一种基于图数据库的航电系统故障分析方法与流程

本发明属于航空电子系统维护保障技术领域，尤其涉及一种基于图数据库的航电系统故障分析方法。

背景技术：

图数据库是典型的非关系数据库，以节点和边的图结构来表示和存储数据，节点表示现实世界中的“实体”，边表示实体之间的“关系”。图数据库通过添加属性和标签的概念，以此提升图模型的描述和检索能力。相较于传统的关系数据库，图数据库对于领域建模得到的逻辑模型与领域原本的物理模型两者之间具有更加密切的关系，是对事物及其关系实际存在的一种天然的表达方式。此外，图数据库可拓展性更强，可以自然地增加新的领域实体和连接关系，而不影响现已有的数据。

航空电子系统正不断向综合化、模块化、集成化发展，设备越来越多，功能越来越复杂，由此导致对航电系统维护保障难度极具加大。外场维护保障人员对于故障的分析定位，仅凭借个人经验知识难以高效完成，需要借助故障案例信息和设计人员的知识支撑。现有故障数据多以文档或是数据库存储，但未能有效利用于故障分析，协助航电系统的维护保障工作。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于图数据库的航电系统故障分析方法，将航电系统设计知识和历史故障案例相结合，并以图数据库形式存储，根据航电产品的长期维护保障需求，支持持续增加闭环的故障案例和典型故障模式，最终利用相关查询辅助实现对航电系统的故障定位和原因分析。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于图数据库的航电系统故障分析方法，所述方法包括：

步骤1，根据航空电子系统架构生成网络化的数据模型；并根据所述数据模型，生成航空电子系统架构的图数据库；

步骤2，获取已有故障案例，根据所述已有故障案例归纳故障模式；并建立已有故障案例、故障模式和航空电子系统架构的图数据库之间的联系，得到航空电子系统故障的图数据库；

步骤3，获取当前故障案例，在所述航空电子系统故障的图数据库中，确定所述当前故障案例产生的原因。

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤1中，所述根据航空电子系统架构生成网络化的数据模型，具体为：

获取航空电子系统的设计文档、维修作业指导书，构建飞机-系统-子系统-模块-元器件的多层航空电子系统架构，确定多层航空电子系统架上下层之间的从属关系；

构建多层航空电子系统架构各层实体节点之间的通信关系；

所述多层航空电子系统架构的实体节点、从属关系和通信关系共同构成航空电子系统网络化的数据模型。

(2)步骤1中，所述根据所述数据模型，生成航空电子系统架构的图数据库，具体为：

将所述航空电子系统网络化的数据模型，在图数据库工具中实现为图数据库模型，并设定图数据库模型的属性信息；所述图数据库模型的属性信息包括图数据库模型中实体节点的属性信息，图数据库模型中从属关系的属性信息和图数据库模型中通信关系的属性信息；

从而构成以实体节点、从属关系和通信关系三者描述组成的航空电子系统架构的图数据库。

(3)步骤2中，所述获取已有故障案例，根据所述已有故障案例归纳故障模式，具体为：

基于已有的故障案例，通过语义消歧将名称和用语标准化，构建规范化的故障描述格式；

根据规范化的故障描述格式将已有的故障案例进行规范化描述，并将规范化的多个故障案例划分为多类典型故障模式。

(4)步骤2中，所述建立故障案例、故障模式和航空电子系统架构的图数据库之间的联系，得到航空电子系统故障的图数据库；

根据所述多类典型故障模式，创建每类典型故障模式相应的故障模式节点，将所述故障模式节点与航空电子系统架构的实体节点建立对应关系，从而得到航空电子系统故障的图数据库；其中，所述对应关系为典型故障模式中的故障定位于航空电子系统架构中某些实体节点的关系。

(5)所述对应关系至少包含如下属性：

所述关系包括故障案例中描述的现象位于某个航空电子系统架构的实体节点，故障案例的故障原因确定为某个航空电子系统架构的实体节点故障导致；

所述故障模式节点至少包含如下属性：发生时间、发生地点、故障现象、故障原因。

(6)在步骤2之后且在步骤3之前，所述方法还包括：

创建查询函数，对故障模式查询语句和故障现象查询语句进行函数定义，将其同图数据检索语言相结合；

故障模式查询直接匹配图数据库中的故障模式节点，结果返回该故障模式对应的架构实体节点。

(7)步骤3具体为：按照当前故障案例，在所述航空电子系统故障的图数据库中，确定故障案例节点关联的两个架构实体节点，遍历获取两个架构实体节点之间存在的有向路径，确定故障原因导致故障现象的信息流；其中，与故障案例节点关联的两个架构实体节点包括故障原因对应节点和故障现象对应节点。

