基于本体的装备PHM 知识化建模研究*

余 磊，谷宏强，孟 晨，王 成

（1.洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003；2.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

故障预测与健康管理［1-2］（Prognostics and Health Management，PHM）技术作为一种新的维修模式，通过对装备状态和运行信息的管理，实现故障诊断和寿命预测，它与传统的事后维修和定时维修不同，能够有效地防止过度维修，提高装备完好率和维修效率，降低维修成本。

近些年PHM 技术得到飞速发展，但相比之下，我国在PHM 技术方面的研究与美国还有很大差距。目前，我国在PHM 理论方面的研究比较多，工程运用方面比较薄弱，其归根结底的原因是我国装备维修保障信息化建设水平还没达到标准。信息获取是PHM 的基础，PHM 系统需要大量装备维修保障信息作为支撑，但系统中的信息存在不同程度上的异构，各系统之间相互独立，难以实现信息共享［3］。所以提高装备维修保障信息化水平，实现信息在PHM 系统内共享是破除PHM 系统发展瓶颈的关键。

本体技术用于对领域知识进行标准化、形式化描述，为领域信息共享提供统一的描述标准［4-5］。针对装备维修保障信息领域存在的问题，本文尝试使用本体技术对装备PHM 进行知识化建模，构建装备PHM 本体（Equipment PHM Ontology，EPHMO），对装备PHM 信息进行统一描述，解决装备PHM 系统内信息异构问题。

1 PHM 及知识化模型

1.1 PHM

基于状态的维修［6-7］（Condition Based Maintenance，CBM）通过实时监控装备状态，根据装备状态信息研究确定维修的最佳时机，制定维修方案。PHM 在CBM 的基础上进行拓展，它对装备当前状态和历史状态数据进行分析，确定故障原因和发生时间，预测剩余寿命，制定最佳维修方案，可以大大提高装备的可用度和任务可靠性，弥补CBM 在“经济可承受性”方面的不足。

PHM 系统主要功能模块如图1 所示，主要由数据采集与处理、健康状态评估、故障诊断、故障预测和健康管理组成。健康状态评估通过对装备当前和历史数据进行分析，确定装备当前技术状态以及健康水平；故障诊断通过对装备出现的异常现象进行分析，确定故障发生原因，并进行故障定位；故障预测的目的在于确定异常状态所产生的最终结果以及时间，使维修人员提前预知故障的发生，提高维修工作的准确性以及经济可承受性，这也是PHM 与其他诊断系统有所区别的关键特征；故障维修根据健康状态评估、故障诊断和故障预测的结果，制定科学有效的维修方案，辅助维修人员进行维修决策。

图1 PHM 功能模块

1.2 知识化模型

装备维修保障信息系统知识化就是要将装备的状态信息、测试信息、环境信息以及设计信息进行加工和分析，形成直接用于指导装备维修保障的维修决策、维修作业指导的知识。装备维修保障信息系统的知识化模型如图2 所示，在知识化模型中，知识加工是信息知识化的核心，它主要通过故障诊断、寿命预测、信息筛选等过程实现。装备信息（包含状态信息、测试信息和环境信息等）经过故障诊断模型和故障预测模型的处理后，得到故障诊断结果和故障预测结果，结合历史案例可方便、科学地作出维修决策，根据维修决策和作业要求，筛选出维修作业所需的装备技术资料和作业指导，保证保障作业的高效完成。保障作业完成后，最新的维修案例和故障案例充实到维修案例库和故障案例库中，实现知识的更新。

装备PHM 系统作为装备维修保障信息系统的一部分，其知识化建模可以参照图2 进行。知识加工的核心是将装备相关信息转化为共享的维修决策知识，知识加工的实现可以借助本体技术实现。

图2 装备维修保障信息系统的知识化模型

2 EPHMO 分析

本体最早起源于哲学领域，用于描述事物的起源与本质。近几十年被应用到计算机领域，在人工智能、计算机语言以及数据库理论中起到越来越重要的作用。关于本体的定义很多，目前被人们广泛接受的是Studer 的观点，他提出“本体是共享概念模型的形式化规范说明”，主要突出概念化、明确、形式化以及共享这4 层含义［8-10］。

使用本体技术对装备PHM 进行知识化建模得到EPHMO，实现装备PHM 知识形式化描述，是实现装备PHM 知识语义共享的基础，可以为弥补装备PHM 系统在知识资源利用方面的不足提供新思路。根据PHM 系统实际运行过程，可以把装备PHM知识分为装备基本信息、装备测试、健康状态评估、故障诊断、故障预测以及维修案例共6 个部分，对应地建立6 个子本体，这些子本体相互关联，共同构成EPHMO 的知识体系，如下页图3 所示。

3 EPHMO 构建

3.1 EPHMO 概念层次结构及类的构建

由第上节可知，EPHMO 分为装备基本信息子本体、装备测试子本体、健康状态评估子本体、故障诊断子本体、故障预测子本体以及维修案例子本体。本文从这6 个方面出发，通过查阅相关标准文献（比如维修性保障性术语、国防叙词表、国防部对后勤保障分析记录的要求等）以及和领域内专家的交流，确定各子本体的概念层次结构，进而完成EPHMO 概念层次结构的建立。EPHMO 整体概念层次结构如图4 所示。

