一種fmea分析過程中的故障知識存儲和推送方法
【專利摘要】一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，包含四個部分8個步驟,即1：建立故障產品存儲模塊；2：構建故障信息存儲模塊；3：構建基于本體理論的故障知識存儲模塊；4：故障模式描述語句的分詞模塊；5：故障模式主題匹配模塊；6：采用WDF，語義描述模型對第二部分步驟2得到的故障模式主題進行描述；7：將待查詢的故障模式主題和故障數據庫中的信息進行語義相似度計算；8：利用黑板過程的分步求解特點，從產品構成的最低約定層次到初始約定層次依次合理的確定指定產品的故障模式、故障原因、故障影響。它實現了歷史故障數據的有效存儲、管理以及高效的利用,完成了FMEA從最低約定層次到初始約定層次的分析工作。
【專利說明】一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法
【技術領域】
[0001] 本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，該方法利用智能分詞、 語義檢索和黑板過程實現了 FMEA故障模式存儲、查詢、和推送。它適用于復雜產品的FMEA 分析過程，通過FMEA分析模塊與歷史故障庫之間的故障知識推送，能夠有效提高復雜產品 的FMEA分析效率。本發明屬于可靠性與系統工程領域。
【背景技術】
[0002] FMEA是裝備RMS設計分析的核心工作項目，是測試性、保障性、安全性設計分析的 重要輸入，因此必須全面開展。但針對復雜裝備的研制，FMEA工作量很大，耗時費力，對分析 人員的經驗和能力要求很高。而目前的裝備設計過程中，70%以上的產品屬于繼承性設計， 原型產品和相似產品中已開展了 FMEA或積累了試驗、外場使用的故障數據，如何充分利用 已有的數據知識和工程經驗，提高FMEA工作的效率和有效性，是亟需解決的問題。
[0003] 目前在工程中，FMEA工作通常由"個人"完成，即設計師主要依靠自己的經驗或者 一部分其它型號產品的Word報告來編寫當前型號產品的FMEA報告。這樣既無法充分利用 已有故障知識，又無法高效的開展FMEA工作。
[0004] 隨著信息技術的發展，產品研制與RMS設計過程的集成能力大為增強，因此可基 于產品研制數字化環境，將歷史故障知識合理的存儲起來，在新產品設計過程中通過高效 的檢索和匹配方法，將相關故障知識推送給產品設計人員，實現高效的FMEA分析工作。
【發明內容】
[0005] 本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法。目的和解決的問題是： 實現歷史故障數據的有效存儲、管理以及高效的利用。該方法首先構建了故障知識的本體 數據庫，在FMEA工作開展過程中，通過故障模式的分詞、以及故障領域知識的語義力計算， 實現了故障知識本體庫的檢索和定位，最后通過黑板過程，完成了 FMEA從最低約定層次到 初始約定層次的分析工作。最終輔助產品設計師快速、充分地挖掘出有用的故障知識，以在 盡可能短的時間內完成高質量的FMEA工作。
[0006] 其中，"FMEA"（Failure Mode Effects Analysis)，為故障模式影響分析,是產品 研發過程中分析所有可能產品的故障模式及其對系統造成的所有可能影響的一種歸納分 析方法。
[0007] 本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，主要包含以下四部分：
[0008] 第一部分：構建基于本體理論的故障知識存儲庫。
[0009] 故障知識包括故產品信息（產品名稱、產品型號、功能、材料、環境載荷、性能參 數）和故障信息（故障模式、故障原因、故障影響、故障檢測方法、設計改進措施和使用補償 措施等），構建過程包括如下幾個步驟：
[0010] 步驟1 :建立故障產品存儲模塊，該模型為自行設計的數據庫，包括產品族/產品 平臺、產品詳細信息和功能描述三個數據庫表。 toon] 通過產品族、產品平臺樹的形式，將實現相似功能的有同樣內部接口的產品組織 起來，然后在產品平臺上添加不同的個性模塊形成產品實例。所有的故障知識都屬于某一 個產品實例。
