濮逸佳，杜宏偉

（江蘇科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

目前，計算機(jī)的普及率越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣，但由于各種原因，在使用過程中，計算機(jī)故障也隨之產(chǎn)生，給用戶帶來了極大不便。怎樣有效地進(jìn)行計算機(jī)故障診斷，快速準(zhǔn)確地判斷故障原因，找到故障排除方法，減少給生活和工作造成的影響，成為人們亟待解決的問題。文獻(xiàn)[1]基于故障樹實現(xiàn)計算機(jī)確定性故障診斷，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)不確定性故障診斷。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建計算機(jī)維護(hù)本體，利用Jena推理，設(shè)計了一個計算機(jī)維護(hù)信息檢索系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個電子設(shè)備故障診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]建立了一種基于案例推理技術(shù)的裝備故障診斷系統(tǒng)等。通過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)缺乏知識的共享和復(fù)用，以及自動語義推理和擴(kuò)展功能，為解決這些問題，本文引入了基于語義的解決方案。

我們認(rèn)為語義網(wǎng)語言及技術(shù)，尤其是本體和規(guī)則，能解決現(xiàn)有的語義鴻溝，其主要原因是：

1）本體和規(guī)則能明確和正式地表達(dá)領(lǐng)域知識，本體和規(guī)則又可用語義表達(dá)語言O(shè)WL，SWRL和RDF來形式化。本體，源于哲學(xué)，是探索存在的知識[5]，有助于知識共享和重用。SWRL（Semantic Web Rule Language）是以語義的方式呈現(xiàn)規(guī)則的一種語言。SWRL語言集本體和規(guī)則于一體，能夠提供更強(qiáng)的邏輯表達(dá)能力。目前SWRL已經(jīng)成為W3C的規(guī)范之一[6]。這些語言的特點是高度的表達(dá)能力和建模能力，它們能用準(zhǔn)確合理的方式，形式化一個復(fù)雜的模型。

2）OWL本體和SWRL規(guī)則能用邏輯推理機(jī)進(jìn)行處理。利用SWRL規(guī)則對本體中的語義信息進(jìn)一步推理和擴(kuò)展，能滿足使用者提高故障診斷系統(tǒng)智能化的需求。

綜合以上分析，文中提出了一種基于本體和規(guī)則的計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)。文中構(gòu)建了計算機(jī)硬件的OWL本體以及相關(guān)的 SWRL（Semantic Web Rule Language）規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Jess推理引擎實現(xiàn)了計算機(jī)故障診斷的應(yīng)用模型。在智能化的計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)輔助下，售后服務(wù)人員、計算機(jī)維修人員和用戶診斷故障的效率和準(zhǔn)確率將會大大提高，并且易于推廣到其他設(shè)備的故障診斷中，具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

1 基于本體和規(guī)則的計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)框架

文中研究的系統(tǒng)用于診斷計算機(jī)故障，能根據(jù)計算機(jī)的故障現(xiàn)象，通過基于本體和規(guī)則的推理，快速判斷故障原因，提供用戶故障排除方法，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)框架圖Fig.1 Framework of computer fault diagnosis system

1）計算機(jī)故障診斷領(lǐng)域本體是整個系統(tǒng)的概念基礎(chǔ)，提供了本體的層次結(jié)構(gòu)，也是構(gòu)建規(guī)則的基礎(chǔ)。

2）計算機(jī)故障診斷本體知識庫用于支持本體的標(biāo)準(zhǔn)框架。用OWL DL構(gòu)建本體，本體主要構(gòu)成元素是概念，屬性和實例。還包含了領(lǐng)域本體經(jīng)過描述邏輯推理后的隱含信息。

3）使用基于描述邏輯的本體推理機(jī)——RACER[7]對本體進(jìn)行推理，從而檢驗本體一致性，發(fā)現(xiàn)隱含信息，建立更好的層次關(guān)系，使OWL知識庫中信息完整。

4）SWRL是基于本體的規(guī)則語言。結(jié)合本體的概念，屬性和實例，構(gòu)建起SWRL規(guī)則庫。

5）調(diào)用SWRLJESS TAB插件將OWL知識庫轉(zhuǎn)換為Jess事實庫，將SWRL規(guī)則庫轉(zhuǎn)換為Jess規(guī)則庫。

