。

步驟3故障診斷模型的建立

使用現(xiàn)有的維修記錄對(duì)所建的BERTLightGBM 故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練，在測(cè)試時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤的記錄進(jìn)行原因修正，形成正確的故障原因；并對(duì)未標(biāo)明故障原因的維修數(shù)據(jù)做出故障原因的預(yù)測(cè)。

步驟4故障案例數(shù)據(jù)庫和故障原因數(shù)據(jù)庫的更新

將專家修正過的診斷結(jié)果更新到故障案例數(shù)據(jù)庫及故障原因數(shù)據(jù)庫中，使用不斷積累更新的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行故障診斷模型的訓(xùn)練，提高故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，將故障數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)與所建立的BERT-LightGBM 故障診斷模型進(jìn)行集成，維修人員僅需把初始的維修記錄輸入到集成模型中，即可得到故障診斷結(jié)果，以輔助維修人員做出正確的維修決策，有效提高模型的工程實(shí)用性。

4 基于維修記錄的民機(jī)故障診斷模型

本文提出的基于BERT-LightGBM 維修文本故障診斷模型主要包括兩部分：首先，建立基于BERT 模型實(shí)現(xiàn)維修文本數(shù)據(jù)的向量表示及其特征提??；其次，將BERT 模型所提取的文本特征及其對(duì)應(yīng)的故障原因同時(shí)輸入到所建立的LightGBM 模型中，以實(shí)現(xiàn)特征的分類。故障診斷模型框架如圖3 所示。

圖3 BERT-LightGBM 模型框架Fig.3 BERT-LightgGBM model framework

由于飛機(jī)維修文本數(shù)據(jù)量較大，傳統(tǒng)的BERT 模型在文本分類中有著較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但消耗資源較大、所需時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際工程應(yīng)用較少。因此本文將BERT 和LightGBM 進(jìn)行融合，在BERT 模型充分提取全文語義特征的同時(shí)，利用LightGBM 可以節(jié)省內(nèi)存并加快運(yùn)行速度的優(yōu)點(diǎn)，解決傳統(tǒng)BERT 模型在大樣本環(huán)境下非常耗時(shí)的問題，并且在一定程度上提高了故障診斷準(zhǔn)確，增強(qiáng)了傳統(tǒng)BERT 模型在工程應(yīng)用中的實(shí)用性。

4.1 輸入的向量表示

由于文本無法直接被模型識(shí)別計(jì)算，因此首先需要將其進(jìn)行向量化表示。對(duì)維修文本進(jìn)行以字為單位的分割，但由于維修文本長(zhǎng)度不等，而BERT 采用固定長(zhǎng)度序列輸入，因此需要首先設(shè)定一個(gè)最大句子長(zhǎng)度的超參數(shù)，句子根據(jù)其設(shè)定進(jìn)行長(zhǎng)截短補(bǔ)。同時(shí)為了更好地融合全文語義，將字向量（Token embedding）和句向量（Segment embedding）融合為語義向量，得到向量表示E：

式中：E表示維修文本的融合語義向量；T表示維修文本的字向量；S表示維修文本的句向量。其中，字向量表示每個(gè)字的語義信息，句向量用于區(qū)分不同的句子。加入CLS 向量表示整篇文本的語義，可以用于之后的分類任務(wù)；加入SEP 向量句末分割符，用于將2 個(gè)句子分割開。

為了使模型可以捕捉順序序列，無論句子結(jié)構(gòu)如何變化，該模型都會(huì)得到類似的結(jié)果。因此在輸入特征提取模型前引入位置信息的特征即位置向量（Position Embedding），使得不同位置的字向量有差異，并且這種差異蘊(yùn)含某種關(guān)系，可以從一個(gè)位置推斷出另外一個(gè)位置。編碼公式為

式中：PE 是位置編碼結(jié)果；pos 是字在句子中的位置；i是指編碼中每個(gè)值的索引，即下標(biāo)，i=1，2，…，n；dmodel是編碼的維度。

最終，BERT 模型的輸入的向量為

在預(yù)訓(xùn)練階段，Transformer 模型對(duì)輸入向量進(jìn)行訓(xùn)練。其中，CLS 放在句子的首位，經(jīng)過Transformer 模型中多頭注意力機(jī)制來獲取句子級(jí)別的信息表示得到的整句的表征向量，可用于后續(xù)的分類任務(wù)。

