基于本体的通信设备维修案例知识表示与管理

王 苗，杨百龙，田罗庚，张林科，王 迪

(火箭军工程大学研究生院，西安 710025)

案例作为一类重要的资源型知识，其主要价值在于能为后续类似故障维修工作提供科学性、指导性的维修意见。人们在长期对通信设备维修保障过程中，积累了大量维修案例，然而，绝大多数维修案例都以自由文本或半结构化文本的形式存储在文本或数据库中，由于缺乏统一的规范标准，严重制约了不同单位之间维修案例数据的信息化处理和交流共享。

一个良好的知识模型是对知识进行表示和管理的重要前提，也是实现案例重用和共享的基础。目前，中外关于通信设备维修案例知识表示方法的研究较少。陈学文[1]采用产生式规则表示法实现了野战地域网通信装备故障诊断专家系统中的知识表示模块；Chen等[2]设计了基于规则的通信设备故障诊断知识库；Yang[3]采用面向对象法，设计了无线通信设备故障特征诊断模型。前人研究中采用的知识表示方法主要有框架法和产生式法等，由于这些方法不适合表达过程性知识且容易产生组合爆炸问题，往往难以满足故障维修领域实际应用的需求。

近年来，中外许多学者致力于基于本体的知识表示研究，并取得了一定的成果。苏正炼等[4]引入本体技术实现了装备故障知识库的构建；Dendani-Hadiby等[5]将本体表示法与CBR(case-based reasoning)系统相结合，用于汽轮机故障诊断；Ebrahimipour等[6]采用本体概念的知识表示方法，解决了气动阀维护记录异构性的问题；邓兴宇等[7]提出了基于领域本体的语义特征向量空间模型，用于表示电子防护装备故障案例。本体在知识表示方面具有表达准确、规范和结构清晰等特点，并且具有强大的语义推理能力，能很好地克服其他知识表示方法的局限性，因此广泛应用于知识工程、产品设计、应急决策等领域[8]，实现知识的规范化表示。

针对现阶段关于通信设备维修案例知识表示与管理方面的不足，在详细分析通信设备故障案例知识组成和特点的情况下，提出一种基于本体的通信设备维修案例知识表示及管理方法，实现对通信设备维修案例的结构化表示和存储。

1 通信设备维修案例知识的构成及特点

故障维修案例源于从设备发生故障到排除故障所进行的一系列跟踪记录，涉及多方面知识要素，如理论、技术、操作等[9-10]。通过整理、归纳大量故障案例，得到通信设备故障维修案例主要由以下三类知识构成：专业技术理论、维修案例经验和组织机构信息。图1为设备维修案例信息结构图。

专业技术理论包括设备结构知识、工作原理、技术标准等专业理论基础。维修经验包括维修指导手册、历史故障案例经验、专家排故方法等经验性指导资源。人员装备管理信息主要包括对技术人员的任务分工、仪器装备管理以及设备维修的组织实施办法等[11]。

图1 设备维修案例信息结构

设备维修案例知识主要有以下特点。

(1)多样性。记录案例时通常需要文本、图表甚至音视频等各种类型的数据信息对故障现象等进行描述，数据表示形式多样。

(2)复杂性。故障维修案例记录不仅涉及对故障现象和故障分析的描述，还包含对维修方案、维修步骤等过程性知识描述，概念间关系复杂。

(3)重复性。故障维修案例记录中通常存在大量的相同或相似案例。

(4)经验性。设备维修是一项实践性很强的活动，充分借鉴、参考成功的案例经验能大大提高维修工作的效率。

设备维修案例知识的上述特点，要求知识表示方法要有很强的一致性和可扩展性，而且能准确清晰地表示出各要素概念、属性及相互关系，才能很好地实现对故障维修案例的结构化、规范化管理。

本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明[12]，具有丰富的概念关系、属性约束以及强大的语义表达能力，能清晰地定义设备维修领域中的过程性知识以及概念、属性之间的复杂关系，消除知识表示的模糊性[13]。而且本体的共享性和可扩展性的特点，正好满足设备维修这类知识开放性领域。采用本体对维修案例知识进行建模，有利于案例知识的规范化表示及灵活管理[14]。

