（机械工程专业论文）基于本体的设备维护知识表示与检索研究.pdf

硕l 学位论文 摘要 设备维护既是保证制造企业经营成功的关键因素，也对社会的可持续发展有 重要意义；提升企业的设备维护水平不仅有助于企业实现其经营目标，也将推动 生产、环境与社会的和谐发展。 维护知识管理是设备维护领域的重要研究内容，其中如何对维护知识进行有 效表示与检索是维护知识管理的一个关键环节。借鉴知识管理领域本体研究的成 果，本文将本体引入到设备维护领域知识表示与检索中，深入探索了设备维护知 识本体的表示方法以及基于本体的设备维护知识检索方法，主要研究工作和创新 性研究成果有： 1 、在分析设备维护领域知识构成和特点的基础上，借鉴自定义产品的本体表 示模型，构建了基于本体的设备维护知识表示三层模型框架。基于上述框架，提 出了基于本体的设备维护知识表示方法，并以设备维护知识中维修经验知识表示 为例，阐述了该方法的实现过程。采用o w l 对设备维护知识本体进行统一的表 示，实现本体的语义描述。 2 、针对传统知识检索中基于关键词检索技术的不足，设计了基于本体的设备 维护知识检索的模型与框架。重点研究了设备维护知识匹配算法，在此基础上， 设计了强弱属性匹配和综合匹配相结合的维护案例本体匹配方法。 3 、在基于本体的表示和检索方法理论研究基础上，以某石化企业的大机组群 监测系统为应用背景，开发了基于本体的维护决策支持模块( m d s m m a i n t e n a n c ed e c i s i o ns u p p o r tm o d u l e ) ，实现了基于本体的知识表示和基于语义的 知识检索，验证了所提出的基于本体的设备维护知识表示与检索的有效性和正确 性。 本文的初步研究工作表明，将本体理论和方法应用于设备维护知识管理领域 是可行、有效的。 关键词：设备维护；本体；知识表示；知识检索 i i 基于本体的设稀维护知识表示与榆索研究 a b s t r a c t e q u i p m e n tm a i n t e n a n c ei sn o to n l y ac r i t i c a lf a c t o ri nt h es u c c e s so f m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，b u t a l s oo fg r e a t s i g n i f i c a n c e i nt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y u p g r a d i n gt h el e v e lo fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c ew i l ln o t o n l yh e l pe n t e r p r i s e sa c h i e v et h e i rb u s i n e s so b je c t i v e s ，b u ta l s o w i l lp r o m o t et h e h a r m o n i o u sd e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ，e n v i r o n m e n ta n dt h es o c i e t y a sm a i n t e n a n c ek n o w l e d g em a n a g e m e n ti sa ni m p o r t a n ti s s u eo fe q u i p m e n t m a i n t e n a n c ef i e l d ，r e p r e s e n t a t i o na n dr e t r i e v a lt h em a i n t e n a n c ek n o w l e d g ee f f e c t i v e l y i st h ek e yl i n ki nt h i sf i e l d t a k i n gt h eo n t o l o g yr e s e a r c hr e s u l t su s e di nk n o w l e d g e m a n a g e m e n tf i e l df o rr e f e r e n c e ，o n t o l o g yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ot h ee q u i p m e n t m a i n t e n a n c ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na n dr e t r i e v a l ( e m k r r ) ，a n daf u r t h e r e x p l o r a t i o no ft h em e t h o d so fe m k r rb a s e do no n t o l o g yi sm a d ea sw e l