[0012] 步驟2 :構建故障信息存儲模塊，該模型為自行設計的數據庫，包括故障模式、詳 細信息、故障機理三個數據庫表。
[0013] 步驟3 :構建基于本體理論的故障知識存儲模塊。該模型為自行設計的數據庫和 自編制程序模型。
[0014] 數據庫包括關系層表和應用層表兩個數據庫表。關系層表中存儲著已知的對象關 系，應用層表中存儲著步驟1和步驟2建立的產品功能和故障之間數據關系，構成了故障知 識本體關系網絡。
[0015] 自編制程序模型包括一個查詢類，對外提供一個本體關系查詢函數，在開展FMEA 工作時，只需定位到具體產品和功能，便可利用本體關系網絡圖直接調用FMEA中所需的相 關信息，使得建立的故障知識本體庫能很好的輔助FMEA工作的開展。
[0016] 第二部分：智能分詞。
[0017] 包括故障模式描述語句的分詞、故障模式的主題以及故障模式的主題框架匹配。 過程包括如下幾個步驟：
[0018] 步驟4 :故障模式描述語句的分詞模塊。
[0019] 采用改進后的基于詞典的機械式分詞法，對詞語相關度進行計算來進行分詞，包 括自行設計的數據庫和自編制程序模型。
[0020] 數據庫包括關鍵詞數據庫表。
[0021] 自編制程序模型包括一個分詞類，對外提供一個分詞處理函數，對于輸入的故障 描述語句，根據改進后的基于詞典的機械式分詞算法進行分詞，并將分詞結果以字符串數 組的形式返回。
[0022] 步驟5 :故障模式主題匹配模塊。
[0023] 該模塊將故障描述按照故障領域特有的主題結構進行整合，使得描述具有一致 性。包括自行設計的數據結構和自編制程序模型。
[0024] 數據結構按照故障領域的主題特點定義。
[0025] 自編制程序模型包括一個主題匹配類，對外提供一個主題匹配函數，對于輸入的 故障描述語句分詞字符串數組，根據故障領域的主題特點，匹配到對應的數據結構中，用于 第三部分的語義查詢。
[0026] 第三部分：通過語義分析進行故障的知識檢索，即知識推送的過程。
[0027] 采用語義要素的相似度計算，實現智能檢索，把待檢索產品和功能與故障知識庫 中的產品和功能進行語義相似度匹配，將語義相似度較大的產品和功能對應的故障信息推 送給設計分析人員。整個過程包括如下幾個步驟：
[0028] 步驟6 :采用WDF(Word Description Model,它包括詞性、主要描述義素、次要描述 義素三部分，各部分用分號隔開）語義描述模型對第二部分步驟2得到的故障模式主題進 行描述。包括自編制程序模塊。
[0029] 自編制程序模塊包括一個語義生成類，對外提供一個語義生成函數，將輸入的故 障模式主題按照WDF模型規則進行描述。
[0030] 步驟7 :將待查詢的故障模式主題和故障數據庫中的信息進行語義相似度計算， 對于相似度達到一定閾值的歷史信息，通過第四部分的黑板過程，推送給設計分析人員。包 括自行設計的數據庫和自編制程序模塊。
[0031] 數據庫包括義素關系場數據庫表，這個表是根據故障領域知識積累形成的。
[0032] 自編制程序模塊包括一個語義相似度計算類，提供一個義素相似度計算函數和一 個語義相似度計算函數。義素相似度計算函數的結果供語義相似度計算函數使用。
[0033] 其中義素相似度計算函數的功能是，對于待查故障模式主題和故障歷史數據庫中 主題，對于它們的WDF描述中對應的義素，在義素關系表中查找它們的最小路徑，并根據義 素相似度計算公式計算相似度。
[0034] 語義相似度計算函數的功能是，對上面計算出來的所有義素相似度，根據語義相 似度計算公式進行計算，得出整體的語義相似度結果。
[0035] 第四部分：采用黑板過程，實現FMEA從最低約定層次到初始約定層次的分析工 作。
[0036] 步驟8 :利用黑板過程的分步求解特點，以第三部分檢索處理的歷史故障信息為 依據，從產品構成的最低約定層次到初始約定層次依次合理的確定指定產品的故障模式、 故障原因、故障影響等。整個過程為自編制程序模塊，包括三個類：黑板內容提交類、黑板狀 態監控類和FMEA過程監控類。
[0037] 黑板內容提交類提供提交函數，從最低約定層次的產品開始，將第三部分檢索出 來的歷史故障信息提交到黑板。
[0038] 黑板狀態監控類根據黑板上面的內容，判斷是否啟動高一層次產品的故障信息檢 索。