本发明提出的面向航空电子系统领域的故障分析方法，利用航电系统设计文档和故障案例数据，依据上述建模方法创建图数据库，分别对架构实体、故障模式、故障案例和关系进行建模定义，并设置相关属性信息，以存储系统设计知识和故障数据，便于后续应用创建查询、统计和解释的检索函数，应用到图数据的交互查询中，辅助航电系统的故障维护保障工作。

与现存技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1)本方法发明将航电系统的设计知识和故障案例相结合，故障处理不再完全依赖保障人员对于系统架构的了解和故障处理的经验，可以直观看到故障原因导致故障现象之间的信息流，解释故障发生的原因和辅助故障定位；

2)依据本发明提出的基于图数据库的存储方法，可以既存储系统架构知识也能存储故障案例数据，并在两者之间建立关系，使得后续应用可以借助图数据库的检索语言，自定义检索函数，实现查询、统计和解释等功能；

3)图数据库具有非常好的可拓展性，故障案例会随着产品的维护保障不断增加，可以依照本方法持续加入图数据库。故障模式的新增以及系统架构的改进也可以快速变更图数据库中相应的节点，而不影响图数据库中其他部分。进一步，故障推理等逻辑关系也可拓展加入图数据库中，更好的实现故障分析。

附图说明

图1是航电系统架构分层示意图；

图2是航电系统的故障图数据结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

基于图数据库的航电系统故障分析方法，包含以下步骤：

步骤一：根据航电系统的设计信息，抽象航空电子系统架构生成网络化的数据模型；并依据该数据模型，生成航电架构领域的图数据库；

步骤二：根据已有故障案例数据，总结归纳出典型故障模式；并建立故障案例、故障模式和架构实体三者之间的联系，建立航电故障的图数据库；

步骤三：在所述图数据库模型中进行检索，查询、统计和解释故障现象和原因，辅助故障定位和分析。

进一步，所述步骤一具体包括如下过程：

1)用户利用航电系统设计文档、维修作业指导书等技术资料，构建如图1所示的飞机-系统-子系统-模块-元器件的一体化的多层模型，明确航电架构上下层之间的从属关系；根据系统各个功能的信息流，构建模型各层次的实体节点之间的通信关系；系统的实体节点、从属关系和通信关系共同构成航空电子系统网络化的数据模型。

2)将上述得到的数据模型，在图数据库工具中实现为图数据库模型，并设定模型属性信息；其中，所述图数据库模型的属性信息包括数据模型中实体节点的属性信息，以及从属关系和通信关系的属性信息；构成以节点、关系和属性三者描述组成的航电架构领域的图数据库。

进一步，所述步骤二具体包括如下过程：

1)基于现有归零的故障案例数据，通过语义消歧将名称和用语标准化，构建规范化的故障描述格式和专有词典，并将规范后的故障案例划分为多类典型故障模式。

2)依据归纳的典型故障模式，创建相应的故障模式节点，同航电系统的架构实体节点建立关系；其中，所述关系即为故障模式中的故障可能定位于航电系统某些组件的关系；所述关系和故障模式节点均可以设定属性，以便后续图数据库的应用。

3)故障案例同故障模式为从属关系，且故障案例同架构实体也存在多种关系；所述关系包括故障案例中描述的现象位于某个架构实体，故障案例的故障原因确定为某个架构实体故障导致等。

4)将规范化的故障案例导入图数据库图结构中对应的位置，创建同故障案例节点和架构实体节点之间的上述关系；故障案例节点设定多项属性，包括发生时间、发生地点、故障现象、故障原因等；归零的故障案例可以持续照此过程持续导入图数据库，扩充数据库规模。

依据上述的建模方法，实现创建如图2所示的航电系统的由架构实体、故障模式、故障案例三者共同组成的图数据库。根据航电系统维护保障的业务需求，针对性的将架构设计知识和故障案例数据两者相结合，完成图数据库的创建和数据存储，为后续辅助保障的应用奠定基础。

更进一步，所述步骤三中的应用实现可细分为如下过程：

1)创建查询函数，将对故障模式查询语句和故障现象查询语句进行函数定义，将其同图数据检索语言相结合；故障模式查询直接匹配图数据库中的故障模式节点，结果返回节点相关系的可能故障的架构实体节点；故障现象查询将用户输入的故障描述进行分词，再依照专有词典规范化，然后同故障案例节点中的故障现象属性进行正则匹配，结果返回具有类似故障现象的故障案例节点。

2)按照故障案例的属性统计故障发生情况，故障案例的属性包括时间、地点、原因等，创建相应属性值的统计函数，将其同图数据库检索语言相结合；按照故障模式统计所有故障案例的分布情况，以及故障模式关联的各个待确认故障件的故障发生频数。

3)按照故障案例节点关联的两个架构实体节点，包括故障原因对应节点和故障现象对应节点，利用图遍历能力，遍历获取这两个节点之间存在的有向路径，以此确定故障原因导致故障现象的信息流，实现对故障的解释能力。

