基于本體的艦炮故障樹建模方法研究?

孫 濤 李曉芳 石晨光 蔡 暢

（海軍大連艦艇學院艦炮系 大連 116018）

1 本體建模技術概述

人工智能領域將哲學中本體（Ontology）概念引入用來解決知識表示和知識組織方面的有關問題。1998年Studer在前人的基礎上給出了“本體是共享概念模型的形式化規范說明”的解釋，此外，在其他不同的研究中，本體也被賦予了不同的數學形式定義，如Guarino形式化定義和Karlsruhe的KAON 形式化定義［1～4］。

根據概念粒度的相對大小可以將本體分為頂級本體、領域本體、任務本體和應用本體。通常，人們在定義下一層本體的時候，從上層本體中選擇合適的概念予以特化或者補充。也就是說，概念復用是人們創建本體的普遍做法。這樣得到的本體可以保證較高的標準性和質量，而且有利于信息系統之間基于本體的互操作。按照表示和描述的形式化程度的不同，可以分為完全非形式化本體，半非形式化本體、半形式化本體和嚴格形式化本體［1］，形式化程度越高，越有利于計算機的處理。

本體構建方法目前沒有統一的理論指導，都是針對具體的項目提出的，國外主要有IDEF5法、骨架法、TOVE法、METHONLOGY法、KACTUS法、七步法和SENSUS法等，其成熟度依次為七步法＞METHONLOGY法＞IDEF5法＞TOVE法＞骨架法＞SENSUS法＞KACTUS法［3，5］。我國研究學者目前都是在借鑒國外本體構建方法的基礎上，根據中文漢語本體構建的實際情況，提出一些具有影響的本體構建方法。

2 故障樹簡介

故障樹（FT）通過對可能造成系統故障的各種因素，包括硬件、軟件、環境、人為因素等進行分析，畫出邏輯框圖，它是描述診斷對象結構、功能和關系的一種定性因果模型［6］。故障樹的規模根據裝備的復雜程度可大可小，但基本的結構都是一樣的，它是由有因果關系的層次化的故障事件和大量的不同類型的門所構成。故障樹中常見的概念和符號如表1所示。

表1 故障樹中常見的符號圖

3 故障樹應用本體描述方法

3.1 故障樹的建立

首先確定故障樹的頂事件，頂事件描述需要簡明扼要，它決定了建樹時必須考慮的一系列問題。故障樹的生成是故障樹分析的前提。常見的故障樹生成方法有兩種：演繹法和合成法［6］。演繹法主要用于人工建樹，它是通過人的思考去分析頂事件是怎樣發生的，再由頂事件出發循序漸進地尋找每層事件發生的所有可能的直接原因；合成法主要用于計算機輔助建樹，其缺點是分析人員不能通過分析系統而對目標系統有徹底的了解，也不能像演繹法那樣有效地考慮環境條件和人為因素的影響。依據實際情況，本文采用演繹法。

3.2 故障樹中的類與類間關系分析

通過定義和對故障樹的組成及結構分析可以知道，故障樹應用本體中的幾個主要類及類間關系如圖1所示。

圖中邏輯門類的“Has＿UpperEvent”屬性表示邏輯門具有的上位事件，“Has＿NetherEvent”表示門具有的下位事件。同樣，故障事件類的“Has＿UpperDoor”屬性表示故障事件具有的上位門，故障事件類的“Has＿NetherDoor”屬性表示故障事件具有的下位門。類之間的實線和虛線表示的類間關系對構成了互逆關系（Inverse），如頂事件和門之間的關系“Has＿UpperEvent”和“Has＿NetherDoor”構成了一對互逆關系，也就是說，如果一個頂事件實例的“Has＿NetherDoor”屬性的取值為一個門的實例，那么同時這個門的“Has＿UpperEvent”屬性的取值就是這個頂事件實例。

圖1 故障樹應用本體中主要類及其類間關系圖

3.3 故障樹中門與故障事件的本體描述

故障樹中門與故障事件各子類具有不同特點，頂事件是故障事件的一個子類，并且在任意一棵故障樹中一個頂事件僅與一個下位門連接，而不與任何上位門連接，即頂事件與門之間只存在“Has＿NetherDoor”關系，并且其取值的基數（Cardinality）為1（表示頂事件的下位門僅有1個）。同樣，對于任意一個中間事件也僅有一個上位門和一個下位門，即中間事件和門之間存在著“Has＿Nether－Door”關系和“Has＿UpperrDoor”關系，且基數都是1。相應地，底事件與門之間僅存在“Has＿UpperrDoor”關系，并且其基數是1。對于故障樹中的任意門都存在著上位事件和下位事件，只是由于邏輯門的種類的不同而導致門的上、下位事件的基數不同［7］。基于以上分析，可以得到故障樹本體的規范描述如表2所示。

