基于知识管理技术的装备保障平台设计与应用

2020-12-11中国人民解放军91515部队崔海斌邓志渊萧耀友

军民两用技术与产品 2020年11期

中国人民解放军91515部队崔海斌邓志渊萧耀友

中国运载火箭技术研究院尹航

一、引言

随着装备现代化水平的不断提高，装备综合保障工作知识密集度日益增强，为装备保障水平的快速发展带来了新机遇。与此同时，装备保障工作面临着两大方面问题亟需解决：一方面，随着装备保障资源信息化水平的不断提高，装备保障信息量成指数级增长，研究人员需要在海量信息中提取有价值的信息用于指导、决策保障活动；另一方面，充分发挥装备保障领域的专家资源优势，提高知识经验的应用和共享程度，减少因人员变动造成的知识流失，这成为装备保障设计工作中的另一个迫切需求。本文论述了基于知识管理的装备保障平台设计方案及应用，该平台通过对装备保障性设计与全寿命周期保障资源管理过程所形成的保障资源信息进行知识提取、知识建模、知识库构建等一系列知识管理活动，实现了保障性设计流程的知识推送、远程专家系统知识支持等知识管理应用，提高了装备保障性协同设计水平，提高了装备保障效率，对知识化的装备综合保障具有重要意义。

二、基于知识管理的装备保障平台建设需求

装备保障平台是通过先进的信息化技术手段，构建面向装备全系统全寿命周期的保障性设计和保障资源管理一体化平台，能够提供保障协同设计、远程支援、辅助维修等保障应用，实现装备可靠性、维修性、测试性及保障性的协调发展，提高装备的保障水平。基于知识管理的装备保障平台首先是要实现装备保障的业务需求，并通过在传统的装备保障平台基础上构建知识管理系统，实现装备保障领域的知识应用与共享，以及装备保障设计的快速化和智能化；同时，将个人经验转化为组织软实力，缩短装备保障性设计的周期并提高效率，通过知识挖掘实现信息增值，为装备提供更为智能的保障应用。该平台主要建设需求如下：

（1）构建装备保障的协同设计平台。为装备的保障性设计与分析工作提供一个综合平台，为装备保障的协同设计提供基于设计流程的知识推送服务。在保障产品设计过程中，对保障要素进行分析，以科学的保障性分析方法来指导装备保障工作。

（2）构建型号综合保障集成数据中心和知识共享中心。集成数据中心通过建立装备全型号全系统综合保障分析、保障性设计数据、保障工作管理数据等共享数据库，为宏观决策、装备生产及使用提供数据支持。知识共享中心在集成数据中心基础上，通过知识获取、知识建模构建知识库，提供设计流程知识推送、知识社区、远程专家系统等更高层次的信息利用手段，提高装备保障性设计效率，提供智能化装备保障应用。

三、基于知识管理的装备保障平台设计

（一）装备保障平台总体框架

基于知识管理的装备保障平台总体框架如图1 所示。平台在网络通信环境及各种硬件、系统软件等基础设施上构建，分为3 个层次：信息层、知识层、应用层。

信息层集成了现有的装备保障性设计平台、保障资源管理平台和保障资源库[1]。装备保障性设计平台为装备的保障性设计与分析工作提供了一个集成环境，同时也是装备全寿命周期保障信息的主要来源；保障资源管理平台实现对保障资源库的管理，为信息的应用提供必要的服务支持；保障资源库作为装备保障平台的核心存储单元，存储了装备在设计、生产、部署和退役等全寿命周期内所产生的保障数据，是知识管理与应用的基础。

图1 基于知识管理的装备保障平台总体框架图

知识层分为知识管理平台与保障知识库[2]。知识管理平台由知识获取、知识建模、知识管理与维护等模块组成，实现对装备保障信息的知识提取与管理；保障知识库通过本体分析技术建立知识索引库和业务库，存储装备保障相关的事实与规则，为上层应用提供基础[3]。

