基于本體旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體建模研究.ppt

1、基于本體的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷知識(shí)本體建模研究,計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,報(bào)告人：狄雪蘭 導(dǎo) 師：張會(huì)福 陳安華,主要內(nèi)容,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)概念模型,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,1 概述,1.1 課題來源 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：基于知識(shí)網(wǎng)格的機(jī)械故障智能診斷系統(tǒng)的原理與方法研究，項(xiàng)目編號(hào)：50775070 湖南省教育廳項(xiàng)目：機(jī)械故障智能診斷系統(tǒng)知識(shí)共享的知識(shí)網(wǎng)格關(guān)鍵技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)：10K023 湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目：基于ARM7的手持旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷儀開發(fā)，項(xiàng)目編號(hào)：S090115,1 概述,1.2 研究的背景和意義 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷 機(jī)械故障診斷

2、：系統(tǒng)在一定工作環(huán)境下查明導(dǎo)致系統(tǒng)某種功能失調(diào)的原因或性質(zhì)，判斷劣化狀態(tài)發(fā)生的部位或部件，預(yù)測狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢(shì)等，并采取有效措施消除和避免機(jī)械故障造成的不利影響，它是機(jī)械故障狀態(tài)檢測、機(jī)械故障模式識(shí)別及機(jī)械故障程度預(yù)測的總稱。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是機(jī)械設(shè)備的一種，它是指帶有轉(zhuǎn)子軸承的一種機(jī)械設(shè)備。故障知識(shí)的表達(dá)作為故障診斷專家系統(tǒng)的核心之一，是提高故障診斷準(zhǔn)確性的前提。 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)表示存在的問題 對(duì)領(lǐng)域中的問題、術(shù)語及其相互關(guān)系的描述通用性不強(qiáng) 對(duì)復(fù)雜故障概念及其關(guān)系上的推理能力和靈活性不足 單一的知識(shí)表示方法在知識(shí)獲取和系統(tǒng)維護(hù)方面比較簡單易行，但是在故障知識(shí)表達(dá)的過程中往往會(huì)出現(xiàn)遺漏 兩種或兩

3、種以上知識(shí)表達(dá)方法建立相對(duì)比較容易，但是又會(huì)增加知識(shí)獲取的難度,1 概述,1.2 研究的背景和意義 本體知識(shí)表示理論 本體：一個(gè)本體是概念明確的、形式化的規(guī)范說明 本體論最早應(yīng)用于哲學(xué)領(lǐng)域，是對(duì)要描述事物的本質(zhì)的抽象，它強(qiáng)調(diào)的是實(shí)體間的關(guān)聯(lián)，并通過多種知識(shí)表示元素將這些關(guān)聯(lián)表達(dá)和反映出來。 本體建模是一種有效表現(xiàn)概念層次結(jié)構(gòu)和語義的模型知識(shí)表示方法，基于本體的知識(shí)表示能清晰地表達(dá)領(lǐng)域知識(shí)的層次結(jié)構(gòu)和語義關(guān)系 本體知識(shí)表示使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)表示更加全面、深入，也更加豐富化，同時(shí)也能完整表示具有描述邏輯的知識(shí)庫 本體知識(shí)表示滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)語義方面需要，方便旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)模型間的語義級(jí)

4、信息共享,1 概述,1.3 相關(guān)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 本體理論的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 企業(yè)本體項(xiàng)目，虛擬企業(yè)項(xiàng)目，IT TALKS系統(tǒng)、盤古常識(shí)知識(shí)庫，基于本體的需求獲取等等 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的知識(shí)表示方法研究現(xiàn)狀 面向?qū)ο笾R(shí)表示、產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示、框架知識(shí)表示、以及將兩種或兩種以上方法結(jié)合等,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,2.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)語義關(guān)系模型（轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心故障）,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)網(wǎng)狀關(guān)系模型 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)相關(guān)定義,定義2.1：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)分別用故障知識(shí)類的首字母 來描述 基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)的復(fù)雜性，有如

5、下定義： 定義2.2：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型、振動(dòng)特征、敏感參數(shù)三者之間可以用一個(gè)三元組 來表示 。其中， 基于旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的多源性，本文做出了如下定義 ： 定義2.3：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型、故障原因、治理措施三者之間可以用一個(gè)三元組 來描述 。其中，,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,由定義2.2得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型、振動(dòng)特征、敏感參數(shù)三者之間的網(wǎng)狀關(guān)系模型,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,由定義2.3，可以得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型、故障原因、治理措施三者之間的網(wǎng)狀關(guān)系模型,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)推理假設(shè),假設(shè)2.1：不同的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型，它的故障征兆不完全相同，即不同

6、的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型，它們的故障征兆在某些方面可能有相同的量。 假設(shè)2.2：兩種故障征兆的各對(duì)應(yīng)量如果有80%及以上的量是相同的，那么就規(guī)定這兩種故障征兆引起同一故障類型。 假設(shè)2.3：不同的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類型可以有完全相同的敏感參數(shù)。 即由假設(shè)3.3可知，如果只知道敏感參數(shù)，不能準(zhǔn)確地判定與該敏感參數(shù)對(duì)應(yīng)的故障類型。,2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)體系模型,2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)類關(guān)系模型,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,3.1 本體構(gòu)建原則和流程 本體構(gòu)建原則 清晰性和客觀性(Clarity) 一致性(Coherence) 最大單調(diào)可擴(kuò)展性(Extendibility) 編碼偏差程度小(Mi