6）運(yùn)用Jess推理機(jī)，結(jié)合事實庫和規(guī)則庫，進(jìn)行推理，得出新的事實。

7）更新和擴(kuò)充本體知識庫。調(diào)用SWRLJESSTAB插件將Jess推理出的結(jié)果進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并保存。

2 計算機(jī)故障診斷本體建模

本系統(tǒng)目的是能幫助人們快速判斷故障原因，找到故障排除方法，保障各項工作順利進(jìn)行。本體研究的對象是計算機(jī)故障診斷知識。計算機(jī)故障診斷本體的目標(biāo)用戶是：計算機(jī)用戶和計算機(jī)維護(hù)人員。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源主要是電腦維修書籍，還從網(wǎng)絡(luò)上收集補(bǔ)充了一些信息。由于計算機(jī)組成和診斷的復(fù)雜性和本文篇幅的局限性，本文構(gòu)建的本體主要從計算機(jī)硬件入手。

2.1 本體概念的定義

計算機(jī)運(yùn)行中，經(jīng)常會由于某些硬件故障或軟件故障無法運(yùn)行，嚴(yán)重影響計算機(jī)的正常使用。計算機(jī)硬件故障是指計算機(jī)中的板卡不見及外部設(shè)備等硬件發(fā)生接觸不良、性能下降、電路元件損壞或機(jī)械方面的問題引起的故障[8]。本體的類通常也被稱為概念，計算機(jī)硬件是指計算機(jī)的物理部件，在定義計算機(jī)本體概念時，從其主要部件組成出發(fā)，采用由頂向下法建立概念層次。硬件系統(tǒng)通常由CPU（中央處理器）、存儲器（包括內(nèi)存、硬盤等）、輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)等）、輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)、音箱等）、接口設(shè)備（主板、顯卡、網(wǎng)卡、聲卡、光驅(qū)）等組成。針對以上特點，本研究構(gòu)建本體主要包括：計算機(jī)硬件、診斷維修工具和狀態(tài)，計算機(jī)硬件又分為CPU及其散熱風(fēng)扇、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、接口設(shè)備、電源這6個類。具體的分類如圖2所示。

圖2 計算機(jī)硬件類分類層次Fig.2 Classification level of computer hardware

2.2 本體屬性的建立

計算機(jī)硬件故障通常導(dǎo)致無法開機(jī)，系統(tǒng)無法啟動、某個設(shè)備無法正常運(yùn)行、死機(jī)、藍(lán)屏等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重時常常伴著發(fā)燙、鳴響、電火花等現(xiàn)象。因此，計算機(jī)本體的屬性主要是為了描述計算機(jī)可能涉及的以上各種故障現(xiàn)象如：死機(jī)、藍(lán)屏、發(fā)燙、鳴響等。一個診斷規(guī)則的body部分屬性關(guān)系以A（x，y）的謂詞形式定義，其中A代表一個故障現(xiàn)象的謂詞，x和y則是變量，OWL 實例或數(shù)據(jù)值。 例如：isSilent（x，y）表示無聲現(xiàn)象；表示有噪聲現(xiàn)象。

診斷規(guī)則的head部分屬性以 C（x，y）的形式定義，其中C代表了一個排除故障的動作或操作的謂詞，x和y也是變量，OWL實例或數(shù)據(jù)值。例如Replace（x，y）表示更換操作屬性，Clean（x，y）表示清理操作屬性，Adjust（x，y）表示調(diào)整操作屬性。建立屬性時，還要限定定義域和值域的范圍。

實例是本體中用于描述具體語義概念的原語[9]。建好本體的概念和屬性后，繼續(xù)完成實例的創(chuàng)建。創(chuàng)建實例的過程是：首先確定一個類，然后輸入實例名，最后選擇或填寫相關(guān)屬性的值。

3 基于SWRL的計算機(jī)故障診斷規(guī)則構(gòu)建

3.1SWRL 規(guī)則構(gòu)建

在語義網(wǎng)中，用SWRL規(guī)則支持規(guī)則系統(tǒng)互操作性。SWRL允許用戶編寫Horn-like規(guī)則，以本體為基礎(chǔ)，利用本體實例和屬性建立Atom子句，這些子句再組成Imp中的head和body，最后組成推理式[10]。規(guī)則能用于從現(xiàn)存的OWL知識庫中推斷出新的知識。