2 通信设备维修案例本体模型设计

2.1 本体构建方法及步骤

图2 通信设备维修领域本体构建流程图

本体的构建方法多种多样，通常都是面向特定领域，因此一般都是从具体项目的工程实践出发而设计。目前，常用的本体构建方法主要有：Uschold和King提出的骨架法、Gruninger和Fox等总结的TOVE(toronto virtual enterprise)法、Gomez-perez和Mariano Fernandez提出的Methontology法、斯坦福大学开发的七步法等[15]，这些方法都是在进行具体项目开发时总结出来的经验，针对不同领域，本体构建具有不同需求。结合骨架法和七步法，提出针对通信设备维修领域的本体构建方法，具体流程如图2 所示。

2.2 知识管理框架

针对故障维修案例知识的复杂特性，在本体技术的基础上，采用分类、分层的思想，设计了如图3所示为基于本体的三层案例知识管理框架，整个知识体系框架由知识获取、知识组织与管理和知识应用三阶段构成，很好地实现了对案例知识的层次化、精细化管理。

图3 设备故障维修案例知识管理框架

2.2.1 知识获取阶段

通过各种渠道收集领域相关知识，如维修手册、产品说明书、历史案例记录等，归纳、提取领域内的专业术语及相关关系，将其概念化处理，作为数据库的知识基础。该阶段往往由大量研究人员和领域专家共同完成，以保证知识的公认性和共享性。

2.2.2 知识组织与管理阶段

Step1将领域内的概念进行分类，构建相应数据库，如装备信息库、专业理论库等公用数据库以及领域本体库，便于将结构类型相同的知识集中管理。公用数据库用于管理人员、装备、理论等固定型资源，领域本体库用于管理故障维修方面的针对型资源。

Step2分析大量真实案例，提取出案例通用的框架结构作为案例模板，建立维修案例表示本体。维修案例表示本体为案例提供结构一致的表示框架，并对公用数据库和领域本体库中的知识进行集成、调用。

Step3最后根据维修案例表示本体提供的实例模板，将具体案例进行实例化。

2.2.3 知识应用阶段

对案例库进行检索、重用、修正，可实现历史案例再利用，发挥历史数据的潜在价值。

3 通信设备维修案例本体

通信设备维修案例本体由五要素构成：领域本体、案例表示本体、特征属性、故障逻辑和真实案例，五要素相辅相成，共同实现对维修案例的完整描述。

3.1 领域本体库构建

通信设备维修领域本体是由设备故障维修过程中涉及的概念、术语等抽象出来的知识所构建，构成了描述该领域内具体知识的基础。通过分析如图4所示的通信设备故障维修过程，将领域概念体系分为4个侧面并分别构建相应的子本体：结构功能子本体、故障原因子本体、故障模式子本体、维修方案子本体，形成领域本体库，实现对知识的分类管理。

图4 通信设备故障维修过程

3.1.1 结构功能子本体

结构功能子本体用于管理设备在空间上的物理结构、单元模块之间的关系以及模块功能等信息。结构功能子本体的概念集可表示为五元组：SFC={S-Code，S-Name，S-Id，S-Systems，S-Function}，其中S-Code为设备代码，S-Name为模块名称，S-Id为模块标识，S-Systems为模块所属系统层次，S-Function为功能描述。属性关系集可表示为七元组：SFR={has_ckt_unit，has_up_ckt，has_sub_module，has_low_ckt，has_function，has_code，has_id}，分别表示电路单元、上层模块、下层模块、子模块、功能描述、代码属性、模块标识。以某型电台为例，其相应的结构功能概念及属性关系如图5所示。

图5 某型电台结构功能概念及属性关系

3.1.2 故障原因子本体

故障原因子本体用于描述对故障现象的分析及判断等信息，是设备故障模式的具体体现。故障原因是维修过程中重要信息之一，起承上启下的作用，上接设备故障现象，下连维修方案，为维修方案的制定提供依据。

