基于本體的設備維護知識表示研究

摘 要:為滿足設備維護領域知識數字化表示的需求，根據設備維護領域知識的特點，將本體引入到該領域的知識表示中。通過對設備維護資源構成的分析，以設備維護知識中維修經驗知識表示為例，分析其概念和屬性關聯關系，設計了維護案例本體表示方法。采用OWL對維護案例本體進行統一的形式化描述和表示，較好地解決了維修經驗知識的共享與重用難題。研究提出的維修經驗知識表示方法已在某大機組群監測系統中得到成功應用。

關鍵詞:設備維護; 知識表示; 本體; 知識共享; 知識重用

中圖分類號:TP391; TH17文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2009)09-3242-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.09.011

Research on knowledge representation for equipment maintenancebased on ontology

XU Chu-luan， YU De-jie， LIU Jian

(State Key Laboratory of Advanced Design Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082， China)

Abstract:To meet the need of knowledge digitized representation in the field of equipment maintenance， according to the characteristics of equipment maintenance field knowledge， this paper introduced the concept of ontology to the knowledge representation of equipment maintenance. By analyzing the structure of equipment maintenance resources， analyzed taking the maintenance experience knowledge as a case and its concepts and property relationships. Designed the ontology representation method of maintenance case. Moreover， adopted the OWL to describe and express the maintenance case ontology formulations， which could solve the sharing and reuse of maintenance knowledge problem well. The knowledge representation method of maintenance experience which was brought forward in this paper had been successfully applied in a group monitoring system of machine union.

Key words:equipment maintenance; knowledge representation; ontology; knowledge sharing; knowledge reuse

0 引言

隨著日益激烈的市場競爭和制造業的全球化趨勢，制造企業的設備維護能力日益成為決定企業核心競爭力的重要因素。設備維護是設備全生命周期管理的一個重要環節[1]，其本質是一個多約束條件下的多目標決策問題。設備維護決策的內容主要包括設備狀態評估和維修決策;前者需要設備狀態數據、設備結構、故障診斷等知識;后者用到維修經驗、規范及人員、備配件信息等。維護知識是結構化的經驗以及信息，也包括專家的見解，其核心價值是能夠提高維護決策的科學性和實時性。

基于維護知識在維護決策中的重要性，維護知識管理一直是維護領域的重要研究內容。如何對維護領域中的結構、半結構化的信息以及知識進行結構化的有效表示，以促進知識的共享與重用，是維護知識管理的一個關鍵環節。

在知識管理領域，知識表示的主要目的是抽取知識中隱含的事實、關系及邏輯架構，將知識(如對象及概念等)與其之間關聯利用分級或推理規則表示，以便于使用者識別、理解和應用知識。目前設備維護領域對維護知識的表示方法研究工作較少[2~8]。文獻[6]采用面向對象與產生式規則相結合的方法表示診斷知識，提高了故障診斷的準確性;文獻[7]采用Petri網表示維修資源知識;文獻[8]采用框架與規則集成的知識表述方法表示維修知識。

以上方法都能夠在一定程度上實現維護知識表示，但仍然存在以下的不足:

a)對領域中的問題、術語及其相互關系的描述通用性不足。由于維護知識的多樣性和異構性，客觀上要求建立更規范和通用的知識表示方法。

b)對復雜的維護概念及其關系上的推理能力和靈活性不足。例如規則式表示方法雖然具有靈活性，但難以表示較復雜或完整的知識;框架式表示方法雖然容易表示知識的層次性關系，但缺乏靈活性。

c)采用以上表示方法建立的知識庫，隨著知識的大量累積，往往變得龐大而不易于管理。為此，有必要采用更完善的知識表示方法來改進以上的不足，以提高維護知識的管理水平，促進維護知識的進一步重用與共享。

本體(ontology)的概念起源于哲學領域，是共享概念模型的明確的形式化規范說明[9]。本體定義的核心是在把握事物本質的基礎上，通過抽象事物類型及其關系約束的明確定義，實現復雜認知知識的規范描述[10]。本體在知識表示領域具有表達準確、規范和結構清晰等特點，利于知識的重用與共享。近年來，研究人員把本體概念引入到知識工程中，從而實現了知識的共享性、互操作性、可維護性和可重用性等功能，已廣泛應用于知識工程、信息技術、人工智能、醫藥工程和機械工程等領域。