[0039] FMEA過程監控類負責整個FMEA過程的監控，對于高一層次產品的故障，要判斷是 否屬于下一層產品的"高一層次影響"。根據每一層檢索到的信息，完善FMEA分析結果，最 終完成整個FMEA分析工作。
[0040] 補充說明
[0041] 其中，在第一部分第一段中所述的"故障模式"，是指產品故障的表現形式，如短 路、開路、斷裂、過度耗損等。
[0042] 其中，在步驟3中所述的"本體理論"，是一種對共享概念化的明確規定和形式化 的規范，它包含一個學科（如航空、航天、船舶，汽車等等）內的基本知識和學科外的基本知 識。本體包含5個基本的構成元素，它們分別為：概念（concepts)、關系（relations)、函 數（functions)、公理（axioms)和實例（instances)。通過"關系"將領域知識關聯起來， 當待查詢的某一個知識同時匹配到相應的關系后，便可通過定位來查找到它具有的其它屬 性以及和其余類的關系。故障領域本體示意圖如圖4所示。
[0043] 其中，在步驟5中所述的"故障模式主題"，主題是指一個句子的主要概括，故障模 式主題是根據故障模式描述語句的特點，按照固定的結構，從中提取出的典型詞語組成的。
[0044] 其中，在第三部分提到的"語義"，既自然語言的含義，對自然語言進行自動處理時 (尤其是比較，查找等），應該理解其含義。語義的基礎是義素。
[0045] 其中，在步驟6中提到的"義素"，是對詞語進行分析以后得到的語義特征，是構成 詞義的最小單位。
[0046] 其中，在步驟7中提到的"語義相似度"，是指詞語之間的相似程度，它是由構成詞 語的所有義素的相似度計算得來的（算法見具體實施部分）。
[0047] 其中，在步驟7中提到的"義素相似度"，是指義素之間的相似程度，是指特定領域 義素關系場中的2個義素之間的距離（算法見具體實施部分）。
[0048] 其中，在步驟7中提到的"義素關系場"，是指特定領域知識中的義素根據一定組 織關系形成的一個圖，詳見附圖5。
[0049] 其中，在第四部分提到的"黑板過程"，黑板是一個存放問題求解狀態數據的全局 存儲結構，由輸入數據、部分解、備選方案、最終解和控制數據等對象組成。它可劃分成多個 子黑板，即解空間可劃分成多個分級結構。對于FMEA分析來說，利用黑板實現FMEA的分析 其實也就是利用黑板的層次結構來合理的確定指定產品的故障模式、故障原因、故障影響 等。
[0050] 本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其優點在于：借助該方 法來進行FMEA工作，能有效的提高FMEA工作的效率和有效性，實現了歷史故障數據的有 效存儲、管理以及高效的利用，完成了 FMEA從最低約定層次到初始約定層次的分析工作， 最終輔助產品設計師快速、充分地挖掘出有用的故障知識，以在盡可能短的時間內完成高 質量的FMEA工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發明所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法整體架構 示意圖
[0052] 圖2本發明所述的產品存儲模塊示意圖
[0053] 圖3本發明產品實例模塊示意圖
[0054] 圖4本發明所述的故障知識本體數據庫模塊示意圖
[0055] 圖5本發明所述的故障領域義素關系場示意圖
[0056] 圖6本發明所述的黑板過程的FMEA分析示意圖
[0057] 圖中符號代號說明如下：
[0058] 框體：代表活動或者是實體名稱。
[0059] 箭頭：代表從屬關系，或者是活動間的先后關系。
【具體實施方式】
[0060] 實施的條件：要實現本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，需 依托非本
【發明內容】
的FMEA分析軟件工具，如Relex、北航GARMS FMEA分析工具。
[0061] 實施方式說明：本發明一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，該方法 的流程框圖如圖1所示，【具體實施方式】說明如下：
[0062] 第一部分：構建基于本體理論的故障知識存儲庫。