l t h em a i n w o r k sa n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c e r e s o u r c e ，a sw e l la sr e f e r r i n gt h eo n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o nm o d e lo fc u s t o mp r o d u c t s ， t h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nf r a m e w o r ko ft h r e e l a y e rm o d e l b a s e do no n t o l o g yi sb u i l t b a s e do nt h ea b o v ef r a m e w o r k ，t h em e t h o do fe q u i p m e n t m a i n t e n a n c ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nb a s e do no n t o l o g yi s p r o p o s e d t h e n ，t a k i n g t h em a i n t e n a n c ee x p e r i e n c ek n o w l e d g ea sac a s e ，t h er e a l i z a t i o np r o c e s so ft h i s m e t h o di s e x p o u n d e d f i n a l l y ，t h eo w l i su s e dt ou n i f ye x p r e s st h ee q u i p m e n t m a i n t e n a n c e k n o w l e d g eo n t o l o g y ，w h i c h r e a l i z e st h es e m a n t i c d e s c r i p t i o n o f o n t o l o g y ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lk n o w l e d g er e t r i e v a lw h i c hb a s e d o nk e y w o r ds e a r c ht e c h n o l o g y ，t h em o d e la n ds t r u c t u r eo fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c e k n o w l e d g er e t r i e v a lb a s e do no n t o l o g ya r ed e s i g n e d m o r e o v e r , o nt h eb a s i so fk e y r e s e a r c hw o r ko nt h em a t c h i n ga l g o r i t h m sf o re q u i p m e n tm a i n t e n a n c ek n o w l e d g e ，t h e m e t h o do fm c o m a t c h i n gi sd e s i g n e db yc o m b i n a t i o no fs t r o n ga n dw e a ka t t r i b u t e m a t c h i n ga n dc o m p r e h e n s i v em a t c h i n g ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f o n t o l o g y b a s e dk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n a n dr e t r i e v a l m e t h o d s ，t a k i n gap e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e sg r o u p m o n i t o r i n gs y s t e ma st h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h em d s m i sd e v e l o p e d ，w h i c h r e a l i z e st h eo n t o l o g y b a s e dr e p r e s e n t a t i o na n ds e m a n t i c - - b a s e dr e t r i e v a lo fe q u i p m e n t i i i 硕i j 学位论文 