基于本体的汽轮机虚拟检修知识管理系统研究

赵春晖，董 泽，王泽轩，张 悦，张栾英，高 鹏

（1.华北电力大学自动化系，河北 保定 071003；2.华北电力大学 河北省发电过程仿真与优化控制技术创新中心，河北 保定 071003；3.国家电投朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

近年来，产生了众多的知识表示方法，本体作为知识表示的方法之一在知识表示领域具有表达准确、规范和结构清晰等特点。在使用过程中能够更好地完成知识的重用与共享，本体（ontology）的概念起源于哲学领域，是一种明确的形式化规范说明［3］。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［4］。文献［5-6］阐述了在设备维护领域基于本体对维护知识的表示方法。于德介，周安美等提出基于本体的故障诊断知识管理系统模型，为企业用户提供精确的知识检索和诊断决策服务［7］。刘坚等设计了维护案例本体表示方法。采用OWL 对维护案例本体进行统一的形式化描述和表示，较好地解决了维修经验知识的共享与重用难题［8］。近年来，研究人员把本体概念引入到知识工程中，从而实现了大大提升了知识的共享性，互动性以及重用性。目前，本体已广泛应用于知识工程、信息技术和人工智能等领域［9］。

将本体知识表达引入到虚拟现实领域，结合火电厂汽轮机检修文件包信息源分散的特点，借鉴前人的研究经验搭建基于本体知识表示技术的大型汽轮机虚拟检修知识表示框架。该框架模型能将检修文件包中涉及的知识进行合理归类结构化表示，并融入设备说明书、技术标准、历史检修记录和经验数据。为设备虚拟检修提供良好的表达功能和语义检索功能。

1 本体与虚拟检修领域知识表达

1.1 设计思想

汽轮机本身具有产品结构说明书、设备工艺以及设备检修规程等文件。检修工艺知识中还包括设备历史维修数据，同时企业与专业检修队伍在工作过程中积累了大量的维修经验，这些经验对指导设备检修具有重要意义。

通过建立本体知识库，知识库内包含各个子本体，表示各个模块之间的关系。根据设备检修文件包，提炼出检修步骤，将设备的检修内容模块化，构建本体知识库具有良好的逻辑性和灵活性。基于本体的虚拟检修知识管理设计框架如图1所示。

1.2 本体的构成

本体的组成包括5 个要素［10］，可用O=｛C，R，F，A，I｝的五元组进行表示，即类或概念、关系、函数、公理、和实例。

合理的构建虚拟检修本体模型是虚拟检修知识管理的基础。通过对检修知识的整理与分析，将检修工艺知识本体以“五元组”［11］的形式表示为

图1 基于本体的知识管理框架

式中：O为检修工艺知识本体；C为检修实体本体；AC为检修事件过程本体；S为状态监测本体；I为检修决策本体；R为检修原因本体。本体关系类型如表1 所示。

有时丁主任看他一直守在仓库边，很惋惜地说：都怪那小偷，要不然你也可以回家看看老婆孩子。甲洛洛心里热热的：谢谢主任，还是把小偷抓到再说吧。丁主任笑笑：你还奢望老邓给你抓小偷？甲洛洛张了张嘴，把话咽了下去。

表1 本体关系类型

通过虚拟检修工艺知识具体内容得归纳整理，将检修工艺流程知识划分成不同的模块，并建立了对应的子知识库，在子知识库的基础上构建了大型汽轮机虚拟检修工艺知识本体。子知识库包含了事件过程本体、检修实体本体、状态本体、原因本体、与检修决策本体5 个本体模型。这些子本体之间互有关联，共同构成了虚拟检修知识体系。虚拟检修领域知识之间的联系如图2所示。

图2 虚拟检修领域知识间的联系

定义概念及层次分类。以检修工艺要求的知识表示分类为根本，进行概念层次分类的建立。

1）检修工艺本体，定义为检修工艺知识本体及检修过程中的全部信息。融合实体本体、状态本体、过程本体、原因本体、决策本体于一身。

2）检修实体本体，定义为电厂中检修设备以及运行系统的三维虚拟模型以及运行系统的数据驱动模型。

3）状态本体，定义为设备主体检修过程中以及系统运行过程中的相关量值和参数。

4）事件过程本体，定义为检修过程中所发生的各种数字化检修流程，主要体现为电厂中的各种检修工艺流程变化以及系统运行工况变化。

5）原因本体，定义为当前待检修设备破损或者需要更换新部件的原因信息。

6）检修决策本体，检修决策主体代表整个检修活动，具体分为拆解，回装等过程。其包括检修过程中的全部信息。

2 虚拟检修本体模型的构建

2.1 本体模型的构建

本体的定义是一个客观存在的系统的解释和说明［12］，随着计算机技术的不断发展，本体这一概念越来越多用于科技信息领域。对于传统的发电行业，汽轮机的虚拟检修维护过程涉及的知识复杂，内容繁多。并且检修工艺步骤要求严格。分析处理程度高。检修知识整体上是围绕设备维修的基本知识进行的。针对汽轮机虚拟检修知识库的构建，首先对检修知识进行分析整理，然后列举汽轮机检修基本知识，最后对基本知识进行分类和模块化处理。

