航空武器装备智能化IETM系统的设计与实现

董建刚 ， 张 峰 ，2

（1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000；2.西北工业大学 自动化控制学院，陕西 西安 710065）

技术资料作为武器装备综合技术保障的十项要素之一，不仅是武器装备设计、使用、保养、维修和人员培训的依据，而且是规范使用和维护人员操作行为的法规[1]。为解决传统纸质技术手册的不足和降低武器装备全寿命周期费用，交互式电子化技术手册 （Interactive Electronic Technical Manua1，IETM）于20世纪90年代应运而生，其主要目的是采用标准化数据格式和自动化编制系统实现技术资料的数字化和自动化的编制、更改、管理、发布和使用。由于具有功能多样化、表现能力强、查询方便、版本更新容易、能即时远距离传输、多用户能同时阅读或维护等诸多优点，IETM现已成为武器装备持续采办和全生命周期支持（Continuous Acquisition and Life-Cycle Support，CALS）战略的重要组成部分[2]，同时它也是当今航空武器装备领域装备保障信息化技术研究和发展方向之一。国内外实践证明，IETM在降低装备保障费用，提高工作效率，提升装备的可靠性、维修性和保障性等方面具有显著优势[3]。

但随着武器装备复杂程度的迅速提升和技术资料数量的急剧膨胀，现今广泛使用的第4级IETM系统已无法满足使用者多样性检索的需求[4]。而且，目前大型企业选购的IETM系统绝大多数都是外国品牌，在版权和安全性方面均得不到保障。因此，构建一种具有自主知识产权的智能化特征的第五级IETM系统已成为众多中国学者和专家不懈努力的研究方向，其主要目的是可实现语义级别的信息检索，解决目前IETM系统中使用的关键字信息检索方式由于语义缺失而造成的漏检、错检与输出冗余等问题，从而提高信息检索的查全率和查准率。

而近年来研究出现的本体作为一种有效的形式语义模型和知识表示形式[5]，能方便有效地实现知识在不同应用程序和组织之间的共享和重利用，这为实现智能化IETM系统提供了一种新的解决思路：首先可以利用本体从领域的角度去明确描述技术资料之间各种显式和隐式的关系；然后可以利用本体语言和规则进行推理，完成技术资料之间和技术资料与使用者之间的智能化匹配，使得相同的领域知识对于不同的检索具有选择性，从而实现语义级别的信息检索。

因此，文中将本体论引入到IETM研究领域，深入开展基于本体论的航空武器装备智能化IETM系统关键技术研究，结合某型号构建智能化IETM原型系统，期望该研究能大幅提高第四级IETM的智能识别能力、检索质量和检索效率，实现国内自主知识产权的IETM系统，加快我国航空数字化维修进程，提高我国在新形势条件下的综合后勤维修保障水平。

1 IETM总体技术方案设计

1.1 智能化IETM系统的总体框架

为了实现系统的可扩展性、可伸缩性和灵活性，本课题设计的智能化IETM系统由数据层、管理层与应用层构成，其总体框架如图1所示。各层之间相对独立、耦合性较弱，既可单独更新各模块，又能充分使用现有软件产品，这充分体现了CALS和IETM的国际发展趋势[6]。

图1 基于本体论的智能化IETM系统总体框架Fig.1 Ontology-based intelligent IETM system frameworks

在图1中，各分层结构功能为：

数据层：数据层的核心是由领域本体库和CSDB所构成的知识库。其中，CSDB实现对其应用产品所有信息对象的集中存储；领域本体库用于组织其应用领域的概念与概念之间的关系。领域本体库和CSDB之间通过一定的映射实现IETM数据的语义关联。

管理层：管理层主要负责连接应用层和数据层，由CSDB管理器和Protégé构成。其中，CSDB管理器负责检查、验证应用层生成的信息对象是否合法并将其存储到CSDB中进行管理；Protégé负责实现领域本体知识的添加、修改和删除等基本操作。

应用层：应用层主要由各种不同功能的具体应用程序组成，负责构建领域本体、生成数据模块和插图等各种信息对象，它可以采用通用软件、专用软件或与其它系统的接口工具实现。

1.2 智能化IETM系统的业务流程

基于S1000D标准，制作智能化IETM系统的完整过程包括：制作业务规则、确定技术信息粒度、制定数据模块需求列表、编写数据模块、制作插图等、构建本体、管理CSDB、管理本体库、发布技术信息、智能语义推理等过程，从整体上可大致分为技术信息的编制、管理和发布3个阶段。基于以上分析，文中提出从技术信息收集开始到信息分发为止的智能化IETM系统业务流程如图2所示。

下面将从技术信息收集、IETM应用知识处理和IETM领域知识处理3方面详细分析智能化IETM系统的数据处理流程。

图2 智能化IETM系统的业务流程Fig.2 Intelligent IETM system of business processes

技术信息收集：智能IETM系统中所包含的信息来源于维护方案手册MSG-3、维护计划文件手册MPD、维护要求评估手册MRB、维护要求系统手册MRS、飞机维护手册AMM、部件修理手册CMM、结构维修手册SRM、动力装置安装手册PPBM、发动机手册EM、故障报告与隔离手册FIM、工卡JC、无损检测手册NDT、技术通报SB、系统描述部分SDS、放行偏差指南DDG、最低设备清单MEL、维护工作执行计划MTOP、飞机图解零件。

目录手册AIPC、发动机图解零件目录手册EIPC、发动机零部件构型管理EPCM、工具与设备清单TEM、线路手册WM、系统原理手册SSM、图解线路手册WDM、设计说明书和工程图纸等，这些信息可以取自电子文档、纸质文档、工程图纸和PDM等。