圖4 為在做分類任務(wù)時(shí)輸入的向量表示示例，當(dāng)輸入“發(fā)現(xiàn)3 號(hào)主輪磨平”，將每個(gè)字分割得到每個(gè)字的字向量、句向量及位置向量，并在句首形成CLS 向量，且由于輸入只有一個(gè)句子，因此只有一個(gè)SEP 句末分隔符。

圖4 輸入的向量表示示例Fig.4 Examples of vector representations of inputs

4.2 民機(jī)維修文本的特征提取

在民機(jī)維修記錄文本中，包含大量的特定領(lǐng)域詞匯，為了使模型充分捕捉融合上下文的雙向語義、更加關(guān)注于重點(diǎn)詞匯，因此在模型中引入了12 個(gè)雙向Transformer 編碼層，即隱藏層，用以對(duì)文本進(jìn)行特征提取，Transformer 的編碼器也是預(yù)訓(xùn)練模型的核心部分，其編碼層內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 Transformer 編碼層內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of Transformer encode layer

1）本文采用Multi-head Self-Attention 機(jī)制進(jìn)行特征提?。壕幋a向量分別與多個(gè)隨機(jī)初始化的矩陣（分別設(shè)為，其 中維度相同）相乘計(jì)算出多個(gè)新的矩陣Qi、Ki、Vi由于多頭注意力可以在不同的空間中學(xué)習(xí)到相關(guān)信息，使模型更加關(guān)注重點(diǎn)詞匯，但不同的注意力頭之間捕捉的信息存在冗余，因此頭數(shù)過多不僅會(huì)增加模型參數(shù)量，準(zhǔn)確率可能也有所降低。因此經(jīng)過查找相關(guān)文獻(xiàn)，本文將向量X分別輸入到8 個(gè)自注意力機(jī)制中，再把輸出拼接得到最終的注意力向量。

計(jì)算公式為

計(jì)算每個(gè)注意力機(jī)制Attention 矩陣，計(jì)算出其他字對(duì)于該字的一個(gè)分?jǐn)?shù)值Si，即為每個(gè)詞對(duì)于當(dāng)前位置的詞的相關(guān)性大小：

式中：Dk表示向量Ki的維度。

使用softmax 函數(shù)進(jìn)行歸一化，計(jì)算注意力概率：

之后對(duì)注意力概率進(jìn)行隨機(jī)失活：

得到注意力權(quán)重：

把每一個(gè)自注意力機(jī)制的輸出向量串連拼接起來，得到最終的輸出向量R：

2）加和及歸一化層：首先使用殘差網(wǎng)絡(luò)解決梯度消失問題，并對(duì)不同的輸出相加；其次進(jìn)行層歸一化，計(jì)算公式為

式中：LN 為層歸一化后的結(jié)果；m為向量的編碼維度；n表示加和后第n個(gè)位置的字向量；μj=β=(β1，β2，…，βn) 和γ=(γ1，γ2，…，γn) 為 待 定向量。

3）使用全連接層進(jìn)行前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向計(jì)算，并接一層加和及歸一化層，其輸出綜合了上下文特征的各個(gè)詞的向量表示，以防止梯度消失；最后使用Gelu 激活函數(shù)進(jìn)行非線性映射。

在模型訓(xùn)練的時(shí)候，執(zhí)行MLM 和NSP 任務(wù)讓模型盡力去理解上下文關(guān)系。預(yù)訓(xùn)練好的BERT 模型中每個(gè)詞都充分融合了上下文信息，CLS 位置包含了句子關(guān)系信息。

4.3 模型的輸出

在最后一層編碼層之后，經(jīng)池化層和tanh 激勵(lì)函數(shù)做一定的變換，將CLS 標(biāo)記對(duì)應(yīng)的整句向量表示hi取出來，作為整個(gè)序列的表示并返回。模型輸出則是輸入各字對(duì)應(yīng)的融合全文語義信息后的向量表示，降低矩陣的維度，增加了模型的泛化能力。最終輸出特征為

式中：mi為輸入序列X的最終特征；W1和W2是權(quán)重矩陣；hi是池化層的輸入；σ是tanh 激活函數(shù)。

4.4 模型參數(shù)量?jī)?yōu)化

BERT 模型在訓(xùn)練過程中會(huì)產(chǎn)生O(L×H)個(gè)參數(shù)，其中L表示詞表矩陣維度；H表示隱藏層參數(shù)矩陣維度；當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，模型參數(shù)量多，占用內(nèi)存較大，訓(xùn)練速度緩慢。為了加快訓(xùn)練速度，在減少參數(shù)量做了如下操作［26］：

