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FMEA知识库
- 【导读】
- 知识库是事实、规则和概念的集合。知识库的基本内容可描述如下：KB=F 4-R。其中，KB为知识库；F为事实集，用数据库的术语来说，相当于实体及其属性所对应的数据集合；R为规则集，
为合理有效地利用失效模式与后果分析(potential failure mode and effects analysis，FMEA)知识，针对在解决制造过程中进行质量问题的分析和处理时，由于受现场人员知识和经验水平的制约而使分析结果具有极大的不确定性问题，提出了基于本体论构建的FMEA知识库，对FMEA过程形成的知识进行有效提取和集成。研究了FMEA知识的获取和分类，建立了一个基于本体的FMEA知识表示模型，并给出了一个基于本体的FMEA知识库框架结构，讨论了基于本体的FMEA知识检索和知识库的维护。通过FMEA知识库的建立，为质量问题的处理和分析提供了一个有效的决策支持途径。
FMEA是一种系统化的工作技术和模式化的思考形式。它通过考虑产品或服务的可能失效形式，确定其出现的频率和影响过程，识别出不能满足客户需要的过程，并估计影响过程的特殊原因的风险，评估当前防止失效发生的控制计划，优化改进过程的措施。通过FMEA，可以评估过程中潜在的失效，并采取措施防止失效的发生，因此，FMEA是非常有效的过程管理工具。在FMEA过程中，通常由来自设计、制造和质量管理等部门的专家组成多功能小组，充分利用专家的知识和经验，采用头脑风暴法、因果分析法等对系统与过程中潜在的各种失效模式进行分析，并进一步通过将FMEA的结果文件化，形成系统的FMEA手册，使FMEA知识能够被制造过程的改进和制造系统的维护再利用。
但是，在目前制造过程的质量问题分析过程中实施FMEA时面临的一个突出问题是，在生产现场很难进行FMEA知识手册的快速准确查询，使得FMEA手册中所包含的大量知识在制造过程质量管理中没有被充分利用。要使这一现状得到改变，必须考虑采取适当的方法，对FMEA过程形成的知识进行有效地提取和集成，使之在制造过程中为现场人员处理和分析质量问题提供决策支持。
数据是信息的载体，是极为重要的资源，提高数据的利用率将获得高质量的信息；而与数据和信息相比，知识是更为宝贵的资源，是进行决策的基础。在实际的制造过程质量控制中，知识体现为制造过程中质量波动的规律。因此，有效地获取制造过程中有关质量波动规律的知识，能够为具体的质量问题分析和处理提供可靠的决策支持并产生巨大的经济效益，具有极为重要的意义。
1 本体论与知识库
1.1知识的作用
知识是信息经过加工整理、解释、挑选和改造而形成的。数据、信息、知识和本体之间的关系如图1所示。
图1 数据、信息、知识与本体之问的关系
认知心理学家把知识分为两大类：一类是陈述性的，指个人有意识地提取线索，因而能直接陈述的知识；另一类是程序性的，指个人无意识地提取线索，因而其存在只能借助某种活动形式间接推测出来的知识。前者是回答“是什么”问题的知识，后者是回答“怎么做”问题的知识。这一观点在知识的作用和知识的检测方面加深了人们对知识的认识。
从工程的角度，可以将知识分为如下4类：
①事实知识。它是人们共享的可以公开获得的静态知识，在知识库中属于底层的知识。
②规则知识。它是有关问题中与事物的行动相联系的因果关系知识，是动态的，特别是启发式规则，它是属于专家提供的专门经验知识。
③控制知识。它是有关问题的求解步骤、技巧性知识，也包括当有多个动作同时被激活时应选哪一个动作来执行的知识。
④元知识。它是有关知识的知识，是知识库中的高层知识，包括怎样使用规则、解释规则、校验规则和解释程序结构等知识。元知识与控制知识是有重叠的，对一个大的程序系统来说，以元知识形式来体现控制知识更为方便，因为元知识存在于知识库中，而控制知识常与程序结合在一起出现，不易修改。
1.2 本体
本体(ontology)的概念最初起源于哲学领域，是对客观存在的一个系统的解释或说明，强调客观现实的抽象本质。在计算机和知识工程等领域，被引用得最为广泛的是由GRUBER提出的“本体是对共享的概念化进行形式地明确规范说明”。在GRUBER的本体定义基础上，STUD—ER提出了包含如下4层含义的本体概念模型：①概念模型，即客观世界现象的抽象模型；②明确化，即概念及它们之间的联系都应当被精确定义；③形式化，即精确的数学描述，且应该是机器可读的；④共享，即本体中反映的知识是其使用者共同认可的。尽管本体的定义有很多种，但是从内涵上来看，不同研究者对于本体的认识是统一的，即由本体提供一种明确定义的共识。
1.3 知识库
