基于本體的汽輪機虛擬檢修知識管理系統(tǒng)研究

趙春暉，董 澤，王澤軒，張 悅，張欒英，高 鵬

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

0 引言

近年來，產(chǎn)生了眾多的知識表示方法，本體作為知識表示的方法之一在知識表示領域具有表達準確、規(guī)范和結(jié)構清晰等特點。在使用過程中能夠更好地完成知識的重用與共享，本體（ontology）的概念起源于哲學領域，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系約束的明確定義，實現(xiàn)復雜認知知識的規(guī)范描述［4］。文獻［5-6］闡述了在設備維護領域基于本體對維護知識的表示方法。于德介，周安美等提出基于本體的故障診斷知識管理系統(tǒng)模型，為企業(yè)用戶提供精確的知識檢索和診斷決策服務［7］。劉堅等設計了維護案例本體表示方法。采用OWL 對維護案例本體進行統(tǒng)一的形式化描述和表示，較好地解決了維修經(jīng)驗知識的共享與重用難題［8］。近年來，研究人員把本體概念引入到知識工程中，從而實現(xiàn)了大大提升了知識的共享性，互動性以及重用性。目前，本體已廣泛應用于知識工程、信息技術和人工智能等領域［9］。

將本體知識表達引入到虛擬現(xiàn)實領域，結(jié)合火電廠汽輪機檢修文件包信息源分散的特點，借鑒前人的研究經(jīng)驗搭建基于本體知識表示技術的大型汽輪機虛擬檢修知識表示框架。該框架模型能將檢修文件包中涉及的知識進行合理歸類結(jié)構化表示，并融入設備說明書、技術標準、歷史檢修記錄和經(jīng)驗數(shù)據(jù)。為設備虛擬檢修提供良好的表達功能和語義檢索功能。

1 本體與虛擬檢修領域知識表達

1.1 設計思想

汽輪機本身具有產(chǎn)品結(jié)構說明書、設備工藝以及設備檢修規(guī)程等文件。檢修工藝知識中還包括設備歷史維修數(shù)據(jù)，同時企業(yè)與專業(yè)檢修隊伍在工作過程中積累了大量的維修經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對指導設備檢修具有重要意義。

通過建立本體知識庫，知識庫內(nèi)包含各個子本體，表示各個模塊之間的關系。根據(jù)設備檢修文件包，提煉出檢修步驟，將設備的檢修內(nèi)容模塊化，構建本體知識庫具有良好的邏輯性和靈活性?；诒倔w的虛擬檢修知識管理設計框架如圖1所示。

1.2 本體的構成

本體的組成包括5 個要素［10］，可用O=｛C，R，F(xiàn)，A，I｝的五元組進行表示，即類或概念、關系、函數(shù)、公理、和實例。

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

圖1 基于本體的知識管理框架

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

有時丁主任看他一直守在倉庫邊，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 本體關系類型

通過虛擬檢修工藝知識具體內(nèi)容得歸納整理，將檢修工藝流程知識劃分成不同的模塊，并建立了對應的子知識庫，在子知識庫的基礎上構建了大型汽輪機虛擬檢修工藝知識本體。子知識庫包含了事件過程本體、檢修實體本體、狀態(tài)本體、原因本體、與檢修決策本體5 個本體模型。這些子本體之間互有關聯(lián)，共同構成了虛擬檢修知識體系。虛擬檢修領域知識之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 虛擬檢修領域知識間的聯(lián)系

定義概念及層次分類。以檢修工藝要求的知識表示分類為根本，進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本體及檢修過程中的全部信息。融合實體本體、狀態(tài)本體、過程本體、原因本體、決策本體于一身。

2）檢修實體本體，定義為電廠中檢修設備以及運行系統(tǒng)的三維虛擬模型以及運行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。

3）狀態(tài)本體，定義為設備主體檢修過程中以及系統(tǒng)運行過程中的相關量值和參數(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)運行工況變化。

5）原因本體，定義為當前待檢修設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檢修活動，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建

2.1 本體模型的構建

本體的定義是一個客觀存在的系統(tǒng)的解釋和說明［12］，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，本體這一概念越來越多用于科技信息領域。對于傳統(tǒng)的發(fā)電行業(yè)，汽輪機的虛擬檢修維護過程涉及的知識復雜，內(nèi)容繁多。并且檢修工藝步驟要求嚴格。分析處理程度高。檢修知識整體上是圍繞設備維修的基本知識進行的。針對汽輪機虛擬檢修知識庫的構建，首先對檢修知識進行分析整理，然后列舉汽輪機檢修基本知識，最后對基本知識進行分類和模塊化處理。