SWRL規(guī)則推理OWL實例，主要依據(jù)OWL類和屬性。例如，一個SWRL規(guī)則表達(dá)了：a person with a male sibling has a brother， 要求在 OWL 中捕獲概念 ‘person’， ‘male’，‘sibling’ 和‘brother’。 直觀地，person 和 male 概念能用一個OWL類來記錄，這個OWL類叫Person，有一個子類Man；sibling和brother關(guān)系可用OWL屬性hasSibling和has Brother來表達(dá)，它們附屬于Person。在SWRL中的規(guī)則是：

Person （?x1） hasSibling （?x1，?x2） Man （?x2） →hasBrother（?x1，?x2）

以上關(guān)系在OWL中則不能實現(xiàn)?？梢钥闯?，本體和規(guī)則的結(jié)合，克服了OWL DL在推理上的缺陷，提供了更強(qiáng)大的知識表示和推理能力。

3.2 計算機(jī)故障診斷規(guī)則構(gòu)建

在已經(jīng)建立的計算機(jī)故障診斷本體的基礎(chǔ)上，構(gòu)建診斷規(guī)則。下面根據(jù)具體的計算機(jī)故障診斷規(guī)則的建立過程，進(jìn)行說明。對《電腦軟硬件維修從入門到精通》一書進(jìn)行知識抽取，CPU散熱類故障中出現(xiàn)的CPU溫度過高，電腦死機(jī)，或黑屏等現(xiàn)象，主要原因有兩個：（1）CPU散熱風(fēng)扇的問題，可以通過更換散熱風(fēng)扇或重新安裝散熱風(fēng)扇解決；（2）CPU散熱片問題，散熱片和CPU接觸不良，可重新安裝CPU散熱片，并在散熱片上涂上硅膠。

1）CPU散熱風(fēng)扇問題，更換散熱風(fēng)扇解決方案：

CPU （y） ∧hasPart （x，y） ∧isCrash （x，True） ∧hasTemperature（y，high）∧hasPart（y，z）→isAbnormal（y，z） （1）

isCrash （x，True） ∧siAbnormal （y，z） →Replace （z，Screwdriver_1） （2）

計算機(jī)為 x，CPU為 y，high狀態(tài)用于描述溫度過高。isCrash屬性表示電腦死機(jī)，hasTemperature屬性表示CPU溫度過高，hasPart屬性連接y與z，表示y有散熱風(fēng)扇z，最后推出isAbnormal屬性所表示的z不正?，F(xiàn)象。而故障排除方法即為Replace屬性表示的，用螺絲刀更換散熱風(fēng)扇z。其中，螺絲刀直接用實例Screwdriver_1表示，作為屬性Replace的一個參數(shù)，這樣可以提高推理的效率。

重新安裝散熱風(fēng)扇解決方案：

CPU （y） ∧hasPart （x，y） ∧isCrash （x，True） ∧hasTemperature （y，high）∧hasPart （y，z）∧isNormal （y，z）→isNotInstallInPlace（y，z）（3）

isCrash（x，True）∧isNotInstallInplace（y，z）→Reinstall（z，Screwdriver_1）（4）

此規(guī)則表示散熱風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可能是散熱風(fēng)扇安裝不到位，故障排除方法為重新安裝散熱風(fēng)扇，使用工具為螺絲刀。

2）CPU散熱片問題，散熱片和CPU接觸不良：

CPU （y） ∧hasPart （x，y） ∧isCrash （x，True） ∧hasTemperature （y，high）∧hasPart （y，z）∧isNormal （y，z）∧isInstallInPlace（y，z）→isPoorContacted（y，Heat_sink_1） （5）

isCrash （x，True） ∧isPoorContacted （y，Heat_sink_1） →Reinstall（Heat_sink_1，Screwdriver_1） （6）

Reinstall （Heat_sink_1，Scrwdriver_1） →Coat（Heat_sink_1，Silica_gel_1） （7）

這3條規(guī)則描述了原因二，檢查散熱片和CPU是否接觸良好，如果接觸不良，要重新安裝CPU散熱片，并在散熱片上涂上硅膠。isPoorContacted屬性用于表示接觸不良，此處描述了CPU和散熱片接觸不良。Coat屬性表示操作涂抹，此處是描述在散熱片上涂抹硅膠。Coat屬性中的兩個參數(shù)Heat_sink_1（散熱片），Silica_gel_1（硅膠）均以實例的形式寫入規(guī)則。

