航空武器裝備智能化IETM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董建剛 ， 張 峰 ，2

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化控制學(xué)院，陜西 西安 710065）

技術(shù)資料作為武器裝備綜合技術(shù)保障的十項(xiàng)要素之一，不僅是武器裝備設(shè)計(jì)、使用、保養(yǎng)、維修和人員培訓(xùn)的依據(jù)，而且是規(guī)范使用和維護(hù)人員操作行為的法規(guī)[1]。為解決傳統(tǒng)紙質(zhì)技術(shù)手冊的不足和降低武器裝備全壽命周期費(fèi)用，交互式電子化技術(shù)手冊 （Interactive Electronic Technical Manua1，IETM）于20世紀(jì)90年代應(yīng)運(yùn)而生，其主要目的是采用標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式和自動化編制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)資料的數(shù)字化和自動化的編制、更改、管理、發(fā)布和使用。由于具有功能多樣化、表現(xiàn)能力強(qiáng)、查詢方便、版本更新容易、能即時遠(yuǎn)距離傳輸、多用戶能同時閱讀或維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，IETM現(xiàn)已成為武器裝備持續(xù)采辦和全生命周期支持（Continuous Acquisition and Life-Cycle Support，CALS）戰(zhàn)略的重要組成部分[2]，同時它也是當(dāng)今航空武器裝備領(lǐng)域裝備保障信息化技術(shù)研究和發(fā)展方向之一。國內(nèi)外實(shí)踐證明，IETM在降低裝備保障費(fèi)用，提高工作效率，提升裝備的可靠性、維修性和保障性等方面具有顯著優(yōu)勢[3]。

但隨著武器裝備復(fù)雜程度的迅速提升和技術(shù)資料數(shù)量的急劇膨脹，現(xiàn)今廣泛使用的第4級IETM系統(tǒng)已無法滿足使用者多樣性檢索的需求[4]。而且，目前大型企業(yè)選購的IETM系統(tǒng)絕大多數(shù)都是外國品牌，在版權(quán)和安全性方面均得不到保障。因此，構(gòu)建一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能化特征的第五級IETM系統(tǒng)已成為眾多中國學(xué)者和專家不懈努力的研究方向，其主要目的是可實(shí)現(xiàn)語義級別的信息檢索，解決目前IETM系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵字信息檢索方式由于語義缺失而造成的漏檢、錯檢與輸出冗余等問題，從而提高信息檢索的查全率和查準(zhǔn)率。

而近年來研究出現(xiàn)的本體作為一種有效的形式語義模型和知識表示形式[5]，能方便有效地實(shí)現(xiàn)知識在不同應(yīng)用程序和組織之間的共享和重利用，這為實(shí)現(xiàn)智能化IETM系統(tǒng)提供了一種新的解決思路：首先可以利用本體從領(lǐng)域的角度去明確描述技術(shù)資料之間各種顯式和隱式的關(guān)系；然后可以利用本體語言和規(guī)則進(jìn)行推理，完成技術(shù)資料之間和技術(shù)資料與使用者之間的智能化匹配，使得相同的領(lǐng)域知識對于不同的檢索具有選擇性，從而實(shí)現(xiàn)語義級別的信息檢索。

因此，文中將本體論引入到IETM研究領(lǐng)域，深入開展基于本體論的航空武器裝備智能化IETM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，結(jié)合某型號構(gòu)建智能化IETM原型系統(tǒng)，期望該研究能大幅提高第四級IETM的智能識別能力、檢索質(zhì)量和檢索效率，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的IETM系統(tǒng)，加快我國航空數(shù)字化維修進(jìn)程，提高我國在新形勢條件下的綜合后勤維修保障水平。

1 IETM總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 智能化IETM系統(tǒng)的總體框架

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可伸縮性和靈活性，本課題設(shè)計(jì)的智能化IETM系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、管理層與應(yīng)用層構(gòu)成，其總體框架如圖1所示。各層之間相對獨(dú)立、耦合性較弱，既可單獨(dú)更新各模塊，又能充分使用現(xiàn)有軟件產(chǎn)品，這充分體現(xiàn)了CALS和IETM的國際發(fā)展趨勢[6]。

圖1 基于本體論的智能化IETM系統(tǒng)總體框架Fig.1 Ontology-based intelligent IETM system frameworks

