楊延璞 余隋懷 陳登凱 馮 青

西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072

0 引言

復(fù)雜產(chǎn)品是指結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難點多、知識集成度高、涉及學(xué)科廣的產(chǎn)品［1-2］，如飛機、汽車、輪船等。復(fù)雜產(chǎn)品具有多系統(tǒng)化、多功能化的特性，故障維護要求維護人員掌握各部分的工作原理、機械結(jié)構(gòu)、操作方法等知識。隨著各行業(yè)信息化的速度日益加快，計算機輔助復(fù)雜產(chǎn)品的快速維護問題也逐漸成為研究熱點［3-6］。當前針對復(fù)雜產(chǎn)品的計算機輔助維護訓(xùn)練方式主要有基于維護電子教程的計算機輔助訓(xùn)練（CBT）、半實物與數(shù)字仿真相結(jié)合的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)［7-12］4種。但這4種方式均是從顯性故障的角度或在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的基礎(chǔ)上對維護人員進行訓(xùn)練，對于一些隱性的故障和經(jīng)驗性的排障，這些方法并不適用。

從結(jié)構(gòu)上來看，復(fù)雜產(chǎn)品包含整機、部件和零件，是多種知識的整合和集成優(yōu)化，這要求維護過程中維護人員具有專業(yè)性知識。為提高復(fù)雜產(chǎn)品的維護效率和準確性，解決維護訓(xùn)練的復(fù)雜性，有必要將維護知識以統(tǒng)一語義描述并通俗地呈現(xiàn)給維護人員，圍繞復(fù)雜產(chǎn)品的維護知識進行可視化管理，將有助于維護人員克服信息過載的障礙［13］，快速獲得知識。知識地圖作為知識管理的一種形式，能夠?qū)⒅R顯性化、組織化、可存取化和便捷化［14］，是面向知識應(yīng)用層的知識存儲模型［15］，可為用戶提供獲取知識的導(dǎo)向和知識之間的聯(lián)系，常用于指導(dǎo)學(xué)習(xí)［16］、知識管理［17］、知識挖掘［18］等領(lǐng)域。

本研究在分析維護知識類別、表現(xiàn)形式與獲取過程的基礎(chǔ)上，利用維護知識信息元對維護知識進行表示，并作為知識節(jié)點形成知識地圖，形象地描述復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練知識的構(gòu)成、關(guān)系和位置，方便維護人員快速學(xué)習(xí)和尋找。將知識地圖技術(shù)和多媒體課程、虛擬裝配訓(xùn)練相結(jié)合，通過多方位的維護訓(xùn)練實現(xiàn)對復(fù)雜產(chǎn)品故障的有效識別和排除，有助于提高維護訓(xùn)練的科學(xué)性、高效性和經(jīng)濟性。

1 復(fù)雜產(chǎn)品維護的知識管理

復(fù)雜產(chǎn)品具有高度分布性與可重構(gòu)性［19］，對知識的依賴度高，其維護過程涉及跨組織的協(xié)作、溝通和知識共享。復(fù)雜產(chǎn)品中的知識不是孤立存在的，不同零件、部件、整機之間的關(guān)系對維護的順利進行起著重要作用。從維護過程來看，復(fù)雜產(chǎn)品的維護過程可根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)分解為相互獨立又相互關(guān)聯(lián)的維護子任務(wù)。每個子任務(wù)又可以繼續(xù)分解直至零件級，從而形成維護任務(wù)樹。復(fù)雜產(chǎn)品的維護活動即是對子任務(wù)進行監(jiān)測、診斷和維修的過程。對于維護子任務(wù)的執(zhí)行解決通常有較明確的方法和步驟，從而使復(fù)雜任務(wù)的維護難度降低。

1.1 維護知識的分類與獲取

復(fù)雜產(chǎn)品的維護過程不同于其設(shè)計過程，部分可預(yù)見性故障可預(yù)設(shè)維護方法解決，不可預(yù)見性故障則需要維護人員根據(jù)經(jīng)驗判定。因此，可將復(fù)雜產(chǎn)品的故障分為可預(yù)見性故障和不可預(yù)見性故障。

