基于本体旋转机械故障知识本体建模研究.ppt

1、基于本体的旋转机械故障诊断知识本体建模研究,计算机科学与工程学院,报告人：狄雪兰 导 师：张会福 陈安华,主要内容,旋转机械故障领域知识概念模型,旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障知识本体的进化和推理,1 概述,1.1 课题来源 国家自然科学基金项目：基于知识网格的机械故障智能诊断系统的原理与方法研究，项目编号：50775070 湖南省教育厅项目：机械故障智能诊断系统知识共享的知识网格关键技术研究，项目编号：10K023 湖南科技大学研究生创新基金项目：基于ARM7的手持旋转机械故障诊断仪开发，项目编号：S090115,1 概述,1.2 研究的背景和意义 旋转机械故障诊断 机械故障诊断

2、：系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性质，判断劣化状态发生的部位或部件，预测状态劣化的发展趋势等，并采取有效措施消除和避免机械故障造成的不利影响，它是机械故障状态检测、机械故障模式识别及机械故障程度预测的总称。旋转机械是机械设备的一种，它是指带有转子轴承的一种机械设备。故障知识的表达作为故障诊断专家系统的核心之一，是提高故障诊断准确性的前提。 旋转机械故障知识表示存在的问题 对领域中的问题、术语及其相互关系的描述通用性不强 对复杂故障概念及其关系上的推理能力和灵活性不足 单一的知识表示方法在知识获取和系统维护方面比较简单易行，但是在故障知识表达的过程中往往会出现遗漏 两种或两

3、种以上知识表达方法建立相对比较容易，但是又会增加知识获取的难度,1 概述,1.2 研究的背景和意义 本体知识表示理论 本体：一个本体是概念明确的、形式化的规范说明 本体论最早应用于哲学领域，是对要描述事物的本质的抽象，它强调的是实体间的关联，并通过多种知识表示元素将这些关联表达和反映出来。 本体建模是一种有效表现概念层次结构和语义的模型知识表示方法，基于本体的知识表示能清晰地表达领域知识的层次结构和语义关系 本体知识表示使得旋转机械故障领域知识表示更加全面、深入，也更加丰富化，同时也能完整表示具有描述逻辑的知识库 本体知识表示满足旋转机械故障知识语义方面需要，方便旋转机械故障知识模型间的语义级

4、信息共享,1 概述,1.3 相关研究的国内外现状 本体理论的应用研究现状 企业本体项目，虚拟企业项目，IT TALKS系统、盘古常识知识库，基于本体的需求获取等等 旋转机械故障诊断的知识表示方法研究现状 面向对象知识表示、产生式规则知识表示、神经网络知识表示、框架知识表示、以及将两种或两种以上方法结合等,2 旋转机械故障领域知识体系模型,2.1 旋转机械故障领域知识语义关系模型（转子质量偏心故障）,2 旋转机械故障领域知识体系模型,2.2 旋转机械故障领域知识网状关系模型 旋转机械故障知识相关定义,定义2.1：旋转机械故障知识分别用故障知识类的首字母 来描述 基于旋转机械故障知识的复杂性，有如

5、下定义： 定义2.2：旋转机械故障类型、振动特征、敏感参数三者之间可以用一个三元组 来表示 。其中， 基于旋转机械故障的多源性，本文做出了如下定义 ： 定义2.3：旋转机械故障类型、故障原因、治理措施三者之间可以用一个三元组 来描述 。其中，,2 旋转机械故障领域知识体系模型,由定义2.2得到旋转机械故障类型、振动特征、敏感参数三者之间的网状关系模型,2 旋转机械故障领域知识体系模型,由定义2.3，可以得到旋转机械故障类型、故障原因、治理措施三者之间的网状关系模型,2 旋转机械故障领域知识体系模型,旋转机械故障领域知识推理假设,假设2.1：不同的旋转机械故障类型，它的故障征兆不完全相同，即不同

6、的旋转机械故障类型，它们的故障征兆在某些方面可能有相同的量。 假设2.2：两种故障征兆的各对应量如果有80%及以上的量是相同的，那么就规定这两种故障征兆引起同一故障类型。 假设2.3：不同的旋转机械故障类型可以有完全相同的敏感参数。 即由假设3.3可知，如果只知道敏感参数，不能准确地判定与该敏感参数对应的故障类型。,2 旋转机械故障领域知识体系模型,2.3 旋转机械故障领域知识类关系模型,3 旋转机械故障领域知识本体构建,3.1 本体构建原则和流程 本体构建原则 清晰性和客观性(Clarity) 一致性(Coherence) 最大单调可扩展性(Extendibility) 编码偏差程度小(Mi

