基于本体和CBR的数控机床故障诊断教学系统框架研究.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 第 3 9卷 第2 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS De c ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 3 ． 0 4 7 基于本体和 C B R的数控机床故障诊断教学系统框架研究 程德蓉 ，何 玉林 ，陈阵军 ，伍技 祥 1 ．重庆工商职业学院机电工程 系，重庆 4 0 0 0 5 2 ；2 ．重庆广播 电视大学，重庆 4 0 0 0 5 2 ； 3 ．重庆大学机械学院，重庆 4 0 0 0 4 4 摘要 在分析 C B R和本体的特点的基础上， 设计融合 C B R和本体的数控机床故障诊断学习系统的架构，阐述其工作 过程，重点研究数控机床故障诊断领域本体知识构建、基于领域本体的案例相似性检索匹配方法，给出数控机床故障诊断 学习系统的实现方案并开发了此系统，实现了案例的检索和重用，为教师、学生及维修保障人员提供经验获取和学习利用 的手段 。 关键词本体；案例推理； 相似度计算 ； 数控机床故障诊断学习系统 中图分类号T H 1 6 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 3 1 6 8 4 Re s e a r c h o n CNC M a c hi ne Fa ul t Di a g no s i s Le a r n i ng Sy s t e m Fr a me wo r k Ba s e d o n CBR a nd On t o l o g C HE N G D c r o n g ，H E Y u l i n ，C H E N Z h e n j u n ，WU J i x i a n g 1 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，C h o n g q i n g T e c h n o l o g y a n d B u s i n e s s I n s t i t u t e ， Ch o n g q i ng 4 0 00 5 2， Ch i n a； 2 ．Ch o n g q i n g Ra d i o TV Un i v e r s i t y， Cho n g q i n g 4 0 0 0 5 2， Ch i n a； 3 ． C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a d v a n t a g e s o f o n t o l o g y a n d CB R w e r e a n a l y z e d ． A C NC ma c h i n e t o o l f a u l t d i a g n o s i s l e a r n i n g s y s t e m a me wo r k b a s e d o n C BR w a s d e s i g n e d ． I t s wo r k i n g p r o c e s s w a s e x p l a i n e d ． O n t o l o gy k n o w l e d g e b u i l d i n g o f C NC ma c h i n e t o o l f a u l t d i a g n o s i s d o ma i n a n d o n t o l o gy b a s e d s i mi l a r i t y r e t ri e v a l o f c a s e s ma t c h i n g w e r e f o c u s e d o n ．