基于本体的船舶远程保障知识管理系统的制作方法

本发明涉及船舶远程技术保障领域，具体是一种基于本体的船舶远程保障知识管理系统。

背景技术：

本体是一种应用于知识工程领域的专门技术。由于它在描述概念及概念相互关系方面具有灵活、可扩展和开放性等特点，近年来不论是在科学研究领域，还是因特网应用领域，本体web语言(owl,ontologyweblanguage)已经得到广泛应用，它不仅支持各种不同系统之间的知识共享和语义交互，而且支持自动推理功能。为了进一步推广本体的应用范围，omg(对象管理组织)还推出了本体定义元模型(odm)，实现了通过统一建模语言(uml)工具进行本体建模。但是在船舶维修保障领域还缺乏利用本体实施知识管理和故障诊断等方面的应用。

技术实现要素：

为了克服已有技术的缺陷，为了解决船舶维修保障知识的标准化管理问题，本发明的目的是提出一种基于本体的船舶远程保障知识管理系统。

为实现上述目的，本发明提供的基于本体的船舶远程保障知识管理系统，其特征在于：所述系统包括保障任务管理服务器、通信服务器和本体知识库；

所述保障任务管理服务器是基于本体查询语言实现，从本体知识库中检索以rdf或xml格式存放的本体数据，并以rdf或xml格式返回查询结果；

所述通信服务器，负责用户的身份识别和认证，并根据用户的身份和角色判别提供给他运行的服务，此外通信服务器还负责按照优先级顺序转发任务管理服务器发出的消息，保证紧急故障的消息能优先发送；

所述本体知识库是该系统的核心组织成分，它由以下4个部分组成：

①表示远程保障任务的概念及相互关系的本体；

②支持辅助决策的规则；

③推理机；

④知识查询语言。

所述本体知识库中的本体分为两层：

第1层为通用层包括系统设计的一些通用性的概念以及它们之间的关系；

第2层为领域层，表示具体对象：包括故障设备、保障专家的基本信息；当应用环境变化时，新的领域层本体可以动态插入上层本体中；

本体重要特点是可以通过推理机生成辅助决策方案；本体还能帮助生成预定义的规则，从而给知识库提供了推理能力；现有的逻辑推理机制都可用于本系统从而优化系统服务，包括消息分发、诊断方案的生成以及备品备件的检索。

作为优选方案，所述系统的工作流程分为3个主要状态：第1个状态为用户向系统发送消息；第2个状态是系统内部状态的转换；第3个状态是系统向用户返回消息；

具体步骤如下：

1)用户身份识别及验证：主要目的是查看用户是否注册，并允许按其角色权限访问系统；系统用户应该强制性要求安装由权威机构下发的数字证书；

2)建立用户与保障任务之间的连接：在系统本体中事先预定义用户与保障任务的关系以及用户执行任务的权限，根据用户的配置文件设定不同类型的用户可以执行的任务不同；

3)建立保障任务与数据之间的连接：由于保障任务的执行过程中可能需要船舶监测数据的支持，所以在系统本体中定义了保障任务与数据的关系；因此，一旦用户选择了执行的保障任务，系统把它所选任务与所需数据连接，并要求用户初始化数据；

4)生成数据处理及解决方案：根据当前保障任务的类型、可利用的人力资源、材料和通信资源以及采集到的数据，系统首先查询本体知识库，通过查询结果形成多个解决方案；

5)方案的优选：由于形成的解决方案可能有多个，该步骤通过一些优选标准包括船舶位置、交互双方通信设备的能力、备品备件资源的数量和技术保障专家的特长，从中优选；优选过程在两个层级执行：第1个优选层，在本体查询时，通过在查询语句中加入“过滤”模式来实现；第2个优选层，可在推理中预先设置选择规则来实现；

6)消息分发：系统根据用户需求把消息分发到对该消息感兴趣且事先订阅了该类消息的用户，该过程由通信服务器完成，并可以通过通信规则来优化消息的转发。

进一步地，所述保障任务管理服务器的工作流程如下：

(1)根据访问系统的用户所属角色检索其能够执行的任务，并把系统角色与保障任务连接起来；

(2)根据第1步用户选择执行的保障任务，建立保障任务与船舶监测数据的连接数据通道；

(3)把不同类型的设备监测数据封装成xml统一格式的消息。

更进一步地，所述通信服务器，完成以下三个流程：

(1)根据消息接收者和发送者的重要性定义任务管理服务器发出消息的优先级；

(2)根据优先级分发队列中的消息；

(3)支持预定义的传输规则，包括可预定如下规则：首先发送高优先级消息队列中的第1个消息，如果高优先级队列中没有等待发送的消息，依次发送中等优先级消息队列中的第1个消息。