（1）可預(yù)見性故障。結(jié)合前期設(shè)計和多次實驗設(shè)想故障模式，針對各種故障模式預(yù)先設(shè)計相應(yīng)的維護方法，多為保障使用人員的人身安全和設(shè)備的順利運行。此類故障的維護知識常存在于設(shè)計及維護手冊中，以技術(shù)文件的形式出現(xiàn)。

（2）不可預(yù)見性故障。多由過載、誤操作、內(nèi)外部環(huán)境條件的劇烈改變等突發(fā)性、偶發(fā)性因素引起，包括顯性故障和隱性故障。此類故障常無法預(yù)知，需要維護人員根據(jù)故障的實際情況做出反應(yīng)，同時需要維護人員具備相當?shù)慕?jīng)驗知識來發(fā)現(xiàn)隱性故障。

針對復(fù)雜產(chǎn)品的故障形式，可將故障維護知識分為顯性知識和隱性知識。顯性知識指可以明確表達的知識，對于此類知識用戶可以快速獲取和學(xué)習(xí)，如文本、圖片、視頻、音頻、維護手冊、技術(shù)文件等；隱性知識則指各種無形因素的知識，例如某一部件的故障可能同時引發(fā)其他部件的故障，此類知識需要長期的維護經(jīng)驗積累或通過與專家交流獲取，主要包括專家知識、經(jīng)驗與技巧等。

根據(jù)維護知識的表現(xiàn)形式，可將其分為3種類型：數(shù)據(jù)型、過程型與模型型，如圖1所示。

顯性維護知識的獲取可采用以下3種形式：①使用說明書、技術(shù)文件、維護手冊等的有效管理和編輯；②對維護過程實時的記錄，以圖像、視頻、音頻、過程記錄、技巧說明等方式獲??；③構(gòu)建虛擬維護系統(tǒng)，以交互三維模型獲取維護知識和維護流程。

圖1 維護知識的類型

隱性知識的獲取方式包括：與專家的溝通交流；其他維護人員的經(jīng)驗總結(jié)；與項目團隊的知識共享；啟發(fā)性的知識挖掘等。

復(fù)雜產(chǎn)品維護知識的分類與獲取過程可用圖2表示。

圖2 復(fù)雜產(chǎn)品維護知識的分類與獲取過程

1.2 維護知識的表征

復(fù)雜產(chǎn)品維護任務(wù)執(zhí)行的過程，既是產(chǎn)生維護知識的過程，也是應(yīng)用維護知識的過程。規(guī)范準確合理地表示維護知識有助于對知識進行有效管理，方便維護人員快速檢索與調(diào)用，能夠為維護人員快速準確解決故障問題提供有力支持。參考功能需求信息元［20］的表示方法，本文采用維護知識信息元（maintenance knowledge information cell，MKIC）來系統(tǒng)化、規(guī)范化、形式化描述維護知識，旨在提高知識所表達信息的良好交互性、知識性、集成性和可重用性等。圖3描述了維護知識信息元的組成結(jié)構(gòu)。

維護知識信息元由標識集、操作集、接口集和信息集組成，各部分具體表示內(nèi)容如下：

（1）標識集包含了維護知識的基本信息，包括知識的編號、類別、描述、創(chuàng)建時間、創(chuàng)建者等。

（2）操作集封裝了對 MKIC的內(nèi)部基本操作，如對標識集的操作與編碼、對接口集的定義、對信息集的描述等。O＝｛o1，o2，…，on｝表示了MKIC的操作集合，且on可表示為一個三元組（o＿name，o＿parameter，return＿value），分別代表了操作的名稱、參數(shù)和返回值。

圖3 維護知識信息元的組成結(jié)構(gòu)

（3）接口集表示MKIC之間的信息接口，I＝｛i1，i2，…，in｝表示接口量集合。in可表示為一個四元組（i＿id，i＿name，i＿role，i＿information），分別表示了接口的特征標識、名稱、所傳達的功能、接口的信息集合。

（4）信息集表示MKIC所包含知識的信息集合，包括特征集、關(guān)聯(lián)集、任務(wù)集和狀態(tài)集。

特征集描述了維護知識的特征屬性，包括維護知識的功能信息、技術(shù)屬性等。P＝｛p1，p2，…，pn｝表示MKIC的信息特征集合，pn可表示為一個四元組（p＿id，p＿name，p＿type，p＿value），分別表示特征標識、名稱、類型和值，值可以是精確數(shù)據(jù)、定性描述或取值范圍。