7、nimal Ecoding Bias) 本体约定最小(Minimal Ontological Commitment),3 旋转机械故障领域知识本体构建,本体构建流程,3 旋转机械故障领域知识本体构建,3.2 旋转机械故障领域知识本体的设计 旋转机械故障领域知识本体中的相关定义 定义3.1：一个旋转机械故障领域本体是一个四元组 。其中 (1) C是旋转机械故障知识本体中的类集，每个类是由概念集合和属性集合组成； (2) I是本体的实例集； (3) R是类集C上的关系集合，类的继承关系is-a是最常见的类间关系； (4) 公理集合A是关于类内属性、关系以及类间关系的严格约束。 定义3.2：任意两个

8、类C1和C2，如果不存在个体x，使得x同时是C1和C2的实例，那么称C1和C2是相离的(disjoint)，记为disjoint(C1,C2)。这里disjoint(C1,C2)与disjoint(C2,C1)是等价的。,3 旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障领域知识本体中的类,3 旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障领域知识本体中的关系,3 旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障领域知识本体中的属性,对象属性及其子属性,数据类型属性,3 旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障领域知识本体中的公理,3 旋转机械故障领域知识本体构建,旋转机械故障知识领域核心本体模型的实现,

9、3 旋转机械故障领域知识本体构建,3.3 基于本体的旋转机械故障领域知识库模型,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,4.1 旋转机械故障领域知识本体的进化 采用基于属性和准则并结合上下文的语义环境的方法，对已构建的旋转机械故障知识领域核心本体进一步完善 。（旋转机械故障知识知识本体振动特征类）,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,旋转机械故障知识本体敏感参数类,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,旋转机械故障知识本体故障原因类,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,旋转机械故障知识本体治理措施类,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,4.2 旋转机械故障领域知识本体的

10、一致性检验 首先，由前面的定义3.1和定义3.2有如下推论： 推论1：旋转机械故障知识本体中的任意类C，有is-a(C1，C2)； 推论2：旋转机械故障知识本体中任意两个类C1，C2，如果is-a(C1，C2)，则is-a(C2，C1)不成立; 推论3：旋转机械故障知识本体中任意类C1，C2，C3，如果is-a(C1，C2)， is-a(C2，C3)，则有is-a(C1，C3)； 推论4：旋转机械故障知识本体中任意类C1，C2，C3，C4，如果is-a(C1，C3)，is-a(C2，C4)，且disjoint (C3，C4)，则disjoint (C1，C2).,4 旋转机械故障领域知识本体的

11、进化和推理,类间关系的一致性检验 算法1：检验类的循环继承算法 1、设旋转机械故障知识本体中存在n个互不相同的类 2、i=l； 3、 4、对旋转机械故障知识本体中的所有类 ，如果 ，则 ；如果 ，则 ； 5、 ； 6、如果 ，算法结束，则旋转机械故障知识本体中存在循环继承； 7、i=i+1； 8、如果in，转3； 9、算法结束，旋转机械故障知识本体中不存在循环继承。,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,类间关系的一致性检验 算法2：检验类间关系冲突的算法 1、设旋转机械故障知识本体中存在n个互不相同的类 2、i=l； 3、 4、对旋转机械故障知识本体中的所有类 ，如果 ，或者 ；则 ；

12、如果 ，则 ； 5、 ； 6、如果 ，算法结束，则旋转机械故障知识本体中存在关系冲突； 7、i=i+1； 8、如果in，转3； 9、算法结束，旋转机械故障知识本体中不存在关系冲突。,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,4.3 旋转机械故障领域知识本体推理和应用 旋转机械故障领域知识本体的推理 (1) 若AB，且BC，则AC； (2) ABA，ABB； (3) AAB,BAB； (4) (AB)C=A(BC)； (5) (AB)C=A(BC)。,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,推理前(a)、推理后(b)类的树形结构：,4 旋转机械故障领域知识本体的进化和推理,推理前OWL DL的

13、图形,推理后OWL DL的图形,5 结论与展望,研究结论: 建立旋转机械故障诊断知识体系模型 通过研究旋转机械故障知识特点，对旋转机械故障知识进行了详细的分类，给出了旋转机械故障知识的定义与推理假设，建立旋转机械故障诊断知识体系模型。 构建旋转机械故障知识领域核心本体 探讨本体构建原则和基本流程，定义旋转机械故障知识的类、属性、关系、公理和实例，使用本体编辑工具protg，按定义进行半自动知识获取，实现旋转机械故障知识领域核心本体的半自动构建。 实现旋转机械故障知识本体的进化与推理 通过属性和准则并结合上下文语义环境实现本体的进化。设计两种算法验证旋转机械故障知识本体的一致性，实现本体推理。验证了本体知识表示方法在旋转机械故障诊断领域中的可行性和有效性。,5 结论与展望,不足与展望： 旋转机械故障知识的不确定性、模糊性（本体中量化模糊信息） 全自动本体构建 后期研究：量化模糊信息，本体全自动构建 最终目标：实现基于知识网格的智能故障诊断系统,硕士期间发表的论文和参与的项目,硕士期间发表的论文 Ontology-based Rotating Machine Fault Diagnosis Knowledge Representation Research.ICCEE2010 Proceeding,2010:220-224. 基于链式存储故障树