鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的研究

譚 潔，張友鵬

（蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，1.碩士研究生；2.教授，甘肅 蘭州 730070）

隨著我國鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，電務(wù)部門的技術(shù)裝備水平和設(shè)備數(shù)量有了大幅度的提高。因此，如何確保鐵路車站信號設(shè)備無故障地運(yùn)用，如何改進(jìn)故障診斷技術(shù)，縮短故障診斷時間便成為工作的重點(diǎn)。目前，我國信號設(shè)備的故障診斷和維修均依靠維修人員的技能和經(jīng)驗(yàn)。然而，由于控制設(shè)備本身，尤其是控制電路的復(fù)雜性，以及受設(shè)備使用和環(huán)境等因素的影響，實(shí)際造成設(shè)備故障的原因具有多樣性和模糊性。因此，有必要通過開發(fā)鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，為鐵路信號技術(shù)人員根據(jù)故障狀態(tài)及時分析排查故障原因，迅速處理設(shè)備故障，提供輔助決策。而專家系統(tǒng)的核心是知識庫，它使基于知識的系統(tǒng)具有智能性。知識庫由結(jié)構(gòu)化和有組織的知識塊構(gòu)成，用來存放某領(lǐng)域的理論知識、定義、法則及數(shù)據(jù)。因此，知識庫的設(shè)計(jì)和建造對于專家系統(tǒng)尤為重要。

1 專家系統(tǒng)概述

1.1 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)是一種基于知識的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，以邏輯推理為基礎(chǔ)，模擬人類思維的符號主義人工智能方法，利用存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的某一領(lǐng)域的大量專家知識，模擬專家的思維、推理過程，來解決需要專家才能解決的實(shí)際問題。專家系統(tǒng)是由知識庫及其管理系統(tǒng)、推理機(jī)、解釋器、知識獲取機(jī)構(gòu)、綜合數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、人—機(jī)接口6個部分組成〔1〕。如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 專家系統(tǒng)的工作原理首先，在領(lǐng)域?qū)＜业闹笇?dǎo)下，知識獲取機(jī)構(gòu)將與領(lǐng)域相關(guān)的知識、常識性知識和專家經(jīng)驗(yàn)存放于知識庫當(dāng)中。然后，用戶通過人—機(jī)接口將診斷對象的征兆信息送給推理機(jī)。推理機(jī)利用知識庫當(dāng)中的知識，根據(jù)故障征兆按照一定的推理策略，解決提出的專門問題，直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。之后，解釋器對所得的結(jié)論進(jìn)行解釋。通過對專家系統(tǒng)工作過程的分析可知，專家系統(tǒng)的能力主要來源于它所擁有的知識。專家系統(tǒng)的性能和工作效率取決于知識庫中專家知識和經(jīng)驗(yàn)的多少。

2 知識庫的建立

知識庫是專家系統(tǒng)的核心，是知識的存儲機(jī)構(gòu)。知識庫中的知識來源于知識獲取機(jī)構(gòu)，同時又為推理機(jī)提供求解問題所需要的知識。知識庫具有知識存儲、檢索、刪減、添加和修改的功能。在系統(tǒng)工作時，推理機(jī)將知識庫中的知識進(jìn)行調(diào)用、推理，將產(chǎn)生的新的知識又添加到知識庫當(dāng)中去。由于知識庫在不斷地擴(kuò)充與完善，隨時保持更新，因而它是一個動態(tài)的而非靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，這也是智能知識庫的一大優(yōu)點(diǎn)。一個專家系統(tǒng)性能的高低取決于知識庫的準(zhǔn)確性、簡明性、有效性。因此，知識庫的設(shè)計(jì)與構(gòu)建是專家系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵性工作〔2〕。鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的建立過程：首先，對專家的信號設(shè)備故障知識進(jìn)行分析、收集和整理；然后，采用計(jì)算機(jī)可以識別的形式將知識符號化，即用產(chǎn)生式規(guī)則的表示方法對知識進(jìn)行表示；最后，以編碼的形式，即采用SQL語言將知識存儲到數(shù)據(jù)庫中。這樣，一個完整的知識庫就被建立起來。

2.1 知識的收整

2.1.1 知識的分析 由于車站信號設(shè)備故障的形式與種類繁多，本文所研究的鐵路信號故障，僅指繼電式電氣集中車站6502控制電路的邏輯故障。繼電式電氣集中信號設(shè)備種類較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易受到外部自然界環(huán)境的影響。因此，設(shè)備出現(xiàn)的故障多種多樣，故障原因也較為復(fù)雜，具有很大的偶然性和模糊性。設(shè)備在使用過程中會出現(xiàn)斷線、混線、短路、電源接地、電源單極接地等故障。導(dǎo)致這些故障的原因可能是生產(chǎn)及工作過程中元件內(nèi)部缺陷，或由于環(huán)境原因以及自然災(zāi)害造成的系統(tǒng)故障，或工作人員在使用、維修時對系統(tǒng)造成的故障。