關(guān)聯(lián)集描述了MKIC的指向性、關(guān)聯(lián)規(guī)則及不同 MKIC之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。A＝｛a1，a2，…，an｝表示關(guān)聯(lián)集合，an可定義為一個五元組（a＿id，a＿direction，a＿property，a＿operation，a＿restriction），分別代表了關(guān)聯(lián)的標識、方向性、屬性、對關(guān)聯(lián)屬性操作的方法和關(guān)聯(lián)規(guī)則與約束。

任務(wù)集表示信息可參與執(zhí)行的任務(wù)序列。T＝｛t1，t2，…，tn｝表示任務(wù)集合，tn可定義為一個四元組（t＿id，t＿name，t＿property，t＿operation），分別表示任務(wù)向量的標識、可參與執(zhí)行的任務(wù)名稱、任務(wù)的屬性和對任務(wù)集本身的操作方法。

狀態(tài)集表示MKIC參與維護過程的結(jié)果評估，描述了信息的有用性，以重要度、實現(xiàn)進程狀態(tài)和任務(wù)完成度形式出現(xiàn)。S＝｛s1，s2，…，sn｝表示狀態(tài)集合，sn可定義為一個五元組（s＿id，s＿importance，s＿progress，s＿successrate，s＿operation），分別代表了狀態(tài)標識、重要度、進程狀態(tài)、任務(wù)完成度和對狀態(tài)本身的操作方法。

復(fù)雜產(chǎn)品維護的數(shù)據(jù)型、過程型和模型型數(shù)據(jù)均可以用維護知識信息元表征。篇幅所限，以飛機維護過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例應(yīng)用維護知識信息元對知識進行表征，如圖4所示。

圖4 飛機維護知識信息元表征示例

1.3 復(fù)雜產(chǎn)品維護知識地圖的構(gòu)建

由于復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以單純利用結(jié)構(gòu)分解的方法對故障節(jié)點進行診斷，同時故障的產(chǎn)生具有隨機性，故障子節(jié)點之間具有關(guān)聯(lián)性，因此大量的與故障維護相關(guān)的信息存在于不同的模型、數(shù)據(jù)庫、媒介及人員當中。傳統(tǒng)的知識管理方法難以描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，缺乏對數(shù)據(jù)存儲位置的指向性，且較難對隱性的知識進行有效管理。由于知識地圖具有知識導(dǎo)航、揭示隱性知識、揭示知識之間的關(guān)系和產(chǎn)生新知識的功能［21］，因此本文引入知識地圖的方法來對維護知識進行有效管理。

復(fù)雜產(chǎn)品的維護知識地圖框架如圖5所示，包括維護過程層、知識地圖層、知識表示層和知識存儲層。維護過程既是維護知識重用的過程，也是產(chǎn)生新知識的過程。通過對已有知識的重用，完成故障的監(jiān)測、診斷與維修；在維護過程中產(chǎn)生的新知識通過有效的知識表示存入知識庫中，經(jīng)知識地圖顯性化描述，方便維護過程中的知識檢索與重用。

2 復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練

復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練包括維護訓(xùn)練的對象、方式及對訓(xùn)練結(jié)果的評價。

（1）對象。復(fù)雜產(chǎn)品維護訓(xùn)練的對象為維護人員、教練和管理人員。維護人員通過虛擬維護訓(xùn)練學(xué)習(xí)掌握實際維護任務(wù)中該運用何種知識來排除故障；教練負責(zé)管理維護訓(xùn)練過程并提供指導(dǎo)；管理員負責(zé)為維護訓(xùn)練中產(chǎn)生的新知識進行管理，對知識地圖、維護信息元和數(shù)據(jù)庫進行維護等。

圖5 復(fù)雜產(chǎn)品維護知識地圖框架結(jié)構(gòu)