更进一步地，所述系统本体还包括保障任务本体的使用者；所述保障任务本体的使用者是系统本体中的一个重要组成，作为系统用户角色，包括有远程技术专家，故障船舶所在的技术人员、通信设备和软件代理；所述系统本体主要目的是负责管理系统角色之间的消息交换；系统本体知识还可以推导出保障规则，而这些规则可以帮助生成技术保障方案，并简化知识分析的过程。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的基于本体的船舶远程技术保障知识管理系统，它把保障任务定义为一系列活动过程，这些活动包括故障诊断服务，消息封装和传输、备件查询等。当船舶发生故障且本船技术人员无法修复时，可以向远程保障中心发出求助信息，装载于保障中心的知识管理系统采集设备数据并诊断故障原因，给出解决方案，该系统能够优化保障资源的使用，有效支持船舶和岸基保障技术力量之间的消息交换。系统的核心是由本体模型驱动的知识库，本体模型能够表示远程技术保障设计的不同概念(包括技术人员，保障资源，保障任务等)及它们之间的相互关系，系统提供的服务包括远程诊断、备件供应及技术资料查询等。

附图说明

图1是系统结构图；

图2是本体概念与关系层次关系图；

图3是柴油机故障维修状态协议模型案例示意图；

图4是保障任务管理的uml状态图；

图5是系统知识库实施结构图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细阐述。

本发明一个典型的应用背景可以如下：当一条远洋海轮出现设备故障需要更换某配件时，如果船上又缺少该类备件，系统通过知识库，推理分析船舶现有工况、所处海洋环境以及附近船舶的分布情况，给出合适的备件供应方案，并建立故障船舶与保障单元之间的消息连接。

本发明系统的主要组成要素如图1所示。其中保障任务管理服务器是基于本体查询语言实现，从本体知识库中检索以rdf或xml格式存放的本体数据，并以rdf或xml格式返回查询结果。

保障任务管理服务器的主要工作流程为：

(1)根据访问系统的用户角色检索其能够执行的任务，并把系统角色与保障任务连接起来；

(2)根据用户第1步用户执行的保障任务，建立保障任务与船舶监测数据的连接数据通道；

(3)把不同类型的设备监测数据封装成xml统一格式的消息。

通信服务器，负责用户的身份识别和认证，并根据用户的身份和角色判别提供给他运行的服务，此外通信服务器还负责按照优先级顺序转发任务管理服务器发出的消息，保证紧急故障的消息能优先发送。

通信服务器，主要完成以下三个流程：

(1)根据消息接收者和发送者的重要性定义任务管理服务器发出消息的优先级；

(2)根据优先级分发队列中的消息；

(3)支持预定义的传输规则。例如可预定如下规则：首先发送高优先级消息队列中的第1个消息，如果高优先级队列中没有等待发送的消息，依次发送中等优先级消息队列中的第1个消息。

知识库是该系统的核心组织成分，它又由以下4个部分组成：

(1)表示远程保障任务的概念及相互关系的本体；

(2)支持辅助决策的规则；

(3)推理机；

(4)知识查询语言。

进一步描述保障任务本体，任务本体的使用者也是本体中的一个重要组成为系统用户角色，它包括有远程技术专家，故障船舶所在的技术人员、通信设备，软件代理等，而本体的主要目的是负责管理系统角色之间的消息交换，另外，本体知识还可以推导出保障规则，而这些规则可以帮助生成技术保障方案，并简化知识分析的过程。利用本体技术可以描述保障任务设计的不同概念以及它们之间的相互关系，这有助于进一步生成远程保障任务所需资源和角色的知识。图2为技术保障的本体层次结构。

系统本体分为两层，通用层包括系统设计的一些通用性的概念(例如角色、资源、位置等)以及它们之间的关系；第2层为领域层，它可以表示一些具体对象，包括故障设备、保障专家的基本信息等。当应用环境变化时，新的领域层本体可以动态插入上层本体中。