[0063] 故障知識包括故產品信息（產品名稱、產品型號、功能、材料、環境載荷、性能參 數）和故障信息（故障模式、故障原因、故障影響、故障檢測方法、設計改進措施和使用補償 措施等），構建過程包括如下幾個步驟：
[0064] 步驟1 :建立故障產品存儲模塊，該模型為自行設計的數據庫，包括產品族/產品 平臺、產品詳細信息和功能描述三個數據庫表。
[0065] 產品族/平臺信息數據庫表的結構如下：
[0066] 表1產品族/平臺數據結構
[0067]
【權利要求】
1. 一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在于：它包含以下四部 分： 第一部分：構建基于本體理論的故障知識存儲庫 故障知識包括故產品信息即產品名稱、產品型號、功能、材料、環境載荷、性能參數和故 障信息即故障模式、故障原因、故障影響、故障檢測方法、設計改進措施和使用補償措施，構 建過程包括如下幾個步驟： 步驟1 :建立故障產品存儲模塊，該模型為自行設計的數據庫，包括產品族/產品平臺、 產品詳細信息和功能描述三個數據庫表； 通過產品族、產品平臺樹的形式，將實現相似功能的有同樣內部接口的產品組織起來， 然后在產品平臺上添加不同的個性模塊形成產品實例；所有的故障知識都屬于某一個產品 實例； 步驟2:構建故障信息存儲模塊，該模型為自行設計的數據庫，包括故障模式、詳細信 息、故障機理三個數據庫表； 步驟3 :構建基于本體理論的故障知識存儲模塊；該模型為自行設計的數據庫和自編 制程序模型； 數據庫包括關系層表和應用層表兩個數據庫表；關系層表中存儲著已知的對象關系， 應用層表中存儲著步驟1和步驟2建立的產品功能和故障之間數據關系，構成了故障知識 本體關系網絡； 自編制程序模型包括一個查詢類，對外提供一個本體關系查詢函數，在開展FMEA工作 時，只需定位到具體產品和功能，便能利用本體關系網絡圖直接調用FMEA中所需的相關信 息，使得建立的故障知識本體庫能很好的輔助FMEA工作的開展； 第二部分：智能分詞 包括故障模式描述語句的分詞、故障模式的主題以及故障模式的主題框架匹配，過程 包括如下幾個步驟： 步驟4 :故障模式描述語句的分詞模塊； 采用改進后的基于詞典的機械式分詞法，對詞語相關度進行計算來進行分詞，包括自 行設計的數據庫和自編制程序模型； 數據庫包括關鍵詞數據庫表； 自編制程序模型包括一個分詞類，對外提供一個分詞處理函數，對于輸入的故障描述 語句，根據改進后的基于詞典的機械式分詞算法進行分詞，并將分詞結果以字符串數組的 形式返回； 步驟5 :故障模式主題匹配模塊； 該模塊將故障描述按照故障領域特有的主題結構進行整合，使得描述具有一致性，包 括自行設計的數據結構和自編制程序模型； 數據結構按照故障領域的主題特點定義； 自編制程序模型包括一個主題匹配類，對外提供一個主題匹配函數，對于輸入的故障 描述語句分詞字符串數組，根據故障領域的主題特點，匹配到對應的數據結構中，用于第三 部分的語義查詢； 第三部分：通過語義分析進行故障的知識檢索，即知識推送的過程 采用語義要素的相似度計算，實現智能檢索，把待檢索產品和功能與故障知識庫中的 產品和功能進行語義相似度匹配，將語義相似度較大的產品和功能對應的故障信息推送給 設計分析人員，整個過程包括如下幾個步驟： 步驟6:采用WDF即Word Description Model,它包括詞性、主要描述義素、次要描述義 素三部分，各部分用分號隔開；語義描述模型對第二部分步驟2得到的故障模式主題進行 描述，包括自編制程序模塊； 自編制程序模塊包括一個語義生成類，對外提供一個語義生成函數，將輸入的故障模 式主題按照WDF模型規則進行描述； 步驟7 :將待查詢的故障模式主題和故障數據庫中的信息進行語義相似度計算，對于 相似度達到一定閾值的歷史信息，通過第四部分的黑板過程，推送給設計分析人員，包括自 行設計的數據庫和自編制程序模塊； 數據庫包括義素關系場數據庫表，這個表是根據故障領域知識積累形成的； 自編制程序模塊包括一個語義相似度計算類，提供一個義素相似度計算函數和一個語 義相似度計算函數；義素相似度計算函數的結果供語義相似度計算函數使用； 其中義素相似度計算函數的功能是，對于待查故障模式主題和故障歷史數據庫中主 題，對于它們的WDF描述中對應的義素，在義素關系表中查找它們的最小路徑，并根據義素 