基于知识图谱的核电设备健康管理知识建模与分析

　　摘要：随着信息技术发展，设备健康数据与知识图谱技术结合为设备健康发展带来新的发展机遇，知识图谱利用其多种特异性优势，使企业系统中积累的海量设备维修数据得到有效整合利用。本文提出基于知识图谱的核电设备健康管理知识建模与分析方法，并根据实体关系模型构建维修知识图谱本体框架，同时基于核电企业实际的维修工单数据，从统计分析和关联分析两方面取得良好的实践效果。研究结果表明，知识图谱能够在设备维修知识的集成上解决传统的数据孤岛问题，同时能基于故障的可视化分析为维修人员和管理人员提供决策和知识支持。

　　本文源自熊奥;高畅;赵明辉;张玲玲，科技促进发展发表时间：2021-04-28《科技促进发展》(月刊)创刊于2004年，是经国家新闻出版总署批准，科技部主管，由中国高技术产业发展促进会、中科院科技政策与管理科学研究所共同主办的国家级科技类学术期刊。为中国知网全文收录期刊，杂志集权威性、理论性与专业性于一体，具有很高的学术价值，读者遍布全国各科研机构、高等院校及企事业单位。

　　关键词：设备健康管理;知识图谱;知识建模;图数据库

　　1.引言

　　随着工业制造、生物医药、国防军事、交通运输等产业的快速发展，设备大型化、结构复杂化、运行自动化和智能化等特点愈发突出，机械设备的健康管理已逐渐成为企业运营乃至跨越发展的重要载体[1,2]。设备规模大、安装测点多、采样频率高、收集历时长、数据量巨大，客观上推动设备健康管理进入数据化和智能化管理时代[3–5]。尤其在核电企业，核心设备是企业生存与发展的依托，保持设备安全与稳定的运行是企业最重要的活动之一，同时也决定了企业的经营效益[6]。因此，设备的维护与检修成为核电企业的主要工作之一，其主要活动包括纠正性维护、适应性维护、完善性维护和预防性维护，相应工作都由专业的维修部门负责。为确保主要设备时刻处于可运行状态，常常需要较大的人力资源实时监控、实时维护。然而，设备的维护与检修并不容易，工作人员需要了解设备各维度的信息，如上次检修时间，故障可能原因，常用的维护措施等，相关信息需要快捷、准确的传递给维修和管理人员。

　　为了解决上述问题，传统的方法主要依赖维修人员的个人素质和数据库的运行日志[7]，随着信息技术发展，设备健康数据与智能维修技术的结合为设备健康发展带来新的发展机遇[8]，如核电企业通常将历史维修数据存储在数据管理系统中(如Oracle，Mysql)，但上述方法并没有打破“数据孤岛(IsolatedDataIsland，IDI)的状态，不利于从整体数据中发现有价值的信息，缺乏对故障案例关联网络的挖掘和展现，而企业的设备故障通常存在隐性关联关系，挖掘这些关联信息将有利于设备健康管理实施。

　　新兴的知识图谱技术，以图谱数据为核心，通过对所有数据的有效链接，摆脱传统数据查询页面的方式，采用图谱展示方式实现用户在信息检索中的联想式检索，使系统中积累的海量数据得到有效的整合和深层的挖掘[9]。近年来，已经有相关研究人员利用知识图谱技术在设备健康管理领域做出尝试性的探索，如Tang[10]提出了一种融合多源异构电力设备数据构建电力设备知识图，并基于所构造的知识图对所需信息进行详尽说明的方法，同时以变电站为例，给出了相关的搜索结果，证明了知识图可以提高电力设备管理效率。Irlán[11]提出一种基于知识图谱集成不同数据源的通用方法，并能基于知识图谱的数据轻松实现生产线产品零件的追溯;赵倩[12]针对数控设备故障发生原因复杂、隐蔽、不易排查的特点，提出一种针对数控设备故障领域的知识图谱构建方法，实现对历史数控设备故障知识的积累、组织和共享;王莉[13]为降低地铁工程事故的危害性，通过集成多年的地铁工程事故数据，提出基于知识图谱的地铁工程事故知识建模与事故分析方法，为安全管理提供决策支持;王杰[14]为充分挖掘航空安全领域积累的海量航空安全事件基础数据，提出一种航空安全事件知识图谱构建的方法，为提升民航突发事件应急管理提供良好的数据支持;段阳[15]充分利用制造企业的金属切削数据资源，将金属切削数据构建成知识图谱，实现对切削加工数据的有机整合，即提升了数据的价值密度，同时也为金属切削智能应用开发提供支持。

　　与之前的研究相比，本文具有如下的创新和提升：首先，知识图谱在地铁、航空等多类型设备健康管理中已经初步显现其独特且突出的优势，本文将其在核电设备领域进行多视角的扩展;其次，详细梳理了核电企业维修部门维修工单数据库的实体、属性及关系等概念体系，增加特定领域知识图谱的多样性;最后，用构建完成的核电领域知识图谱在实际设备健康管理工作中进行广泛的应用探索，并取得良好的实践效果。本文综合知识图谱研究基础以及核电企业设备维修的业务特点，提出基于知识图谱的核电设备健康管理方法，并梳理出基于知识图谱的核电设备维修分析流程，运用专业查询语言实现维修知识获取和可视化，可以实现对核电设备维修知识的有效集成和充分利用。

　　2.基于知识图谱的设备健康管理

　　2.1知识图谱研究现状

　　知识图谱(KnowledgeGraph,KG)是由实体和关系组成的语义网络，网络中的每个节点是一个实体(Entity)，每条边代表一种关系(Relation)，每个三元组(