根據(jù)以上規(guī)則建立的原理和標(biāo)準(zhǔn)，建立了計算機(jī)硬件故障診斷規(guī)則，如圖3所示。

圖3 計算機(jī)故障診斷規(guī)則（部分）Fig.3 SWRL rules of computer fault diagnosis（portion）

4 基于SWRL的計算機(jī)故障推理實現(xiàn)

4.1 推理引擎Jess

大量規(guī)則引擎用Java工作，并且許多是可用的開放資源軟件。目前并沒有專門針對SWRL的推理機(jī)，常用的推理引擎有JESS、Prolog、CLIPS等。我們選擇Jess做SWRL的推理引擎，因為它與Java無縫工作，有廣泛的用戶基礎(chǔ)，有很多文檔，容易使用和配置，并且Jess小巧、靈活，與CLIPS兼容，是已知規(guī)則引擎中最快的。Jess系統(tǒng)由一個規(guī)則庫，一個事實庫和一個推理機(jī)組成[11]。推理機(jī)匹配事實庫中的事實與規(guī)則庫中的規(guī)則。這些規(guī)則能斷言新的事實，并把它們放入事實庫或者執(zhí)行Java功能。

4.2 計算機(jī)故障推理過程

文中的計算機(jī)本體和規(guī)則是在本體創(chuàng)建軟件 Protégé 3.4.7和插件SWRL Editor的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的。SWRL Editor整合了JESS規(guī)則引擎。一旦相關(guān)的OWL概念和SWRL規(guī)則在Jess里被表示，Jess規(guī)則引擎就能執(zhí)行推理。隨著規(guī)則激活，新的Jess事實被插入到事實庫。這些事實在未來的推理中用到。當(dāng)推理過程結(jié)束，這些事實就被轉(zhuǎn)變?yōu)镺WL知識。

在SWRL編輯器和Jess規(guī)則引擎間的互動是用戶驅(qū)動的。OWL知識和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)化為Jess，用這些知識和規(guī)則執(zhí)行推理，和作為結(jié)果的Jess事實再轉(zhuǎn)化回OWL知識形式的 Protégé-OWL，都是用戶在控制。

按下OWL+SWRL—>Jess按鈕，啟動事實和規(guī)則轉(zhuǎn)換。圖4為運(yùn)行結(jié)果，已將OWL知識和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)化為Jess，轉(zhuǎn)換規(guī)則為32條，轉(zhuǎn)換概念為48個，轉(zhuǎn)換實例為25個，轉(zhuǎn)換公理為128個。

接著利用Run Jess按鈕執(zhí)行推理，推理結(jié)果如圖5顯示。推理出35個公理，如圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.4 Results of transfering

圖5 推理結(jié)果Fig.5 Results of reasoning

圖6 推出的公理Fig.6 Inferred axioms

5 結(jié) 論

文中提出了一種基于本體和規(guī)則的計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)，構(gòu)建了計算機(jī)硬件的OWL本體，便于知識的共享和復(fù)用。構(gòu)建了相關(guān)的SWRL規(guī)則，解決了現(xiàn)有計算機(jī)故障診斷系統(tǒng)缺乏自動語義推理和擴(kuò)展功能的問題。 并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Jess推理引擎實現(xiàn)了計算機(jī)故障推理診斷。試驗表明，該方法能根據(jù)計算機(jī)故障現(xiàn)象判斷故障原因，提供排除故障方法，基本達(dá)到了故障診斷的要求。但計算機(jī)故障診斷是個非常復(fù)雜的過程，涉及的元素也很復(fù)雜，本文僅是根據(jù)最基本的元素，實現(xiàn)了相對簡單的規(guī)則推理，故障診斷。因此，下一步的工作主要是：完善計算機(jī)故障診斷本體庫和SWRL規(guī)則知識庫，提高故障診斷的準(zhǔn)確性；利用本體的共享和通用性，將計算機(jī)故障診斷規(guī)則推廣到通用設(shè)備故障診斷中，以適應(yīng)社會和科學(xué)的發(fā)展需要。

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