下面以輔助開始繼電器電路故障為例進(jìn)行分析。

圖2 列車和調(diào)車共用的輔助開始繼電器電路

圖2中，排列列車進(jìn)路時，LKJ吸起使之勵磁并自閉；排列調(diào)車進(jìn)路時，始端JXJ吸起后直接使之勵磁并自閉；重復(fù)開放信號時，按壓始端按鈕，使之勵磁并自閉。正常排列進(jìn)路時，始端JXJ復(fù)原斷開其勵磁電路；重復(fù)開放信號時，只要松開始端按鈕，就斷開勵磁電路。當(dāng)信號開放后，LXJ吸起斷開其自閉電路，使之緩放落下〔3〕。

2.1.2 知識的整理 根據(jù)鐵路車站信號電氣集中設(shè)備故障維修手冊、車站信號電氣集中故障處理實(shí)例分析、6502電氣集中標(biāo)準(zhǔn)站場圖，按照設(shè)備故障現(xiàn)象和故障原因進(jìn)行詳細(xì)的分類（共有14類70多種故障）。主要有控制臺按鈕表示燈故障：故障原因主要是表示燈燈絲斷絲或接觸不良、AJ勵磁電路和自閉電路發(fā)生故障。信號點(diǎn)燈電路故障：故障原因主要是主副燈絲斷絲。信號復(fù)示器故障：故障原因主要是XJJ，LKJ，F(xiàn)KJ，KJ，ZJ電路發(fā)生故障。軌道電路故障：故障原因主要是道岔區(qū)段軌道光帶表示燈電路故障，ZCJ勵磁電路發(fā)生故障。道岔故障：故障原因主要是道岔啟動電路開路、混線故障，表示電路開、短路，電容器發(fā)生故障，二極管反極。進(jìn)路正常解鎖故障：故障原因主要是QJJ，F(xiàn)DGJ，LJ電路發(fā)生故障。取消進(jìn)路故障：故障原因主要是ZQJ，XJJ，CJ，GJJ勵磁電路發(fā)生故障。人工解鎖故障：故障原因主要是ZRJ，ZQJ，XJJ勵磁電路發(fā)生故障。故障解鎖電路故障：故障原因主要是CJ，LJ電路發(fā)生故障。引導(dǎo)進(jìn)路鎖閉故障：故障原因主要是YAJ，YXJ電路發(fā)生故障。引導(dǎo)解鎖故障：故障原因主要是YJJ勵磁電路發(fā)生故障或YAJ，YXJ錯誤保留。引導(dǎo)總鎖閉故障：故障原因主要是YZSJ，YXJ勵磁電路發(fā)生故障。區(qū)間閉塞設(shè)備電路故障：故障原因主要是ZPW2000A送受電端故障或衰耗盤、模擬網(wǎng)絡(luò)盤發(fā)生故障。電源設(shè)備故障：故障原因主要是大站電源屏發(fā)生故障，或25 Hz分頻器、變壓器、整流器發(fā)生故障。

下面同樣以輔助開始繼電器電路故障為例，對故障進(jìn)行收集和整理。

1）排列進(jìn)路時，始端閃光后熄滅，不能點(diǎn)穩(wěn)光，進(jìn)路也不能鎖閉，說明FKJ不能勵磁（3-4線圈）。

2）辦理重復(fù)開放信號時，始端閃光后熄滅，穩(wěn)光不點(diǎn)亮，信號也不能開放，說明重復(fù)開放信號時的勵磁電路發(fā)生故障。

3）進(jìn)路有道岔轉(zhuǎn)換時，先出現(xiàn)始端穩(wěn)光，終端滅光的現(xiàn)象，接著始端穩(wěn)光自動熄滅，進(jìn)路也沒有白光帶，說明FKJ不能自閉。因?yàn)榈鹊啦磙D(zhuǎn)換完畢，F(xiàn)KJ早已落下，7線不能溝通，KJ吸不起，進(jìn)路就無法鎖閉。當(dāng)進(jìn)路無道岔轉(zhuǎn)換時，F(xiàn)KJ的緩放時間一般都能保證進(jìn)路鎖閉，信號是否能開放與FKJ的緩放時間有關(guān)系，時間稍短，穩(wěn)光熄滅后信號不能開放，緩放時間長則信號能開放。

4）出現(xiàn)信號不能開放的現(xiàn)象，說明FKJ不能緩放。對于調(diào)車信號來說，D3XJ勵磁需要檢查FKJ的吸起條件，D3XJ的后接點(diǎn)一離開就切斷了FKJ的自閉電路，使FKJ失磁落下，當(dāng)FKJ后接點(diǎn)斷開就切斷了D3XJ的勵磁電路，就在D3XJ后接點(diǎn)離開前接點(diǎn)尚未接觸的一瞬間，D3XJ失磁落下，因此信號不能開放。FKJ不能緩放對于列車進(jìn)路影響不是很大。因?yàn)長XJ緩放電路由電阻、電容串聯(lián)組成，當(dāng)LXJ的勵磁電路接通后首先向緩放支路充電，充滿電后LXJ勵磁。雖然FKJ因不能緩放隨LXJ后接點(diǎn)斷開而立即落下，并切斷了LXJ的勵磁電路，但LXJ可以利用緩放電路給線圈放電，使前接點(diǎn)可靠接通，從而構(gòu)成自閉，所以信號可以正常開放。