应用层通过智能推送技术、专家系统技术、知识搜索与查询技术等构建了装备保障知识应用系统。应用系统包括：保障性设计流程知识推送、保障知识社区、远程专家支持等，可应用于装备保障性协同设计及装备远程维修支援等方面。

（二）装备保障平台信息层设计

装备保障平台信息层由保障性设计平台、保障资源管理平台及保障资源库构成，如图2 所示。

1.保障性设计平台设计

保障性设计平台为装备的保障性设计与分析工作提供了一个集成环境，重点关注装备的研制阶段，主要分析装备在初步设计、研制、试验、生产、使用及维修中的各种保障问题，并为制定装备的保障性要求、制定与优化保障方案、开展保障性设计、确定与优化保障资源等工作提供依据。通过保障性设计与分析，生成保障方案，获得相关保障信息，存储在保障资源库中，为装备全寿命周期中各阶段的保障工作提供数据支持。保障性设计平台作为数据源生产系统采用数据接口集成的方式，将现有保障性设计工具集成在本系统中，为知识层提供基础信息。

图2 装备保障平台信息层结构图

2.保障资源管理平台设计

保障资源管理平台为保障资源库提供管理作用，为信息的应用提供必要的服务支持。该平台包括以下基本功能模块：主题管理、元数据管理、数据编码管理、数据交换、数据比对、数据访问等。保障资源库采用主题数据库技术，主题数据管理模块与元数据管理模块是该技术必需的功能模块，是数据存储与管理的基础。数据编码管理模块提供对数据编码所需的统一标准规范，实现不同编码标准间的相互转换。数据交换模块采用远程过程调用（RPC）与可扩展标记语言（XML）技术实现数据交互功能。数据比对模块实现数据的冲突检测处理，保证了数据的正确性和一致性。数据访问模块是在统一权限管理系统之上，按照不同业务需求及不同访问权限，实现对保障资源的不同数据库进行数据访问。

3.保障资源库设计

保障资源库由产品结构数据库、六性设计信息数据库、故障信息数据库、维修信息数据库、备件信息数据库、使用信息数据库、测试信息数据库等主题数据库构成。保障资源库作为装备保障平台的核心存储单元，存储了装备在设计、生产、部署和退役等全寿命周期内所产生的保障数据，是知识管理与应用的基础。

图3 装备保障平台知识层结构图

（三）装备保障平台知识层设计

装备保障平台知识层由知识管理平台和保障知识库构成，如图3 所示。

1.知识管理平台设计

知识管理平台分为3 个功能模块：知识获取、知识建模、知识管理与维护[4]。

知识获取是通过知识元挖掘与规则集成描述知识事实与信息间关系，确定知识语义本体，采用本体技术对知识进行描述的过程。知识元由名称、属性、操作、导航4 个要素组成[5]。知识元挖掘是对保障资源库中的信息从上述4 个要素角度进行提取、甄别、认定，这个过程往往需要人工干预。规则集成是利用逻辑描述语言表达知识元间的规则，形成语义逻辑链，实现显性表达知识的目的。知识获取输出是知识元与知识链的集合，通过知识元与知识链的计算机表达，实现了对知识概念、关系与约束的刻画，为知识建模提供基础素材。

知识建模是利用机器学习与模式识别等技术实现知识学习和知识推理，为知识库的构建提供自动学习与动态更新的机制。知识学习是在知识语义本体层面建立自动学习机制，采用神经网络、归纳学习等方法，处理知识元之间的逻辑关系，自动学习知识元间的规则，并通过逻辑描述添加到规则集中，形成知识语义本体。知识推理是在知识语义本体基础上结合用户对知识的应用需求，通过采用模糊逻辑、粗糙集推理等方法，进行推理计算，以提高知识库系统智能化程度。知识管理与维护为知识库系统提供运行与维护的通用功能，包括知识生命周期管理、知识更新、知识废弃、知识查询与索引等内容。