T h e i mp l e me n t a t i o n s c h e me o f C NC ma c h i n e t o o l f a u l t d i a g n o s i s l e a rni n g s y s t e m w a s g i v e n a n d t h e s y s t e m w a s d e v e l o p e d ． T h e c a s e r e t r i e v a l a n d r e u s e w e r e i mp l e me n t e d ． I t p r o v i d e s me a n s o f e x p e ri e n c e g a i n i n g a n d l e a rni n g t o u s e f o r t e a c h e r s ， s t u d e n t s a n d ma i n t e n a n c e s u p p o fl p e r s o n n e 1 ． Ke y wo r d s O n t o l o gy ；CB R； S i mi l a r i t y me a s u r e ； C NC ma c h i n e t o o l f a u l t d i a gn o s i s l e a r n i n g s y s t e m 数控机床是典型的机电一体化设备，其故障诊断 与维修工作复杂、专业性强 ，教师、学生或维修技术 人员学习起来难度大。对此 ，作者提出了基于 C B R C a s e ． b a s e d R e a s o n i n g ，案例推理和本体来研究数 控机床故障诊断及其学习系统，其 目的 1 最大 限度地实现知识共享，提供最恰当的故障诊断结论 ， 并利用这些知识做出最恰当的决策； 2 让学生掌 握复杂的数控机床故障诊断技术知识 ，了解数控机床 的故障现象、故障原因以及故障排除方法等； 3 完成部分数控机床故障诊断与排除的教学实训 ； 4 培训教师、企业设备维修技术人员、企业数控机床设 备使用者等。 C B R是一种基于经验知识进行推理 的人工智能 技术⋯，它是用案例来表达知识并把问题求解和学习 相融合的一种推理方法，它强调人在解决新问题时， 常常回忆起过去积累下来的类似情况的处理 ，并通过 适当修改过去类似情况处理 的方法来解决新 问题。 C B R的特点使其在复杂设备系统 的故障诊断领域有 着独特 的优越性 。 本体 O n t o l o g y 的概念源 自古代西方哲学，随 着人工智能的发展而被赋予了新的定义。目前最广泛 认同的定义是由S T U D E R给定的“ 本体是共享概念 模型的明确的形式化规范说明 ’ ，主要包括 4层含 义 1 概念化。通过标识某个现象 的相关概念而 得到这个现象的抽象模型； 2 明确。概念及它们 之间联系都被精确定义； 3 形式化。与 自然语言 不同，本体描述的结果是计算机可读的； 4 共享。 本体中反映的知识是其使用者共同认可的，是相关领 域公认的概念集。领域由研究问题的范围而确定，可 以是全局或局部的。 收稿 日期 2 0 1 01 1 1 6 基金项目重庆市教育委员会科学技术研究资助项 目 K J 0 9 1 6 0 3 ；2 0 0 8年重庆市科技攻关计划资助项 目 作者简介程德蓉 1 9 7 4 ～ ，女，硕士，副教授，主要从事人工智能 、数控技术方面的教学、研究工作。Em a i l c h e n g d e r o n g c q d d ． c q ． a n。 第 2 3期 程德蓉 等基于本体和 C B R的数控机床故障诊断教学系统框架研究 1 6 9 一⋯一一一一． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯． I应 I 系 统 管l l故 障 诊 断 领 域 l I 故 障 案 例 检 I I 诊 断 结l l 故 障 案l ； j I理 模 块 l l本 体 建 模 模 块 l l索 匹 配 模 块 l l果 或 建 f f例 远 程 l I ； 网网 层 l 管 理模块l l 修正模块I l 储维护模块l L J L 二 _ _ J 二 二 二 二二 二 二 二 二 二二二 二 二 二 l O WL C O R E I l查询 擎 l推理引擎 l 本体转换 l 令 业务逻辑层 l 故障案例领域本体 本 体 操 作 层 U o w L 模 型 害 OW L On t o l o g y Re p o s i t o r y 本体资源库 I J e n a I 一 数据层 ～ 数据库系统 图 1 基于本体和 C B R的数控机 床故障诊断学习系统架构 数控机床故障诊断学习系统的工作过程如下首 先 ，领域专家或教师根据故障案例知识和故障案例所 属的领域知识，构建案例领域本体模型，该本体模型 同时也定义了案例的组织结构；然后 ，通过案例管理 模块提供的案例库管理工具，根据案例领域本体构建 案例库 ，并进行组织和维护。