IETM应用知识处理：IETM应用知识处理具体包括编制、管理、发布和阅读4部分。

1）编制

IETM应用知识不是普通的计算机文件或多媒体数据库，而是把一整套文档或手册的结构化数据和非结构化数据分开处理。其结构化数据部分可以被分成许多信息单元，用XML形式描述，并按特定的DTD或Schema结构存储在CSDB的DM中；其非结构化部分是以CGM等S1000D标准规定的插图格式存储在单独文件夹中。因此，首先就需要将收集到的技术信息进行格式转换，完成数据编制。

2）管理

所有数据模块、技术插图、音频/视频等多媒体和虚拟现实等信息对象均被存储在CSDB之中，以便于IETM应用知识的检索和重用等管理功能。

3）发布

CSDB中所包含的所有数据模块均以XML格式出现，这些数据模块可以使用级联样式表（CSS）或可扩展样式表语言（XSL）格式化XML数据后显示给用户使用。

4）阅读

使用者可以使用以下2种方式进行阅读：①以Word版本或Pdf版本采用面向页面的翻页方式进行阅读；②采用Web方式进行阅读。

2 系统总体架构的设计与实现

2.1 智能化IETM系统的实现原则

智能化IETM系统需要满足以下设计原则：

1）支持国际标准及行业规范：软件系统平台支持XML数据处理要求，应用系统数据模型设计及数据处理与输出符合S1000D规范要求。

2）开放性：系统应采用主流的、开放的技术，以保证系统对各种数据业务的服务，以及与相关系统的互连能力。

3）易用性：应具有良好的中文操作界面、详细的帮助信息，系统参数的维护与管理通过操作界面完成。

2.2 智能化IETM系统的物理结构

智能化IETM系统的物理架构如图3所示，它是以数据管理服务为中心的集中管理物理架构，并可根据使用规模和处理效率扩展为分布式系统。

若采用分布式系统，数据中心和分中心之间需要一个分布式数据管理软件来同步数据，保持两个数据中心数据的一致性。各分单位需要将其局域网连接到数据中心，应根据各单位的具体情况配置网络交换机。

2.3 智能化IETM系统的功能模块

根据根据上述总体架构和业务流程，可把智能化IETM系统的主要分为数据编制、内容管理、信息检索、生成发布4大部分，其功能模块如图3所示。

图3 智能化IETM系统的物理架构Fig.3 Intelligent IETM system function modules

数据编制：根据S1000D标准，所有的手册数据都是以数据模块的方式编制的，对于不同的手册，只需要采取不同的组合方式即可。采用XML数据标准进行用户资料的编制工作，首要工作就是整理各个数据模块的DTD或者Schema，编写人员根据数据模块编写适当的技术内容，根据手册内容的数据类型的不同，编制工作可分为文件编制和图形编制两部分工作。

内容管理：内容管理包含知识库管理和文档管理平台两大部分，如图4所示。

1）知识库管理

知识库管理包括数据库和本体库管理的两部分。在本文智能化IETM系统中，采用MS SQL Server2005数据库来存放和管理IETM数据模块的XML数据，所有的SGML/XML文档和图形文档，均映射为MS SQL Server2005数据库中一个个独立的数据对象，这些文档通过MS SQL Server2005数据库来管理和调用；对于本体库管理可以利用本体库的构建工具Protégé实现本体库的修改、添加、删除等基本管理方式。

2）文档平台管理

整个用户技术资料的数字化编制过程可以通过一个在后台运行的文档管理平台来管理。这样的一个管理平台可以将数据库、编辑器有机地连接起来，具有系统管理、有效性管理、发布管理、工作流管理、更改管理等功能模块，具体包括：

图4 智能化IETM内容管理器Fig.4 Intelligent IETM content manager

3 结 论

航空武器装备交互式电子化技术手册（IETM）检索系统长期存在漏检、错检和输出冗余信息的问题，核心在于规则化的计算机语言无法直接表达人类自然语言中的模糊性和不确定性。依照IETM国际规范，以本体“定义词汇表外延”的思想，探索我国某重点型号IETM本体的构建方法和语言，建立本体模型，并实现以该模型为核心的本体检索原型系统。通过模型中的推理机制提高语义识别的能力，提升信息检索的质量和效率，支持航空产品的研发和维修的快速反应能力。

[1]Fuller J J.Plan for DoD wide demonstrations of a DoD improved interactive electronic technical manual （IETM）architecture[R].West Bethesda：CDNSWC，1998.

[2]LI Pi-su，Nolan M，deMare G，et al.Prognostics frame-work software design tool[C]//Aerospace Conference Proceedings，2000（6）：18-25.

[3]Mathur A，Ghoshal S，Haste D，et al.An integrated support system for rotorcraft health management and maintenance[C]//Aerospace Conference Proceedings，2000（6）：18-25.

[4]Koh J-J，Kwon S-D，Kim Byong-Uk，et al.Implementation of an interactive electronic technical manual based on webmultimedia technology[C]//The 4th Korea-Russia International Symposium，2007，7（2）：21-24.

[5]Aero Space and Defence Industries Association of Europe.ASD S1000D：International Specification forTechnical PublicationsUtilizing A Common Source Data Base，Issue4.0[S]，2008.

[6]Zhang X J.System integration in business information systems：framework， implementation and Case Study[C]//2008 International Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile Computing （WiCOM 2008）， IEEE，2009：1-6.