基于CBR的民用飛機維修決策系統(tǒng)研究

石向陽，劉震霆，凌春光

（煙臺南山學(xué)院 南山航空學(xué)院，山東 煙臺 265713）

1 引言

人類比較擅長使用以前的經(jīng)驗或回憶以前的情景來進行類比推理，這種依靠過去的經(jīng)驗來解決當前問題的理論，稱為基于案例推理（CBR，Case－Based Reasoning）［1］。自從20世紀80年代末90年代初興起后，該理論便一直受到眾多學(xué)者、專家的重視，并逐步的成為人工智能領(lǐng)域的一個新研究熱點。CBR的核心思想是借鑒人類處理問題的方式，即運用以往求解問題的經(jīng)驗來解決當前問題［2］。由于該種方法不需要構(gòu)建顯式的領(lǐng)域知識模型，因此避免了知識獲取瓶頸，同時它所具有的增量式學(xué)習特點還能使案例庫的覆蓋度隨著系統(tǒng)使用而逐步增大，且決策效果會愈來愈好，從而在一定程度上也彌補了其它方法的缺陷［3］。

目前，國外有關(guān)運輸飛機維修決策的系統(tǒng)性研究已經(jīng)比較成熟，例如基于CBR方法制訂新型運輸飛機維修大綱。然而，我國民用飛機主要靠購買國外波音、空客飛機等，真正的有關(guān)新型國產(chǎn)飛機維修決策的系統(tǒng)性研究較少，所以對其進行研究是十分有必要和有意義的。為了有效地利用大量的相似機型維修大綱數(shù)據(jù)和領(lǐng)域?qū)＜业闹R及經(jīng)驗，本文將CBR與維修決策結(jié)合起來，并以SQL Server作為本軟件的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用VB開發(fā)了一套基于CBR的通用飛機維修決策系統(tǒng)，以此來提高飛機維修決策的技術(shù)水平。

2 CBR確定維修間隔

CBR主要有案例表示、案例檢索、案例修改與保存等主要步驟［4］。因此，將CBR方法應(yīng)用于民用飛機的MSG－3分析，并擬提出基于CBR和廣義鄰近匹配（GNN）的多階段框架結(jié)構(gòu)，以此來確定飛機系統(tǒng)維修時間間隔，如圖1所示。

圖1 基于CBR和GNN的多階段決策分析框架

2.1 案例表示

案例表示一般涉及的內(nèi)容為：選擇哪些信息存放在一個案例中；案例庫如何進行組織和索引。由于案例庫中的案例異常復(fù)雜且數(shù)量巨大，因此其組織和索引問題就十分重要。

以本文的確定維修間隔案例為例，需要包括大量MSG－3的分析信息，比如重要維修項目（MSI）基本數(shù)據(jù)、故障、原因分析、功能和MSG－3邏輯決斷信息等。但是倘若對上述信息都進行詳細描述，極有可能會使案例表達和操作變得復(fù)雜。所以，通常我們只將其中一些主要因素提取出來。

本文初步確定飛機系統(tǒng)MSG－3分析案例屬性由以下幾部分組成，如表1所示。其中，l表示定性屬性，a表示定量屬性。

表1 維修對象的基本信息表

2.2 案例檢索

在CBR系統(tǒng)中，案例檢索和選擇是其中一個關(guān)鍵步驟。一般用的案例檢索方法包括：知識引導(dǎo)法、歸納索引法、最鄰近法等，其中使用最多的就是最鄰近法。因此，本文也擬采用廣義鄰近匹配法（GNN）計算案例相似度［5］，案例相似度定義如下：

（1）定量屬性的相似測量?？紤]到定量屬性值的大小范圍不容易確定，因此，計算定量屬性的相似測量值公式為：

（2）定性屬性的相似度測量。當目標問題與案例針對同一屬性的文本一致時，則認為屬性相似度值為1，否則為0。定性屬性的相似度測量公式為：

對定量屬性和定性屬性進行集結(jié)，就可以得到綜合相似度s（T，C），其公式表達為：

式中，Wi表示某種屬性的權(quán)重值，S表示該屬性的相似度。在所有屬性當中，二者的乘機累加之和即為綜合相似度。

2.3 案例修改與保存

通過前面所提及的案例表示與案例檢索，我們便可以獲得相似度呈降序排列的候選案例集，MSG－3分析人員再從中將相似度較高的若干個案例選擇出來作為參考。由于所選出的案例與待分析目標案例之間往往存在差異，無法直接應(yīng)用，因此需要進行適當?shù)恼{(diào)整。通過適當調(diào)整，可認為案例同目標問題之間的相似就等同于案例間隔和問題間隔之間的相似。對選擇出來的案例，需要重新計算屬性相似度，公式如下：

