基于本體的汽輪機(jī)虛擬檢修知識(shí)管理系統(tǒng)研究

趙春暉，董 澤，王澤軒，張 悅，張欒英，高 鵬

（1.華北電力大學(xué)自動(dòng)化系，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071003；3.國(guó)家電投朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

0 引言

近年來(lái)，產(chǎn)生了眾多的知識(shí)表示方法，本體作為知識(shí)表示的方法之一在知識(shí)表示領(lǐng)域具有表達(dá)準(zhǔn)確、規(guī)范和結(jié)構(gòu)清晰等特點(diǎn)。在使用過程中能夠更好地完成知識(shí)的重用與共享，本體（ontology）的概念起源于哲學(xué)領(lǐng)域，是一種明確的形式化規(guī)范說明［3］。通過抽象事物類型及其關(guān)系約束的明確定義，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜認(rèn)知知識(shí)的規(guī)范描述［4］。文獻(xiàn)［5-6］闡述了在設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域基于本體對(duì)維護(hù)知識(shí)的表示方法。于德介，周安美等提出基于本體的故障診斷知識(shí)管理系統(tǒng)模型，為企業(yè)用戶提供精確的知識(shí)檢索和診斷決策服務(wù)［7］。劉堅(jiān)等設(shè)計(jì)了維護(hù)案例本體表示方法。采用OWL 對(duì)維護(hù)案例本體進(jìn)行統(tǒng)一的形式化描述和表示，較好地解決了維修經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的共享與重用難題［8］。近年來(lái)，研究人員把本體概念引入到知識(shí)工程中，從而實(shí)現(xiàn)了大大提升了知識(shí)的共享性，互動(dòng)性以及重用性。目前，本體已廣泛應(yīng)用于知識(shí)工程、信息技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域［9］。

將本體知識(shí)表達(dá)引入到虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，結(jié)合火電廠汽輪機(jī)檢修文件包信息源分散的特點(diǎn)，借鑒前人的研究經(jīng)驗(yàn)搭建基于本體知識(shí)表示技術(shù)的大型汽輪機(jī)虛擬檢修知識(shí)表示框架。該框架模型能將檢修文件包中涉及的知識(shí)進(jìn)行合理歸類結(jié)構(gòu)化表示，并融入設(shè)備說明書、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、歷史檢修記錄和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為設(shè)備虛擬檢修提供良好的表達(dá)功能和語(yǔ)義檢索功能。

1 本體與虛擬檢修領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)

1.1 設(shè)計(jì)思想

汽輪機(jī)本身具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)說明書、設(shè)備工藝以及設(shè)備檢修規(guī)程等文件。檢修工藝知識(shí)中還包括設(shè)備歷史維修數(shù)據(jù)，同時(shí)企業(yè)與專業(yè)檢修隊(duì)伍在工作過程中積累了大量的維修經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)指導(dǎo)設(shè)備檢修具有重要意義。

通過建立本體知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)內(nèi)包含各個(gè)子本體，表示各個(gè)模塊之間的關(guān)系。根據(jù)設(shè)備檢修文件包，提煉出檢修步驟，將設(shè)備的檢修內(nèi)容模塊化，構(gòu)建本體知識(shí)庫(kù)具有良好的邏輯性和靈活性?；诒倔w的虛擬檢修知識(shí)管理設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

1.2 本體的構(gòu)成

本體的組成包括5 個(gè)要素［10］，可用O=｛C，R，F(xiàn)，A，I｝的五元組進(jìn)行表示，即類或概念、關(guān)系、函數(shù)、公理、和實(shí)例。

合理的構(gòu)建虛擬檢修本體模型是虛擬檢修知識(shí)管理的基礎(chǔ)。通過對(duì)檢修知識(shí)的整理與分析，將檢修工藝知識(shí)本體以“五元組”［11］的形式表示為

圖1 基于本體的知識(shí)管理框架

式中：O為檢修工藝知識(shí)本體；C為檢修實(shí)體本體；AC為檢修事件過程本體；S為狀態(tài)監(jiān)測(cè)本體；I為檢修決策本體；R為檢修原因本體。本體關(guān)系類型如表1 所示。

有時(shí)丁主任看他一直守在倉(cāng)庫(kù)邊，很惋惜地說：都怪那小偷，要不然你也可以回家看看老婆孩子。甲洛洛心里熱熱的：謝謝主任，還是把小偷抓到再說吧。丁主任笑笑：你還奢望老鄧給你抓小偷？甲洛洛張了張嘴，把話咽了下去。

