基于改进Prefix Span的结构超手册修理方法推荐.pdf

引用格式:王宁悦王华伟周长威等.基于改进 的结构超手册修理方法推荐.航空计算技术():.():.基于改进 的结构超手册修理方法推荐王宁悦王华伟周长威张纵驰(南京航空航天大学江苏 南京)摘 要:针对当前民机结构超手册修理能力提升的迫切需求提出了一种基于改进 的结构超手册修理方法推荐模型 以某型国产民机结构超手册修理案例数据为样本构建案例特征指标层次并对数据分级和结构化预处理基于改进 算法对案例损伤信息和修理方法频繁序列进行充分挖掘生成超手册修理关联规则集通过目标案例和频繁序列间相似度匹配实现了超手册修理方法的智能推荐 测试结果表明模型超手册修理方法推荐总准确率可达.显著高于改进前算法具备良好的准确性和可用性可为结构超手册修理决策、方案制定等提供一定的参考依据关键词:超手册结构修理方法推荐 算法中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言飞机结构修理是维持结构完整性保障民机持续适航能力的手段其中超出持续适航性文件的结构修理(即超手册修理)需要进行损伤评估、方案制定和适航审批多个环节难度大周期长需运行商和制造商协同完成 现阶段国产民机因运行时间短及手册尚处于成熟期导致其结构超手册的频率和数量均高于波音、空客等成熟机型 结构超手册修理的准确性和快速性既是保障航空安全的必然要求也是决定飞机利用率体现机型商业竞争力和制造商运行支持能力的核心要素之一 因此实现结构超手册修理方法的有效推荐对于辅助民机结构超手册修理提供修理决策支持并进一步完善结构修理手册()而言具有重要意义和代表性价值针对结构超手册修理问题传统的研究思路主要是根据实际修理情况结合工程经验与有限元计算等收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目资助()作者简介:王宁悦()男安徽芜湖人硕士研究生第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .手段进行解决 随着修理案例数据的不断积累数据挖掘的方法也被越来越多的学者引入到结构超手册修理领域如王峻洲等构建了结构超手册修理数据库采用相似度量和层次分析方法提取超手册修理案例规律冯蕴雯等开发了一种基于/的结构修理方案平台实现对修理案例数据的管理和挖掘等提出案例数据的知识表示和重用模型用以挖掘案例特征 总体而言其研究思路主要针对修理案例的分析在修理方法推荐方面研究较为缺乏作为数据挖掘中最为成熟的领域之一关联规则已成为其重要的研究方向 关联规则挖掘的经典算法主要包括、和 等相较于其他算法 用于挖掘频繁序列且不产生候选序列内存消耗较为稳定因而得到了广泛的运用 本文综合考虑修理案例数据的充分利用以及结构超手册修理情况的较强不确定性因素以深入挖掘修理关联规则、提高修理方法推荐准确性为目标提出基于改进 的结构超手册修理方法推荐模型通过与挖掘的关联规则进行相似度匹配输出推荐修理方法为后续的修理决策、方案制定等提供参考依据并与经典 算法对比验证其有效性 结构超手册案例数据预处理结构超手册修理案例数据来源于制造商提供的某型国产民机经筛选得到共计 条可用数据 由于不同的修理案例所包含的数据字段内容和类型存在一定的差异因此必须对案例数据进行预处理用作修理方法推荐模型的训练集和测试集.特征指标层次构建结构超手册修理案例信息主要分为损伤位置、损伤类型、损伤原因等损伤信息和修理方法两部分鉴于并非所有损伤信息对修理方法都有显著影响必须筛选出案例数据关键特征指标构建指标层次关系作为数据结构化的依据 其中层次一为概括性特征指标层层次二为详细特征指标类别层.