1）嵌入層參數(shù)因式分解。不將獨(dú)熱編碼向量直接映射到隱藏層，而是將一個(gè)高維詞嵌入矩陣分解成2 個(gè)低維詞嵌入矩陣，即產(chǎn)生的參數(shù)個(gè)數(shù)為O（L×E+E×H），其中E表示嵌入矩陣，當(dāng)E遠(yuǎn)小于H時(shí)參數(shù)量減小的很明顯。

2）在不同層的Transformer 編碼器之間共享多頭自注意力機(jī)制以及前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中部分參數(shù)。

4.5 民機(jī)維修文本特征分類

在下游微調(diào)任務(wù)中，針對(duì)本文提出的民機(jī)維修文本的故障原因分析問題，是一個(gè)多分類的問題。將預(yù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)到的語法語義知識(shí)遷移到下游任務(wù)，利用訓(xùn)練得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，初始化網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，將分類操作轉(zhuǎn)移到預(yù)訓(xùn)練字向量中，并在BERT 模型的輸出端接上分類器，以實(shí)現(xiàn)故障原因的分類。

本文使用LightGBM 模型實(shí)現(xiàn)語義特征的分類，它是基于梯度提升決策樹的優(yōu)化算法。將BERT 模型提取的維修文本特征以及故障原因標(biāo)簽作為該模型的輸入。在訓(xùn)練過程中根據(jù)梯度差異計(jì)算不同葉子節(jié)點(diǎn)不同的權(quán)重，以對(duì)應(yīng)于類別的得分，輸出得分最高的類別。相較于softmax 分類器，LightGBM 模型可以實(shí)現(xiàn)并行學(xué)習(xí)并且更加充分地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與標(biāo)簽之間的真實(shí)聯(lián)系，利用數(shù)據(jù)特征擬合，以達(dá)到更加高效的分類效果。

LightGBM 算法輸入的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集為{(m1，y1)，(m2，y2)，…，(mn，yn)}，其 中mi(i=1，2，…，n)是提取的維修本文的特征向量，yi是對(duì)應(yīng)的故障原因。在模型訓(xùn)練添加決策樹時(shí)第t步的損失表示形式如式（16），每輪迭代的目標(biāo)為找到一個(gè)弱學(xué)習(xí)器ht(m)，使得本輪損失函數(shù)L(y，ft(m))最小。

式中：ft-1(m)為上一輪強(qiáng)學(xué)習(xí)器學(xué)習(xí)的結(jié)果。

計(jì)算第t輪第i個(gè)樣本的損失函數(shù)的負(fù)梯度：

每次訓(xùn)練迭代學(xué)習(xí)rti來擬合殘差。

利用mi和rti進(jìn)行決策樹最優(yōu)節(jié)點(diǎn)分裂擬合第k棵回歸樹。對(duì)于所有葉子節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)樣本，計(jì)算出使得損失函數(shù)最小的輸出值cti：

從而得到ht(m)：

式中：Rtj(j=1，2，…，J)表示第t棵回歸樹的J個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的區(qū)間；I為示性函數(shù)。

則強(qiáng)學(xué)習(xí)器表示為

由于決策樹在計(jì)算分割節(jié)點(diǎn)的信息增益時(shí)會(huì)對(duì)每個(gè)特征遍歷所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，為了快速找到一個(gè)最優(yōu)特征分割點(diǎn)作為葉子節(jié)點(diǎn)，使得在分割之后整棵樹的增益值最大，在上述步驟中融合了GOSS 和EFB2 種 方 法。

1）GOSS 使用梯度作為樣本權(quán)重，本文在采樣時(shí)重點(diǎn)關(guān)注梯度較大的特征，對(duì)于梯度小的特征進(jìn)行進(jìn)一步學(xué)習(xí)。之后遍歷樣本并計(jì)算信息增益，信息增益越大，樣本梯度就越大，即特征重要度就越高。在節(jié)點(diǎn)d上特征j的信息增益計(jì)算公式為［27］