m a i n t e n a n c ek n o w l e d g e t h em d s mv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dt h e o r ya n d m e t h o do fe m k r rb a s e do no n t o l o g y t h er e s e a r c hw o r k si nt h i st h e s i sh a v ep r o v e dt h a tt h eo n t o l o g i c a lt h e o r ya n d m e t h o d su s e di nt h ef i e l do fe q u i p m e n tm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n ti sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：e q u i p m e n tm a i n t e n a n c e ；o n t o l o g y ；k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ； k n o w l e d g er e t r i e v a l i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：诗瑾蓉 日期：p 哆年岁月，；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：了午理誊 导师签名 日 日 b 岁 月 月 夕 厂 年年 卿砷 期 期 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 随着日益激烈的市场竞争和制造业的全球化趋势，制造企业的设备维护能力 日益成为决定企业核心竞争力的重要因素。按照英国标准3 8 1 1 号的定义，维护 ( m a i n t e n a n c e ) 被描述为“为确保设备( 包括设施和装备) 能履行其期望功能或是恢 复其期望功能所进行的所有活动，期望功能包括设备用户对设备能力及其程度的 要求 i lj ，以此为基础，文献【2 】给出了设备维护( p l a n tm a i n t e n a n c e ) 的扩展定义： 即设备维护是企业( 部门) 依据其生产经营目标，综合地考虑安全、环境保护和资 源合理利用等各种因素，动员全体成员参加，通过各种技术、经济、管理手段的 相互配合，使包括企业生产设备、设施、系统及产品在内的实体，在寿命周期内 保持或恢复自身功能的过程。 设备维护管理是一个不断优化的过程，需要根据设备维护的历史资料，不断 分析、研究影响设备故障的主要因素，不断调整、优化设备维护策略，更好地对 生产设备进行维护和管理，减少设备故障发生，保证生产的顺利进行，提高整体 生产效率。为了能够制定合理、正确的设备维护策略，必须对设备维护的知识、 信息、资源有一个清晰的定义【3 】。特别是随着信息化管理的发展，制造业积累了 大量数据，越来越多的企业希望能从这些历史数据中挖掘出“宝藏，也就是将操 作型数据转变为决策型数据，为决策提供依据【4 】。对这些资料应用科学的方法进 行收集、加工、整理、分析、统计和分析，不但可以极大的提高管理效率，而且 可以从这些数据中发现规律，掌握设备的故障规律、备件的消耗规律，从而指导 维护工作的进行和控制备件的库存，提高企业的市场竞争力。 设备维护是设备管理的核心构成内容，是设备全生命周期管理的一个重要环 节【5 】。其本质是一个多约束条件下的多目标决策问题，所有维护知识的核心价值 在与它能提高维护决策的科学性和实时性。设备维护决策的内容主要包括设备的 状态评估和维修决策，前者涉及到设备的工作状态数据、设备的结构信息和设备 的故障诊断知识，后者将用到设备的维修经验、维修规范、生产计划以及当前维 护人员、工具、备配件信息等内容。维护知识是结构化的经验以及信息，也包含 专家的见解，其核心价值是能够提高维护决策的科学性和实时性。 基于维护知识在维护决策中的重要性，维护知识管理一直是维护领域的重要 研究内容。如何对维护领域中的结构、半结构化的信息以及知识进行结构化的有 基于奉体的设冬维护知识表示+ j 柃索研究 效表示，以促进知识的共享与重用，是维护知识管理的一个关键环节。 传统信息检索技术都是基于字词的关键词查找和全文检索技术，主要借助于 目录、索引和关键词等方法来实现。此技术简单、快捷，但仅用单一的词或词组 对信息资源进行检索，存在“忠实表达 、“表达差异 、“词汇孤岛等问题i 引。 总之，在信息快速增长的今天，传统信息检索机制由于缺乏必要的智能性，难以 满足用户的要求，而设备维护知识检索是信息检索技术在具体领域的应用i 也存 在同样的问题。 1 1 2 研究意义 设备维护不仅仅是一种生产技术方式，更是一种企业经营、管理和运作的模 式，涉及到技术、经济、组织和管理等多个层面。怎样对设备维护知识进行行之 有效的管理，发挥其巨大的作用，则显得尤为重要。