知识库是事实、规则和概念的集合。知识库的基本内容可描述如下：KB=F 4-R。其中，KB为知识库；F为事实集，用数据库的术语来说，相当于实体及其属性所对应的数据集合；R为规则集，其中包含领域知识和启发式知识。知识库与数据库的根本区别在于，知识库中不仅包含显式表达的事实，而且包含显式表达的包括常识、经验等在内的领域知识和启发式知识等。知识库系统的实现主要涉及知识的表示、利用和获取，以实现知识的检索，满足用户的需求。
1.4 本体论及其在知识库中的应用
本体与知识库的明显区别在于本体的作用，即本体提供位于知识库之下的概念系统，因此，本体是目标世界知识库建立者的概念化规范，是传统知识库的元模型。
将本体论应用在知识库中。可以用术语或概念对知识进行表达，同时揭示这些知识之间内在的关系。基于本体论的知识库系统中的知识不仅通过纵向类属分类，而且通过本体的联想进行组织和关联，推理机再利用这些知识进行推理，以满足用户的检索需求。因此，本体在知识库系统中的作用包括：
(1)明确语义内容。根据本体的定义，可以利用其提供对领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇和词汇之间相互关系的明确定义，从而避免知识库中来自不同数据源信息的语义异构。
(2)信息组织框架。SWARTOUT认为，本体是一个为描述某个领域而按继承关系组织起来，作为一个知识库骨架的一系列术语。创建好的本体在知识库系统中的运用，便是以此为基础对该学科的资源进行知识单元的划分和抽取，并对抽取到的知识进行组织和加工，最后将知识存储和维护于知识库中。
(3)实现知识推理。本体中概念间的基本关
系有4种：part-of表达概念之间部分与整体的关系；kind-of表达概念之间的继承关系；instance-of表达概念的实例与概念之间的关系；attribute-of表达某个概念是另一个概念的属性。通过对概念添加属性，对属性添加逆反属性，属性与属性之间再添加映射关系，本体可体现出类似人类思维的逻辑性，用其对用户提交的查询式进行语义扩展，可推理出其所需的却未能表达出的信息需求。
2 FMEA知识库的构建
2.1 FMEA知识的获取
建立知识库系统的先决条件就是要进行知识的获取。面向制造企业的FMEA知识库的获取途径主要体现在以下5个方面：
(1)从现有的产品质量信息管理系统中提取参数性知识；
(2)从企业实际生产环境中提取资源性知识；
(3)从专家以及特定的产品质量数据中获取经验性知识和规则性知识：
(4)从企业的FMEA文档中提取实例性 FMEA知识；
(5)从企业的标准、规定中提取约束性知识。
FMEA知识的存在形式多种多样，主要包含显性知识和隐陛知识。其中，显性知识一般以文本格式(如Word、Excel)、数据库等形式存在；而隐性知识则主要存储在参与FMEA过程的专家头脑之中，该类知识很难提取。在FMEA过程中，通常采取“头脑风暴法”来获取这些专家的经验。在建立FMEA知识库过程中，可通过采用FMEA领域本体，将领域中的隐l生知识进行显性化。
2.2 FMEA知识的分类
要建立一个良好的知识库，其知识分类是很有必要的，因为它直接影响到知识库的效率和维护。根据FMEA的知识构建，可以将其分为以下3类：①概念型知识，即与FMEA相关的抽象概念；②实例型知识，即用来支撑FMEA概念的具体实例；③决策型知识，即通过对FMEA中实例的分析并结合外部约束条件所得到的用于解决问题的知识。这3种类型的知识分别对应FMEA知识库的3个知识层次：最低知识层次(概念型知识)、中间知识层次(实例型知识)和最高知识层次(决策型知识)。这3个知识层次之间存在着密切的关联。通过将本体作为FMEA知识的元知识，可以建立概念层与具体知识层之间的联系。
2.3 基于本体的FMEA知识库的维护
知识库不可能是一成不变的，它需要不断发展和及时更新，因此需要对知识库进行维护。知识库的维护主要包括更新、添加和删除等。但向知识库添加或修改知识时，可能会出现不匹配情况，即出现知识问的相互矛盾。解决这一类问题可遵循下面几个原则：①找出与所要添加内容相关的概念以及与之相关的各种关系，尽可能使新的信息与知识库内的知识相协调。②删除知识库内不准确的信息时，应及时对与它相关的概念和关系进行修改完善。③避免知识库内存在重复信息，若存在重复信息应及时除去冗余部分。
3 结论
通过构建FMEA领域本体，对FMEA过程中形成的知识进行了系统的抽象，并明确了各概念之间的关系；利用这种关系建立FMEA知识库，支持进行FMEA知识的推理和检索；通过对信息查询语句的扩展，可以提高系统的智能特性，实现在FMEA领域内不同主体(人、机器和软件系统等)之间的对话、互操作和知识共享等。在下一步的工作中，还将结合具体的制造过程，进一步丰富基于本体的FMEA知识库的概念属性及概念间的相互关系，并利用这种关系来完成FMEA知识库的智能检索与共享，通过基于本体的FMEA知识库，实现在制造过程中质量问题智能化分析和处理方面的重大突破。
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