构建汽轮机三维模型领域本体，抽象出检修工艺流程中检修步骤和零件关系。将汽轮机三维模型、设备维修信与本体相结合，比如汽轮机的设计图纸、检修规程、待检修设备的历史维修数据、需要做出的维修调整、检修指导等知识。在建立设备模型过程中，除了使用3DMax等建模软件建模，还需要归纳整理出所有构件的材料材质信息，具体到每一个零件的材质。

根据以上对虚拟检修知识表示模型的设计思想和检修工艺知识自身的特点，本文采用本体编辑工具Protégé 来构建本体知识库。Protégé 完全开源，且可视化界面进行操作，便于学习和使用。采用Protégé 5.5.0 版本构建虚拟检修工艺知识表示文本框架如图3所示。

图3 构建虚拟检修工艺知识表示框架

建立虚拟检修本体框架后形成owl格式文档，部分代码如图4所示。

图4 部分OWL代码

2.2 知识查询的实现

OWL文档采用XML格式保存，采用Qt中的DOM方式进行XML 解析。DOM 把XML 文档作为树结构来查看，能够通过DOM 树来访问所有元素［12］。

由于软件界面和OWL 文档解析采用Qt 框架进行开发，Qt框架基于C++语言，所以首先要实现OWL本体文件到C++面向对象的转换。首先，需要对OWL 文档中的各个节点进行分类整理，将不同类型的节点所包含的信息对应到C++中的类或者相关变量中，完成对象类的设计。如图5 所示为本体模型到C++面向对象的转换流程。

图5 本体模型到C++面向对象转换流程

汽轮机虚拟检修知识表示模型包含设备三维模型、检修工艺流程信息、检修实例信息、设备相关的设计文件、设备零件查询、材料查询、检修预案查询、维修历史数据、检修工艺流程卡等信息。解析OWL文档部分核心代码如图6所示。

解析出来的OWL 本体模型主要包括五个部分，分别为事件过程本体、原因本体、检修实体本体，检修决策本体和状态本体。分别对应C++的五个类。各个类之间的继承关系如图7所示。

图6 模型解析功能代码

图7 各个本体类之间的关系

其中检修实体本体类作为父类，类内主要包括使用3DMax 建立好的汽轮机组模型的文件，为三维模型的静态属性文件，包含设备的静态特性，如设备贴图、模型渲染等、模型材质等信息。事件过程本体类继承于父类再包含设备静态信息的基础上，还包含代表设备三维模型的动态属性文件，如设备的位置信息、动作信息和过程信息。原因本体类主要包括检修工艺流程包内的检修原因。检修决策本体类继承于原因本体类和事件过程本体类，代表整合检修活动，其中包括检修过程中的所有相关信息。状态本体作为决策本体类内属性表示设备的相关参数信息。

解析完成后的汽轮机虚拟检修知识表示模型可以查找所有检修实例信息、设备相关的设计文件、设备零件查询、材料查询、检修预案查询、维修历史数据等维修信息，如图8所示。

以中压转子轴径杨度测量检修方案为例，当输入关键字完成检修方案查询，确定检修计划后，结合汽轮机三维数字化检修平台，检修人员可以通过鼠标、键盘等交互方式显示设备的维护过程，并且界面右侧对应设备的维修计划等。通过本体知识模型以及三维模型的骨骼动画向检修人员立体直观的传递设备检修工艺流程，如图9所示。

图8 检修方案查询功能

图9 检修工艺流程三维展示

该模型提高了虚拟检修领域知识的利用效率，检索维修设备名称寻找对应的设备信息、维修解决方案和维修历史记录以及维修需要的工器具、人员信息、维修前准备等一系列信息，缩短了汽轮机检修的周期，提高了企业检修的工作效率。

3 结语

对汽轮机虚拟检修文件包知识进行了合理的定义和分类，并且融入设备说明书、技术标准、检修预案、历史检修记录和经验数据等信息。分别建立了事件过程本体、状态本体、原因本体、检修实体本体与检修决策本体五个领域本体模型，为虚拟检修行业知识提供了快速检索功能，通过检索所要维修的设备名称寻找对应的维修解决方案和维修历史记录以及维修需要的工器具、人员信息、维修前准备等一系列信息，为检修过程及工艺标准的虚拟现实呈现提供技术支撑。缩短了汽轮机检修的周期，提高了企业检修的工作效率。