基于案例的推理在导航装备故障案例库系统中的应用

董传恒，马俊勇，于鸿峰

（海军青岛航保修理厂 山东 青岛 266071）

基于案例的推理在导航装备故障案例库系统中的应用

董传恒，马俊勇，于鸿峰

（海军青岛航保修理厂 山东 青岛 266071）

在分析了基于案例推理的基本原理基础上，结合导航装备故障维修的实际情况，提出了基于案例推理的导航装备故障案例库系统的总体框架设计和案例推理运行流程。研究和开发实用、可靠、高效的导航装备故障案例库系统，对于导航装备的维修和保障具有重要意义。

基于案例推理；数据库系统；故障案例库；相似度计算

随着高精度、全天候导航设备的开发和应用，导航装备的结构日趋复杂、设备型号多样、技术状态差异很大，给维修和保障人员带来了更高的要求和难度[1]。虽然网络技术、信息技术发展迅速和电子化技术手册的出现，使维修人员从大量的纸质材料中解放了出来，减轻了维修保障的工作量，但是，面对如此广泛的电子化信息数据，如何迅速提出有用的信息供导航装备维修、保障人员使用和参考，是导航装备信息化发展的又一难题[2]。研究和开发实用、可靠、高效的导航装备故障案例库系统，对于导航装备的维修和保障具有重要意义。

文中通过基于案例的推理原理，结合导航装备故障维修的实际情况，设计了一个有效、实用的导航装备故障案例库系统，并将汉明距离相似度计算方法运用到案例检索过程中，高效、快速的得到与求解问题相似的解决方案。

1 案例推理的基本原理

基于案例的推理是一种利用已有经验中的特定知识和具体的问题状态（案例）来解决问题的范例，它通过寻找已有的相似的案例来解决新问题，并在新问题所在的状态下重用它的解决方案[3]。基于案例推理是一个解决问题和经验学习的循环、整合过程。其基本原理如图1所示，当一个新的待解决的问题提出后，可以把它抽象的当作一个新案例，并对其进行简要分析，抽取相关问题描述，通过案例检索和匹配方法从案例库中找出一个和新案例最相近的旧案例，重用其解决方案并将其作为新问题的建议解决方案，如果对给出的建议方案有什么不满意，可进行修改，修改后的案例成为一个新学习到的经验案例被存到案例库中，如果下一次碰到类似的问题就可以以此作为参考。这个原理非常相似于人们日常解决问题的方法，当碰到一个不熟悉的新问题时，通常会查询以往的成功经验，并以之为参考作出新的解决方案，如果方案成功，则这次经验被作为成功经验记下来，这就是一个不断学习的过程。

图1 CBR基本原理Fig.1 Basic principles of CBR

2 案例库系统总体框架和流程分析

2.1 系统总体框架

案例推理的有效性和质量很大程度上取决于案例库的规模大小和所存储的案例质量以及对案例库的构造、案例知识的表示方法和检索机制的确定[4]。为了充分发挥案例推理机制，案例库系统的总体框架如图2所示，它包括案例库管理、案例检索和系统管理3个大模块。

图2 系统框架Fig.2 Framework of system

1）案例库管理

案例库管理的主要任务是完成对案例的表示、案例库的组织以及案例的增加、修改和删除等常规性维护工作，它是保证案例推理成功的基本条件。在建库之前，所收集到的是大量杂乱无章的源案例信息，这样的案例是不能直接建库的，而必须先对其进行分类和整理，按照案例的故障类型进行分库管理。根据导航装备修理的情况，将系统的案例库又划分为等级修理案例库、临抢修案例库、船上维修案例库、修理厂专家案例库和生产厂家专家案例库。这种分库管理的案例表示形式，在进行案例检索时可以根据需要进行选定库的检索，而无需从庞大的总库中检索，这在一定程度上提高了案例检索的速度。

2）案例检索

利用案例推理实现案例库系统的核心的环节就是案例检索的实现。在进行案例检索和匹配时，通过对检索要素与案例库中案例进行相似度的计算，获取有效的相似案例。通过对装备型号、装备名称、故障现象等检索要素对故障案例进行检索，系统既可以选择对单一库进行检索，也可以对多个及全部的库进行检索。

3）系统管理

系统管理模块是系统根据不同层次用户对系统进行维护、权限审批、角色选择、数据导入/导出等操作，为系统的正常运行提供安全、有效的保障

2.2 基于案例推理的系统运行流程分析

案例库系统首先要进行装备故障案例相关知识库的录入。只有丰富的案例库资源，才能更加合理的发挥案例推理机制，从大量的案例中，找出用户需要的维修方案和建议。整个系统的运行流程如图3所示，案例推理时，输入故障的相关描述，并抽取其相关故障特征属性为案例检索提供检索要素。系统通过相似度计算从案例库中匹配出符合设定值的相似案例，不符合相似度的案例将被系统过滤，从而使检索出来的案例与新案例的相似度高。符合相似度设定值的案例将作为建议维修方案提供给用户参考。通过在实际中实施维修的结果，对维修方案进行评定，如果维修方案令人满意，则该次运行流程结束，说明新案例的故障情况在案例库中已经存在，并且解决方案的评定为满意；如果评定结果不满意，说明解决方案存在不足，需要进行整改和修订，并将整改后的案例保存到系统案例库中，这个过程即案例的学习过程。