常用的知识表示方法有谓词 逻辑表示法、框架表示法、产生式规则表示法、脚本、语义网络表示法、面向对 象表示法和本体( o n t o l o g y ) 等【7 郴】。 从表1 1 可见，谓词逻辑表示法、框架表示法、产生式规则表示法、脚本、 语义网络表示法和面向对象表示法都有着不同程度的不足，难于直接应用于设备 维护领域的知识表示。 本体的概念起源于哲学领域，是共享概念模型的明确的形式化规范说明【l 引。 本体定义的核心是在把握事物本质的基础上，通过抽象事物类型及其关系约束的 明确定义，实现复杂认知知识的规范描述【1 5 】。本体在知识表示领域具有表达准确、 规范和结构清晰等特点，利于知识的重用与共享。近年来，研究人员把本体概念 引入到知识工程中，从而实现了知识的共享性、互操作性、可维护性和重用性等 功能，已广泛应用于知识工程、信息技术、人工智能、医药工程和机械工程等领 域。 由于设备维护知识本身固有的复杂特性、庞大的数量和其重要的地位与作用， 企业设备维护人员和该领域专家很难全部掌握这些纷繁复杂、大量的知识。因此， 如何适应现代制造业对设备维护管理提出的更高要求，科学地对设备维护知识进 行管理，充分利用企业现有的设备维护知识资源，提高维护知识的管理水平和企 业的竞争力是非常重要的。本文将本体引入到设备维护领域知识的管理中，较好 地解决了设备维护领域知识的共享与重用难题，提高设备维护管理与检索效率。 本文的研究为设备维护领域知识表示的研究提供了新的思路和方法。 硕一j j 学位论文 谓词逻 辑 产生式 规则 框架 脚本 语义网 络 面向对 象 本体 p ( x l ，x 2 ，x n ) ，其中p 是谓词； x 1 ，x 2 ，x n 是个体( 常量、变元 或函数) i f ( 前提1 ) & ( 前提2 ) & t h e n ( 结论 1 ) & ( 结论2 ) & 框架名： 槽名l ： 侧面名1 1 ：侧面名1 1 值 侧面名1 t 1 ： 槽名n ： p 结构类似于框架 三元组：( 节点1 ，弧，节点2 ) 其中， 有向图的节点表示名事物、概念、 属性、动作、状态等；有向弧表示 它所连接的节点间的某种语义联 系，每个节点可以带有若干属性 四元组 ：= ( i d ，d s ，m s ， m i ) ，其中i d 代表对象标志符、d s 代表数据结构、m s 代表方法集合、 m i 代表消息接口 由概念类、关系、函数、公理和实 例5 种元素构成，其中概念可形成 一个分类层次，并通过关系、函数、 公理来表达概念之间或函数之间的 关联、约束 虽然有较强的逻辑推理，但只能从语法层 面上进行逻辑推理，达不到对所描述的资源 的语义理解 模块性好，通用性强。但在模糊匹配中， 当产生式规则数据很大时，匹配时间过长， 不适合大型知识库的推理 易于表达结构性知识，但不关于表达过程 性知识，在描述复杂信息的时候过于繁琐， 而且不利于计算机自动化处理 善于表达固定的事件序列，对某些专门知 识更有效，局限性大 善于表达结构性知识，但对知识表达的非 严格性，不能保证不存在二义性。由于自身 的灵活性和非严格性所带来的知识处理的 复杂性 表示类之间的关系较少，这种方法还在进 一步的研究中，不是非常的成熟 能对知识进行无二义的描述，是知识工程 领域研究的新方向，有较大的研究和实用价 值 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 设备维护管理研究现状 设备维护与管理的信息化伴随着信息技术的不断发展已逐渐成为设备维护与 管理整体改进的重要途径，就整体而言设备维护与管理的信息化包括计算机维护 3 綦于奉体的设薪维护知识表示j 柃索研究 管理系统c m m s ( c o m p u t e r i z e dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m s ) 和企业资产管理 系统e a m ( e n t e r p r i s ea s s e tm a n a g e m e n t ) l 蘸j 个完整解决方案。c m m s 强调为企业提 供从设备选型和安装、润滑和维护、运行状态监控、质量控制、早期故障预警和 诊断分析到设备修复和再加工等“一揽子 解决方案，其核心是设备维护与管理 流程的信息化；e a m 以企业的资产设备为主要管理对象，按照定期检修、状态检 修、缺陷管理、技术改造、故障检修和停机大修等各种维护策略，建立以维修工 单为核心的计划、执行和分析管理制度，旨在实现资产的高效、可靠和安全运行 【1 6 1 o 设备维护与管理的信息化研究大致分为三个方面，其一是基于信息技术和维 护策略进步的设备维护与管理信息系统改进研究，其基本内容是将信息科学和维 护策略的最新进展应用于设备维护与管理信息系统的开发与实施中；其二是着眼 于设备维护与管理相关信息化系统的整合与集成，以便解决多个异构系统信息资 源的高效利用问题；其三是专注于特定设备维护与管理信息系统及其支撑技术研 究，这些特定的系统包括大机组的在线监测系统、装置的点( 巡) 检管理系统、设 备故障的专家诊断系统、设备管理的绩效评估系统和维护决策支持系统等。 