故障原因子本体的概念集可定义为四元组：REC={R-Position，R-Phenomenon，R-Dreason，R-Ireason}，R-Position为故障部位，R-phenomenon为故障现象，R-Dreason为故障直接原因，R-Ireason为根本原因。属性关系集可表示为三元组：RER={has_phenomenon，has_dreason，has_ireason}。以故障现象“电源不通”为例进行说明，故障原因子本体概念及关系图如图6所示。

图6 故障原因子本体概念及属性关系

3.1.3 故障模式子本体

故障模式子本体用于对设备可观、可测的故障现象进行规范化描述。故障模式子本体的概念集可定义为四元组：MOC={M-Phenomenon，M-Type，M-Mode，M-Level}，M-Phenomenon为故障现象，M-Type为故障类型，M-Mode为故障模式，M-Level为故障等级。属性关系集可表示为三元组：MOR={has_phenomenon，is_mode，is_level}。其概念及关系图如图7所示。

图7 故障模式子本体概念及属性关系

3.1.4 维修方案子本体

维修方案子本体用于管理排除具体故障时的维修信息。维修方案的制定以故障现象及故障原因为依据，同时要综合考虑故障维修的紧急性和经济性等方面。维修方案子本体的概念集可定义为五元组：PLC={P-Position，P-Reason，P-Solution，P-Resource，P-Type}，P-Position为维修部位，P-Reason为故障原因，P-Solution为解决方案，P-Resource为维修资源，P-Type为维修类型。属性关系集可表示为四元组：PLR={has_reason，has_solution，has_resource，is_type}。其概念及属性关系图如图8所示。

图8 维修方案子本体概念及属性关系

3.2 故障逻辑

领域本体库中四个子本体分别用于管理故障维修过程四个不同侧面的知识概念，但四者并不完全独立，而是存在一定的相互关系，即故障逻辑。故障逻辑用于描述领域本体库中子本体之间以及子本体本身概念间的逻辑关系，如包含、因果等关系。子本体本身概念间逻辑关系上文中已分别介绍，本节介绍子本体之间逻辑关系。

从图4设备故障维修过程可知，四者存在明显先后顺序和因果关系。根据结构功能子本体中某设备结构具体的故障现象，分析得到具体原因，具体原因作为故障原因子本体的一部分，一方面由抽象与具体关系连接故障原因子本体和故障模式子本体，另一方面由因果关系连接故障原因子本体和维修方案子本体。本文涉及的领域子本体间故障逻辑如表1所示，图9为子本体间故障逻辑描述，并以电源故障维修案例进行同步说明。

表1 领域子本体间故障逻辑说明

3.3 维修案例表示本体

案例是技术人员长期对设备进行维修而积累的记录资料。案例不同于一般的理论知识，它提供了如故障环境、分析测试等具体故障背景和排故细节，具有很强的实践性和针对性。通过分析积累的大量故障案例，总结出通信设备故障维修案例主要由以下六方面信息构成：基本信息、故障描述、故障原因、维修方案、处理结论以及评价与反馈。详细的故障案例知识体系结构图如图10所示，并以该结构为案例框架构建维修案例表示本体。维修案例表示本体为真实案例提供统一的描述框架，以实现案例知识描述的一致性，完成对非结构化案例的结构化表示，便于后期知识的处理与共享。

领域本体库作为故障维修专业知识的基础，与公用数据库一起，共同为案例表示本体提供共享概念及知识来源，由图3的知识管理框架可知，案例表示本体实现了领域本体库以及各类公用数据库的知识集成，对知识库内的知识进行调用，具体的知识调用关系如图11所示。

图9 子本体间故障逻辑描述

图10 故障案例知识体系结构

图11 知识调用关系

3.4 特征属性设置

属性包括两种类型：对象属性和数据属性，对象属性用于描述概念(类)之间的相互关系，数据属性用于描述概念的元素特征与数据类型。如故障模式是故障原因的具体表现，维修方案是依据故障原因而制定的针对性的维修措施，则故障模式与故障原因、维修方案与故障原因之间的关系即为对象属性。如装备代码、案例编号等概念，都是以数据的形式表现，则其具有数据属性。维修案例表示本体中部分属性介绍如表2所示。

