艦炮故障本體建模技術研究＊

孫 濤 徐永杰 石晨光 蓋 強

（海軍大連艦艇學院艦炮系 大連 116018）

1 本體建模技術概述

本體（Ontology）的概念來自哲學領域，人工智能領域引入本體用來解決知識表示和知識組織的有關問題。1998年，Studer在前人的基礎上給出了一個本體較為明確的解釋，即“本體是共享概念模型的形式化規范說明”。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形式化定義和德國Karlsruhe大學AIFB學院的KAON形式化定義［1］。

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［2］，形式化程度越高，越有利于計算機的處理。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［1］。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。

目前的本體構建方法都是針對具體的項目提出的，國外主要的構建方法有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］。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 艦炮故障本體構建方法

2.1 艦炮結構體系描述

艦炮作戰環境惡劣，故障發生概率高。其故障具有層次性、傳遞性、相關性、不確定性、可修復性、故障模式難以規范表述等特點［4］。依照艦炮功能單元結構相對獨立完整、功能明確的原則，將現代艦炮的結構組成表示如圖1所示。

圖1 艦炮結構組成框圖

2.2 艦炮故障本體設計步驟

1）確定知識本體的專業領域和范疇

該本體的領域范圍是艦炮故障領域，構建的目的是為艦炮故障輔助診斷提供應用工具，可以完成的任務是利用頂級故障事件描述輔助故障診斷人員得出故障的原因事件。該本體的使用者是故障診斷人員，本體的維護人員是艦炮故障專家和本體工程人員。

2）考查復用現有知識本體的可能性

通過查找資料，并未發現有艦炮領域的本體，無法被本研究復用，因此，參考OpenCyc、SUMO、HowNet等頂級本體，在領域專家的幫助下，共同完成艦炮故障本體的構建。

3）列出本體中的重要術語

艦炮故障本體的重要術語主要有［5］：

（1）艦炮組成：包括艦炮、自動機、炮架、揚供彈系統、監控系統、炮身、炮閂等。

（2）艦炮故障模式：艦炮及其組成部件發生的、能被觀察或測量到的故障現象的規范描述。如，“磨損”、“變形”、“斷裂”等。

（3）艦炮故障：指艦炮或者艦炮的某個組成部分對應故障事件的規范描述。故障事件可以描述為“艦炮結構＋故障模式”的形式，如“炮身后座過長”就是由“炮身”這個艦炮組成部分和“后座過長”這個故障模式結合來描述的。

4）定義類和類的等級（層次）體系

艦炮結構類及其子類構成等級層次，其結構類與類層次關系依據圖1建立，部分艦炮結構類與類層次如表1所列。

表1 艦炮結構類與類層次（部分內容）

5）定義類的屬性（Slot）

（1）艦炮結構類和艦炮故障模式類的屬性

Name：該屬性描述艦炮結構和艦炮故障模式的名稱。艦炮結構類的子類之間還存在著部分整體關系，部分整體關系有兩種表示形式：“Part－Of”關系（如炮身和自動機之間的關系），“Has－Part”關系（如自動機與炮身之間的關系），顯然，上述的兩種關系之間存在著互逆性（Invert－Slot）。

（2）艦炮故障描述類主要有兩個屬性：Fail－Location描述故障發生的部位；Fail－Mode描述故障發生的模式。

6）屬性的分面（Facets）

屬性的分面（Facets）即是類的屬性（Slot）的屬性，主要描述Slot的取值類型、數量、取值范圍等。上述定義的三個屬性分面的屬性取值類型分別為“String”型、實例（instance）、實例（instance），取值數量都為（Cardinality）為“required 1”。

7）實例

首先需要創建艦炮結構類的各子類的實例，然后命名實例，接著需要建立故障模式類的實例并命名，最后建立艦炮故障類的實例，同時通過給實例的Fail－Location和Fail－Mode屬性進行賦值，從而完成艦炮故障類實例的創建。

圖2 艦炮故障本體在TGVizTab插件中顯示的類及結構層次圖

3 艦炮故障本體實現

論文采用Protégé3.4.4版（發布于2010年7月22日）［6～7］進行本體開發，得到艦炮故障本體如圖2和圖3所示。

圖3 艦炮故障本體在JambalayaTab插件中示意圖

4 艦炮故障本體評價

運用OntoClean評價方法［8～10］對構建的艦炮故障本體進行評價，其實現過程如下：

1）將OntoClean導入到所建的本體工程項目之中。從菜單project／manage included projects下，選擇添加工程項目，將OntoClean本體評價工具導入其中，打開instancesTab下的PAL－CONSTRAINT類，就會發現其中的幾個實例，這些實例就是OntoClean本體評價工具的具體算法實例，如圖4所示。

圖4 本體評價工具算法實例圖

2）打開PAL Constraints標簽，將PAL－CONSTRAINT評價算法實例添加到PAL Constraints限制中，運行這些限制算法實例，完成對本體工程的評價。評價的結果參見圖5。

圖5中評估的狀態欄（Status）中全部顯示“√”表示通過了本體評估。本體的質量得到保證。如果本體評估沒有通過，就需要針對評估未通過的項目進行修改，以保證本體的質量要求。

圖5 艦炮故障本體評價結果圖

5 結語

隨著艦炮的發展，艦炮領域概念必將具備新時代的特征，新的概念也將出現，針對具體的應用，需要對本體中的概念和明確的規范化說明進行修改，以滿足應用的需要，這就是艦炮故障本體的進化過程。因此，艦炮故障本體也是有生命周期的，這是是一個持續的過程。

［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，2007：214－215.

［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，2008：15－16.

［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.

［4］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.

［5］石晨光.艦炮武器原理［M］.北京：中國人民解放軍海軍，2012.

［6］http：／／Protégé.stanford.edu［EB］.Accessed：2011，8.

［7］Mathieu d'Aquin，Natalya F.Noy.Where to Publish and Find Ontologies？A Survey of Ontology Libraries，2010，3.

［8］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.

［9］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.

［10］Nicola Guarino，Christopher Welty.Evaluating Ontologycal Decisions with ONTOCLEN［J］.Communication of teach.，2002，2.