于德介等【1 7 】贝i j 以c i m 哲理为指导设计了设备集成维护与管理系统，研究了 其网络体系结构、运行工作流程和集成技术特性，探讨了系统实现所需的建模、 知识库构建和w 曲数据访问等关键技术。刘坚等【1 8 】综合信息科学与管理科学的研 究进展，提出了设备e 维护的概念，系统论述了e 维护的设备e 封装、工作流管 理、联盟的构建协调与运作和绩效评估等关键使能技术。h o l l a n d 【l 州借助 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展标记语言) 技术在b p 石油公司构建了基 于i n t e r n e t 的分布式设备维护与管理系统。以s a p 为代表的诸多e r p 厂商也不断 丰富其产品的p m ( p l a n tm a i n t e n a n c e ) 功能，从而支持设备维护的企业信息管理集 成。 1 2 2 设备维护知识研究现状 在知识管理领域，知识表示的主要目的是抽取知识中隐含的事实、关系及逻 辑架构，将知识( 如对象及概念等) 与其之间关联利用分级或推理规则表示，以便 于使用者识别、理解和应用知识。目前设备维护领域对维护知识的表示方法研究 工作较少【2 0 。2 6 1 。文献 2 4 】采用面向对象和产生式规则相结合的方法表示诊断知识， 提高了故障诊断的准确性；文献 2 5 采用p e t r i 网表示维修资源知识；文献 2 6 1 采 用框架与规则集成的知识表述方法表示维修知识。以上方法都能够在一定程度上 实现维护知识表示，但仍然存在以下的不足：对领域中的问题、术语及其相互 关系的描述通用性不足，由于维护知识的多样性和异构性，客观上要求建立更规 范和通用的知识表示方法；对复杂的维护概念及其关系上的推理能力和灵活性 硕f ：学位论文 不足，例如规则式表示方法虽然具有灵活性，但难以表示较复杂或完整的知识； 框架式表示方法虽然容易表示知识的层次性关系，但缺乏灵活性；采用以上表 示方法建立的知识库，随着知识的大量累积，往往变得庞大而不易于管理。为此， 有必要采用更完善的知识表示方法来改进以上的不足，以提高维护知识的管理水 平，促进维护知识的进一步重用与共享。 1 2 3 本体的研究现状 目前本体在国内外研究异常活跃，国内外许多著名的大学和科研机构都在从 事本体的研究。其中国外比较著名的有：斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 的 k s l ( k n o w l e d g es y s t e ml a b o r a t o r y ) 实验室创建了一种o n t o l o g y 描述语言一 d a m l ；卡尔斯鲁厄大学( u n i v e r s i t yo fk a r l s r u h e ) 的a i f b ( i n s t i t u t eo fa p p l i e d i n f o r m a t i c sa n df o r m a l d e s c r i p t i o nm e t h o d s ) ，代表项目有o n t o w e b 和 o n t o - k n o w l e d g e ；多伦多大学( u n i v e r s i t yo ft o r o n t o ) 的e i l ( e n t e r p r i s ei n t e g r a t i o n l a b o r a t o r y ) 实验室等。国内有：中国科学院计算机技术研究所大规模知识系统的 研究 2 7 , 2 8 】、中国科学院数据研究所常识知识库的研究【2 9 1 、浙江大学人工智能研究 所基于本体的产品信息集成研究等p 0 。 从总体上来看，当前对本体的研究包含3 个层次上的内容1 3 l 】： 1 、本体论工程。其主要目的是研究和开发本体的内容，包括两个方面，其一 是研究和创建特定领域的本体库，其二是研究和建立通用知识的( 或常识知识的) 本体库。 2 、本体的表示、转换和集成。研究用于表示各种本体的知识表示系统，提供 形式化方法和工具，使所建立的本体能够方便地被共享和重用，提供不同的本体 评价和比较框架，研究不同本体之间的转换方法和不同本体的集成方法，提供不 同本体之间互操作的手段。 3 、本体的应用。主要研究以特定领域本体或通用知识本体为基础的应用。在 电子商务、信息集成、信息检索、企业管理等领域都得到了广泛的研究。 由于多方面的原因，目前在设备维护知识领域仍然缺少一个对该领域资源进 行有效描述的本体标准，因而探讨开发设备维护知识本体技术，构造一个标准的、 可扩展的设备维护知识本体，更好的实现对该领域资源的共享和重用是势在必行 的。本论文首先对设备维护领域知识构成和特点进行分析，将本体引入到该领域 中，设计了基于本体的设备维护知识表示方法，为设备维护领域知识资源提供新 的描述标准，然后开发了一个基于本体的设备维护知识语义信息检索系统，并应 用于某石化企业大机组群监测系统中，验证基于本体的维护案例表示和检索的可 靠性，探索设备维护知识本体的技术，以推动设备维护领域知识本体标准的建立 及其在该领域的应用。这将在以后的章节中进行详细的讨论。 