普通用户进行故障诊断 学习时，首先通过案例检索匹配模块，根据案例领域 本体中的术语和当前案例，确定案例检索条件，对案 例库进行检索；系统在案例领域本体的基础上，计算 语义相似度来判断相似案例，如果发现相似案例，则 将相似案例的解决方案返回给用户，供用户决策参 考 ；若不存在相似案例，则根据案例领域本体，进行 案例调整给出用户建议的解决方案，供用户决策参 考 ；同时，调整后的案例经过案例评价修正模块学 习，存入案例库中。 2关键技术研究 2 ． 1 数控机床故障诊 断领域知识的表示 领域知识 是指不同专业或应用中涉及内容的知 识抽象，知识具有相同或相似的结构 ，适于某一具体 领域的分析；案例知识是对故障诊断与维修事例的规 范化描述，是故障诊断、分析及处理等内容的综合。 根据数控机床故障诊断学习系统实际的需求，结合故 障树分析法对故障现象、故障原因、影响范围、维修 措施等内容的分析，按照分析 目标和方法建立故障诊 断维修领域知识结构，并以案例形式实现知识组织和 应用。数控机床故障诊断与维修知识可分为机床结 构、故障现象、故障分析、故障原因、解决方案等领 域知识 ，见表 1 。 表 1 数控机床故障诊断领域知识 相关领域 机床结构 故障现象 故障分析 要素举例 故障原因 解决方案 总 结 C N C系统、主轴系统、进给轴系统、伺服系统、冷却系统、液压系统、电机、电源、其他等 报警代码提示、C N C程序无法执行、主轴不转动、转速慢、机床抖动／ 振动、声音异常、加工工艺等 报警代码的含义解释、故障依据分析、故障过程分析等 电动机故障 过载、发热、绕组局部短路、输出端故障等 、变频器故障、交流电源故障、逆变晶体管模 块故障、整流二极管／ 晶闸管模块故障、主轴驱动器故障、C N C系统参数设置故障、C N C系统 I ／ O信号故 障、 轴 轴不同步、机械故障等等 维修方法与操作步骤、维修组织、维修工具、维修工艺 、备件清单等 安全性、经济性、维修改进等 故障诊断与维修案例由各领域知识组成。主要以 机床结构、故障现象和故障原因领域知识为检索条 件，以获得相似故障的历史案例 ，为数控机床维修技 术人员、学生或教师提供故障处理或学习的参考，因 此，建立对各类知识的统一表述和组织不仅能够为信 息收集及共享提供参考规范，也是实施知识应用的关 键基础。由于本体为共享概念模型提供了良好的知识 表述支持及强大的语义方法，因此采用本体对该系统 中各类故障诊断知识进行建模，能够为不同领域知识 及规则提供描述框架及规范，构建易于扩展的术语词 典 ，实现知识的统一描述和组织。 参照骨架法、七步法等成功的本体建模经验，采 用 O WL 语言作为本体的形式化描述语言，因此，该 系统中的本体模型定义可 由概念、概念属性集、关 1 7 0 机床与液压 第 3 9卷 系、关系属性集、概念层次和约束断言构成 ，对故障 诊断维修知识进行组织、管理和维护。知识本体化的 关键在于明确概念的定义、属性及层次关系，以下给 出故障诊断维修知识相关本体定义。 定义 l 故 障诊 断 案例 本体 O D C可 表示 为 O D C{ I C ，O M S ，O F ，O R，F A，D C ，R C} ，其 中 I c为案例标识；O MS为相关机床结构本体 ；O F为相 关故障现象本体 ；O R为故障原因本体 ；F A为故障分 析本体 ；D C为案例处理；R C为参考案例集。 定义 2 机床结构本体 O M S可表示为O M S { MD，I D，D P，F ，R P ，P C ，K V} ，其中M D为机 床型号；I D为机床结构模块分类号 ；D P为机床结构 模块名称等描述信息；F为故障现象集；R P为可靠 性信息集 ，如平均工作时间等；P C为加工工艺路线、 质量；K V为技 术参数 集。I D { I P P ，D P P ，F P， R P P ，P C P ，K V P} ，其中I P P为结构部件号；D P P 为机床结构部件名称的描述信息；F P为结构部件故 障现象集；R P P为可靠性信息集，如平均工作时间 等 ；P C P为加工工艺路线、质量；K V P为结构部件的 技术参数集。 定义3 故障现象本体 O F可表示为O F { I F ， T F ，D F ，A F ，P F} ，其中I F为故障现象唯一标识； T F为用于检索的分类信息；D F为故障现象描述，包 括摘要和详细信息；A F为影响度集 ，分为可靠性、 任务性、经济性等；P F为父级故障现象。 定义 4 故 障原 因本 体 O R可 表示 为O R { I R，D R，T R，A R，B R，S R} ，其 中I R为故障原 因唯一标识 ；D R为故障原因描述 ，包括摘要和详细 信息；T R为故障原因类型，分为正常损耗 、使用不 当、参数设置、维护等；A R为分析记录集；B R为 故障分析的依据 ；S R为解决措施记录。 