在圖1中，各分層結(jié)構(gòu)功能為：

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層的核心是由領(lǐng)域本體庫和CSDB所構(gòu)成的知識庫。其中，CSDB實(shí)現(xiàn)對其應(yīng)用產(chǎn)品所有信息對象的集中存儲；領(lǐng)域本體庫用于組織其應(yīng)用領(lǐng)域的概念與概念之間的關(guān)系。領(lǐng)域本體庫和CSDB之間通過一定的映射實(shí)現(xiàn)IETM數(shù)據(jù)的語義關(guān)聯(lián)。

管理層：管理層主要負(fù)責(zé)連接應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層，由CSDB管理器和Protégé構(gòu)成。其中，CSDB管理器負(fù)責(zé)檢查、驗(yàn)證應(yīng)用層生成的信息對象是否合法并將其存儲到CSDB中進(jìn)行管理；Protégé負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域本體知識的添加、修改和刪除等基本操作。

應(yīng)用層：應(yīng)用層主要由各種不同功能的具體應(yīng)用程序組成，負(fù)責(zé)構(gòu)建領(lǐng)域本體、生成數(shù)據(jù)模塊和插圖等各種信息對象，它可以采用通用軟件、專用軟件或與其它系統(tǒng)的接口工具實(shí)現(xiàn)。

1.2 智能化IETM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程

基于S1000D標(biāo)準(zhǔn)，制作智能化IETM系統(tǒng)的完整過程包括：制作業(yè)務(wù)規(guī)則、確定技術(shù)信息粒度、制定數(shù)據(jù)模塊需求列表、編寫數(shù)據(jù)模塊、制作插圖等、構(gòu)建本體、管理CSDB、管理本體庫、發(fā)布技術(shù)信息、智能語義推理等過程，從整體上可大致分為技術(shù)信息的編制、管理和發(fā)布3個階段。基于以上分析，文中提出從技術(shù)信息收集開始到信息分發(fā)為止的智能化IETM系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

下面將從技術(shù)信息收集、IETM應(yīng)用知識處理和IETM領(lǐng)域知識處理3方面詳細(xì)分析智能化IETM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 智能化IETM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程Fig.2 Intelligent IETM system of business processes

技術(shù)信息收集：智能IETM系統(tǒng)中所包含的信息來源于維護(hù)方案手冊MSG-3、維護(hù)計(jì)劃文件手冊MPD、維護(hù)要求評估手冊MRB、維護(hù)要求系統(tǒng)手冊MRS、飛機(jī)維護(hù)手冊AMM、部件修理手冊CMM、結(jié)構(gòu)維修手冊SRM、動力裝置安裝手冊PPBM、發(fā)動機(jī)手冊EM、故障報(bào)告與隔離手冊FIM、工卡JC、無損檢測手冊NDT、技術(shù)通報(bào)SB、系統(tǒng)描述部分SDS、放行偏差指南DDG、最低設(shè)備清單MEL、維護(hù)工作執(zhí)行計(jì)劃MTOP、飛機(jī)圖解零件。

目錄手冊AIPC、發(fā)動機(jī)圖解零件目錄手冊EIPC、發(fā)動機(jī)零部件構(gòu)型管理EPCM、工具與設(shè)備清單TEM、線路手冊WM、系統(tǒng)原理手冊SSM、圖解線路手冊WDM、設(shè)計(jì)說明書和工程圖紙等，這些信息可以取自電子文檔、紙質(zhì)文檔、工程圖紙和PDM等。

IETM應(yīng)用知識處理：IETM應(yīng)用知識處理具體包括編制、管理、發(fā)布和閱讀4部分。

1）編制

IETM應(yīng)用知識不是普通的計(jì)算機(jī)文件或多媒體數(shù)據(jù)庫，而是把一整套文檔或手冊的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分開處理。其結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)部分可以被分成許多信息單元，用XML形式描述，并按特定的DTD或Schema結(jié)構(gòu)存儲在CSDB的DM中；其非結(jié)構(gòu)化部分是以CGM等S1000D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的插圖格式存儲在單獨(dú)文件夾中。因此，首先就需要將收集到的技術(shù)信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)編制。

2）管理

所有數(shù)據(jù)模塊、技術(shù)插圖、音頻/視頻等多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息對象均被存儲在CSDB之中，以便于IETM應(yīng)用知識的檢索和重用等管理功能。

3）發(fā)布

CSDB中所包含的所有數(shù)據(jù)模塊均以XML格式出現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)模塊可以使用級聯(lián)樣式表（CSS）或可擴(kuò)展樣式表語言（XSL）格式化XML數(shù)據(jù)后顯示給用戶使用。