（2）方式。虛擬維護訓(xùn)練的方式有以下三種：①通過知識地圖進行自學(xué)習(xí)，以瀏覽記憶的方式掌握故障知識類別、知識所在位置及維護知識的詳細信息；②利用多媒體技術(shù)將文本、圖形、圖像、動畫、音頻和視頻等形式的信息，通過計算機處理，使多種媒體建立邏輯連接，集成為一個具有實時性和交互性的系統(tǒng)，通過對已有案例知識的學(xué)習(xí)服務(wù)于虛擬維護訓(xùn)練過程；③在對復(fù)雜產(chǎn)品進行三維模型輕量化的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行細分，構(gòu)建虛擬交互式裝配系統(tǒng)，方便維護人員學(xué)習(xí)復(fù)雜產(chǎn)品的構(gòu)成及結(jié)構(gòu)關(guān)系。

（3）評價。對維護人員從故障維護知識的快速定位熟練程度、技能全面程度、突發(fā)故障的應(yīng)變能力等方面，應(yīng)用模糊層次分析法對訓(xùn)練結(jié)果進行評價。評價結(jié)果反饋給教練員與管理人員，教練員根據(jù)評價結(jié)果調(diào)整維護人員的訓(xùn)練進程，管理人員則針對維護人員的反饋調(diào)整訓(xùn)練知識，以更好地反映維護人員的訓(xùn)練需求。

復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 應(yīng)用實例

圖6 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)

飛機具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零件形狀和材料各異、零組件數(shù)量巨大等特點，故障發(fā)生時要在最短的時間內(nèi)對故障進行檢測、診斷和維修，需要維護人員具備扎實熟練的維護知識和技能，遇到排障難題時能夠迅速找到解決難題的方法。應(yīng)用基于知識地圖的飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)能夠?qū)︼w機維護的知識進行有效管理和組織，對維護人員的技能進行訓(xùn)練，有助于顯性維護知識的管理及隱性知識的獲取和挖掘。構(gòu)建基于知識地圖的飛機虛擬維護訓(xùn)練原型系統(tǒng)，總體框架如圖7所示。

圖7 飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)的總體框架

飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)的主體部分包括基于知識地圖的自學(xué)習(xí)模塊、多媒體交互學(xué)習(xí)模塊和虛擬交互學(xué)習(xí)模塊。各模塊具體功能如下。

（1）基于知識地圖的自學(xué)習(xí)模塊。在該模塊中維護人員可通過維護知識地圖對所需的知識進行查詢，同時以瀏覽式自學(xué)習(xí)的方式對排障所需知識、知識位置及知識之間的關(guān)聯(lián)等信息進行深入訓(xùn)練和鞏固；管理員可對知識節(jié)點進行編輯、插入或刪除來對知識地圖進行更新。

（2）多媒體課程學(xué)習(xí)模塊。維護人員針對自己的知識需求及訓(xùn)練任務(wù)安排，選擇不同的多媒體課程進行學(xué)習(xí)；管理員負責(zé)對維護人員的賬戶管理，多媒體課程的創(chuàng)建、編輯、分配，系統(tǒng)的備份與維護等。

（3）虛擬交互學(xué)習(xí)模塊。該模塊包含了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的詳細信息，用戶通過虛擬維護結(jié)構(gòu)樹，詳細了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有針對性地選擇不同的結(jié)構(gòu)模塊進行虛擬裝配、拆卸等交互操作。

4 結(jié)論

復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬維護訓(xùn)練能夠節(jié)約實際維護訓(xùn)練的成本，提高排障效率和維護任務(wù)的成功率。利用復(fù)雜產(chǎn)品維護知識信息元對維護知識進行管理，便于維護過程中顯性知識和隱性知識的有效集成與重用，同時以維護知識信息元作為知識節(jié)點構(gòu)成了知識地圖系統(tǒng)，對維護知識形式化表示，不僅指出了維護知識的存儲位置，還隱含了維護知識之間的關(guān)系，同時維護知識信息元作為知識節(jié)點也有效表明了與之有關(guān)的信息，便于維護人員學(xué)習(xí)、查詢知識及聯(lián)想產(chǎn)生新知識。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了復(fù)雜產(chǎn)品虛擬維護訓(xùn)練的框架結(jié)構(gòu)，提出了基于知識地圖的自學(xué)習(xí)方法、多媒體課程學(xué)習(xí)方法和虛擬裝配訓(xùn)練方法，并以飛機為例構(gòu)建了飛機虛擬維護訓(xùn)練系統(tǒng)。

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