表1 本體關(guān)系類型

通過虛擬檢修工藝知識(shí)具體內(nèi)容得歸納整理，將檢修工藝流程知識(shí)劃分成不同的模塊，并建立了對(duì)應(yīng)的子知識(shí)庫(kù)，在子知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了大型汽輪機(jī)虛擬檢修工藝知識(shí)本體。子知識(shí)庫(kù)包含了事件過程本體、檢修實(shí)體本體、狀態(tài)本體、原因本體、與檢修決策本體5 個(gè)本體模型。這些子本體之間互有關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了虛擬檢修知識(shí)體系。虛擬檢修領(lǐng)域知識(shí)之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 虛擬檢修領(lǐng)域知識(shí)間的聯(lián)系

定義概念及層次分類。以檢修工藝要求的知識(shí)表示分類為根本，進(jìn)行概念層次分類的建立。

1）檢修工藝本體，定義為檢修工藝知識(shí)本體及檢修過程中的全部信息。融合實(shí)體本體、狀態(tài)本體、過程本體、原因本體、決策本體于一身。

2）檢修實(shí)體本體，定義為電廠中檢修設(shè)備以及運(yùn)行系統(tǒng)的三維虛擬模型以及運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。

3）狀態(tài)本體，定義為設(shè)備主體檢修過程中以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相關(guān)量值和參數(shù)。

4）事件過程本體，定義為檢修過程中所發(fā)生的各種數(shù)字化檢修流程，主要體現(xiàn)為電廠中的各種檢修工藝流程變化以及系統(tǒng)運(yùn)行工況變化。

5）原因本體，定義為當(dāng)前待檢修設(shè)備破損或者需要更換新部件的原因信息。

6）檢修決策本體，檢修決策主體代表整個(gè)檢修活動(dòng)，具體分為拆解，回裝等過程。其包括檢修過程中的全部信息。

2 虛擬檢修本體模型的構(gòu)建

2.1 本體模型的構(gòu)建

本體的定義是一個(gè)客觀存在的系統(tǒng)的解釋和說明［12］，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，本體這一概念越來(lái)越多用于科技信息領(lǐng)域。對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)，汽輪機(jī)的虛擬檢修維護(hù)過程涉及的知識(shí)復(fù)雜，內(nèi)容繁多。并且檢修工藝步驟要求嚴(yán)格。分析處理程度高。檢修知識(shí)整體上是圍繞設(shè)備維修的基本知識(shí)進(jìn)行的。針對(duì)汽輪機(jī)虛擬檢修知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，首先對(duì)檢修知識(shí)進(jìn)行分析整理，然后列舉汽輪機(jī)檢修基本知識(shí)，最后對(duì)基本知識(shí)進(jìn)行分類和模塊化處理。

構(gòu)建汽輪機(jī)三維模型領(lǐng)域本體，抽象出檢修工藝流程中檢修步驟和零件關(guān)系。將汽輪機(jī)三維模型、設(shè)備維修信與本體相結(jié)合，比如汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙、檢修規(guī)程、待檢修設(shè)備的歷史維修數(shù)據(jù)、需要做出的維修調(diào)整、檢修指導(dǎo)等知識(shí)。在建立設(shè)備模型過程中，除了使用3DMax等建模軟件建模，還需要?dú)w納整理出所有構(gòu)件的材料材質(zhì)信息，具體到每一個(gè)零件的材質(zhì)。

根據(jù)以上對(duì)虛擬檢修知識(shí)表示模型的設(shè)計(jì)思想和檢修工藝知識(shí)自身的特點(diǎn)，本文采用本體編輯工具Protégé 來(lái)構(gòu)建本體知識(shí)庫(kù)。Protégé 完全開源，且可視化界面進(jìn)行操作，便于學(xué)習(xí)和使用。采用Protégé 5.5.0 版本構(gòu)建虛擬檢修工藝知識(shí)表示文本框架如圖3所示。

圖3 構(gòu)建虛擬檢修工藝知識(shí)表示框架

建立虛擬檢修本體框架后形成owl格式文檔，部分代碼如圖4所示。

圖4 部分OWL代碼

2.2 知識(shí)查詢的實(shí)現(xiàn)

OWL文檔采用XML格式保存，采用Qt中的DOM方式進(jìn)行XML 解析。DOM 把XML 文檔作為樹結(jié)構(gòu)來(lái)查看，能夠通過DOM 樹來(lái)訪問所有元素［12］。