4）閱讀

使用者可以使用以下2種方式進(jìn)行閱讀：①以Word版本或Pdf版本采用面向頁面的翻頁方式進(jìn)行閱讀；②采用Web方式進(jìn)行閱讀。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 智能化IETM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原則

智能化IETM系統(tǒng)需要滿足以下設(shè)計(jì)原則：

1）支持國際標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范：軟件系統(tǒng)平臺支持XML數(shù)據(jù)處理要求，應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理與輸出符合S1000D規(guī)范要求。

2）開放性：系統(tǒng)應(yīng)采用主流的、開放的技術(shù)，以保證系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)，以及與相關(guān)系統(tǒng)的互連能力。

3）易用性：應(yīng)具有良好的中文操作界面、詳細(xì)的幫助信息，系統(tǒng)參數(shù)的維護(hù)與管理通過操作界面完成。

2.2 智能化IETM系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)

智能化IETM系統(tǒng)的物理架構(gòu)如圖3所示，它是以數(shù)據(jù)管理服務(wù)為中心的集中管理物理架構(gòu)，并可根據(jù)使用規(guī)模和處理效率擴(kuò)展為分布式系統(tǒng)。

若采用分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心和分中心之間需要一個分布式數(shù)據(jù)管理軟件來同步數(shù)據(jù)，保持兩個數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的一致性。各分單位需要將其局域網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)中心，應(yīng)根據(jù)各單位的具體情況配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

2.3 智能化IETM系統(tǒng)的功能模塊

根據(jù)根據(jù)上述總體架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，可把智能化IETM系統(tǒng)的主要分為數(shù)據(jù)編制、內(nèi)容管理、信息檢索、生成發(fā)布4大部分，其功能模塊如圖3所示。

圖3 智能化IETM系統(tǒng)的物理架構(gòu)Fig.3 Intelligent IETM system function modules

數(shù)據(jù)編制：根據(jù)S1000D標(biāo)準(zhǔn)，所有的手冊數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)模塊的方式編制的，對于不同的手冊，只需要采取不同的組合方式即可。采用XML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行用戶資料的編制工作，首要工作就是整理各個數(shù)據(jù)模塊的DTD或者Schema，編寫人員根據(jù)數(shù)據(jù)模塊編寫適當(dāng)?shù)募夹g(shù)內(nèi)容，根據(jù)手冊內(nèi)容的數(shù)據(jù)類型的不同，編制工作可分為文件編制和圖形編制兩部分工作。

內(nèi)容管理：內(nèi)容管理包含知識庫管理和文檔管理平臺兩大部分，如圖4所示。

1）知識庫管理

知識庫管理包括數(shù)據(jù)庫和本體庫管理的兩部分。在本文智能化IETM系統(tǒng)中，采用MS SQL Server2005數(shù)據(jù)庫來存放和管理IETM數(shù)據(jù)模塊的XML數(shù)據(jù)，所有的SGML/XML文檔和圖形文檔，均映射為MS SQL Server2005數(shù)據(jù)庫中一個個獨(dú)立的數(shù)據(jù)對象，這些文檔通過MS SQL Server2005數(shù)據(jù)庫來管理和調(diào)用；對于本體庫管理可以利用本體庫的構(gòu)建工具Protégé實(shí)現(xiàn)本體庫的修改、添加、刪除等基本管理方式。

2）文檔平臺管理

整個用戶技術(shù)資料的數(shù)字化編制過程可以通過一個在后臺運(yùn)行的文檔管理平臺來管理。這樣的一個管理平臺可以將數(shù)據(jù)庫、編輯器有機(jī)地連接起來，具有系統(tǒng)管理、有效性管理、發(fā)布管理、工作流管理、更改管理等功能模塊，具體包括：

圖4 智能化IETM內(nèi)容管理器Fig.4 Intelligent IETM content manager

3 結(jié) 論

航空武器裝備交互式電子化技術(shù)手冊（IETM）檢索系統(tǒng)長期存在漏檢、錯檢和輸出冗余信息的問題，核心在于規(guī)則化的計(jì)算機(jī)語言無法直接表達(dá)人類自然語言中的模糊性和不確定性。依照IETM國際規(guī)范，以本體“定義詞匯表外延”的思想，探索我國某重點(diǎn)型號IETM本體的構(gòu)建方法和語言，建立本體模型，并實(shí)現(xiàn)以該模型為核心的本體檢索原型系統(tǒng)。通過模型中的推理機(jī)制提高語義識別的能力，提升信息檢索的質(zhì)量和效率，支持航空產(chǎn)品的研發(fā)和維修的快速反應(yīng)能力。

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