图3 EPHMO 子本体

图4 EPHMO 概念层次图

以装备基本信息子本体为例，使用Protege 软件对子本体进行形式化描述，由于Protege 不支持中文推理，所以使用英文对知识进行描述。其他的子本体概念层次描述按照这个方法进行。装备基本信息子本体的概念层次结构如表1 所示。

表1 装备基本信息子本体概念层次结构

使用Protege 软件中class 标签实现概念类的构建，类的注释和描述可以通过class annotation 和class description 控件实现，最终的概念层级结构以结构树的形式展现。采用OWL 形式化语言对概念结构树进行描述，表达方式如下：

3.2 EPHMO 属性的定义和构建

在完成概念类的构建后，对EPHMO 属性进行定义和构建。本体属性包括对象属性和数据属性，在Protege 软件中，Object Properties 和Data Properties 两个标签负责本体属性构建。在进行属性构建时，需要定义属性的定义域和值域，并使用Characteristics 标签进行属性的约束。

Object Properties 负责EPHMO 对象属性的描述，对象属性的定义根据概念的实际关系进行，这里给出了部分基本对象属性，比如：1）IsPartOf；2）HasPart；3） IsAttributeOf；4） HasAttribute；5） IsInstanceOf；6）HasInstance，这些基本对象属性的定义域和值域都是整个EPHMO。

Data Properties 标签负责对概念数据属性进行描述，用来描述属性的数据特征。根据装备PHM 操作的实际情况，定义了10 个数据属性，分别为：1）HasID；2）HasLevel；3）HasModel；4）HasName；5）HasReason；6）HasResult；7）HasTech-Specif；8） HasTime；9）HasUnit；10）HasValue。HasID 表示装备编码的格式必须是ID 型，具有唯一性；HasTime 表示数据格式必须是时间格式；HasName 的数据格式必须是String 型等。在对数据属性进行定义时，可以使用annotation 标签进行属性描述。

Characteristics 标签包含7 个选项对属性进行约束，分别为Functional（函数性）、Inverse functional（反函数性）、Transitive（传递性）、Symmetric（对称性）、Asymmetric（反对称性）、Reflexive（自反性）和Irreflexive（反自反性）。数据属性只有Functional 约束，对象属性约束包含所有7 个选项。属性约束和属性的值域、定义域性质不相同，值域和定义域用于对属性的描述，是对属性使用范围的约束，而属性约束这7 个特性是对属性功能的约束，它将用于本体推理当中，如果对属性的约束不当，使用推理机进行推理将会出现推理错误。

3.3 某型导弹装备EPHMO 实例化

前文建立了EPHMO 概念架构，并对概念属性进行了定义和构建，下面以某型导弹武器系统为对象，构建导弹EPHMO，使用Protege 软件进行实例化操作。以导弹武器装备基本信息为例，参考装备基本信息子本体OWL-VIZ 展现实例化过程，如图5所示。

图5 装备基本信息子本体知识结构图

定义实例M-EPHM，令其类型为“EPHMO”；对导弹装备基本信息进行实例化，定义MissileSystem的类型为WeaponsSystem，拥有对象属性“Is-PartOf”，对象为“M-PHM”，数据属性“HasID”，定义属性约束类型为ID，赋值“001”，代表编码为“001”，数据属性“HasModel”，约束类型为“string”，赋值为“MMM”，代表型号为“MMM”；导弹武器系统通常包括发射制导车（F-Car）、搜索指挥车（S-Car）、电子维护车（D-Car）、标杆车（B-Car）、电站（DZ）和桶装导弹（Missile）等单体装备，对它们进行实例化，令其类型为“MonomerEquipment”，对象属性为“IsPartOf”，对象为MissileSystem，数据属性“HasID”，赋值编码分别为“0011”、“0012”、“0013”、“0014”、“0015”和“0016”。导弹装备结构依次往下进行实例化构建。定义实例HT2Y，令其类型为“Manufacture”，对象属性为“IsAttributeOf”，对象为“B-Car”；定义实例“2011-01-01”，令其类型为“ManufactureDate”，对象属性为“IsAttribute-Of”，对象为“B-Car”；定义实例FKL，令其类型为“ServiceUnit”，对象属性为“IsAttributeOf”，对象为“B-Car”；定义实例Xiaoxiu，令其类型为“Resumeinformation”，对象属性为“IsAttribu teOf”，对象为“B-Car”。得到装备基本信息子本体实例化如下页图6 所示。

由此类推，其他子本体的实例化也可以依照这个方法进行。但装备基本信息子本体实例化是其他子本体实例化的基础，在进行其他子本体实例化之前，必须完成装备基本信息子本体实例化。

图6 导弹装备基本信息子本体结构图

3.4 逻辑检测

前文对EPHMO 的概念层次结构和属性进行了定义，并依托导弹武器装备为背景进行了实例化，下面进行本体的逻辑检测，这也是本体构建的最后一个环节。Protege 自带的FACT++推理机可以实现逻辑推理功能，进行逻辑检测。点击Reasoner 标签下的FACT++标签，系统自动进行本体逻辑检测，检测结果在Inferred class hierarchy 界面展示。

4 结论

随着我军信息化建设不断推进，对信息化保障的要求也越来越高。但当前我军维修保障信息存在不同程度的异构，难以实现共享，知识利用率低。针对这些问题，本文对装备PHM 知识进行分析；采用本体技术对装备PHM 进行知识化建模，借助Protege 软件实现装备PHM 本体的形式化描述，解决领域信息异构问题。这些研究将为下一步装备PHM知识在计算机上共享实现提供技术支持。