表2 故障樹本體的規范描述表（部分內容）

4 艦炮故障樹應用本體構建

4.1 繪制艦炮故障樹

繪制艦炮故障樹的步驟主要如下：

1）頂事件的確定。頂事件應選擇人們不希望發生的，顯著影響艦炮技術性能、可靠性、安全性和經濟性的故障事件。

2）邊界條件的確定。邊界條件的確定使得故障樹不會無邊無際地擴展，合理地定義故障樹的邊界條件，可以確定故障樹的范圍。邊界條件包括：分析的不同的艦炮部件，即頂事件；初始狀態，指艦炮部件可能的工作狀態，需要確定當頂事件發生時這些部件所處的狀態。

3）繪制故障樹。找出直接導致頂事件發生的各種可能因素或因素組合，如硬件故障、環境因素、人為因素等，再找出第一步中各因素的直接原因，循此方法逐級向下演繹，一直追溯到引起系統發生故障的全部原因，即分析到不需要繼續分析原因的底事件為止，然后把各級事件用相應的符號和適合于它們之間邏輯關系的邏輯門與頂事件相連接，就繪制成了一棵以頂事件為根，中間事件為節，底事件為葉的具有若干級的故障樹。

4）對故障樹進行簡化和模塊化。當故障樹建成后，還必須從故障樹的最下級開始，逐級寫出上級事件與下級事件的邏輯關系式，直到頂事件為止。并結合邏輯運算算法做進一步的分析運算，刪除多余事件，合并同類事件。故障樹化簡的方法，從根本上講，就是運用布爾代數的基本定理。

4.2 艦炮故障樹本體描述

首先建立艦炮的結構體系層［8～9］和故障模式層，然后運用艦炮結構體系和故障模式的組合建立艦炮故障描述層，最后建立表征艦炮故障之間因果傳遞關系的故障因果關系層。設計的流程如圖2所示。

4.3 實例化方法構建艦炮故障樹本體

經過上述繪制艦炮故障樹的步驟之后，我們可以得到一棵艦炮故障樹。然后采取自頂向下的方法將故障樹實例化來完成艦炮故障樹本體的構建。該方法的基本思路就是首先將繪制的艦炮故障樹的頂事件添加到故障樹本體中，然后逐層向下將下層的門和故障事件添加到故障樹本體中，同時設置邏輯門與故障事件之間的關系，直至所有的邏輯門和故障事件都添加到故障樹本體之中，完成艦炮故障樹本體的實例化構建。其具體步驟如下：

圖2 艦炮故障樹本體模型圖

Step 1：在故障樹本體中創建一個故障樹類的實例，選取繪制的艦炮故障樹的頂事件作為艦炮故障樹本體的頂事件。

Step 2：將繪制的艦炮故障樹中的頂事件的下層門添加到艦炮故障樹本體中，并設置其與上層事件的關系（例如“Has＿UpperEvent”關系）。

Step 3：添加Step 2中添加的邏輯門的下位事件，并設置這些事件與上位邏輯門之間的關系。

Step 4：重復Step 2—Step 3直至將整棵故障樹添加到艦炮故障樹本體中。

至此，繪制好的艦炮故障樹經過實例化已經構建為艦炮故障樹本體。

5 結語

為了進一步豐富艦炮故障樹本體的內容，還需要繪制更多的艦炮故障樹，同樣可以通過上述實例化的方法添加到故障樹本體中，使得艦炮故障樹本體中描述的故障知識更加豐富全面，為下一步艦炮故障樹的推理應用提供知識基礎。

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

［2］何克清，何揚帆，梁鵬，等.本體元建模理論與方法及其應用［M］.北京：科學出版社，2008.

［3］劉琳娜，薛建武，汪小梅.領域本體構建方法的研究［J］.情報雜志，2007（4）：14－18.

［4］孫瑋鴻.基于知識鏈的本體構建方法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士學位論文，2009.

［5］徐國虎，許芳.本體構建工具的分析與比較［J］.圖書情報工作，2009，29（9）：44－48.

［6］Relex Software Co.＆Intellect.可靠性實用指南［M］.陳曉彤，等譯.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［7］金亮亮.基于故障樹的航天器故障診斷專家系統研究［D］.南京：南京航空航天大學碩士學位論文，2008.

［8］張建新，孫文生，孫衛國.79（A）式雙100毫米艦炮一般故障排除手冊［M］.大連：北海艦隊訓練基地，2009.

［9］石晨光.艦炮武器原理［M］.北京：中國人民解放軍海軍，2012.