本文在總結設備維護領域知識構成與特點的基礎上，針對設備維護環境的分布性、異構性給維護知識的重用和共享帶來的困難，將本體思想引入到設備維護領域知識的表示中。以維修經驗知識表示為例，針對維修經驗知識擴展性、開放性與案例性的特點，設計了維修經驗知識的本體表示方法，包括本體的定義、類及類層次的分析和劃分、類屬性的設置、約束的確定、本體的實例化和代碼化等，采用OWL(Web ontology language，Web本體語言)對維修經驗知識本體進一步統一的形式化描述和表示，構建了某石化企業的典型關鍵設備K5403壓縮機的維護知識庫，并將其成功應用于大機組群監測系統維護決策支持模塊中。

1 本體用于設備維護知識表示的適用性

1.1 設備維護知識的構成

設備維護的本質是一個多約束條件下的多目標決策問題，所有維護知識的核心價值在于它能提高維護決策的科學性和實時性。維護所需要的基本資源包括人、備件、材料、設備、信息與外部服務等。維護信息包括從設計主要階段的策略到管理維護施工所需的詳細信息，貫穿整個設備壽命周期。本文將其分為基本信息、狀態評估和維修經驗三個主要方面加以分析，其構成層次如圖1所示。

基本信息是關于設備總體信息的描述，包括設備型號規格和設備所在企業的基本信息、設備維護信息中的靜態信息;狀態評估是各階段設備檢驗的基礎，包括設備結構信息、性能要求和設備工作狀態數據等;維修經驗包括當前維護信息、設備維修經驗和工作及限制原則等，維修經驗的合理利用是保證維護決策正確性、及時性的基礎。

1.2 設備維護知識的特點

設備維護不僅僅是一種生產技術方式，更是一種企業經營、管理和運作的模式，涉及到技術、經濟、組織和管理等多個層面，所以維護知識與一般知識相比具有如下特點:

a)多樣性。根據維護知識的作用范圍不同，設備維護知識包括基本信息等常識性知識和維修經驗等領域性知識;根據維護知識的作用及表示不同，設備維護知識包括設備基本信息描述的事實性知識、設備故障診斷規則的規則性知識和設備維修經驗的控制性知識。設備維護知識支撐著設備維護工作的開展，具有多樣性的特點。

b)關聯性。基本信息、狀態評估和維修決策三者之間是關聯的。狀態評估知識基于基本信息知識，其設備故障診斷知識又為維修決策作準備;維修決策的確定，要參考狀態評估的各項指標。所以維護知識間相互聯系，相互依賴，這也是維護決策問題復雜性在維護知識構成上的反映。

c)可擴展性。設備診斷經驗、維修經驗等經驗知識和因果知識是維護領域知識的主導[6]，而經驗的累積決定了維護領域知識可擴展性和開放性的特點。

d)不確定性。維護知識是有關信息關聯在一起形成的信息結構。信息與關聯是構成維護知識的兩大要素[7]。維護知識的復雜性造成某些信息的模糊化，經驗知識增加了信息的不確定性。

1.3 本體用于設備維護知識表示的適應性

維護知識的準確表示是實現維護的前提和基礎，選取合適的表達方法極其重要。常用的知識表示方法有一階謂詞邏輯、框架、產生式規則、語義網絡和面向對象等表示法[11~14]。這些知識表示方法均已應用于相關領域的知識表示中，但在設備維護知識領域，上述方法尚存在如表1所示的不適應性[15]，因此，難以直接運用于設備維護領域的知識表示。

表1 常用知識表示方法的局限性

采用方法局限性

一階謂詞邏輯表示法難以表示不確定知識和啟發性知識，推理方法在事實較多時易于出現組合爆炸，且推理過程冗長、效率低

框架表示法不善于表示過程性知識

產生式規則表示法難以表達具有結構性的知識;求解過程需反復進行，效率低;求解復雜問題時容易引起組合爆炸

語義網絡表示法由于自身的靈活性和非嚴格性，增加了知識處理的復雜性，且不能保證不存在二義性

面向對象表示法表示類之間的關系較少

本體的核心是在把握事物本質的基礎上，通過抽象事物類型及其關系約束的明確定義，實現復雜認知知識的規范化描述。采用本體表示維護知識能較好地克服上述局限性，其主要原因如下[10，16，17]:

a)本體通過類或概念明確地定義設備維護知識，其具有的公共詞匯和清晰化隱含術語的特點能夠滿足設備維護知識多樣性的要求;

b)本體具有的豐富概念間關系和各種約束，可定義設備維護知識之間多種多樣的關系及設備維護知識與其屬性間的關系，適宜于表示設備維護知識之間的關聯性;

c)本體具有良好的概念層次結構，并采用擴展的標記語言技術實現知識的表示，使其所表達的知識滿足維護知識可擴展性和開放性的特點;

d)本體具有對人類活動的假設或設想等隱含知識進行清晰化表示(而非僅僅解釋)的特點，使其能很好地清晰化不確定性知識。

此外，本體還是實現語義網的基礎，能夠為互聯網環境下知識的共享與重用提供技術使能，與互聯網環境下設備維護知識的表示要求相吻合，有助于實現在線化維護工作方式。

2 基于本體的設備維修經驗知識表示

雖然設備維護領域知識具有多樣性的特點，但不失一般性，本文只針對具有典型意義的設備維修經驗的表示進行研究，設計了維修經驗知識的本體表示方法，包括本體的定義、類及類層次的分析和劃分、類屬性的設置、約束的確定、本體的實例化和代碼化等。

