基于案例的推理在導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)中的應(yīng)用

董傳恒，馬俊勇，于鴻峰

（海軍青島航保修理廠 山東 青島 266071）

基于案例的推理在導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)中的應(yīng)用

董傳恒，馬俊勇，于鴻峰

（海軍青島航保修理廠 山東 青島 266071）

在分析了基于案例推理的基本原理基礎(chǔ)上，結(jié)合導(dǎo)航裝備故障維修的實際情況，提出了基于案例推理的導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)的總體框架設(shè)計和案例推理運行流程。研究和開發(fā)實用、可靠、高效的導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)，對于導(dǎo)航裝備的維修和保障具有重要意義。

基于案例推理；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；故障案例庫；相似度計算

隨著高精度、全天候?qū)Ш皆O(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用，導(dǎo)航裝備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、設(shè)備型號多樣、技術(shù)狀態(tài)差異很大，給維修和保障人員帶來了更高的要求和難度[1]。雖然網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)發(fā)展迅速和電子化技術(shù)手冊的出現(xiàn)，使維修人員從大量的紙質(zhì)材料中解放了出來，減輕了維修保障的工作量，但是，面對如此廣泛的電子化信息數(shù)據(jù)，如何迅速提出有用的信息供導(dǎo)航裝備維修、保障人員使用和參考，是導(dǎo)航裝備信息化發(fā)展的又一難題[2]。研究和開發(fā)實用、可靠、高效的導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)，對于導(dǎo)航裝備的維修和保障具有重要意義。

文中通過基于案例的推理原理，結(jié)合導(dǎo)航裝備故障維修的實際情況，設(shè)計了一個有效、實用的導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)，并將漢明距離相似度計算方法運用到案例檢索過程中，高效、快速的得到與求解問題相似的解決方案。

1 案例推理的基本原理

基于案例的推理是一種利用已有經(jīng)驗中的特定知識和具體的問題狀態(tài)（案例）來解決問題的范例，它通過尋找已有的相似的案例來解決新問題，并在新問題所在的狀態(tài)下重用它的解決方案[3]。基于案例推理是一個解決問題和經(jīng)驗學(xué)習(xí)的循環(huán)、整合過程。其基本原理如圖1所示，當一個新的待解決的問題提出后，可以把它抽象的當作一個新案例，并對其進行簡要分析，抽取相關(guān)問題描述，通過案例檢索和匹配方法從案例庫中找出一個和新案例最相近的舊案例，重用其解決方案并將其作為新問題的建議解決方案，如果對給出的建議方案有什么不滿意，可進行修改，修改后的案例成為一個新學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗案例被存到案例庫中，如果下一次碰到類似的問題就可以以此作為參考。這個原理非常相似于人們?nèi)粘＝鉀Q問題的方法，當碰到一個不熟悉的新問題時，通常會查詢以往的成功經(jīng)驗，并以之為參考作出新的解決方案，如果方案成功，則這次經(jīng)驗被作為成功經(jīng)驗記下來，這就是一個不斷學(xué)習(xí)的過程。

圖1 CBR基本原理Fig.1 Basic principles of CBR

2 案例庫系統(tǒng)總體框架和流程分析

2.1 系統(tǒng)總體框架

案例推理的有效性和質(zhì)量很大程度上取決于案例庫的規(guī)模大小和所存儲的案例質(zhì)量以及對案例庫的構(gòu)造、案例知識的表示方法和檢索機制的確定[4]。為了充分發(fā)揮案例推理機制，案例庫系統(tǒng)的總體框架如圖2所示，它包括案例庫管理、案例檢索和系統(tǒng)管理3個大模塊。

圖2 系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of system

1）案例庫管理

案例庫管理的主要任務(wù)是完成對案例的表示、案例庫的組織以及案例的增加、修改和刪除等常規(guī)性維護工作，它是保證案例推理成功的基本條件。在建庫之前，所收集到的是大量雜亂無章的源案例信息，這樣的案例是不能直接建庫的，而必須先對其進行分類和整理，按照案例的故障類型進行分庫管理。根據(jù)導(dǎo)航裝備修理的情況，將系統(tǒng)的案例庫又劃分為等級修理案例庫、臨搶修案例庫、船上維修案例庫、修理廠專家案例庫和生產(chǎn)廠家專家案例庫。這種分庫管理的案例表示形式，在進行案例檢索時可以根據(jù)需要進行選定庫的檢索，而無需從龐大的總庫中檢索，這在一定程度上提高了案例檢索的速度。