式中：n為使用樣本總數(shù)；gi為損失；Hl、Hr、Bl和Br為集合H和B劃分在節(jié)點(diǎn)d左邊（下標(biāo)l）、右邊（下 標(biāo)r）的 特 征 集 合，njl和njr分 別 為Hl∪Bl和Hr∪Br的集合個(gè)數(shù)；按梯度對(duì)特征進(jìn)行排序，選取前a%個(gè)特征形成集合H，從剩下的小梯度特征中選取b%個(gè)特征形成集合為小梯度特征的采樣權(quán)重。

2）EFB 使用直方圖算法將特征空間中相互獨(dú)立的特征進(jìn)行合并來減少特征的數(shù)量，當(dāng)特征以獨(dú)熱編碼的形式表示時(shí)，特征之間是不完全互斥的，因此設(shè)置沖突比對(duì)不互斥程度進(jìn)行衡量，當(dāng)沖突比較小時(shí)進(jìn)行特征合并，此時(shí)合并特征不會(huì)丟失信息，并且形成了低維特征空間［28］。從而既降低內(nèi)存占用以及時(shí)間復(fù)雜度，并且防止了過擬合的問題。

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文所采用的數(shù)據(jù)集來自某航空公司某型號(hào)飛機(jī)的歷史維修記錄，該數(shù)據(jù)集包含了33 562條維修記錄，其中22 000 條作為訓(xùn)練集，4 781 條作為驗(yàn)證集，4 781 條作為測(cè)試集。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：操作系統(tǒng)Windows10、處理器Intel（R） Xeon（R） Gold 6226R CPU @2.90GHz、Python3.6、Tensorflow1.14。由于原始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集缺少故障原因，因此首先需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其故障原因進(jìn)行診斷標(biāo)注。故障原因及其數(shù)量如圖6 所示，將故障原因分為111 類。維修記錄中主要包括機(jī)型、機(jī)號(hào)、發(fā)生日期、ATA 章節(jié)、故障描述、故障處理及故障原因等信息，其中機(jī)型、機(jī)號(hào)、發(fā)生日期等信息與故障原因的診斷相關(guān)性不大，因此為了降低數(shù)據(jù)的維度本文把這幾列刪除。表2 為標(biāo)注故障原因后的某航空公司飛機(jī)部分維修記錄。表中故障原因則為本文分析預(yù)測(cè)的目標(biāo)，它主要通過使用本文所用方法對(duì)故障描述及故障處理兩列進(jìn)行分析獲得。

表2 標(biāo)注后的某航空公司飛機(jī)維修記錄（部分）Table 2 Aircraft maintenance records of an airline after marking （part）

圖6 故障原因及數(shù)量Fig.6 Causes and numbers of faults

5.2 文本數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于維修文本的表述與故障映射存在一定關(guān)系，對(duì)故障位置及原因表述明確的維修文本數(shù)據(jù)，可直接使用文本中的關(guān)鍵字和詞與故障案例數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)匹配從而實(shí)現(xiàn)故障判定和維修決策的生成，使故障原因判別更為直接。如：“3#主輪見線，更換主輪后測(cè)試正?！保赏ㄟ^數(shù)據(jù)庫匹配直接診斷為：“機(jī)輪磨損、見線”，以減少資源的占用。

針對(duì)存在歧義及表述具有不確定性的維修文本，如：“空中巡航時(shí)垂直導(dǎo)航指引消失，自動(dòng)駕駛B 脫開.幾十分鐘后，PFD 上速度帶出現(xiàn)黃色SPD LIMIT 標(biāo)志.”，可根據(jù)前文總結(jié)的民機(jī)維修文本的特點(diǎn)首先文本進(jìn)行預(yù)處理操作，將其整理為規(guī)范文本，用其進(jìn)行模型的訓(xùn)練及測(cè)試，以提升模型對(duì)有用信息的關(guān)注能力，主要進(jìn)行的處理如下：

1）文本整合

在進(jìn)行飛機(jī)維修文本故障原因分析時(shí)，主要使用維修記錄中故障描述及故障處理兩列，因此本文將這兩列數(shù)據(jù)合并成一列，以便進(jìn)行后續(xù)整體分析。

2）文本隨機(jī)化

在構(gòu)建維修文本數(shù)據(jù)集時(shí)，如果按類別進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在模型訓(xùn)練在過程中的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)只關(guān)注某一類別的數(shù)據(jù)，可能會(huì)造成模型過擬合，泛化能力很差，因此本文將維修文本亂序輸入。