案例知识和领域知识构成故障诊断与维修层次化 知识体系，不但可满足不同领域知识的规范化、专业 化要求，而且为案例知识提供 良好的可扩展性。其 中，领域知识以描述知识的泛化关系，实现对知识的 规范化及结构化描述为目标 ；案例知识则以建立案例 与各领域知识关系为目标，通过建立案例本体与领域 知识本体问的使用、聚集等关系，实现案例与领域知 识的有机结合，为故障诊断与维修知识的应用和共享 奠定 了坚实基础。 2 ． 2 案例检索与匹配 目前本体的构建还没有统一的构建标准 ，不同的 方法构建出的本体是不同的，即使是同一领域也会有 不同的本体，这体现了本体的异构性。为了解决异构 本体间的互操作性，便于本体间的知识共享和重用， 人们提出了本体映射方法。所谓本体映射 ，是指两 个本体存在语义级的概念关联 ，通过语义关联，实现 将源本体的实例映射到 目标本体的过程。 案例检索与匹配是实现案例推理的关键，其主要 目的就是根据对新问题的描述从案例库中检索出最佳 案例作为新问题的求解依据。案例推理的关键在于如 何快速、准确地从案例库中获得相似案例 ，针对以上 建立的领域知识本体的知识细化功能和案例知识本体 的知识综合功能，在本体之间建立语义关联，实现本 体映射 ，关键在于发现相同或者相似的元素间的映射 关系。相似度计算便成为本体映射中发现映射关系的 重要方 法。文 中从属性 、结构 、实 例 3个方面进行相 似性的计算 ，然后把计算结果进行合并，得出最终的 概念相 似度 。 1 属性相似度。在本体中每一个属性也是一 个概念。设置各属性相应的权值 ∞ ，可用层次分析 法 A H P 、D e l p h i 法等多种方法计算得到，并预先 存入到案例本体中。属性相似度计算方法为 三∞ S a ， 6 |s A， B 一 l∑ ‘ l 其中，S a ， b 为概念 A的属性 a与概念 B的属性 b 之间的相似度 ，m为概念A和 之间相似的个数。 2 结构相似度。基于结构的相似度计算加入 了本体中所包含的类概念的结构化信息，即父类和子 类关系信息。可以认为，两个类概念的父类集合之间 相似度越高，则其相似度越高 ；两个类概念的子类集 合之间的相似度越高，则其相似度越高。因此，可以 定义基于结构的相似度计算方法如下 o S s t r O t十 其中 ， 、 分别表示 概念 的父、子概念集；O ／ 、 表示权重因子；概念 日类似。 3 实例相似度。基于实例计算概念相似度 的 理论依据是，如果概念所具有的实例全部都相同，那 么这两个概念可能是相同的 ；如果两个概念具有相 同 实例的比重是相 同的，那 么这两个概念可能是相似 的。则实例相似度计算方法为 S l * 其中， a 、， b 表示本体 A 、日中概念 a 、b所拥 有的实例数；I A 表示本体 A中属于概念a也属于 b的实例数；， B 表示本体 日中属于概念 b 也属于 a的实例数。 4 综合相似度。为了平衡上述各个算法计算 结果所带来的差异，赋予各种相似度不同权值 ，计 算出总的相似度，计算公式如下 s 搴 4-等 4- 兰 4- atlI 甜 口 甜 str ∞ ， 第 2 3 期 程德蓉 等基于本体和 C B R的数控机床故障诊断教学系统框架研究 1 7 1 5 重复步骤 1 一 4 ，计算出案例库中每个 案例与待求解案例的相似度，找出相似度值最大的案 例即为待求解案例。 2 ． 3 系统 的 实现 基于以上设计方案，系统使用 J a v a 来开发，采 用 P r o t 6 g 6 2 0 0 0O WL构建描述本体，用 J e n a实现本 体与数据库之间的连接。P r o t 6 g 6 2 0 0 0是由美国S t a n - f o r d大学开发的本体编辑器，也是基 于知识的编辑 器 ，它是用 J a v a开 发 的一 个 开 源 项 目。P r o t 6 g 6 2 0 0 0 b e t a版开始以 O WL插件的形式支持 O WL格式的本 体 ，此 O WL插件用 J a v a 开发，用 J e n a包 H P实验 室开发的 J a v a A P I 支持 O WL文档 的读取。P r o t 6 g 6 2 0 0 0工具本身没有嵌入推理工具 ，不能实现推理， 但该工具有良好的可扩展结构 ，因此，系统开发中使 用了 I B M公司的基于 J a v a 语言的本体集成开发工具 集 I B M I n t e g r a t e d O n t o l o g y D e v e l o p m e n t T o o l k i t ，I O D T 。