基于知識地圖的復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練方法

楊延璞 余隋懷 陳登凱 馮 青

西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072

0 引言

復(fù)雜產(chǎn)品是指結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難點多、知識集成度高、涉及學(xué)科廣的產(chǎn)品［1-2］，如飛機、汽車、輪船等。復(fù)雜產(chǎn)品具有多系統(tǒng)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(jié)構(gòu)、操作方法等知識。隨著各行業(yè)信息化的速度日益加快，計算機輔助復(fù)雜產(chǎn)品的快速維護問題也逐漸成為研究熱點［3-6］。當前針對復(fù)雜產(chǎn)品的計算機輔助維護訓(xùn)練方式主要有基于維護電子教程的計算機輔助訓(xùn)練（CBT）、半實物與數(shù)字仿真相結(jié)合的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)［7-12］4種。但這4種方式均是從顯性故障的角度或在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上對維護人員進行訓(xùn)練，對于一些隱性的故障和經(jīng)驗性的排障，這些方法并不適用。

從結(jié)構(gòu)上來看，復(fù)雜產(chǎn)品包含整機、部件和零件，是多種知識的整合和集成優(yōu)化，這要求維護過程中維護人員具有專業(yè)性知識。為提高復(fù)雜產(chǎn)品的維護效率和準確性，解決維護訓(xùn)練的復(fù)雜性，有必要將維護知識以統(tǒng)一語義描述并通俗地呈現(xiàn)給維護人員，圍繞復(fù)雜產(chǎn)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?qū)⒅R顯性化、組織化、可存取化和便捷化［14］，是面向知識應(yīng)用層的知識存儲模型［15］，可為用戶提供獲取知識的導(dǎo)向和知識之間的聯(lián)系，常用于指導(dǎo)學(xué)習(xí)［16］、知識管理［17］、知識挖掘［18］等領(lǐng)域。

本研究在分析維護知識類別、表現(xiàn)形式與獲取過程的基礎(chǔ)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(jié)點形成知識地圖，形象地描述復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練知識的構(gòu)成、關(guān)系和位置，方便維護人員快速學(xué)習(xí)和尋找。將知識地圖技術(shù)和多媒體課程、虛擬裝配訓(xùn)練相結(jié)合，通過多方位的維護訓(xùn)練實現(xiàn)對復(fù)雜產(chǎn)品故障的有效識別和排除，有助于提高維護訓(xùn)練的科學(xué)性、高效性和經(jīng)濟性。

1 復(fù)雜產(chǎn)品維護的知識管理

復(fù)雜產(chǎn)品具有高度分布性與可重構(gòu)性［19］，對知識的依賴度高，其維護過程涉及跨組織的協(xié)作、溝通和知識共享。復(fù)雜產(chǎn)品中的知識不是孤立存在的，不同零件、部件、整機之間的關(guān)系對維護的順利進行起著重要作用。從維護過程來看，復(fù)雜產(chǎn)品的維護過程可根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)分解為相互獨立又相互關(guān)聯(lián)的維護子任務(wù)。每個子任務(wù)又可以繼續(xù)分解直至零件級，從而形成維護任務(wù)樹。復(fù)雜產(chǎn)品的維護活動即是對子任務(wù)進行監(jiān)測、診斷和維修的過程。對于維護子任務(wù)的執(zhí)行解決通常有較明確的方法和步驟，從而使復(fù)雜任務(wù)的維護難度降低。

1.1 維護知識的分類與獲取

復(fù)雜產(chǎn)品的維護過程不同于其設(shè)計過程，部分可預(yù)見性故障可預(yù)設(shè)維護方法解決，不可預(yù)見性故障則需要維護人員根據(jù)經(jīng)驗判定。因此，可將復(fù)雜產(chǎn)品的故障分為可預(yù)見性故障和不可預(yù)見性故障。

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

（2）不可預(yù)見性故障。多由過載、誤操作、內(nèi)外部環(huán)境條件的劇烈改變等突發(fā)性、偶發(fā)性因素引起，包括顯性故障和隱性故障。此類故障常無法預(yù)知，需要維護人員根據(jù)故障的實際情況做出反應(yīng)，同時需要維護人員具備相當?shù)慕?jīng)驗知識來發(fā)現(xiàn)隱性故障。