構建汽輪機三維模型領域本體，抽象出檢修工藝流程中檢修步驟和零件關系。將汽輪機三維模型、設備維修信與本體相結(jié)合，比如汽輪機的設計圖紙、檢修規(guī)程、待檢修設備的歷史維修數(shù)據(jù)、需要做出的維修調(diào)整、檢修指導等知識。在建立設備模型過程中，除了使用3DMax等建模軟件建模，還需要歸納整理出所有構件的材料材質(zhì)信息，具體到每一個零件的材質(zhì)。

根據(jù)以上對虛擬檢修知識表示模型的設計思想和檢修工藝知識自身的特點，本文采用本體編輯工具Protégé 來構建本體知識庫。Protégé 完全開源，且可視化界面進行操作，便于學習和使用。采用Protégé 5.5.0 版本構建虛擬檢修工藝知識表示文本框架如圖3所示。

圖3 構建虛擬檢修工藝知識表示框架

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 知識查詢的實現(xiàn)

OWL文檔采用XML格式保存，采用Qt中的DOM方式進行XML 解析。DOM 把XML 文檔作為樹結(jié)構來查看，能夠通過DOM 樹來訪問所有元素［12］。

由于軟件界面和OWL 文檔解析采用Qt 框架進行開發(fā)，Qt框架基于C++語言，所以首先要實現(xiàn)OWL本體文件到C++面向?qū)ο蟮霓D(zhuǎn)換。首先，需要對OWL 文檔中的各個節(jié)點進行分類整理，將不同類型的節(jié)點所包含的信息對應到C++中的類或者相關變量中，完成對象類的設計。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

汽輪機虛擬檢修知識表示模型包含設備三維模型、檢修工藝流程信息、檢修實例信息、設備相關的設計文件、設備零件查詢、材料查詢、檢修預案查詢、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。

解析出來的OWL 本體模型主要包括五個部分，分別為事件過程本體、原因本體、檢修實體本體，檢修決策本體和狀態(tài)本體。分別對應C++的五個類。各個類之間的繼承關系如圖7所示。

圖6 模型解析功能代碼

圖7 各個本體類之間的關系

其中檢修實體本體類作為父類，類內(nèi)主要包括使用3DMax 建立好的汽輪機組模型的文件，為三維模型的靜態(tài)屬性文件，包含設備的靜態(tài)特性，如設備貼圖、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備靜態(tài)信息的基礎上，還包含代表設備三維模型的動態(tài)屬性文件，如設備的位置信息、動作信息和過程信息。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，其中包括檢修過程中的所有相關信息。狀態(tài)本體作為決策本體類內(nèi)屬性表示設備的相關參數(shù)信息。

解析完成后的汽輪機虛擬檢修知識表示模型可以查找所有檢修實例信息、設備相關的設計文件、設備零件查詢、材料查詢、檢修預案查詢、維修歷史數(shù)據(jù)等維修信息，如圖8所示。

以中壓轉(zhuǎn)子軸徑楊度測量檢修方案為例，當輸入關鍵字完成檢修方案查詢，確定檢修計劃后，結(jié)合汽輪機三維數(shù)字化檢修平臺，檢修人員可以通過鼠標、鍵盤等交互方式顯示設備的維護過程，并且界面右側(cè)對應設備的維修計劃等。通過本體知識模型以及三維模型的骨骼動畫向檢修人員立體直觀的傳遞設備檢修工藝流程，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域知識的利用效率，檢索維修設備名稱尋找對應的設備信息、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、維修前準備等一系列信息，縮短了汽輪機檢修的周期，提高了企業(yè)檢修的工作效率。

3 結(jié)語

對汽輪機虛擬檢修文件包知識進行了合理的定義和分類，并且融入設備說明書、技術標準、檢修預案、歷史檢修記錄和經(jīng)驗數(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、檢修實體本體與檢修決策本體五個領域本體模型，為虛擬檢修行業(yè)知識提供了快速檢索功能，通過檢索所要維修的設備名稱尋找對應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、維修前準備等一系列信息，為檢修過程及工藝標準的虛擬現(xiàn)實呈現(xiàn)提供技術支撐?？s短了汽輪機檢修的周期，提高了企業(yè)檢修的工作效率。