案例数据分级层次一的概括性案例特征指标其数据类型包括分类型和数值型两种 对于数值型指标需要根据指标内容对其设置不同程度等级并将数据分级从而转换为分类型指标 算法是数值聚类领域中最常用的算法之一该算法基于数据样本点之间的距离度量将样本分离至指定数量的不同簇中通过不断迭代计算每个簇的中心点并将原簇中心点移至此处即对簇中各点到中心点的距离之和目标函数最小化实现数据聚类针对“损伤尺寸”数值型特征指标采用 聚类算法将该指标数据按照设定的“大、中、小”等级进行较为精确的划分由于结构修理手册适用的损伤通常为单一损伤因此“损伤个数”指标则可以分为“个数为”和“超过”两类.数据结构化结构超手册修理案例数据中应当包含案例特征指标层次的所有指标数据因此对案例数据进行表 所示的结构化处理 其中修理方法 依据机型 文件分为挖除补强、加强补片、重新挖补、打止裂孔、打磨、现场敲修、框缘钣弯件、更换等 种类型损伤位置为手册内具体章节号形式为 表 结构化案例数据一级指标描述二级指标说明 章节 第 章损伤位置 具体章节号结构类型原有结构修理件材料牌号 损伤类型裂纹、凹坑、磨损损伤个数损伤个数为 和超过 损伤尺寸小、中、大损伤原因疲劳、意外、腐蚀修理方法 挖除补强等 改进 关联规则挖掘算法本文结合民机结构超手册修理关联规则的挖掘需求对 算法进行改进改进思路如下:)对频繁序列前缀进行约束从而减少案例数据库的扫描次数 算法挖掘频繁序列的过程中必须对所有可能的前缀分别递归搜索由于结构损伤信息与修理方法存在一定的特定性因而可通过约束指定的特征指标前缀提高运行效率 考虑不同的损伤结构章节号 结构类型 和损伤类型 对于修理方法 较强影响故本文选择上述三种损伤信息指标约束前缀)通过输入结构修理手册中的修理规则列表结合已有超手册修理方法制定规律进一步对频繁序列进行二次挖掘 将初次挖掘的频繁序列与输入的修理规则逐条比对确定序列中修理方法所属制定规律根据关键损伤信息指标特征合理扩展补充序列实现关联规则的深度挖掘基于结构化案例数据构建如图 所示的关联规则挖掘层列树设计改进 的结构超手册修理关联规则挖掘算法如下 年 月王宁悦 等:基于改进 的结构超手册修理方法推荐 图 结构超手册修理关联规则挖掘层列树输入:结构超手册修理案例数据修理规则列表最小支持度 最小置信度 和最小提升度 :遍历层列树得到层列树中每层各分支中包含的序列数目:对章节号 结构类型 和损伤类型 进行取值形成频繁序列约束前缀 :对剩余层列设置最小支持度 后从 层开始筛选出当前层内满足最小支持度的分支中所有序列 以 层为例筛选的分支序列应满足如下条件()()()式中()表示 层中 分支内的序列总数:从满足支持度的 分支中向下至 层筛选出该层中满足支持度的分支序列:同理继续向下层筛选初步得到频繁序列对各频繁序列进行置信度和提升度检验将满足最小置信度 和最小提升度 的频繁序列形成形式为()的序列集:逐条比对序列集中频繁序列与列表 内各修理规则判断序列中修理方法制定规律类型当 与 均一致时通过将该序列中 置换为章节 下其他具体章节号进行序列的类比扩展同理针对含有和/的序列分别将其指标()()和()置换组合得到二次挖掘频繁序列集:整合频繁序列输出为结构超手册修理关联规则集 结构超手册修理方法推荐模型设计基于改进 的结构超手册修理方法推荐模型如图 所示该模型的主要思路是对超手册案例数据预处理完成频繁序列挖掘和修理关联规则集输出后利用损伤信息特征指标向量进行相似度匹配将约束前缀指标作为索引在修理关联规则集中进行检索获得满足相似度阈值条件的多个关联规则输出其中修理方法作为当前结构超手册问题的推荐修理方法图 结构超手册修理方法推荐模型.相似度匹配案例结构化数据中各特征指标主要分为位置属性和损伤属性两类除去约束前缀指标 外位置属性即具体损伤位置 损伤属性包括材料牌号、损伤个数、损伤尺寸 和损伤原因 位置属性中将 的数据形式“”转换为坐标形式()采用欧氏距离计算:()()式中 为位置属性相似度因子 和 分别为和 数据三个维度上的差损伤属性中 均属于枚举型指标组合形成向量 采用 距离计算向量和 间相似度:()()()式中()为 和 间 距离 为损伤属性相似度因子设置位置属性和损伤属性相似度阈值各自为 和加总平均为测试案例数据与频繁序列的总体相似度输出最相似规则修理方法为推荐.