图3为利用本体生成规则的案例，在本体层次结构中有4个概念和4个关系用于了规则推理，4个概念分别为事件，上下文、故障诊断和故障处理；3个关系分别为属于，触发，生成。因果上下文的影响因子包含了可能引起柴油机故障的因素，包括喷油器针阀卡死、各缸供油不均、燃烧不良以及缸套磨损。故障现象包括运转声音异常、转速不稳定(例如造成启动困难)。故障诊断包括对噪声和温度的测量。故障处理包括更换喷油器、调整气门间隙、识别故障原因、状态监测和预防性维修等。

系统的工作流程可分为3个主要状态，第1个状态为用户向系统发送消息，第2个状态是系统内部状态的转换，第3个状态是系统向用户返回消息，图4为系统状态图，用以描述状态变化时的系统行为。

1)用户身份识别及验证。主要目的是查看用户是否注册，并允许按其角色权限访问系统。系统用户应该强制性要求安装由权威机构下发的数字证书。

2)建立用户与保障任务之间的连接。在本体中事先预定义用户与保障任务的关系以及用户执行任务的权限，根据用户的配置文件设定不同类型的用户可以执行的任务不同，例如软件专家只能执行软件故障诊断保障任务。

3)建立保障任务与数据之间的连接。由于保障任务的执行过程中可能需要船舶监测数据的支持，所以在本体中定义了保障任务与数据的关系。因此，一旦用户选择了执行的保障任务，系统把它所选任务与所需数据连接，并要求用户初始化数据。例如某次维修保障任务“柴油机故障诊断”，需要柴油机当前的监测数据，包括压力、转速、噪声、温度等，同时也需要该型柴油机的属性数据，包括型号、生产日期、生产厂家、历史维修记录等。保障任务“备件申请”所需数据又与此不同。

4)生成数据处理及解决方案。根据当前保障任务的类型、可利用的人力资源、材料和通信资源以及采集到的数据，系统首先查询本体库，通过查询结果形成多个解决方案，例如，在一次紧急故障中，船舶急需一批备品备件，通过查询可以得到存储有该类型备件的附近船舶或仓库。

5)方案的优选。由于形成的解决方案可能有多个，该步骤通过一些优选标准，例如船舶位置、交互双方通信设备的能力、备品备件资源的数量、技术保障专家的特长等，从中优选，优选过程在两个层级执行，第1层：在本体查询时，通过在查询语句中加入过滤“filter”模式来实现，第2个优选层：可在推理中预先设置选择规则来实现。

6)消息分发。系统根据用户需求把消息分发到对该消息感兴趣且事先订阅了该类消息的用户，该过程由通信服务器完成，并可以通过通信规则来优化消息的转发。

图5为系统知识库的主要组成部分，它包括一个远程技术资源本体库、用于任务管理的规则集、消息交换模块、推理机和查询引擎等。

可以利用owl-dl(描述逻辑)用于描述本体，在系统中定义了两种主要的关系类型，第1种类型是“对象关系”，它描述了用户执行服务、服务需要资源、服务需要数据以及用户拥有资源等系统主体之间的关系。第2个关系类型是“数据类型”属性，例如电气系统专家具备电器保障特长，这个“具备”就属于“数据类型”属性。另外个体代表某一类概念对应的具体对象，例如某个应急保障专家是船舶电气维护类型专家的特例，所以该属性可以把两个个体连接在一起。例如“执行”特性，把某个体“电器系统专家”与另一个个体“应急保障专家”连接，另外属性“拥有”可以把个体“电器系统专家”与另一个个体“通信终端(资源)”连接。

protégé-owl可用于编辑本体。作为一个经典的知识获取工具，protégé能够用于本系统本体知识的获取与描述。为了验证本体的一致性和类层次，可以采用推理机racer，它的一个主要功能是检测某一类是否是另一个类的子类，从而建立本体的类层次。基于条件描述，推理机还可以检查某个类是否有实例，还可以检查每一个类的执行条件，以此判别某个个体是否满足成为某个类型成员的条件，例如设某个体x将要成为某个类用户的成员，他至少得有执行一项保障任务的能力和相应的资源。

系统采用sparql查询语言引擎来检索本体库中的数据。sparql通过4个查询语句select、construct、ask和describe从本体中检索数据，而且可用于不同类型数据源的查询，它不仅支持以rdf格式返回数据，也可以通过修改“过滤器(filter)”来精确查询范围。

系统可采用swrl(语义web规则语言)来定义不同的知识规则，它基于owl的两个子语言(owl-dl和owl-lite)实现。最后可采用jess(java专家系统)编译和执行规则。