針對復(fù)雜產(chǎn)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(xué)習(xí)，如文本、圖片、視頻、音頻、維護手冊、技術(shù)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(fā)其他部件的故障，此類知識需要長期的維護經(jīng)驗積累或通過與專家交流獲取，主要包括專家知識、經(jīng)驗與技巧等。

根據(jù)維護知識的表現(xiàn)形式，可將其分為3種類型：數(shù)據(jù)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(shù)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??；③構(gòu)建虛擬維護系統(tǒng)，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(jīng)驗總結(jié)；與項目團隊的知識共享；啟發(fā)性的知識挖掘等。

復(fù)雜產(chǎn)品維護知識的分類與獲取過程可用圖2表示。

圖2 復(fù)雜產(chǎn)品維護知識的分類與獲取過程

1.2 維護知識的表征

復(fù)雜產(chǎn)品維護任務(wù)執(zhí)行的過程，既是產(chǎn)生維護知識的過程，也是應(yīng)用維護知識的過程。規(guī)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(diào)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(tǒng)化、規(guī)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(jié)構(gòu)。

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(nèi)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(chuàng)建時間、創(chuàng)建者等。

（2）操作集封裝了對 MKIC的內(nèi)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(shù)和返回值。

圖3 維護知識信息元的組成結(jié)構(gòu)

（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(guān)聯(lián)集、任務(wù)集和狀態(tài)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(shù)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(shù)據(jù)、定性描述或取值范圍。

關(guān)聯(lián)集描述了MKIC的指向性、關(guān)聯(lián)規(guī)則及不同 MKIC之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。A＝｛a1，a2，…，an｝表示關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)的標識、方向性、屬性、對關(guān)聯(lián)屬性操作的方法和關(guān)聯(lián)規(guī)則與約束。

任務(wù)集表示信息可參與執(zhí)行的任務(wù)序列。T＝｛t1，t2，…，tn｝表示任務(wù)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(wù)向量的標識、可參與執(zhí)行的任務(wù)名稱、任務(wù)的屬性和對任務(wù)集本身的操作方法。

狀態(tài)集表示MKIC參與維護過程的結(jié)果評估，描述了信息的有用性，以重要度、實現(xiàn)進程狀態(tài)和任務(wù)完成度形式出現(xiàn)。S＝｛s1，s2，…，sn｝表示狀態(tài)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(tài)標識、重要度、進程狀態(tài)、任務(wù)完成度和對狀態(tài)本身的操作方法。

復(fù)雜產(chǎn)品維護的數(shù)據(jù)型、過程型和模型型數(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)為例應(yīng)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(fù)雜產(chǎn)品維護知識地圖的構(gòu)建

由于復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以單純利用結(jié)構(gòu)分解的方法對故障節(jié)點進行診斷，同時故障的產(chǎn)生具有隨機性，故障子節(jié)點之間具有關(guān)聯(lián)性，因此大量的與故障維護相關(guān)的信息存在于不同的模型、數(shù)據(jù)庫、媒介及人員當中。傳統(tǒng)的知識管理方法難以描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，缺乏對數(shù)據(jù)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(dǎo)航、揭示隱性知識、揭示知識之間的關(guān)系和產(chǎn)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(fù)雜產(chǎn)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(chǎn)生新知識的過程。通過對已有知識的重用，完成故障的監(jiān)測、診斷與維修；在維護過程中產(chǎn)生的新知識通過有效的知識表示存入知識庫中，經(jīng)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(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練

復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練包括維護訓(xùn)練的對象、方式及對訓(xùn)練結(jié)果的評價。

（1）對象。復(fù)雜產(chǎn)品維護訓(xùn)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(xùn)練學(xué)習(xí)掌握實際維護任務(wù)中該運用何種知識來排除故障；教練負責管理維護訓(xùn)練過程并提供指導(dǎo)；管理員負責為維護訓(xùn)練中產(chǎn)生的新知識進行管理，對知識地圖、維護信息元和數(shù)據(jù)庫進行維護等。