3）文本清洗

由于民機(jī)維修文本是由維修檢查人員人工進(jìn)行記錄，常常會(huì)存在記錄不規(guī)范的問題。為了使模型更加關(guān)注于字詞本身和語句，因此對(duì)文本進(jìn)行清洗操作。主要包括去除文本中特殊的符號(hào)，如：“（）”“！”“…”等符號(hào)，去除多余的空格及中英文符號(hào)統(tǒng)一等步驟。

4）停用詞過濾

在人工描述的維修文本中通常會(huì)存在“的”“并且”“和”等出現(xiàn)頻率高但是卻無實(shí)際含義的詞，去除這些詞可以在一定程度上降低文本的特征維度。預(yù)處理后的結(jié)果如表3 所示。

表3 部分飛機(jī)維修文本預(yù)處理結(jié)果Table 3 Partial results of aircraft maintenance text preprocessing results

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將測(cè)試集數(shù)據(jù)輸入到用訓(xùn)練集訓(xùn)練好的預(yù)訓(xùn)練模型中，得到最終分類結(jié)果如表4 所示，其中故障原因這一列為診斷模型輸出結(jié)果。為了驗(yàn)證提出的不斷修正的故障診斷流程可以提高故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率，逐漸遞增歷史維修記錄并將其輸入到 BERT-LightGBM 模型中，采用準(zhǔn)確率（Accuracy）、精確度（Precision）、召回率（Recall）及 F1 值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，觀察模型輸出評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化情況，最終實(shí)驗(yàn)情況如圖7 所示。

表4 故障診斷結(jié)果Table 4 Fault diagnosis results

由圖7 中的數(shù)據(jù)可以明顯觀察到，當(dāng)故障樣本較少時(shí)，可能會(huì)使模型欠擬合模型準(zhǔn)確率很低；隨著故障樣本迭代式地增多，準(zhǔn)確率不斷增長(zhǎng)，直至維修文本數(shù)據(jù)量達(dá)到20 000 時(shí)，準(zhǔn)確率達(dá)到最大值98.93%，精確度、召回率和 F1 值也達(dá)到了較高的值，分別達(dá)到了99.98%、99.98%、99.98%。由此可以說明，所建立的故障診斷模型的準(zhǔn)確率隨著維修記錄數(shù)據(jù)庫中故障樣本的增加而提高，但當(dāng)維修文本達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，若繼續(xù)增加樣本數(shù)量準(zhǔn)確率基本保持不變，并且還可能會(huì)造成計(jì)算資源的浪費(fèi)，因此本文選用數(shù)據(jù)量為20 000 的維修文本數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)研究。

圖7 迭代訓(xùn)練結(jié)果Fig.7 Iterative training results

基于BERT-LightGBM 的故障診斷模型在訓(xùn)練時(shí)，選擇的批處理大?。˙atch Size）即一次訓(xùn)練所選取的樣本數(shù)和遍歷次數(shù)（Epoch）都會(huì)影響故障診斷的準(zhǔn)確率。因此不斷調(diào)整這2 個(gè)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的準(zhǔn)確率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8 可知，在Batch Size 相同時(shí)，準(zhǔn)確率隨著遍歷次數(shù)的增大而增大；由于在遍歷次數(shù)相同時(shí)，Batch Size=16 時(shí)準(zhǔn)確率最大。當(dāng)Batch Size=8時(shí)，由于模型欠擬合導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確率無法隨著遍歷次數(shù)的增大而持續(xù)升高；當(dāng)Batch Size=32時(shí)，由于一次訓(xùn)練所選取的樣本數(shù)過大，可能會(huì)導(dǎo)致模型過擬合，使其在局部形成最優(yōu)值，因此無法得到最優(yōu)的準(zhǔn)確率。因此本文選擇Epoch=5，Batch Size=16 進(jìn)行后續(xù)研究。

圖8 不同Epoch 和Batch Size 的準(zhǔn)確率Fig.8 Accuracy of different Epochs and Batch Sizes

為了研究本文所提出的基于BERTLightGBM 方法在民機(jī)維修文本故障原因分析的有效性和優(yōu)越性，選擇了文本分類常用模型TextCNN、LSTM 以及BiLSTM 作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)?；贐ERT-LightGBM 模型的訓(xùn)練參數(shù)如表5所示。BERT-LightGBM 模型訓(xùn)練損失如圖9 所示。由圖9 可知，BERT-LightGBM 模型在迭代超過4 500 輪后，訓(xùn)練集上的損失波動(dòng)幅度變小，逐漸趨于穩(wěn)定，訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率基本保持不變，說明模型訓(xùn)練擬合效果已達(dá)最優(yōu)。