表2 维修案例表示本体部分属性

4 实现与应用

采用OWL作为本体描述语言，Protégé 5.2.0作为本体编辑和开发工具构建了通信设备维修案例本体，领域本体及案例表示本体的构建过程均严格遵守本体的规范标准。Protégé提供了对本体的概念、属性、关系、约束、实例的构建方法，能很好地描述领域本体概念间相互关系及故障逻辑关系，使得知识附有丰富的语义信息。维修领域本体建模如图12所示。

维修案例表示本体为真实案例提供了结构一致的表示框架，将大量以自由文本形式存在的故障维修案例记录进行实例化，构成通信设备故障维修案例库，便于对历史案例的共享和重用。图13所示为通信电源交流接触器故障维修案例记录，图14所示为根据案例记录对维修案例表示本体添加相应的实例，完成案例知识表示的过程，实例的结构化表示验证了该方法的可行性。由以上对本体及实例创建的过程可见，本体模型能清晰、准确地定义知识概念，同时能很好地描述概念间的语义关系，并且具有良好的可扩展性和灵活性，模型维护代价小。

本体构建完成后，采用Microsoft SQL Server 2012关系数据库对OWL本体文件进行存储，Java为编程语言，Eclipse 4.7.1a为开发环境。从本体的OWL文件中提取类、属性、约束、实例等资源，分别创建概念类表、属性表、属性约束表、实例表，对于案例中知识概念的不同分类进一步创建案例基本信息表、案例故障描述表、案例故障原因表、案例维修方案表、案例处理结论表等关系表，各表通过实例URI(uniform resource identifier)、案例编号URI与实例表、属性表等数据表相连，明确地描述了各类资源之间的关联关系，尽可能保留了本体模型中的语义信息。详细的OWL存储设计模式及对应的转换算法如图15所示，图16为转换后案例基本信息表的存储情况。

图12 知识调用关系

图13 通信电源交流接触器故障案例

图14 维修案例表示本体实例创建

图16 案例基本信息表的存储情况

在转换完成的数据库中进行案例检索，如检索“由触点氧化引起交流接触器不通而导致的通信电源故障”这一类案例，语义检索与常规检索的检索效率对比如表3所示。实验数据表明，语义检索在添加语义信息的检索约束下，比常规检索得到的案例数少，但符合条件的案例数却比常规检索多；常规检索由于限定条件不够，仅依靠关键概念检索，得到的案例数甚至比库中符合要求的案例数还多，

表3 语义检索与常规检索对比

但其中符合条件的案例数却只占51.4%，检索效率和准确率远低于语义检索。

5 结论

针对通信设备维修领域大量非结构化故障案例缺乏统一规范标准、案例利用率低等问题，在分析了通信设备维修案例知识构成特点及本体技术适用性的基础上，提出了基于领域本体的设备故障维修案例知识管理框架，完成了通信设备维修案例本体的构建，实现对通信设备维修案例知识的结构化表示和精细化、灵活化管理。最后利用关系数据库存储本体模型，既有效利用了关系数据库成熟的数据管理技术，又尽可能保留了本体的语义信息，结合二者的优势，实现对历史案例的有效管理，大大提高了案例检索的效率，便于后续对案例知识的共享和重用。该方法的提出为下一步通信设备故障维修案例知识库的构建打下基础，对于不同单位之间的案例资源共享、提高通信设备故障维修速度和效率有重大意义。

由于在通信设备维修领域尚不存在现有本体可供参考和复用，现阶段构建的本体全部由人工构建，工作量大且过程烦琐。由于知识的局限性，目前构建的本体模型仍不够系统全面。本体具有很好的可扩展性，随着技术的进步，人们的专业素养和认知能力不断提高，可采取子类扩展、属性扩展、实例扩展等方式进一步丰富本体模型。