圖5 復(fù)雜產(chǎn)品維護知識地圖框架結(jié)構(gòu)

（2）方式。虛擬維護訓(xùn)練的方式有以下三種：①通過知識地圖進行自學(xué)習(xí)，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(shù)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(tǒng)，通過對已有案例知識的學(xué)習(xí)服務(wù)于虛擬維護訓(xùn)練過程；③在對復(fù)雜產(chǎn)品進行三維模型輕量化的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行細分，構(gòu)建虛擬交互式裝配系統(tǒng)，方便維護人員學(xué)習(xí)復(fù)雜產(chǎn)品的構(gòu)成及結(jié)構(gòu)關(guān)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(fā)故障的應(yīng)變能力等方面，應(yīng)用模糊層次分析法對訓(xùn)練結(jié)果進行評價。評價結(jié)果反饋給教練員與管理人員，教練員根據(jù)評價結(jié)果調(diào)整維護人員的訓(xùn)練進程，管理人員則針對維護人員的反饋調(diào)整訓(xùn)練知識，以更好地反映維護人員的訓(xùn)練需求。

復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 應(yīng)用實例

圖6 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)

飛機具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零件形狀和材料各異、零組件數(shù)量巨大等特點，故障發(fā)生時要在最短的時間內(nèi)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(yīng)用基于知識地圖的飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)能夠?qū)︼w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(xùn)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(gòu)建基于知識地圖的飛機虛擬維護訓(xùn)練原型系統(tǒng)，總體框架如圖7所示。

圖7 飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)的總體框架

飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)的主體部分包括基于知識地圖的自學(xué)習(xí)模塊、多媒體交互學(xué)習(xí)模塊和虛擬交互學(xué)習(xí)模塊。各模塊具體功能如下。

（1）基于知識地圖的自學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)的方式對排障所需知識、知識位置及知識之間的關(guān)聯(lián)等信息進行深入訓(xùn)練和鞏固；管理員可對知識節(jié)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(xué)習(xí)模塊。維護人員針對自己的知識需求及訓(xùn)練任務(wù)安排，選擇不同的多媒體課程進行學(xué)習(xí)；管理員負責對維護人員的賬戶管理，多媒體課程的創(chuàng)建、編輯、分配，系統(tǒng)的備份與維護等。

（3）虛擬交互學(xué)習(xí)模塊。該模塊包含了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的詳細信息，用戶通過虛擬維護結(jié)構(gòu)樹，詳細了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有針對性地選擇不同的結(jié)構(gòu)模塊進行虛擬裝配、拆卸等交互操作。

4 結(jié)論

復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練能夠節(jié)約實際維護訓(xùn)練的成本，提高排障效率和維護任務(wù)的成功率。利用復(fù)雜產(chǎn)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(jié)點構(gòu)成了知識地圖系統(tǒng)，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(guān)系，同時維護知識信息元作為知識節(jié)點也有效表明了與之有關(guān)的信息，便于維護人員學(xué)習(xí)、查詢知識及聯(lián)想產(chǎn)生新知識。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)，提出了基于知識地圖的自學(xué)習(xí)方法、多媒體課程學(xué)習(xí)方法和虛擬裝配訓(xùn)練方法，并以飛機為例構(gòu)建了飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)。

［1］吳寶貴，鞠虹，李趙雪，等.面向MDO的復(fù)雜產(chǎn)品多學(xué)科視圖建模技術(shù)［J］.中國機械工程，2010，21（24）：2936－2941.Wu Baogui，Ju Hong，Li Zhaoxue，et al.Multidisciplinary View－modeling Techniques for MDO of Complex Products［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（24）：2936－2941.

［2］姜洋，金天國，劉文劍，等.基于本體的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計知識優(yōu)化集成［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16（9）：1828－1835.Jiang Yang，Jin Tianguo，Liu Wenjian，et al.Ontology－based Optimization Integration for Design Knowledge of Complicated Product［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2010，16（9）：1828－1835.

［3］David C K，Anand K G.Effect of Team Training on Aircraft Maintenance Technicians：Computerbased Training Versus Instructor－based Training［J］.International Journal of Industrial Ergonomics，2001，27：141－157.