该工具集包含了两个用于本体操作、推理和存 储的核心工具包 O WL C o r e和 S O R C o r e ，其中 O WL C o r e 包含了 O WL本体模型解析器、O WL本体推理器 以及 O WL本体转换器等核心 A P I ，业务逻辑层使用 其实现本体模 型的解析 与推理；数据层使用 S O R C o r e S c a l a b l e O n t o l o g y R e p o s i t o r y 组件提供了利用 关系数据库来存储和管理 O WL本体模型的 A P I ，系 统在此基础上 ，实现了基于 O WL本体和关系数据库 的案例库。数据库使用了 M Y S Q L数据库。 3 结束语 案例推理技术是迅速发展起来的人工智能的一个 子领域，案例推理与本体技术的结合是 C B R发展的 趋势。文中提出了基于本体和 C B R的数控机床故障 诊断学习系统的总体框架，对故障诊断与维修知识本 体的表示、基于本体的案例推理都进行 了深入的研 究 ，采用 P r o t 6 g 6 2 0 0 0O WL构建描述本体，用 J e n a 实现本体与数据库之间的连接，实现了案例的检索和 重用，为教师、学生及维修保障人员提供有效的经验 获取和利用手段。但在领域知识本体的细化方面需结 合模糊归类法、粗糙集等方法进行深入研究。 参考文献 【 1 】 K O L O D N E R J L ． A n i n t r o d u c t i o n t o c a s e b a s e d r e a s o n i n g [ J ] ． A r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e R e v i e w， 1 9 9 2 ， 6 1 3 3 4 ． 【 2 】 S T U D E R R ， B E N J A M I N S V R ， F E N S E L D ． K n o w l e d g e E n g i n e e ri n g ， P r i n c i - p i e s a n d Me t h o d s [ J ] ． D a t a a n d K n o w l e d g e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 2 5 1 ／ 2 1 6 1 1 9 7 ． 【 3 】 闻敬谦， 李青． 基于本体的语义相似在维修案例推理中 应用[ J ] ． 北京航空航天大学学报 ， 2 0 0 9 2 2 2 3 2 2 6 ． 【 4 】黄烟波， 张红宇， 李建华， 等． 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y d r a u l i c S e r v o S y s t e m s [ C ] ／ ／ W o r l d A c a d e m y o f S c i e n c e ， E n g i n e e r - i n g a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ． 【 5 】C H I A N G M a o H s i u n g ， C H E N C h u n g - C h i e h ， K U O C h u n g - F e n g J e f f r e y ． T h e Hi s h Re s p o n s e a n d Hi s h E ffic i e n c y V e l o c i t y C o n t r o l o f a H y d r a u l i c I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e U s i n g a Va r i a b l e Ro t a t i o n al S p e e d E l e c t r o -h y d r a u l i c P u mp - c o n t r o l l e d S y s t e m[ J ] ． T h e I n t e r n a t i o n al J o u r n al of A d - v a n c e d Ma n u f a c t u rin g T e c h n o l o gy ， 2 0 0 9， 4 3 8 4 l一8 5 1 ．