2.保障知识库设计

保障知识库是通过知识管理平台对装备保障资源库的信息进行知识提取、建模基础上形成的存储结构，由索引知识库和业务知识库两部分构成。索引知识库存储了针对用户设计的知识检索策略所对应的导航信息，主要包括实例检索规则库、本体匹配规则库、设计流程检索规则库。业务知识库是建立在保障资源主题数据库基础之上，利用知识获取方法，实现知识语义本体表达，同时建立与主题数据库对应的多种知识库，作为知识管理平台的知识输入。

（四）装备保障平台应用层设计

装备保障平台应用层是在信息层和知识层基础上构建知识的应用系统，包括保障性设计流程知识推送、保障知识社区、远程专家支持等，可应用于装备保障性协同设计及装备远程维修支援等方面。

1.保障性设计流程知识推送设计

保障性设计流程知识推送的设计如图4 所示，采用知识推送技术，按照保障性设计流程活动组织知识资源，自动推送到终端用户，实现不同型号装备在保障性设计中的知识共享。

设计流程信息作为该应用的输入条件，需要通过技术人员进行归纳和提炼，录入系统中，由系统提供输入流程、运行流程，以及修改、维护流程等功能。保障性设计流程一般包括：故障模式影响及危害分析流程、以可靠性为中心的维修分析流程、使用与维修工作分析流程、可靠性维修性预计流程、故障树分析流程、备件及库存分析流程等。

知识推送是知识库“主动”将知识资源按照一定需求规则发送给用户的一种知识发布技术，由知识管理系统控制资源流向及分发情况，将传统的知识查询转化为主动知识匹配模式，有利于促进知识管理的智能化、个性化知识服务。

2.保障知识社区设计

知识社区由知识录入、知识检索、知识地图等功能模块构成，主要为装备保障设计师队伍提供一个主动查询和获取知识资源的虚拟工作环境，同时知识录入模块也为综合保障领域专家的隐性知识显性化提供了服务平台，通过标准化的知识录入设计，能够有效地将个人经验转化为组织智慧。知识检索模块为用户提供分类目录式查询和关键词检索查询2 种查询方法，在用户对知识分类结构和个人需求不太清楚时可采用分类目录式查询，按照知识分类树逐层展开查找；对于用户明确需求时，可采用关键词查询，通过建立索引库，实现搜索引擎快速查询符合关键词匹配的知识，并以资源列表形式输出到界面。知识地图则是通过图形化描述帮助用户定位知识，通过知识地图的应用，用户可以根据装备保障性设计流程构建知识的分布与联系，可形象、直观地展示装备保障性设计流程中的知识资源。

3.远程专家支持系统设计

远程专家支持系统设计如图5 所示。系统依托知识管理的装备保障平台构建远程前端和远程后端，远程前端负责采集现场支援需求、测试状态信息及测试数据，通过安全网络传输给远程后端；远程后端利用保障知识资源，根据输入的数据信息，通过一系列知识分析处理技术，得出判断结果，提供故障自动诊断和专家决策2 个层级的维修辅助决策信息。

远程专家支持系统的设计重点在远程后端，其知识处理过程包括：建立问题目标、知识检索、智能推理和问题求解等几个步骤，其中智能推理是关键。智能推理模块采用Agent 技术实现[6]，Agent 是在一定环境下自主运行的实体，Agent 实体的行为能够自动触发环境反馈，具有自治性、社会性、反映性、能动性，实现对知识推理的自动化和智能化，可用于基于知识管理的远程故障诊断。

基于知识管理的装备保障平台设计实现了系统需求，通过信息层的保障性设计平台、保障资源管理平台、保障资源库建设，实现了装备的可靠性、维修性、测试性与保障性的协同设计；通过知识层的保障知识库与知识管理平台建设，实现了型号综合保障知识共享中心，并为上层知识应用与辅助决策提供支持。在此基础上，结合具体应用场景，在应用层构建了保障性设计流程知识推送、保障知识社区、远程专家支持等智能化装备保障应用，为提高装备的保障效能提供了有效手段。