2.1 維護案例本體的定義

以往的設備維修經驗對當前設備維修計劃的制訂和故障分析有重要的借鑒意義。設備維修信息主要包括生產計劃、維修指導與規范、工作與限制原則、安全說明、當前維護信息和設備維護經驗等。考慮設備維修經驗的擴展性、開放性與案例性的特點，本文將維修經驗知識抽象為維護案例本體。一個維護案例是一個具體問題求解的完整表達，是對具體問題以及問題相關的環境、狀態、資源和解決方案的描述。它主要包括以下幾類信息:

a)問題描述。故障發生時系統所表現的征兆，包括故障現象、故障發生的前提條件、故障原因、故障類型、特征屬性、故障設備和附件等。

b)解決方案。是對問題所采取的解決方法，包括需求、人力、工具資源、備注等。

c)反饋結果。是對解決方案的結果評價及反饋建議，包括評價、建議和補充說明等。

d)約束條件。描述問題產生的約束條件。

e)領域知識。是具體研究分析的領域，本文指維護設備領域。

根據以上分析，借鑒文獻[18]介紹的四元素法和六元素法，本文以五元素法表示維護案例本體 (maintenance caseontology， MCO)，MCO::=(Cm， Rm， Fm， Am， Im)。其中:Cm為維修經驗概念集;Rm為維修經驗關系集;Fm為維修經驗函數集;Am為維修經驗公理集;Im為維修經驗實例集。

Cm用來描述案例及相關知識。考慮到案例信息的綜合性和復雜性，將案例表示為不同任務、方法、反饋和領域知識組成的集合。Cm形式化為Cm:= {case， problem， solution， feedback， domainOntology}，分別表示案例、故障描述、解決方案、反饋結果和領域知識。

Rm= {(ro， rd)| ro為兩個概念間的關系，rd 為概念與數據類型之間的關系}。其中ro:={hasProblem， hasSolution， hasFeedback， hasPost， hasPre， hasPort， isPortOf}， rd:={caseNumber， createDate， evaluateValue， featureName， featureValue，…}。HasProblem描述了案例與故障描述之間的關系;hasSolution描述案例與解決方案之間的關系;hasFeedback描述解決方案與反饋結果之間的關系;hasPost與 hasPre分別為案例解決前所需的領域知識和解決后領域知識的集合;hasPort與 isPortOf描述的是部分與整體之間的關系;rd描述的分別是案例號、創建時間、評估值、特征名稱和特征值等。

Fm描述的是一種特殊的關系，是一個推理過程。Fm的形式化表述為Fm:={preFm，resFm}。其中:preFm是n個概念元素的集合;resFm是由這n個概念元素推理出的結果，如if (轉子一倍頻幅值較大 and 轉速不變 and 轉子振動幅值突然變化)then存在部件脫落故障。

Am= {a| a是MEO中關于Cs和Rs的約束}，是維修經驗概念模型的明確的形式化規范說明，如4 000 Hz以上的頻率分量增加100倍應檢修。

Im= {i| i代表每個元素}，表示特定的案例對象，如案例號為K5403080212的案例。

2.2 類及類的層次劃分

類(class)或概念(concept)在本體中是對象的集合，包括類及類之間的關系，是本體結構的基本組織單元。類具有繼承性，并以層次結構的形式組織，最高層的類代表著最抽象的實體概念，子類繼承其父類的抽象特性，代表比其父類更具體或范圍更小的實體概念。類之間的關系在概念化的過程中以概念的形式存在，包括數據類型屬性和對象屬性兩種關聯關系，有四種最基本的關系:part-of、kind-of、attribute-of和instance-of。

