基于知識地圖的復雜產品虛擬維護訓練方法

楊延璞 余隋懷 陳登凱 馮 青

西北工業大學，西安，710072

0 引言

復雜產品是指結構復雜、技術難點多、知識集成度高、涉及學科廣的產品［1-2］，如飛機、汽車、輪船等。復雜產品具有多系統化、多功能化的特性，故障維護要求維護人員掌握各部分的工作原理、機械結構、操作方法等知識。隨著各行業信息化的速度日益加快，計算機輔助復雜產品的快速維護問題也逐漸成為研究熱點［3-6］。當前針對復雜產品的計算機輔助維護訓練方式主要有基于維護電子教程的計算機輔助訓練（CBT）、半實物與數字仿真相結合的模擬訓練系統、虛擬式模擬訓練系統和基于虛擬現實技術的模擬訓練系統［7-12］4種。但這4種方式均是從顯性故障的角度或在產品結構樹的基礎上對維護人員進行訓練，對于一些隱性的故障和經驗性的排障，這些方法并不適用。

從結構上來看，復雜產品包含整機、部件和零件，是多種知識的整合和集成優化，這要求維護過程中維護人員具有專業性知識。為提高復雜產品的維護效率和準確性，解決維護訓練的復雜性，有必要將維護知識以統一語義描述并通俗地呈現給維護人員，圍繞復雜產品的維護知識進行可視化管理，將有助于維護人員克服信息過載的障礙［13］，快速獲得知識。知識地圖作為知識管理的一種形式，能夠將知識顯性化、組織化、可存取化和便捷化［14］，是面向知識應用層的知識存儲模型［15］，可為用戶提供獲取知識的導向和知識之間的聯系，常用于指導學習［16］、知識管理［17］、知識挖掘［18］等領域。

本研究在分析維護知識類別、表現形式與獲取過程的基礎上，利用維護知識信息元對維護知識進行表示，并作為知識節點形成知識地圖，形象地描述復雜產品虛擬維護訓練知識的構成、關系和位置，方便維護人員快速學習和尋找。將知識地圖技術和多媒體課程、虛擬裝配訓練相結合，通過多方位的維護訓練實現對復雜產品故障的有效識別和排除，有助于提高維護訓練的科學性、高效性和經濟性。

1 復雜產品維護的知識管理

復雜產品具有高度分布性與可重構性［19］，對知識的依賴度高，其維護過程涉及跨組織的協作、溝通和知識共享。復雜產品中的知識不是孤立存在的，不同零件、部件、整機之間的關系對維護的順利進行起著重要作用。從維護過程來看，復雜產品的維護過程可根據功能和結構分解為相互獨立又相互關聯的維護子任務。每個子任務又可以繼續分解直至零件級，從而形成維護任務樹。復雜產品的維護活動即是對子任務進行監測、診斷和維修的過程。對于維護子任務的執行解決通常有較明確的方法和步驟，從而使復雜任務的維護難度降低。

1.1 維護知識的分類與獲取

復雜產品的維護過程不同于其設計過程，部分可預見性故障可預設維護方法解決，不可預見性故障則需要維護人員根據經驗判定。因此，可將復雜產品的故障分為可預見性故障和不可預見性故障。

（1）可預見性故障。結合前期設計和多次實驗設想故障模式，針對各種故障模式預先設計相應的維護方法，多為保障使用人員的人身安全和設備的順利運行。此類故障的維護知識常存在于設計及維護手冊中，以技術文件的形式出現。

（2）不可預見性故障。多由過載、誤操作、內外部環境條件的劇烈改變等突發性、偶發性因素引起，包括顯性故障和隱性故障。此類故障常無法預知，需要維護人員根據故障的實際情況做出反應，同時需要維護人員具備相當的經驗知識來發現隱性故障。

針對復雜產品的故障形式，可將故障維護知識分為顯性知識和隱性知識。顯性知識指可以明確表達的知識，對于此類知識用戶可以快速獲取和學習，如文本、圖片、視頻、音頻、維護手冊、技術文件等；隱性知識則指各種無形因素的知識，例如某一部件的故障可能同時引發其他部件的故障，此類知識需要長期的維護經驗積累或通過與專家交流獲取，主要包括專家知識、經驗與技巧等。

根據維護知識的表現形式，可將其分為3種類型：數據型、過程型與模型型，如圖1所示。

顯性維護知識的獲取可采用以下3種形式：①使用說明書、技術文件、維護手冊等的有效管理和編輯；②對維護過程實時的記錄，以圖像、視頻、音頻、過程記錄、技巧說明等方式獲取；③構建虛擬維護系統，以交互三維模型獲取維護知識和維護流程。