［4］初建杰，余隋懷，馮雷，等.數(shù)字化飛機維護服務(wù)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［J］.航空制造技術(shù)，2010，（20）：51－53.Chu Jianjie，Yu Suihuai，F(xiàn)eng Lei，et al.Research and Development of Digital Aircraft Maintenance and Service System［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2010（20）：51－53.

［5］Vora J，Nair S.Using Virtual Reality Technology for Aircraft Visual Inspection Training：Presence and Comparison Studies［J］.Applied Ergonomics，2002，33：559－570.

［6］王開峰.基于案例的飛機排故模擬和智能訓(xùn)練技術(shù)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

［7］Kahraman Z E H.Using User－centered Design Approach in Course Design［J］.Procedia Social and Behavioral Sciences，2010，2：2071－2076.

［8］吳海兵.飛機維修管理信息系統(tǒng)開發(fā)與研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［9］官頌.波音757飛機維護CBT課件的開發(fā)與研制［J］.中國民航學(xué)院學(xué)報，2001，19（2）：48－51.Guan Song.Development of the CBT Courseware for the Maintenance of the Boeing 757Aircraft［J］.Journal of Civil Aviation University of China，2001，19（2）：48－51.

［10］馮雷，范玉青.飛機維護虛擬樣機技術(shù)研究與實現(xiàn)［J］.航空制造技術(shù)，2004，（10）：88－91.Feng Lei，F(xiàn)an Yuqing.Research and Implementation of the Virtual Prototype Technology for Aircraft Maintenance［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2004（10）：88－91.

［11］Antonino G，Zachmann G.Virtual Reality as a Tool for Verification of Assembly and Maintenance Process［J］.Computer and Graphics，1999，23（3）：389－403.

［12］袁俊.軍用飛機使用保障費用估算［J］.科技管理，2006（4）：10－12.Yuan Jun.Cost Estimation of the Operation and Support of Military Aircraft［J］.Aeronautical Science and Technology，2006（4）：10－12.

［13］唐欽能，高峰，王金平.知識地圖相關(guān)概念辨析及其研究進展［J］.情報理論與實踐，2011，34（1）：121－124.Tang Qinneng，Gao Feng，Wang Jinping.Discriminating Related Concepts of Knowledge Map ＆Its Research Progress［J］.Information Studies：Theory＆ Application，2011，34（1）：121－124.

［14］Wei J D，Chen J Y，Tung T Y，et al.Integration of a Concept Map Generator and a Knowledge－Portal－Based E－learning System［C］／／Computer Science and Information Engineering，WRI World Congress.Washington D C，2009：356－360.

［15］李亮.知識地圖——知識管理的有效工具［J］.情報理論與實踐，2005，28（3）：233－237.Li Liang.Knowledge Map－The Effective Tool for Knowledge Management［J］.Information Studies：Theory ＆ Application，2005，28（3）：233－237.

［16］Shaw R S.A Study of Learning Performance of E－learning Materials Design with Knowledge Maps［J］.Computers ＆ Education，2010，54（1）：253－264.

［17］Mike U，Michael G.Ontologies：Principles，Methods and Applications［J］.The Knowledge Engineering Review，1996，11（2）：93－136.

［18］Liao Shu－h(huán)sien.Knowledge Management Technologies and Applications－Literature Review from 1995－2002［J］.Expert System with Applications，2003，25（2）：155－164.

［19］劉玉生，蔣玉芹，高曙明.模型驅(qū)動的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計建模綜述［J］.中國機械工程，2010，21（6）：741－749.Liu Yusheng，Jiang Yuqin，Gao Shuming.Modeldriven Modeling for System Design of Complex Products：a Survey［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（6）：741－749.

［20］譚建榮，馮毅熊.設(shè)計知識建模、演化與應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［21］蘇海，蔣祖華，伍宏偉.面向產(chǎn)品開發(fā)過程知識地圖的構(gòu)建［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，39（12）：2034－2039.Su Hai，Jiang Zuhua，Wu Hongwei.Building Knowledge Map for Product Development［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2005，39（12）：2034－2039.