相似度計算公式計算相似度； 語義相似度計算函數的功能是，對上面計算出來的所有義素相似度，根據語義相似度 計算公式進行計算，得出整體的語義相似度結果； 第四部分：采用黑板過程，實現FMEA從最低約定層次到初始約定層次的分析工作 步驟8 :利用黑板過程的分步求解特點，以第三部分檢索處理的歷史故障信息為依據， 從產品構成的最低約定層次到初始約定層次依次合理的確定指定產品的故障模式、故障原 因、故障影響；整個過程為自編制程序模塊，包括三個類：黑板內容提交類、黑板狀態監控 類和FMEA過程監控類； 黑板內容提交類提供提交函數，從最低約定層次的產品開始，將第三部分檢索出來的 歷史故障信息提交到黑板； 黑板狀態監控類根據黑板上面的內容，判斷是否啟動高一層次產品的故障信息檢索； FMEA過程監控類負責整個FMEA過程的監控，對于高一層次產品的故障，要判斷是否屬 于下一層產品的"高一層次影響";根據每一層檢索到的信息，完善FMEA分析結果，最終完成 整個FMEA分析工作。
2. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在第一部分中所述的"故障模式"，是指產品故障的表現形式，如短路、開路、斷裂、過度 耗損。
3. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征 在于：在步驟3中所述的"本體理論"，是一種對共享概念化的明確規定和形式化的規范，它 包含一個學科如航空、航天、船舶，汽車內的基本知識和學科外的基本知識；本體包含5個 基本的構成元素，它們分別為：概念即concepts、關系即relations、函數即functions、公 理即axioms和實例即instances ;通過"關系"將領域知識關聯起來，當待查詢的某一個知 識同時匹配到相應的關系后，便能通過定位來查找到它具有的其它屬性以及和其余類的關 系。
4. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在步驟5中所述的"故障模式主題"，主題是指一個句子的主要概括，故障模式主題是根 據故障模式描述語句的特點，按照固定的結構，從中提取出的典型詞語組成的。
5. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征 在于：在第三部分提到的"語義"，既自然語言的含義，對自然語言進行自動處理時尤其是比 較，查找，應該理解其含義，語義的基礎是義素。
6. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在步驟6中提到的"義素"，是對詞語進行分析以后得到的語義特征，是構成詞義的最小 單位。
7. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在步驟7中提到的"語義相似度"，是指詞語之間的相似程度，它是由構成詞語的所有義 素的相似度計算得來的。
8. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在步驟7中提到的"義素相似度"，是指義素之間的相似程度，是指特定領域義素關系場 中的2個義素之間的距離。
9. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征在 于：在步驟7中提到的"義素關系場"，是指特定領域知識中的義素根據一定組織關系形成 的一個圖。
10. 根據權利要求1所述的一種FMEA分析過程中的故障知識存儲和推送方法，其特征 在于：在第四部分提到的"黑板過程"，黑板是一個存放問題求解狀態數據的全局存儲結構， 由輸入數據、部分解、備選方案、最終解和控制數據諸對象組成，它能劃分成多個子黑板， 即解空間能劃分成多個分級結構；對于FMEA分析來說，利用黑板實現FMEA的分析其實也就 是利用黑板的層次結構來合理的確定指定產品的故障模式、故障原因和故障影響。
【文檔編號】G06F17/30GK104361026SQ201410570989
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】徐恒宇, 王自力, 任羿, 楊德真, 劉林林 申請人:北京航空航天大學