圖1 維護知識的類型

隱性知識的獲取方式包括：與專家的溝通交流；其他維護人員的經驗總結；與項目團隊的知識共享；啟發性的知識挖掘等。

復雜產品維護知識的分類與獲取過程可用圖2表示。

圖2 復雜產品維護知識的分類與獲取過程

1.2 維護知識的表征

復雜產品維護任務執行的過程，既是產生維護知識的過程，也是應用維護知識的過程。規范準確合理地表示維護知識有助于對知識進行有效管理，方便維護人員快速檢索與調用，能夠為維護人員快速準確解決故障問題提供有力支持。參考功能需求信息元［20］的表示方法，本文采用維護知識信息元（maintenance knowledge information cell，MKIC）來系統化、規范化、形式化描述維護知識，旨在提高知識所表達信息的良好交互性、知識性、集成性和可重用性等。圖3描述了維護知識信息元的組成結構。

維護知識信息元由標識集、操作集、接口集和信息集組成，各部分具體表示內容如下：

（1）標識集包含了維護知識的基本信息，包括知識的編號、類別、描述、創建時間、創建者等。

（2）操作集封裝了對 MKIC的內部基本操作，如對標識集的操作與編碼、對接口集的定義、對信息集的描述等。O＝｛o1，o2，…，on｝表示了MKIC的操作集合，且on可表示為一個三元組（o＿name，o＿parameter，return＿value），分別代表了操作的名稱、參數和返回值。

圖3 維護知識信息元的組成結構

（3）接口集表示MKIC之間的信息接口，I＝｛i1，i2，…，in｝表示接口量集合。in可表示為一個四元組（i＿id，i＿name，i＿role，i＿information），分別表示了接口的特征標識、名稱、所傳達的功能、接口的信息集合。

（4）信息集表示MKIC所包含知識的信息集合，包括特征集、關聯集、任務集和狀態集。

特征集描述了維護知識的特征屬性，包括維護知識的功能信息、技術屬性等。P＝｛p1，p2，…，pn｝表示MKIC的信息特征集合，pn可表示為一個四元組（p＿id，p＿name，p＿type，p＿value），分別表示特征標識、名稱、類型和值，值可以是精確數據、定性描述或取值范圍。

關聯集描述了MKIC的指向性、關聯規則及不同 MKIC之間的關聯關系。A＝｛a1，a2，…，an｝表示關聯集合，an可定義為一個五元組（a＿id，a＿direction，a＿property，a＿operation，a＿restriction），分別代表了關聯的標識、方向性、屬性、對關聯屬性操作的方法和關聯規則與約束。

任務集表示信息可參與執行的任務序列。T＝｛t1，t2，…，tn｝表示任務集合，tn可定義為一個四元組（t＿id，t＿name，t＿property，t＿operation），分別表示任務向量的標識、可參與執行的任務名稱、任務的屬性和對任務集本身的操作方法。

狀態集表示MKIC參與維護過程的結果評估，描述了信息的有用性，以重要度、實現進程狀態和任務完成度形式出現。S＝｛s1，s2，…，sn｝表示狀態集合，sn可定義為一個五元組（s＿id，s＿importance，s＿progress，s＿successrate，s＿operation），分別代表了狀態標識、重要度、進程狀態、任務完成度和對狀態本身的操作方法。

復雜產品維護的數據型、過程型和模型型數據均可以用維護知識信息元表征。篇幅所限，以飛機維護過程的監測數據為例應用維護知識信息元對知識進行表征，如圖4所示。

圖4 飛機維護知識信息元表征示例

1.3 復雜產品維護知識地圖的構建

由于復雜產品的系統較為復雜，難以單純利用結構分解的方法對故障節點進行診斷，同時故障的產生具有隨機性，故障子節點之間具有關聯性，因此大量的與故障維護相關的信息存在于不同的模型、數據庫、媒介及人員當中。傳統的知識管理方法難以描述數據之間的關系，缺乏對數據存儲位置的指向性，且較難對隱性的知識進行有效管理。由于知識地圖具有知識導航、揭示隱性知識、揭示知識之間的關系和產生新知識的功能［21］，因此本文引入知識地圖的方法來對維護知識進行有效管理。