2.4 確定目標案例間隔

目標案例的維修間隔計算方法如下：

其中：Ij表示由案例庫中第j個案例經(jīng)過計算得出的維修間隔值；IPj表示案例庫中第j個案例原始的維修間隔值；s（T，Pj）表示案例Pj和T 的相似度。

3 應(yīng)用實例

基于CBR方法，選擇SQL Server作為本軟件的后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以VB開發(fā)工具實現(xiàn)了民用飛機維修決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由用戶管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、基于CBR的維修任務(wù)確定模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示［6］。

以國產(chǎn)支線飛機新舟600（MA600）作為目標機型，32章起落架系統(tǒng)作為目標系統(tǒng)進行驗證。選取要分析的目標案例：32章起落架系統(tǒng)減震支柱組件，選取某航空公司B737－300、B737NG（B737－600／700／800／900）、CRJ200、CRJ700四種飛機 32章起落架系統(tǒng)作為相似案例，則一個完整的維修決策流程描述如下：

圖2 基于CBR的飛機維修決策系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

（1）添加目標案例。輸入新的目標案例已知的特征屬性，如飛機類型、MSI號前兩位、發(fā)動機的布局、功能（MTBF）、故障影響類型、維修任務(wù)類型等。

（2）初步檢索。根據(jù)索引策略，由MSI號前兩位和用戶確定的關(guān)鍵字搜索出相對應(yīng)匹配的案例，選擇合適案例并在界面上顯示出來。

（3）案例匹配。按照屬性綜合模糊權(quán)重的確定方法［7］來進行歸一化權(quán)重值，可得到歸一化之后的屬性權(quán)重值，確定目標案例與相似案例之間各特征屬性的相似度。根據(jù)GNN法計算目標案例與相似案例的綜合相似度，如圖3所示。

圖3 案例綜合相似度計算

（4）維修決策評估。在圖3最下面右側(cè)按鈕“相似度閾值”中輸入0.8，點擊“篩選”按鈕，由用戶確定的相似度閾值找出匹配的案例，如圖4所示。點擊圖4左下角“計算”按鈕，可計算得到目標案例維修任務(wù)間隔及最終調(diào)整之后的維修任務(wù)間隔。

圖4 維修決策評估

從結(jié)果可以看出，MA600維修大綱中該任務(wù)的標準檢查間隔值為1600FH，而CBR方法計算結(jié)果為1500FH，其相對誤差為6.25%。

根據(jù)飛機維修大綱中定期檢查的偏離規(guī)定［8］：

由飛行小時控制的項目：

（1）5000飛行小時（含）以內(nèi)的維修間隔，最多可偏離維修間隔的10%；

（2）5000飛行小時以上的維修間隔，最多可偏離500飛行小時。

因此，通過CBR得到的結(jié)果是可信的，并且這個誤差也在允許范圍之內(nèi)。換言之，對于飛機確定維修間隔來說，基于CBR方法確定的這個結(jié)果也是完全可以接受的。

4 結(jié)語

本文所研究的基于CBR的智能維修決策技術(shù)，可用來給新型國產(chǎn)飛機維修大綱制訂工作人員提供一些有用的決策信息，以此來提高制訂飛機維修大綱的智能化水平和效率。文章研究的核心問題就是基于CBR的維修任務(wù)和維修間隔制訂方法，它們?yōu)榫S修決策支持系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)與核心算法。最終開發(fā)了一套針對本文所研究方法的通用飛機維修決策支持系統(tǒng)，并且以新舟600（MA600）飛機ATA32起落架系統(tǒng)組件為實例驗證了以上方法，效果良好。

［1］左洪福，蔡景，吳昊，等.航空維修工程學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011：99－105.

［2］左洪福，蔡景，王華偉.維修決策理論與方法［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2008：97－102.

［3］華成，徐光華，張慶，等.基于CBR的智能維修決策技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.儀器儀表學(xué)報，2009，30（6）：403－407.

［4］Watoson I.Case－based reasoning is a methodology not a technology［J］.Knowledge－based System，1999，12（5）：303－308.

［5］石向陽，龍江，王波.基于CBR確定通用飛機系統(tǒng)維修間隔方法研究［J］.機械設(shè)計與制造，2013，267（5）：213－215.

［6］石向陽.基于CBR的通用飛機維修決策系統(tǒng)研究［D］.廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院，2013.

［7］劉學(xué)明，陳光達，李正大.基于CBR的飛機機械故障診斷專家系統(tǒng)研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008，9（9）：115－117.

［8］中國民用航空飛行學(xué)院廣漢分院.MA600維修審查委員會報告［R］.廣漢：中國民用航空飛行學(xué)院，2010.