基于知識圖譜的核電設備健康管理知識建模與分析

　　摘要：隨著信息技術發(fā)展，設備健康數(shù)據(jù)與知識圖譜技術結合為設備健康發(fā)展帶來新的發(fā)展機遇，知識圖譜利用其多種特異性優(yōu)勢，使企業(yè)系統(tǒng)中積累的海量設備維修數(shù)據(jù)得到有效整合利用。本文提出基于知識圖譜的核電設備健康管理知識建模與分析方法，并根據(jù)實體關系模型構建維修知識圖譜本體框架，同時基于核電企業(yè)實際的維修工單數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計分析和關聯(lián)分析兩方面取得良好的實踐效果。研究結果表明，知識圖譜能夠在設備維修知識的集成上解決傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島問題，同時能基于故障的可視化分析為維修人員和管理人員提供決策和知識支持。

　　本文源自熊奧;高暢;趙明輝;張玲玲，科技促進發(fā)展發(fā)表時間：2021-04-28《科技促進發(fā)展》(月刊)創(chuàng)刊于2004年，是經國家新聞出版總署批準，科技部主管，由中國高技術產業(yè)發(fā)展促進會、中科院科技政策與管理科學研究所共同主辦的國家級科技類學術期刊。為中國知網全文收錄期刊，雜志集權威性、理論性與專業(yè)性于一體，具有很高的學術價值，讀者遍布全國各科研機構、高等院校及企事業(yè)單位。

　　關鍵詞：設備健康管理;知識圖譜;知識建模;圖數(shù)據(jù)庫

　　1.引言

　　隨著工業(yè)制造、生物醫(yī)藥、國防軍事、交通運輸?shù)犬a業(yè)的快速發(fā)展，設備大型化、結構復雜化、運行自動化和智能化等特點愈發(fā)突出，機械設備的健康管理已逐漸成為企業(yè)運營乃至跨越發(fā)展的重要載體[1,2]。設備規(guī)模大、安裝測點多、采樣頻率高、收集歷時長、數(shù)據(jù)量巨大，客觀上推動設備健康管理進入數(shù)據(jù)化和智能化管理時代[3–5]。尤其在核電企業(yè)，核心設備是企業(yè)生存與發(fā)展的依托，保持設備安全與穩(wěn)定的運行是企業(yè)最重要的活動之一，同時也決定了企業(yè)的經營效益[6]。因此，設備的維護與檢修成為核電企業(yè)的主要工作之一，其主要活動包括糾正性維護、適應性維護、完善性維護和預防性維護，相應工作都由專業(yè)的維修部門負責。為確保主要設備時刻處于可運行狀態(tài)，常常需要較大的人力資源實時監(jiān)控、實時維護。然而，設備的維護與檢修并不容易，工作人員需要了解設備各維度的信息，如上次檢修時間，故障可能原因，常用的維護措施等，相關信息需要快捷、準確的傳遞給維修和管理人員。

　　為了解決上述問題，傳統(tǒng)的方法主要依賴維修人員的個人素質和數(shù)據(jù)庫的運行日志[7]，隨著信息技術發(fā)展，設備健康數(shù)據(jù)與智能維修技術的結合為設備健康發(fā)展帶來新的發(fā)展機遇[8]，如核電企業(yè)通常將歷史維修數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中(如Oracle，Mysql)，但上述方法并沒有打破“數(shù)據(jù)孤島(IsolatedDataIsland，IDI)的狀態(tài)，不利于從整體數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有價值的信息，缺乏對故障案例關聯(lián)網絡的挖掘和展現(xiàn)，而企業(yè)的設備故障通常存在隱性關聯(lián)關系，挖掘這些關聯(lián)信息將有利于設備健康管理實施。

　　新興的知識圖譜技術，以圖譜數(shù)據(jù)為核心，通過對所有數(shù)據(jù)的有效鏈接，擺脫傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢頁面的方式，采用圖譜展示方式實現(xiàn)用戶在信息檢索中的聯(lián)想式檢索，使系統(tǒng)中積累的海量數(shù)據(jù)得到有效的整合和深層的挖掘[9]。近年來，已經有相關研究人員利用知識圖譜技術在設備健康管理領域做出嘗試性的探索，如Tang[10]提出了一種融合多源異構電力設備數(shù)據(jù)構建電力設備知識圖，并基于所構造的知識圖對所需信息進行詳盡說明的方法，同時以變電站為例，給出了相關的搜索結果，證明了知識圖可以提高電力設備管理效率。Irlán[11]提出一種基于知識圖譜集成不同數(shù)據(jù)源的通用方法，并能基于知識圖譜的數(shù)據(jù)輕松實現(xiàn)生產線產品零件的追溯;趙倩[12]針對數(shù)控設備故障發(fā)生原因復雜、隱蔽、不易排查的特點，提出一種針對數(shù)控設備故障領域的知識圖譜構建方法，實現(xiàn)對歷史數(shù)控設備故障知識的積累、組織和共享;王莉[13]為降低地鐵工程事故的危害性，通過集成多年的地鐵工程事故數(shù)據(jù)，提出基于知識圖譜的地鐵工程事故知識建模與事故分析方法，為安全管理提供決策支持;王杰[14]為充分挖掘航空安全領域積累的海量航空安全事件基礎數(shù)據(jù)，提出一種航空安全事件知識圖譜構建的方法，為提升民航突發(fā)事件應急管理提供良好的數(shù)據(jù)支持;段陽[15]充分利用制造企業(yè)的金屬切削數(shù)據(jù)資源，將金屬切削數(shù)據(jù)構建成知識圖譜，實現(xiàn)對切削加工數(shù)據(jù)的有機整合，即提升了數(shù)據(jù)的價值密度，同時也為金屬切削智能應用開發(fā)提供支持。

　　與之前的研究相比，本文具有如下的創(chuàng)新和提升：首先，知識圖譜在地鐵、航空等多類型設備健康管理中已經初步顯現(xiàn)其獨特且突出的優(yōu)勢，本文將其在核電設備領域進行多視角的擴展;其次，詳細梳理了核電企業(yè)維修部門維修工單數(shù)據(jù)庫的實體、屬性及關系等概念體系，增加特定領域知識圖譜的多樣性;最后，用構建完成的核電領域知識圖譜在實際設備健康管理工作中進行廣泛的應用探索，并取得良好的實踐效果。本文綜合知識圖譜研究基礎以及核電企業(yè)設備維修的業(yè)務特點，提出基于知識圖譜的核電設備健康管理方法，并梳理出基于知識圖譜的核電設備維修分析流程，運用專業(yè)查詢語言實現(xiàn)維修知識獲取和可視化，可以實現(xiàn)對核電設備維修知識的有效集成和充分利用。

　　2.基于知識圖譜的設備健康管理

　　2.1知識圖譜研究現(xiàn)狀

　　知識圖譜(KnowledgeGraph,KG)是由實體和關系組成的語義網絡，網絡中的每個節(jié)點是一個實體(Entity)，每條邊代表一種關系(Relation)，每個三元組(