基于奉体的设备维护知识表示j 检索研究 1 2 4 本体应用的适用性 知识的数字化表示是指以计算机能识别的方式对知识进行有效地存储和处 理，数据结构和控制结构的统一是知识表示的基础，存储的简洁性和应用的方便 性是评价知识表示方法优劣的主要标准。个好的知识表示法应具备以下性质【9 j ： 1 、表达充分性。具备确切表达有关领域中各种知识的能力； 2 、推理有效性。能够与高效率的推理机制密切结合，支持系统的控制策略； 3 、操作维护性。便于实现模块化，并检测出矛盾的及冗余的知识；便于知识 更新和知识库的维护； 4 、理解透明性。知识表示便于人类理解，易读、易懂，便于知识的获取。 维护知识的准确表示是实现维护的前提和基础，选取合适的表达方法极其重 要。常用的知识表示方法有一阶谓词逻辑表示法、框架表示法、产生式规则表示 法、语义网络表示法和面向对象表示法等。这些知识表示方法都已应用于相关领 域的知识表示中，但在设备维护知识领域，如表l 所示，上述方法尚存在不适应 性。因此，难以直接应用于设备维护领域的知识表示。 在一般的知识管理系统的信息检索模块中，信息检索算法所采用的只是基于 语法层面上字、词的简单匹配，而缺乏对知识的表示、处理、和理解能力。解决 这些问题的关键在于把检索信息从基于关键字的语法匹配提升到基于知识层面的 语义匹配i 强j 。 本体的核心是在把握事物本质的基础上，通过抽象事物类型及其关系约束的 明确定义，实现复杂认知知识的规范化描述。采用本体表示和检索维护知识能较 好的克服上述局限性，其主要原因如下f 1 5 , 3 3 , 3 4 】： 1 、本体通过类或概念明确的定义设备维护知识，其具有的公共词汇和清晰化 隐含术语的特点能够满足设备维护知识多样性的要求； 2 、本体具有的丰富概念间关系和各种约束，可定义设备维护知识之间多种多 样的关系及设备维护知识与其属性间的关系，适宜于表示设备维护知识之间的关 联性； 3 、本体具有良好的概念层次结构，并采用扩展的标记语言技术实现知识的表 示，使其所表达的知识满足维护知识可扩展性和开放性的特点； 4 、本体具有对人类活动的假设或设想等隐含知识进行清晰化表示( 而非仅仅 解释) 的特点，使其能很好的清晰化不确定性知识。 此外，本体还是实现语义网的基础，能够为互联网环境下知识的共享与重用 提供技术使能，与互联网环境下设备维护知识的表示要求相吻合，有助于实现在 线化维护工作方式。 硕上学位论文 1 3 论文的主要研究内容和章节安排 1 3 1 论文的主要研究内容 鉴于设备维护对社会发展和企业经营的重要价值，其改进研究多年来一直是 机械工程领域和管理工程领域的研究热点，而设备维护知识表示与检索又是设备 维护的前提与基础。维护知识的表示不仅要明确、简洁、可理解和可扩展，而且 还要做到有利于维护知识的共享与重用。维护知识的检索要保障查准率和查全率。 基于本体的设备维护知识表示和检索方法是解决这一问题的有效途径。本文通过 对设备维护知识的构成与特点的分析，以维修经验知识为例，设计了维修经验知 识的本体表示方法，完成了设备维护知识中维护经验知识的准确表达。根据设备 维护知识检索基本思想，设计了设备维护知识检索框架，对文字概念匹配算法、 句子匹配算法和数值匹配算法进行了重点研究，提出了维护案例本体匹配方法。 利用j a v e + j e n a 技术编程开发了基于本体的维护决策支持模块( m d s m m a i n t e n a n c ed e c i s i o ns u p p o r tm o d u l e ) ，并成功应用于实际系统，为设备维护领域 知识表示与检索的研究提供了新的思路和方法。 1 3 2 论文的章节安排 围绕论文的研究目的和研究内容，本文的总体安排如下： 第1 章绪论：主要综述了设备维护管理、知识表示与检索和本体的现状，对 目前主要的知识表示方法进行了回顾，并指出当前的研究存在的不足。在此基础 上，作者认为，对于设备维护知识的表示与检索，特别针对设备维护知识经验性 的特点，应该寻找一种有效的适于专家监测人员共同理解的表示方法来表示设备 维护知识，提高检索的效率，从而引出了本文的研究目的和主要研究内容。 第2 章本体概述及构建方法：重点论述了本体的理论方法，研究了本体的基 本原理、建模原语及构建方法等相关知识。经过研究和总结发现，本体具有共享 性、概念化、形式化和明确的特点，适合于知识的表示与检索。通过对本体描述 语言分析比较，无论表示能力、还是语言的可扩展性、开放性，o w l 具有较好的 综合指标，所以本文采用o w l 作为设备维护本体描述语言。通过对本体建模工 具分析，p r o t 6 9 6 由于提供了本体构建的基本功能、使用简单方便等优点，而成为 本文构建设备维护知识本体的首选工具。 第3 章基于本体的设备维护知识表示方法：分析了设备维护知识的构成，针 对设备维护知识多样性、关联性、可扩展性和不确定性的特点，提出了基于本体 的设备维护知识表示框架，包括元本体层、知识表示层和实例层的三层模型结构。 设计了设备维护知识的表示方法，提出了基于本体的维护案例表示方法，包括本 体的定义、类及类的层次划分、类属性设置、编码和维护约束知识的建立等。采 基于奉体的设备维护知识表，j j 榆索研究 用p r o t 6 9 6 构建设备维护知识，o w l 形式化表示设备维护知识。