根據維護案例本體的定義，本文采用從上至下的方法開發維護案例本體，首先定義最普通的概念，然后對概念進行特征化，定義具體的概念作為普通概念的子類，如圖2所示。

2.3 類的屬性設置

定義了類及類的層次后，就可以采用屬性來說明類之間的內在結構及實例的專有特征。一個屬性是一個二元關系，表示類之間關系及類的取值。在定義維護案例本體的屬性時，需要考慮本體之間的依賴關系，如本體A的某屬性P與本體B相關聯，則在定義本體A的屬性P前，本體B應已定義。例如一個維護案例，在定義故障描述的相關屬性時，由于故障通常發生在特定部件或零件上，為了定義故障描述的屬性，必須首先定義設備類(領域本體)。根據維護案例本體的定義及概念，采用UML(unified modeling language，統一建模語言)描述設備維護案例本體的類圖如圖3所示。

2.4 約束的添加

要使表示的設備維修經驗知識規范化，還要對類的屬性及屬性值和類的關系及關系值進行約束，這些約束也就是公理。針對實際應用的需求，結合設備維護人員的經驗知識，本文將約束分為基本約束和專門約束。

基本約束是對維護案例本體基本類的屬性和關系的約束。例如:

a)一個案例只有一個問題描述;

b)一個案例至少有一個解決方案;

c)一個解決方案只有一個反饋意見。

專門約束是根據設備維護人員的經驗知識，針對某一專門案例的事實。例如:

a)振動值超出正常值一倍多，可能為轉子不對中;

b)一倍頻超出正常值一倍多，可能轉子不平衡。

2.5 維護案例本體的代碼化

定義了類、類的層次關系及類的屬性后，要想在實際系統中運用本體，還必須將構建的本體模型轉換成本體語言。OWL是W3C推薦的語義互聯網中本體描述語言的標準[12] ，具有豐富的語義定義機制、語義和邏輯關系表達能力。本文選用邏輯推理能力強的OWL子語言OWL DL(description logics，描述邏輯)形式化表示設備維護案例本體。HasProblem源文件片斷如下:

〈owl:ObjectProperty rdf:ID=\"hasProblem\"〉

//表示hasProblem是對象屬性

〈rdfs:domain rdf:resource=\"#Case\"/〉

//表示hasProblem的定義域為Case

〈rdfs:range rdf:resource=\"#Problem\"/〉

//表示hasProblem的值域為Problem

〈/owl:ObjectProperty〉

//表示定義的對象屬性結束

通過使用OWL結構(如minCardinality、maxCardinality和cardinality)可方便地描述約束。例如，一個案例只有一個問題描述通過cardinality賦1指定。

3 方法應用

基于上述理論和方法，本文以某石化企業的典型關鍵設備——K5403壓縮機維護知識為研究對象，構建了該設備的維護知識庫，并運用于企業大機組群監測系統維護支持模塊中，為設備維護工作的數字化管理提供支持。

知識庫的知識采用設備結構本體和維護案例本體規范化表示。其中，設備結構本體提供了壓縮機結構知識概念的描述;維護案例本體是維修經驗知識的本體表示，一個實例表示一個具體的案例，每一個案例包括案例號、故障原因、解決方案、反饋意見和領域知識。根據本文設計的本體構建方法，使用本體編輯工具Protégé 3.1.1及其插件，圖形化構建了維護案例本體。例如，一個案例只有一個問題描述及至少有一個解決方案，這些約束在Protégé中采用專門的模型構建，如min、max和exactly。結合Racer推理機檢驗構建本體的合理性，并實現從被斷言的陳述中推斷出新的事實(也即實現MCO中的Fm)。圖4是構建的設備結構本體。圖中包括設備實例、設備概念、概念屬性及其屬性值。左邊為壓縮機設備結構知識的樹型結構:第一層節點為各主要系統，包括驅動系統、電氣控制系統、冷卻系統等;最后葉子節點為具體零部件，包括電動機、風扇、轉子、彈性聯軸器。右邊為壓縮機實例K5403屬性及屬性值，屬性包括gas(工作氣體)、barometricPressure(大氣壓力)、coolantTemperature(冷卻溫度)、inletPressure(進口壓力)、inputSpeed(輸入轉速)、serialNo(系列號)等;屬性值分別為空氣、100.97、33、0.1、3000、CB-14649。將結構知識獨立出來采用設備結構本體表示，不同的系統采用不同的設備結構本體，從而提高了知識庫的柔性。

大機組群監測系統為狀態監測和設備維護人員提供了強大的監測、分析、診斷和維護決策支持功能，而知識庫則作為維護決策支持的基礎和支撐， 實現維護經驗知識的共享與重用，解決了維護經驗知識隨著維護人員流動而流失的難題。根據在線監測到的數據，維護人員輸入壓縮機設備信號的特征屬性及特征值，系統主動查詢知識庫中EMO的feature屬性，得到候選案例集，查找相匹配的案例集，再根據具體情況選擇性地查看最有可能發生故障的詳細信息，即根據案例號，搜索到該案例號的相關信息。根據詳細信息，維護人員可及時采取合適的維護措施。圖5是案例號為K5403080212的案例詳細信息。