2）案例檢索

利用案例推理實現(xiàn)案例庫系統(tǒng)的核心的環(huán)節(jié)就是案例檢索的實現(xiàn)。在進行案例檢索和匹配時，通過對檢索要素與案例庫中案例進行相似度的計算，獲取有效的相似案例。通過對裝備型號、裝備名稱、故障現(xiàn)象等檢索要素對故障案例進行檢索，系統(tǒng)既可以選擇對單一庫進行檢索，也可以對多個及全部的庫進行檢索。

3）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊是系統(tǒng)根據(jù)不同層次用戶對系統(tǒng)進行維護、權(quán)限審批、角色選擇、數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出等操作，為系統(tǒng)的正常運行提供安全、有效的保障

2.2 基于案例推理的系統(tǒng)運行流程分析

案例庫系統(tǒng)首先要進行裝備故障案例相關(guān)知識庫的錄入。只有豐富的案例庫資源，才能更加合理的發(fā)揮案例推理機制，從大量的案例中，找出用戶需要的維修方案和建議。整個系統(tǒng)的運行流程如圖3所示，案例推理時，輸入故障的相關(guān)描述，并抽取其相關(guān)故障特征屬性為案例檢索提供檢索要素。系統(tǒng)通過相似度計算從案例庫中匹配出符合設(shè)定值的相似案例，不符合相似度的案例將被系統(tǒng)過濾，從而使檢索出來的案例與新案例的相似度高。符合相似度設(shè)定值的案例將作為建議維修方案提供給用戶參考。通過在實際中實施維修的結(jié)果，對維修方案進行評定，如果維修方案令人滿意，則該次運行流程結(jié)束，說明新案例的故障情況在案例庫中已經(jīng)存在，并且解決方案的評定為滿意；如果評定結(jié)果不滿意，說明解決方案存在不足，需要進行整改和修訂，并將整改后的案例保存到系統(tǒng)案例庫中，這個過程即案例的學(xué)習(xí)過程。

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 Processes of system

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 案例表示

案例表示是對故障案例的一種描述，即用一些約定的符號把實際案例編碼成一組計算機可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同一個案例可以有不同的表示形式，而不同的表示形式產(chǎn)生的效果又可能不一樣。合理的案例表示，可以使問題求解變得更加容易、高效；反之，則會導(dǎo)致問題求解更麻煩和低效[5]。案例的表示與案例檢索時文本相似度的計算方法也有一定的關(guān)聯(lián)。由于案例檢索時采用基于漢明距離的方法去計算案例的相似度[6]，所以在案例表示時采用對應(yīng)的碼字表示法，即將案例描述中關(guān)鍵詞等重要文本用一個n位序列的碼字表示，文本信息就與碼字建立了一一對應(yīng)的關(guān)系。比如文本a，它可以表示為（10001101111…011），在這里0或1分別表示相應(yīng)的文本信息狀態(tài)，0表示文本在這個分量位置上的信息是沒有的，1表示文本在這一分量位置上有信息。查詢時通過碼字的方法去檢索，通過計算碼字之間的距離來表征相似度的值。

3.2 案例的檢索

案例的檢索與匹配是實現(xiàn)案例推理的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)的核心部分，其主要目的是根據(jù)對新案例的描述從案例庫中檢索出最相似案例作為新問題的求解方案。基于案例推理的檢索要達到以下兩個目標：檢索出來的案例要盡可能的少；檢索出來的案例要盡可能與當前案例相關(guān)或相似。本系統(tǒng)采用基于漢明距離的文本相似度計算來衡量兩個案例的匹配程度。具體方法[6]如下：