实现了设备维护 知识的准确表示。 第4 章基于本体的设备维护知识检索：首先针对知识检索面临的问题，介绍 了设备维护知识检索的基本思想；接着为解决目前知识检索存在的不足，设计了 基于知识的多视图设备维护知识检索框架，该框架由设备维护知识检索、检索引 导知识库和设备维护知识库三大部分组成。最后，针对检索的本质是用户检索需 求与系统知识项之间的匹配问题，重点研究了设备维护知识检索中所涉及到的关 键匹配算法：文字概念匹配算法、句子匹配算法和数值匹配算法，提出了强弱属 性匹配和综合匹配方法实现对维护案例本体的检索匹配。 第5 章基于本体的维护决策支持系统的实现与应用：结合背景企业大机组群 监测的需求，将本文方法应用到系统的维护决策模块中，实现了设备维护知识的 共享与重用以及维护案例的精确检索。 最后部分是结束语，对全文进行了总结展望。 硕：l 学位论文 2 1 引言 第2 章本体概述及构建方法 本体概念最初起源于哲学领域，可以追溯到公元前古希腊哲学家亚里士多德 尝试对世界上的事物分类。在哲学中把本体定义为“对世界上客观存在物的系统 地描述，即存在论”。本体关注的是“存在 ，即整个现实世界在本质上有什么 样的东西存在，或者世界存在哪些类别的实体。所以，哲学上的本体是关于客观 世界的一个特定分类体系，它研究客观事物存在的本质，这个体系并不依赖于任 何特定的描述语言【3 5 卅l 。 在近一二十年来，本体概念被广泛地引用到人工智能( a i ) 和知识工程( k e ) 等 领域，用于知识表达、共享及重用。这些需要开发一个领域共享的、公共的概念 以实现知识共享和重用。在人工智能领域，本体通常被称为领域模型( d o m a i n m o d e l ) 或概念模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) ，是关于特定知识领域内的各种对象、对象 特性以及对象之间可能存在的关系的内容理论。本体通过对应用领域的概念和术 语进行抽象，形成了应用领域中共享和公共的领域概念。在知识工程领域，n e h c e s 等人最早给出本体的概念，他们将本体定义为：相关专题的基本术语和关系，以 及利用这些术语和关系构成该专题规则的集合。具体地说，某个领域的本体就是 关于该领域的公认的概念集，该概念集包含确定的语义和概念之间的关系，概念 是采用本体表示。 本章将系统的介绍本体的概念以及建立一个本体模型所要涉及到的基础理论 知识。主要从本体定义、本体的作用、本体建模元语、本体的构建原则及方法、 本体建模语言以及本体建模工具这六个方面进行阐述。 2 2 本体概述 2 2 1 本体的概念 本体最早是一个哲学的范畴，随着人工智能领域的运用，被人工智能领域赋 予了新的定义，比较有代表性的定义【3 8 。4 0 1 如表2 1 所示。 s t u d e r 给出的定义体现了本体的四层含义【4 1 】： 1 、概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：通过抽象出客观世界中一些现象 ( p h e n o m e n o n ) 的相关概念而得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态。 2 、明确( e e x p l i e i t ) 所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。 3 、形式化( f o r m a l ) ：本体是计算机可读的。 幕于奉体的设备维护知识表示j 检索研究 4 、共享( s h a r e ) ：本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认 的概念集，它所针对的是团体而不是个体。 表2 1 本体的代表性定义 本体的目标是捕获相关的领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定 该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇( 术语) 和 词汇之间相互关系的明确定义。 2 2 2 本体的分类 由于目前研究本体的机构和组织很多，对本体定义各自抓住了本体的各个方 面的特性，因此存在着不同本体的分类方式。这里主要介绍三种典型的分类方式， 第一种是根据本体的通用性级别，在建立一个基于知识系统的过程中，按所实现 功能的不同确定本体的不同类型f 4 2 1 ；第二种是本体定义时，按照概念化的结构数 量和类型进行分类【4 2 】；第三种是根据本体所刻画和描述的现实世界的不同方面进 行分类【4 3 1 。 第一种分类方式把本体分为以下四种类型： 1 、领域本体：针对特定的应用领域抽象该领域知识的结构和内容( 包括领域 知识的类型、术语和概念) ，并对其加以约束，形成描述特定领域中具体知识的基 础。 2 、通用或常识性的本体：通过获取现实世界的通用性知识，提供基本的术语 和概念，如时间、空间、状态、过程、事件和行为等。显然，通用本体定义的概 念适用于几个领域，在不同领域通用。 3 、应用本体：主要针对特定应用领域知识建模的抽象定义。