復雜產品的維護知識地圖框架如圖5所示，包括維護過程層、知識地圖層、知識表示層和知識存儲層。維護過程既是維護知識重用的過程，也是產生新知識的過程。通過對已有知識的重用，完成故障的監測、診斷與維修；在維護過程中產生的新知識通過有效的知識表示存入知識庫中，經知識地圖顯性化描述，方便維護過程中的知識檢索與重用。

2 復雜產品的虛擬維護訓練

復雜產品的虛擬維護訓練包括維護訓練的對象、方式及對訓練結果的評價。

（1）對象。復雜產品維護訓練的對象為維護人員、教練和管理人員。維護人員通過虛擬維護訓練學習掌握實際維護任務中該運用何種知識來排除故障；教練負責管理維護訓練過程并提供指導；管理員負責為維護訓練中產生的新知識進行管理，對知識地圖、維護信息元和數據庫進行維護等。

圖5 復雜產品維護知識地圖框架結構

（2）方式。虛擬維護訓練的方式有以下三種：①通過知識地圖進行自學習，以瀏覽記憶的方式掌握故障知識類別、知識所在位置及維護知識的詳細信息；②利用多媒體技術將文本、圖形、圖像、動畫、音頻和視頻等形式的信息，通過計算機處理，使多種媒體建立邏輯連接，集成為一個具有實時性和交互性的系統，通過對已有案例知識的學習服務于虛擬維護訓練過程；③在對復雜產品進行三維模型輕量化的基礎上，對復雜產品的結構進行細分，構建虛擬交互式裝配系統，方便維護人員學習復雜產品的構成及結構關系。

（3）評價。對維護人員從故障維護知識的快速定位熟練程度、技能全面程度、突發故障的應變能力等方面，應用模糊層次分析法對訓練結果進行評價。評價結果反饋給教練員與管理人員，教練員根據評價結果調整維護人員的訓練進程，管理人員則針對維護人員的反饋調整訓練知識，以更好地反映維護人員的訓練需求。

復雜產品虛擬維護訓練的框架結構如圖6所示。

3 應用實例

圖6 復雜產品虛擬維護訓練的框架結構

飛機具有內部結構復雜、產品構型眾多、零件形狀和材料各異、零組件數量巨大等特點，故障發生時要在最短的時間內對故障進行檢測、診斷和維修，需要維護人員具備扎實熟練的維護知識和技能，遇到排障難題時能夠迅速找到解決難題的方法。應用基于知識地圖的飛機虛擬維護訓練系統能夠對飛機維護的知識進行有效管理和組織，對維護人員的技能進行訓練，有助于顯性維護知識的管理及隱性知識的獲取和挖掘。構建基于知識地圖的飛機虛擬維護訓練原型系統，總體框架如圖7所示。

圖7 飛機虛擬維護訓練系統的總體框架

飛機虛擬維護訓練系統的主體部分包括基于知識地圖的自學習模塊、多媒體交互學習模塊和虛擬交互學習模塊。各模塊具體功能如下。

（1）基于知識地圖的自學習模塊。在該模塊中維護人員可通過維護知識地圖對所需的知識進行查詢，同時以瀏覽式自學習的方式對排障所需知識、知識位置及知識之間的關聯等信息進行深入訓練和鞏固；管理員可對知識節點進行編輯、插入或刪除來對知識地圖進行更新。

（2）多媒體課程學習模塊。維護人員針對自己的知識需求及訓練任務安排，選擇不同的多媒體課程進行學習；管理員負責對維護人員的賬戶管理，多媒體課程的創建、編輯、分配，系統的備份與維護等。

（3）虛擬交互學習模塊。該模塊包含了產品結構樹的詳細信息，用戶通過虛擬維護結構樹，詳細了解產品結構，有針對性地選擇不同的結構模塊進行虛擬裝配、拆卸等交互操作。

4 結論

復雜產品的虛擬維護訓練能夠節約實際維護訓練的成本，提高排障效率和維護任務的成功率。利用復雜產品維護知識信息元對維護知識進行管理，便于維護過程中顯性知識和隱性知識的有效集成與重用，同時以維護知識信息元作為知識節點構成了知識地圖系統，對維護知識形式化表示，不僅指出了維護知識的存儲位置，還隱含了維護知識之間的關系，同時維護知識信息元作為知識節點也有效表明了與之有關的信息，便于維護人員學習、查詢知識及聯想產生新知識。在此基礎上構建了復雜產品虛擬維護訓練的框架結構，提出了基于知識地圖的自學習方法、多媒體課程學習方法和虛擬裝配訓練方法，并以飛機為例構建了飛機虛擬維護訓練系統。

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