4 結束語

鑒于設備維護對社會發展和企業經營的重要價值，其改進研究多年來一直是機械工程領域和管理工作領域的研究熱點，而設備維護知識的表示又是設備維護的前提與基礎。維護知識的表示不僅要明確、簡潔、可理解和可擴展，而且還要做到有利于維護知識的共享與重用。基于本體的設備維護知識表示方法是解決這一問題的有效途徑。通過對設備維護知識的構成與特點的分析，以維修經驗知識為例，設計了維修經驗知識的本體表示方法，完成了設備維護知識中維護經驗知識的準確表達，并成功應用于實際系統，為設備維護領域知識表示的研究提供了新的思路和方法。但是設備維護領域知識非常的龐大復雜，特別是維修經驗知識，設備維護領域本體的建立是一個長期的系統工程，其完善需要更多的維護領域專家的參與。本文研究正處于起步階段，如何提高本體構建的速度和效率并合理地對構建本體進行評價的方法和技術，以及設備維護領域本體集成過程中存在不同程度的重疊，影響本體在知識共享與重用等諸多工作，還需進一步深入研究與探討。

參考文獻:

[1]TAKATA S， KIMURA F， HOUTEN V， et al. Maintenance:changing role in life cycle management[J]. CIRP Annals Manufacturing Technology， 2004， 53(2): 643-655.

[2]GUERRA-ZUBIAGA D， YOUNG R. A manufacturing model to enable knowledge maintenance in decision support systems[J]. Journal of Manufacturing Systems， 2006， 25(2):122-136.

[3]KIKUTA Y ， TSUTAHARA K，KINAGA T， et al. The knowledge management system for the equipment maintenance technology[C]//Proc of International Symposium on Semiconductor Manufacturing. Santa Clara: IEEE Press， 2007:1-4.

[4]JACKSON C， PASCUAL R. Optimal maintenance service contract negotiation with aging equipment[J]. European Journal of Operational Research， 2008， 189(2):387-398.

[5]FELIX C， HIJES G D， CARTAGENA J J R. Maintenance strategy based on a multicriterion classification of equipments[J]. Reliability Engineering System Safety， 2006， 91(4):444-451.

[6]王道平，馬少平. 故障診斷系統中深淺知識集成表示方法的研究[J]. 小型微型計算機系統， 2001，22(9):1025-1028.

[7]劉群. 設備維修資源計劃系統的研究與實現[D]. 武漢:華中科技大學軟件工程系， 2005.

[8]侯文瑞. 預防性設備維護策略及維修知識描述的研究與應用[D]. 上海:上海交通大學管理科學與工程系， 2005.

[9]GRUBER T. Towards principles for the design of ontologies used for knowledge sharing[J]. International Journal of Human-Computer Studies， 1995， 43(5-6):907-928.

[10]馮志勇，李文杰，李曉紅，等. 本體論工程及其應用[M]. 北京:清華大學出版社， 2007:2-3.

[11]MARINOV M. Using frames for knowledge representation in a CORBA-based distributed environment[J]. Knowledge-Based Systems， 2008， 21(5):391-397.

[12]SORENSON D， GRISSOM C K， CARPENTER L， et al. A frame-based representation for a bedside ventilator weaning protocol[J]. Journal of Biomedical Informatics， 2008， 41(3):461-468.

[13]XU W L， KUHNERT L， FOSTER K， et al. Object-oriented know-ledge representation and discovery of human chewing behaviors[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence， 2007， 20(7):1000-1012.

[14]KHALIFA M， LIU V. Semantic network representation of computer-mediated discussions: conceptual facilitation form and knowledge acquisition[J]. Omega， 2008， 36(2):252-266.

[15]年志剛，梁式，麻芳蘭，等. 知識表示方法研究與應用[J]. 計算機應用研究， 2007，24(5):234-236.

[16]DEVEDZIC V. Understanding ontological engineering[J]. Communications of the ACM， 2002， 45(4):136-144.

[17]DORAN P， TAMMA V， LANNONE L. Ontology module extraction for ontology reuse: an ontology engineering perspective[C]//Proc of ACM CIKM International Conference on Information and Knowledge Management. New York: ACM Press， 2007:61-70.

[18]MYO N， EEPENG L， LIAN D G H. Ontology-based Web annotation framework for hyperlink structures[C]//Proc of the 3rd International Conference on Web Information Systems Engineering. Singapore:IEEE Press， 2002:184-193.