一般应用本体是 种概念的混合，这些概念来自领域本体和通用本体，且可能包括特定方法和特 定任务的扩展。 4 、表示本体：主要基于知识形式化表示的概念化描述，而不面向任何特定的 领域。表示型本体提供了表示性的中性实体，即：提供的是表示框架，而不是具 体描述什么以及如何表示。这样，可以使用表示本体提供的原语对领域本体和通 硕十学位论文 用本体进行描述。 第二种分类方式把本体分为以下三种类型： 1 、术语学本体：与词典类似，从不同方面定义了表示知识的术语。 2 、信息本体：定义了数据库的记录结构，例如数据库模式。 3 、知识建模本体：定义了知识的概念化。与信息本体相比，知识建模本体具 有更加丰富的内部结构，通常，知识建模本体适用于表示特定的知识。 第三种分类方式把本体分为以下四种类型： 1 、静态的本体：描述世界中静态方面的特征，即存在事物的属性以及它们之 间的关系。 2 、动态的本体：描述世界中不断变化方面的特征，典型的原语概念包括对世 界状态、状态转换和过程的描述。 3 、意念型的本体：对世界基本术语的描述( 包括动机、意图、目标、信念和 选择等) ，典型的原语概念包括论题、目标、支持、否决和主体等。 4 、社会型的本体：主要对社会结构、组织结构主联盟等的描述，通常使用行 为者、位置、角色、权威和承诺等原语概念进行表示。 上面的本体类型获取的是独立于问题的解决方式，然而，知识工程还包括一 些关于问题解决方法的知识。因此，方法和任务本体在某些领域也得到越来越广 泛的运用。方法和任务本体从领域知识的角度提供了一种描述推理原语的方法， 把动态推理行为表示为一种本体的抽象。 2 2 3 本体的作用 本体提出的最初目标是实现知识的共享、重用和集成，这也是本体的主要作 用和研究本体的意义所在。本体为需要实现共享领域知识的研究者们提供了一组 公共的可共享的形式化领域概念。其具体作用如下【4 4 】： 1 、提供通用术语。本体提供了描述客观世界的标准概念和术语，并且这些术 语是通过了严格的定义，得到共同认可。 2 、形式化隐性知识。隐性知识主要是指存在于群体生活环境中的、人们日常 无意识使用的概念术语和专家知识。 3 、知识体系化。本体为知识体系化提供了严密定义、群体共识的概念和术语 的构件。通过这些构件能丰富的描述各种现象、事实和理论知识。 4 、标准化。如工业标准化在工业生产中所起的决定性作用一样，本体在网络 化、大规模化、高效率知识处理中发挥着重要的作用。 5 、设计原理描述。产品设计是一种非单调的知识组织过程，为了更好地理解 最终设计结果，需要索引与设计相关的大量知识源。本体具有的上下文关系、使 用条件和横向联系等知识描述能力，能够方便地描述设计中的因果关系、推理方 桀于奉体的设备维护知识表，j j j 柃索研究 法等设计信息，全面的表达设计者意图。 6 、元模型。模型实体存在的抽象，模型的组成来自于实体存在的概念以及其 之间的关系。元模型是组成模型最小集。 7 、内容的理论。根据问题求解的数据结构、数据处理和数据视图三阶段划分， 本体是研究数据结构或系统内容的理论。 以上本体的作用可归纳为以下两点： 1 、支持知识交流。对本体的分析澄清了领域知识的结构，为知识表示打好基 础。本体的重用性避免了对领域知识的重复分析。通过本体构建的统一框架或者 规范模型，减少概念和术语上的差异，这样使工作在不同领域或者应用不同操作 平台的人员之间信息的共享和交换成为可能。 2 、支持不同系统之间的互操作。在不同的建模方法、语言、范式和软件工具 之间进行翻译和映射，实现不同系统之间的互操作和集成。这种应用可进一步分 为两类：低概念化本体和高概念化本体。前者只要求操作者使用相同的词汇，但 不能保证他们对于同一词汇( 或者知识) 有相同的解释或理解，这种本体一般不包 含语义信息。后者是对知识表示语言的构建和约束作形式化的语义解释，使使用 者之间进行语义层次上的知识的共享和互操作成为可能。 2 3 本体的建模原语 2 3 1 建模单元 为研究如何用本体来组织表示知识，p e e r z a t 4 0 1 等人用分类法描述本体，归纳 了5 个基本的建模元语( m o d e lp r i m i t i v e s ) ： 1 、类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) - 指任何事务，如工作描述、功能、行为、 策略和推理过程等。从语义上讲，表示的是对象的集合，其定义一般采用框架 ( f r a m e ) 结构，包括概念的名称、概念之间的关系的集合，以及用自然语言对概念 的描述。 2 、关系( r e l a t i o n s ) ：表示领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n 维笛 卡儿积的子集：r ：g c 2 c 。在语义上关系对应于对象元组的集合。 3 、函数( f u n c t i o n s ) ：表示特殊的关系。该关系的前n 1 个元素可以唯一决定 第n 个元素。形式化的定义为f ：g g q 一专q 。 4 、公理( a x i o m s ) ：表示永真断言。 5 、实例( i n s t a n c e s ) ：表示元素。从语义上看实例表示的就是对象。 2 3 2 概念之间的关系