圖9 BERT-LightGBM 模型訓(xùn)練損失Fig.9 BERT-LightGBM model training loss

表5 BERT-LightGBM 模型訓(xùn)練參數(shù)Table 5 BERT-LightGBM model training parameters

幾種文本分類模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。BERT-LightGBM 模型（隱藏層維度為768）最后在測(cè)試集上進(jìn)行10 次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，取其平均值作為模型在測(cè)試集上的平均準(zhǔn)確率，約為 98.03%，相較于本文的所采用的對(duì)比模型TextCNN 準(zhǔn)確率提高了38.99%，比LSTM 模型（隱藏層維度為768）準(zhǔn)確率提高了22.98%，比BiLSTM 模型（隱藏層維度為768）準(zhǔn)確率提高了18.16%，比BERT 模型（隱藏層維度為768）準(zhǔn)確率提高了0.91%；并且原BERT 模型在表5 的參數(shù)設(shè)置下訓(xùn)練20 000 數(shù)據(jù)集需要12 h，而BERT-LightGBM 模型訓(xùn)練只需要9.8 h，說明BERT-LightGBM 模型對(duì)于提高飛機(jī)維修文本故障診斷的效果更好，并且訓(xùn)練速度有了很大的提升，因此本文所建立的BERT-LightGBM 模型能夠在一定程度上提高對(duì)飛機(jī)維修文本故障診斷的效率。

從 表6 可 知，BERT-LightGBM 模 型 與TextCNN、LSTM 和BiLSTM 相比，平均準(zhǔn)確率相差較大，這是因?yàn)門extCNN 利用局部卷積的思想只能捕獲相鄰詞之間的語義關(guān)系，缺乏對(duì)全局信息的捕獲能力；LSTM 模型只可以融合單向的上下文信息得到特征信息并且會(huì)存在記憶退化；BiLSTM 模型在雙向提取語義特征時(shí)，能關(guān)注一部分句子的前后信息，然而這些信息是遞歸而來的，可能會(huì)丟失某個(gè)位置的局部信息，只是在一定程度上解決了長(zhǎng)程依賴問題。而本文所建立的BERT-LightGBM 模型可以結(jié)合上下文進(jìn)行區(qū)分同一詞語在不同語句中的不同語義，直接捕捉上下文信息，使模型充分融合全文的雙向語義、更加關(guān)注于重點(diǎn)詞匯，擁有強(qiáng)大的語義表征能力，因此在飛機(jī)維修文本故障原因分析中的表現(xiàn)更優(yōu)。

表6 不同模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Comparison of experimental results of different models

6 結(jié) 論

在大數(shù)據(jù)背景下，針對(duì)目前飛機(jī)維修文本中蘊(yùn)含的豐富的信息但無法充分被利用的問題，本文以真實(shí)的民機(jī)維修文本數(shù)據(jù)為例，提出了一種不斷修正迭代的故障診斷方法，建立了基于飛機(jī)維修文本數(shù)據(jù)的BERT-LightGBM 故障診斷模型。在建立故障診斷模型時(shí)，針對(duì)飛機(jī)維修文本的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了以字和整句為單位的理解方式，為了更好地融合理解維修文本的全文語義，在模型中引入了多頭注意力機(jī)制，并且針對(duì)當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)診斷速度慢的問題，采用參數(shù)因式分解及共享的方法減小參數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①將不斷遞增的維修文本數(shù)據(jù)輸入到BERTLightGBM 診斷模型并修正，可以提高所提出故障診斷方法的準(zhǔn)確率；②將本文所建立的BERT-LightGBM 模 型 與 原 BERT 模 型、TextCNN 模 型、LSTM 模 型 和BiLSTM 模 型 在相同數(shù)據(jù)集上進(jìn)行準(zhǔn)確率對(duì)比，可以看出本文所建立的模型在維修文本數(shù)據(jù)集上有很好的表現(xiàn)；③將改進(jìn)的BERT-LightGBM 模型與原BERT模型的診斷速度相比，所提出的故障診斷模型可以在一定程度上提高診斷速度。因此本文所提出的方法可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)維修文本故障原因的智能診斷，輔助維修人員定位故障，便于更快做出正確的維修決策。