其中，a=（a1a2…ak…an），b=（b1b2…bk…bn）表示兩個長度為n 碼字的文本，⊕表示模 2 加運算，ak、bk∈{0，1}，d（a，b）表示a，b兩碼字在相同位置上不同碼符號的數(shù)量的總和，它能夠反映兩碼字之間的差異，進而提供碼字之間的相似程度。d（a，b）值在0到n之間，碼字距離越小，相似程度就越大，當值為0時表示碼字完全相同，當值為n時表示檢索時碼字完全相同。為了更直觀的表示相似程度，將碼字距離d（a，b）進行歸一化處理，進而得到相似度的計算公式[6]：

例如：用碼長為8位來表示文本時，文本a=（10011001），文本 b=（10010110），代入到公式（2）中計算可得 s（a，b）=1-0.2=0.8，這說明相似程度為0.8。在系統(tǒng)的檢索匹配時給相似度加一預(yù)設(shè)值，相似度值低于預(yù)設(shè)值的檢索結(jié)果將被系統(tǒng)過濾。比如將預(yù)設(shè)值定為0.5，那么相似度低于0.5的案例結(jié)果不會被檢索出來，這樣就達到了檢索結(jié)果少而相似度高的目標。

4 結(jié) 論

文中主要分析了基于案例推理的基本原理，并在此基礎(chǔ)上提出了對導(dǎo)航裝備故障案例庫系統(tǒng)總體框架的設(shè)計思路，分析了系統(tǒng)案例推理運行流程，對裝備案例庫系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。基于案例的推理在人工智能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，其具體表示方法也多種多樣，如何更深層次的挖掘案例推理過程中的案例表示方法和案例檢索技術(shù)，并將其運用到裝備故障案例庫系統(tǒng)的建設(shè)中，是我們下一步研究需要探討的一個重要問題。

[1]何海龍，王青海，徐航.裝備保障中的軟件保障探討[J].電子對抗，2000，86（5）：39-42.

HE Hai-long，WANG Qing-hai，XU Hang.Analysis on the software support of equipment support[J].Electronic Warfare，2000，86（5）：39-42.

[2]亓洪標，李安，胡柏青.基于Web的導(dǎo)航設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)研究[C].船舶通訊導(dǎo)航學(xué)術(shù)會議論文集，2006.

[3]李曉輝，劉妍秀.基于實例推理機制綜述[J].長春大學(xué)學(xué)報，2006，16（4）：68-70.

LI Xiao-hui，LIU Yan-xiu.A survey of case-based reasoning（CBR） mechanism [J].Journal of Changchun University，2006，16（4）：68-70.

[4]周凱波，左保河，馮珊.基于案例推理的信息系統(tǒng)構(gòu)建方法研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報，2000，28（9）：13-15.

ZHOU Kai-bo，ZUO Bao-he，F(xiàn)ENG Shan.Case based reasoning used in information system[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology，2000，28（9）：13-15.

[5]湯文宇，李玲娟.CBR方法中的案例表示和案例庫的構(gòu)造[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2006，11（5）：75-78.

TANG Wen-yu，LI Ling-juan.The representing of case and construction of case base by CBR method[J].Journal of Xi’an University of Post and Telecommunications，2006，11（5）：75-78.

[6]張煥炯，王國勝，鐘義信.基于漢明距離的文本相似度計算[J].計算機工程與應(yīng)用，2001（19）:21-22.

ZHANG Huan-jiong，WANG Guo-sheng，ZHONG Yi-xin.Text similarity computing based on hamming distance[J].Computer Engineering and Applications，2001（19）:21-22.

CBR method used in navigation equipment fault case-base system

DONG Chuan-heng， MA Jun-yong， YU Hong-feng
（Naval Navigation Guaranteed Repair Factory， Qingdao 266071， China）

After analysis of Case-Based Reasoning and combines the fact of Navigation Equipment Fault，the framework design and operation process of Navigation Equipment Fault Case-base System was put forward based on Case-Based Reasoning.It is of great significance to study and develop a navigation equipment fault case-base system which is practical reliable and efficient for navigation equipment maintenance and support.

Case-Based Reasoning；database system；fault case-base；similarity calculate

TN966.4

A

1674－6236（2013）05-0191-03

2012-10-27稿件編號201210178

董傳恒（1984—），男，山西祁縣人，碩士，助理工程師。研究方向：裝備維修。