图3 系统流程Fig.3 Processes of system

3 关键技术

3.1 案例表示

案例表示是对故障案例的一种描述，即用一些约定的符号把实际案例编码成一组计算机可以接受的数据结构。同一个案例可以有不同的表示形式，而不同的表示形式产生的效果又可能不一样。合理的案例表示，可以使问题求解变得更加容易、高效；反之，则会导致问题求解更麻烦和低效[5]。案例的表示与案例检索时文本相似度的计算方法也有一定的关联。由于案例检索时采用基于汉明距离的方法去计算案例的相似度[6]，所以在案例表示时采用对应的码字表示法，即将案例描述中关键词等重要文本用一个n位序列的码字表示，文本信息就与码字建立了一一对应的关系。比如文本a，它可以表示为（10001101111…011），在这里0或1分别表示相应的文本信息状态，0表示文本在这个分量位置上的信息是没有的，1表示文本在这一分量位置上有信息。查询时通过码字的方法去检索，通过计算码字之间的距离来表征相似度的值。

3.2 案例的检索

案例的检索与匹配是实现案例推理的关键，也是系统的核心部分，其主要目的是根据对新案例的描述从案例库中检索出最相似案例作为新问题的求解方案。基于案例推理的检索要达到以下两个目标：检索出来的案例要尽可能的少；检索出来的案例要尽可能与当前案例相关或相似。本系统采用基于汉明距离的文本相似度计算来衡量两个案例的匹配程度。具体方法[6]如下：

其中，a=（a1a2…ak…an），b=（b1b2…bk…bn）表示两个长度为n 码字的文本，⊕表示模 2 加运算，ak、bk∈{0，1}，d（a，b）表示a，b两码字在相同位置上不同码符号的数量的总和，它能够反映两码字之间的差异，进而提供码字之间的相似程度。d（a，b）值在0到n之间，码字距离越小，相似程度就越大，当值为0时表示码字完全相同，当值为n时表示检索时码字完全相同。为了更直观的表示相似程度，将码字距离d（a，b）进行归一化处理，进而得到相似度的计算公式[6]：

例如：用码长为8位来表示文本时，文本a=（10011001），文本 b=（10010110），代入到公式（2）中计算可得 s（a，b）=1-0.2=0.8，这说明相似程度为0.8。在系统的检索匹配时给相似度加一预设值，相似度值低于预设值的检索结果将被系统过滤。比如将预设值定为0.5，那么相似度低于0.5的案例结果不会被检索出来，这样就达到了检索结果少而相似度高的目标。

4 结 论

文中主要分析了基于案例推理的基本原理，并在此基础上提出了对导航装备故障案例库系统总体框架的设计思路，分析了系统案例推理运行流程，对装备案例库系统的建设具有一定的指导意义。基于案例的推理在人工智能领域具有广泛的应用前景，其具体表示方法也多种多样，如何更深层次的挖掘案例推理过程中的案例表示方法和案例检索技术，并将其运用到装备故障案例库系统的建设中，是我们下一步研究需要探讨的一个重要问题。

[1]何海龙，王青海，徐航.装备保障中的软件保障探讨[J].电子对抗，2000，86（5）：39-42.

HE Hai-long，WANG Qing-hai，XU Hang.Analysis on the software support of equipment support[J].Electronic Warfare，2000，86（5）：39-42.

[2]亓洪标，李安，胡柏青.基于Web的导航设备维修决策支持系统研究[C].船舶通讯导航学术会议论文集，2006.

[3]李晓辉，刘妍秀.基于实例推理机制综述[J].长春大学学报，2006，16（4）：68-70.

LI Xiao-hui，LIU Yan-xiu.A survey of case-based reasoning（CBR） mechanism [J].Journal of Changchun University，2006，16（4）：68-70.

[4]周凯波，左保河，冯珊.基于案例推理的信息系统构建方法研究[J].华中理工大学学报，2000，28（9）：13-15.

ZHOU Kai-bo，ZUO Bao-he，FENG Shan.Case based reasoning used in information system[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology，2000，28（9）：13-15.

[5]汤文宇，李玲娟.CBR方法中的案例表示和案例库的构造[J].西安邮电学院学报，2006，11（5）：75-78.

TANG Wen-yu，LI Ling-juan.The representing of case and construction of case base by CBR method[J].Journal of Xi’an University of Post and Telecommunications，2006，11（5）：75-78.

[6]张焕炯，王国胜，钟义信.基于汉明距离的文本相似度计算[J].计算机工程与应用，2001（19）:21-22.

ZHANG Huan-jiong，WANG Guo-sheng，ZHONG Yi-xin.Text similarity computing based on hamming distance[J].Computer Engineering and Applications，2001（19）:21-22.

CBR method used in navigation equipment fault case-base system

DONG Chuan-heng， MA Jun-yong， YU Hong-feng
（Naval Navigation Guaranteed Repair Factory， Qingdao 266071， China）

After analysis of Case-Based Reasoning and combines the fact of Navigation Equipment Fault，the framework design and operation process of Navigation Equipment Fault Case-base System was put forward based on Case-Based Reasoning.It is of great significance to study and develop a navigation equipment fault case-base system which is practical reliable and efficient for navigation equipment maintenance and support.

Case-Based Reasoning；database system；fault case-base；similarity calculate

TN966.4

A

1674－6236（2013）05-0191-03

2012-10-27稿件编号201210178

董传恒（1984—），男，山西祁县人，硕士，助理工程师。研究方向：装备维修。