以假想的航空电子系统的某子系统为例，介绍本发明所提的基于图数据库的航电系统故障分析方法的实现过程，具体如下所示：

(1)航电架构的图数据设计研究

航电架构的知识主要是通过系统设计文档和使用维护手册等提取系统架构设计和维护保障的相关信息。如图1所示，航电系统的架构设计常分为“整机-系统-子系统-模块-元器件”共五层的结构，每层均含有若干个系统的实体，上下层之间为从属关系。飞机每个功能的实现都需要多个系统和子系统协作，映射到模块层即为多个模块之间的数据通信。故分析模块间的数据通信，构建系统内的信息流，记录航电系统执行各个功能时的信息流向。模块间通信依据多种类型的总线，包括pcie、rs422、fc、以太网等。由此，系统的架构实体、从属关系和通信关系共同构成航空电子系统网络化的数据模型。

利用图数据库建模工具可以将上述数据模型建模为图数据库模型，包含架构实体、从属关系和通信关系等信息。由于节点和关系都可以任意添加属性，所以该图数据库可以继续添加各类信息，拓展知识规模，细化知识组成。

(2)故障和系统图数据库的融合

航电系统故障的图数据库需要在上述图数据库的基础上将故障信息融入，主要涉及故障模式和故障案例两类节点。参照维修作业指导书和外场保障记录数据，可以发现绝大多数可复现的故障均有其一定的故障模式。虽然，外场保障人员对于故障的表达记录不同，但其很多故障描述均指向同一典型故障。故首要任务就是基于现有的归零故障数据集，通过语义消歧将名称和用语标准化，构建规范化的故障描述格式和描述词典。如表1所示，故障案例的不同表述可以统一为若干类典型故障模式，并据此构建故障案例节点和故障模式节点。

本发明提出的面向航空电子系统领域的故障分析方法，利用航电系统设计文档和故障案例数据，依据上述建模方法创建图数据库，分别对架构实体、故障模式、故障案例和关系进行建模定义，并设置相关属性信息，以存储系统设计知识和故障数据，便于后续应用创建查询、统计和解释的检索函数，应用到图数据的交互查询中，辅助航电系统的故障维护保障工作。

与现存技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1)本方法发明将航电系统的设计知识和故障案例相结合，故障处理不再完全依赖保障人员对于系统架构的了解和故障处理的经验，可以直观看到故障原因导致故障现象之间的信息流，解释故障发生的原因和辅助故障定位；

2)依据本发明提出的基于图数据库的存储方法，可以既存储系统架构知识也能存储故障案例数据，并在两者之间建立关系，使得后续应用可以借助图数据库的检索语言，自定义检索函数，实现查询、统计和解释等功能；

3)图数据库具有非常好的可拓展性，故障案例会随着产品的维护保障不断增加，可以依照本方法持续加入图数据库。故障模式的新增以及系统架构的改进也可以快速变更图数据库中相应的节点，而不影响图数据库中其他部分。进一步，故障推理等逻辑关系也可拓展加入图数据库中，更好的实现故障分析。

表1系统故障模式和案例示例

基于规范化后的故障案例数据，利用图数据库建模工具构建故障案例节点和故障模式节点，同架构实体节点进行融合，将故障信息加入到已建的图数据库中。如图2所示，故障模式节点同架构实体节点存在“故障位于”的关系，表示此故障模式可能是由该架构实体故障引起的，并且同一故障模式可能存在多条“故障位于”关系，指向多个架构实体。“故障位于”关系还可以设定属性“发生次数”，依据该故障模式下的故障案例的故障是由某架构实体故障引起的次数。故障案例节点同故障模式节点间为“从属于”关系，同架构实体节点间存在“现象位于”和“原因位于”两类关系。“现象位于”关系指定该故障案例的现象在系统的某一架构实体上显现，“原因位于”关系制定该故障案例的原因是由系统的某一架构实体故障导致。这两类关系均可由故障数据规范后提取，在故障案例节点、故障模式节点和架构实体节点三者之间建立。故障案例节点可以设定属性，包括时间、地点、原因、现象等。由此，航电系统的图数据库构建完成，并可以照此持续新增闭环的故障案例，扩充数据库规模，以支持更好的数据应用。

(3)故障分析的应用

航电系统的图数据库融合系统设计知识和故障案例数据，不单为故障数据的存储，更是为故障分析应用的提供支撑，将航电系统领域数据和业务场景相结合，助力领域业务转型。本方法所要解决的业务场景就是辅助航电系统产品维护人员完成故障分析任务，实现故障的快速定位和原因解释。

基于上述建立的航电系统故障的图数据库，实现相应的故障分析，包括查询、统计和解释等功能。图数据库建模工具支持cyber等专门的检索语言，可以依照语法编写相应功能应用的检索语句。故障案例节点同现象和原因所在的节点均有关系，据此匹配信息流路径，结合节点属性和关系属性，解释故障传播路径。