由于軟件界面和OWL 文檔解析采用Qt 框架進(jìn)行開發(fā)，Qt框架基于C++語(yǔ)言，所以首先要實(shí)現(xiàn)OWL本體文件到C++面向?qū)ο蟮霓D(zhuǎn)換。首先，需要對(duì)OWL 文檔中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類整理，將不同類型的節(jié)點(diǎn)所包含的信息對(duì)應(yīng)到C++中的類或者相關(guān)變量中，完成對(duì)象類的設(shè)計(jì)。如圖5 所示為本體模型到C++面向?qū)ο蟮霓D(zhuǎn)換流程。

圖5 本體模型到C++面向?qū)ο筠D(zhuǎn)換流程

汽輪機(jī)虛擬檢修知識(shí)表示模型包含設(shè)備三維模型、檢修工藝流程信息、檢修實(shí)例信息、設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)文件、設(shè)備零件查詢、材料查詢、檢修預(yù)案查詢、維修歷史數(shù)據(jù)、檢修工藝流程卡等信息。解析OWL文檔部分核心代碼如圖6所示。

解析出來(lái)的OWL 本體模型主要包括五個(gè)部分，分別為事件過程本體、原因本體、檢修實(shí)體本體，檢修決策本體和狀態(tài)本體。分別對(duì)應(yīng)C++的五個(gè)類。各個(gè)類之間的繼承關(guān)系如圖7所示。

圖6 模型解析功能代碼

圖7 各個(gè)本體類之間的關(guān)系

其中檢修實(shí)體本體類作為父類，類內(nèi)主要包括使用3DMax 建立好的汽輪機(jī)組模型的文件，為三維模型的靜態(tài)屬性文件，包含設(shè)備的靜態(tài)特性，如設(shè)備貼圖、模型渲染等、模型材質(zhì)等信息。事件過程本體類繼承于父類再包含設(shè)備靜態(tài)信息的基礎(chǔ)上，還包含代表設(shè)備三維模型的動(dòng)態(tài)屬性文件，如設(shè)備的位置信息、動(dòng)作信息和過程信息。原因本體類主要包括檢修工藝流程包內(nèi)的檢修原因。檢修決策本體類繼承于原因本體類和事件過程本體類，代表整合檢修活動(dòng)，其中包括檢修過程中的所有相關(guān)信息。狀態(tài)本體作為決策本體類內(nèi)屬性表示設(shè)備的相關(guān)參數(shù)信息。

解析完成后的汽輪機(jī)虛擬檢修知識(shí)表示模型可以查找所有檢修實(shí)例信息、設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)文件、設(shè)備零件查詢、材料查詢、檢修預(yù)案查詢、維修歷史數(shù)據(jù)等維修信息，如圖8所示。

以中壓轉(zhuǎn)子軸徑楊度測(cè)量檢修方案為例，當(dāng)輸入關(guān)鍵字完成檢修方案查詢，確定檢修計(jì)劃后，結(jié)合汽輪機(jī)三維數(shù)字化檢修平臺(tái)，檢修人員可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等交互方式顯示設(shè)備的維護(hù)過程，并且界面右側(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)備的維修計(jì)劃等。通過本體知識(shí)模型以及三維模型的骨骼動(dòng)畫向檢修人員立體直觀的傳遞設(shè)備檢修工藝流程，如圖9所示。

圖8 檢修方案查詢功能

圖9 檢修工藝流程三維展示

該模型提高了虛擬檢修領(lǐng)域知識(shí)的利用效率，檢索維修設(shè)備名稱尋找對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息、維修解決方案和維修歷史記錄以及維修需要的工器具、人員信息、維修前準(zhǔn)備等一系列信息，縮短了汽輪機(jī)檢修的周期，提高了企業(yè)檢修的工作效率。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)汽輪機(jī)虛擬檢修文件包知識(shí)進(jìn)行了合理的定義和分類，并且融入設(shè)備說明書、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢修預(yù)案、歷史檢修記錄和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等信息。分別建立了事件過程本體、狀態(tài)本體、原因本體、檢修實(shí)體本體與檢修決策本體五個(gè)領(lǐng)域本體模型，為虛擬檢修行業(yè)知識(shí)提供了快速檢索功能，通過檢索所要維修的設(shè)備名稱尋找對(duì)應(yīng)的維修解決方案和維修歷史記錄以及維修需要的工器具、人員信息、維修前準(zhǔn)備等一系列信息，為檢修過程及工藝標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)提供技術(shù)支撐?？s短了汽輪機(jī)檢修的周期，提高了企業(yè)檢修的工作效率。