模型评价指标模型评价指标主要为相似度匹配的总体准确率、精确率 和召回率 考虑结构超手册修理工程的复杂性和多个相似关联规则的充分参考价值本文计算总体准确率时设置测试案例实际修理方法与最相似规则推荐方法一致或占据相似度排名前六的规则 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期中推荐方法一半以上时即推荐有效总体准确率 即测试集中推荐方法有效的数量占测试集总数的比例计算式为:()()()式中表示推荐的修理方法为实际修理方法表示计数推荐的第 类修理方法 与实际方法 精确率 和召回率 计算式分别如下:()()()()()()实例分析.数据介绍与划分筛选的某型国产民机结构超手册修理案例数据共 条如表 所示取前 条输入模型作为训练集后 条作为测试集 仿真硬件环境为()().表 结构超手册修理案例分布案例类型案例数量总数训练集测试集针对不同损伤类型利用 聚类算法分别进行损伤尺寸等级划分 对于裂纹损伤其等级划分依据为长度对于磨损损伤其等级划分依据则为损伤所占矩形面积大小对于凹坑损伤损伤尺寸分级依据为凹坑所占立方体大小 损伤分级结果如表 所示当某种损伤类型的实际损伤尺寸数据落入表中对应的某个闭区间中时即被划分为相应等级表 损伤尺寸等级划分损伤类型损伤尺寸等级区间小中大裂纹/凹坑/.磨损/.频繁序列挖掘基于训练集案例数据建立结构超手册修理案例数据库多次试验设置最小支持度 为.最小置信度 为.最小提升度 为通过改进 挖掘得到频繁序列 条部分如表 所示表 部分频繁序列挖掘结果约束前缀序列数据.模型推荐结果与比较将测试集案例数据与频繁序列进行相似度匹配设置相似度因子 和 分别为 和 相似度阈值 和 分别为.和.模型推荐修理方法召回率混淆矩阵如图 所示推荐总体准确率达到.模型取得了良好的推荐效果一定程度上可为结构超手册问题提供修理参考对比各修理方法推荐精确率和测试样本分布情况如图 所示不同修理方法精确率与样本所占比例呈正相关关系其中“挖除补强”和“更换”最为常见对于“重新挖补”、“打磨”和“框缘钣弯件”修理方法由于各自适用的对象及损伤类型等具有特定性因而可实现少样本情况下的高精确度推荐由于方法为“打止裂孔”和“现场敲修”测试样本数量较少推荐精确率不佳后续可进一步增加相关训练样本数量进行提升图 为改进 算法前后性能对比改进前算法总体准确率为.远低于改进算法在精 年 月王宁悦 等:基于改进 的结构超手册修理方法推荐 确率和召回率方面改进算法整体上更具优势在原始数据量不足的情况下该方法也具有更高的推荐精确度和适用性图 推荐修理方法混淆矩阵图 修理方法推荐精确率和分布图 修理方法推荐精确率和分布 结束语针对当前民机结构超手册修理问题提出了基于改进 的超手册修理方法推荐模型 筛选某型国产民机结构超手册修理案例数据通过数据结构化完成预处理获得训练集和测试集提升运行效率结合工程规律提出改进 算法对数据进行频繁序列挖掘通过目标案例与频繁序列相似度匹配完成修理方法推荐 模型测试结果表明改进算法总体具备良好的修理方法推荐性能可为当前民机结构超手册问题提供一定的决策参考价值参考文献:王海亮.波音飞机梁腹板结构超手册维修方案设计.天津:中国民航大学:.刘琦.飞机后机身意外损伤及修理.航空维修与工程():.时长长.系列飞机机翼主承力结构蒙皮修理.航空维修与工程():.甄聪伟王瀛王振良等.机身外蒙皮叠加型损伤评估实例研究.航空维修与工程():.王峻洲王华伟侯召国.基于相似体系的民机结构超手册维修案例分析.系统工程与电子技术():.冯蕴雯严浩路成等.基于/的民用飞机结构修理方案平台的设计与实现.航空工程进展():.:.().:.:.():.:.():.黄昌龙徐海蓉.运输类飞机外场结构损伤抢修.西安:西北工业大学出版社.航 空 计 算 技 术 第 卷第 期