7、nimal Ecoding Bias) 本體約定最小(Minimal Ontological Commitment),3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,本體構(gòu)建流程,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,3.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體中的相關(guān)定義 定義3.1：一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域本體是一個(gè)四元組 。其中 (1) C是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中的類集，每個(gè)類是由概念集合和屬性集合組成； (2) I是本體的實(shí)例集； (3) R是類集C上的關(guān)系集合，類的繼承關(guān)系is-a是最常見的類間關(guān)系； (4) 公理集合A是關(guān)于類內(nèi)屬性、關(guān)系以及類間關(guān)系的嚴(yán)格約束。 定義3.2：任意兩個(gè)

8、類C1和C2，如果不存在個(gè)體x，使得x同時(shí)是C1和C2的實(shí)例，那么稱C1和C2是相離的(disjoint)，記為disjoint(C1,C2)。這里disjoint(C1,C2)與disjoint(C2,C1)是等價(jià)的。,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體中的類,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體中的關(guān)系,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體中的屬性,對(duì)象屬性及其子屬性,數(shù)據(jù)類型屬性,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體中的公理,3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)領(lǐng)域核心本體模型的實(shí)現(xiàn),

9、3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建,3.3 基于本體的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)庫模型,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,4.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化 采用基于屬性和準(zhǔn)則并結(jié)合上下文的語義環(huán)境的方法，對(duì)已構(gòu)建的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)領(lǐng)域核心本體進(jìn)一步完善 。（旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)知識(shí)本體振動(dòng)特征類）,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體敏感參數(shù)類,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體故障原因類,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體治理措施類,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,4.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的

10、一致性檢驗(yàn) 首先，由前面的定義3.1和定義3.2有如下推論： 推論1：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中的任意類C，有is-a(C1，C2)； 推論2：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中任意兩個(gè)類C1，C2，如果is-a(C1，C2)，則is-a(C2，C1)不成立; 推論3：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中任意類C1，C2，C3，如果is-a(C1，C2)， is-a(C2，C3)，則有is-a(C1，C3)； 推論4：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中任意類C1，C2，C3，C4，如果is-a(C1，C3)，is-a(C2，C4)，且disjoint (C3，C4)，則disjoint (C1，C2).,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的

11、進(jìn)化和推理,類間關(guān)系的一致性檢驗(yàn) 算法1：檢驗(yàn)類的循環(huán)繼承算法 1、設(shè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中存在n個(gè)互不相同的類 2、i=l； 3、 4、對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中的所有類 ，如果 ，則 ；如果 ，則 ； 5、 ； 6、如果 ，算法結(jié)束，則旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中存在循環(huán)繼承； 7、i=i+1； 8、如果in，轉(zhuǎn)3； 9、算法結(jié)束，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中不存在循環(huán)繼承。,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,類間關(guān)系的一致性檢驗(yàn) 算法2：檢驗(yàn)類間關(guān)系沖突的算法 1、設(shè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中存在n個(gè)互不相同的類 2、i=l； 3、 4、對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中的所有類 ，如果 ，或者 ；則 ；

12、如果 ，則 ； 5、 ； 6、如果 ，算法結(jié)束，則旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中存在關(guān)系沖突； 7、i=i+1； 8、如果in，轉(zhuǎn)3； 9、算法結(jié)束，旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體中不存在關(guān)系沖突。,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,4.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體推理和應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的推理 (1) 若AB，且BC，則AC； (2) ABA，ABB； (3) AAB,BAB； (4) (AB)C=A(BC)； (5) (AB)C=A(BC)。,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,推理前(a)、推理后(b)類的樹形結(jié)構(gòu)：,4 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障領(lǐng)域知識(shí)本體的進(jìn)化和推理,推理前OWL DL的

13、圖形,推理后OWL DL的圖形,5 結(jié)論與展望,研究結(jié)論: 建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷知識(shí)體系模型 通過研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)特點(diǎn)，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)進(jìn)行了詳細(xì)的分類，給出了旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)的定義與推理假設(shè)，建立旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷知識(shí)體系模型。 構(gòu)建旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)領(lǐng)域核心本體 探討本體構(gòu)建原則和基本流程，定義旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)的類、屬性、關(guān)系、公理和實(shí)例，使用本體編輯工具protg，按定義進(jìn)行半自動(dòng)知識(shí)獲取，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)領(lǐng)域核心本體的半自動(dòng)構(gòu)建。 實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體的進(jìn)化與推理 通過屬性和準(zhǔn)則并結(jié)合上下文語義環(huán)境實(shí)現(xiàn)本體的進(jìn)化。設(shè)計(jì)兩種算法驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)本體的一致性，實(shí)現(xiàn)本體推理。驗(yàn)證了本體知識(shí)表示方法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域中的可行性和有效性。,5 結(jié)論與展望,不足與展望： 旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障知識(shí)的不確定性、模糊性（本體中量化模糊信息） 全自動(dòng)本體構(gòu)建 后期研究：量化模糊信息，本體全自動(dòng)構(gòu)建 最終目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)網(wǎng)格的智能故障診斷系統(tǒng),碩士期間發(fā)表的論文和參與的項(xiàng)目,碩士期間發(fā)表的論文 Ontology-based Rotating Machine Fault Diagnosis Knowledge Representation Research.ICCEE2010 Proceeding,2010:220-224. 基于鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)故障樹