2.2 知識的表示專家系統(tǒng)本質(zhì)上是一個知識系統(tǒng)，如何把整理出來的知識表示成計(jì)算機(jī)可以接受和運(yùn)用的形式，是關(guān)鍵的一步。知識的表示是對知識符號化、形式化的過程，是用一種計(jì)算機(jī)可以接受的對人類智能行為進(jìn)行描述的過程。知識表示應(yīng)能充分表示領(lǐng)域知識并且符合人們的思維邏輯習(xí)慣。合理的知識表示方法可便于知識在計(jì)算機(jī)中的調(diào)用、刪減、添加、修改，從而提高專家系統(tǒng)的推理效率。目前，常用的知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、面向?qū)ο蟊硎痉?、邏輯謂詞表示法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法等。

鑒于車站信號故障的特點(diǎn)，即知識塊之間存在大量的因果關(guān)系，用產(chǎn)生式規(guī)則表示法對知識進(jìn)行表示。采用這種表示法的專家系統(tǒng)稱為基于規(guī)則的專家系統(tǒng)。其基本形式：if＜前提＞then＜動作＞（或＜結(jié)論＞）。其中，前提是規(guī)則可否使用的條件，結(jié)論是滿足前提所得出的結(jié)果或執(zhí)行的操作。前提可以有很多條，通過邏輯運(yùn)算符and或or聯(lián)系在一起。

對輔助開始繼電器電路故障診斷的計(jì)算機(jī)知識表示形式如下：

rule：//規(guī)則1

if始端閃光后熄滅，不能點(diǎn)穩(wěn)光，進(jìn)路也不能鎖閉//前提

then FKJ不能勵磁（3-4線圈）//結(jié)論

rule：//規(guī)則2

if始端閃光后熄滅，穩(wěn)光不點(diǎn)亮，信號不能開放//前提

then重復(fù)開放信號時勵磁電路故障//結(jié)論

rule：//規(guī)則3

if始端穩(wěn)光，終端滅光，接著始端穩(wěn)光自動熄滅//前提

and進(jìn)路也沒有白光帶

then FKJ不能自閉//結(jié)論

rule：//規(guī)則4

if信號不能開放//前提

then FKJ不能緩放//結(jié)論

對車站信號設(shè)備故障診斷的各種知識和經(jīng)驗(yàn)均采用以上的知識表示方法（注：“//”后面表示注釋）。

2.3 知識的存儲將專家的經(jīng)驗(yàn)知識經(jīng)以編碼的形式生成計(jì)算機(jī)可以識別的語言后，存放到數(shù)據(jù)庫中。該專家系統(tǒng)利用Microsoft Access 2003創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫來儲存。數(shù)據(jù)庫的具體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫中部分?jǐn)?shù)據(jù)

Access數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實(shí)體與聯(lián)系均以二維表的形式存放，表又由一系列的行與列構(gòu)成，每一行代表1個元組，對應(yīng)一個特定的實(shí)體，每一列為1個域，對應(yīng)實(shí)體的某個屬性。表與表之間通過相同的屬性名相關(guān)聯(lián)，一條完整的信息由多個二維表唯一的確定。因此，適用于產(chǎn)生式規(guī)則知識的存儲與表達(dá)。同時Access數(shù)據(jù)庫與其他數(shù)據(jù)庫相比使用較為靈活方便，通過應(yīng)用程序來收集并儲存數(shù)據(jù)，容易對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與更新。Access數(shù)據(jù)庫以文件形式保存，文件的擴(kuò)展名是MDB。按照以上分析，用產(chǎn)生式規(guī)則表示法將所有故障表示出來，將這些規(guī)則存放在一張表中，由系統(tǒng)中的編號唯一確定，并作為知識文檔利用Microsoft Access 2003創(chuàng)建的知識庫進(jìn)行存儲， 從而完成知識庫的建立。

3 結(jié)束語

鐵路信號設(shè)備的故障處理一直是信號領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，僅僅依靠人員的經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)不僅耗時耗力，而且可靠性較低。通過開發(fā)鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，可幫助信號維修人員對故障進(jìn)行分析和診斷，提高預(yù)防和狀態(tài)修的水平，從而保證鐵路列車運(yùn)行安全。鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)診斷故障的準(zhǔn)確性，依賴于知識庫的準(zhǔn)確和完整。隨著鐵路的發(fā)展，信號技術(shù)的不斷完善，對知識庫進(jìn)行及時更新和維護(hù)變得越來越困難。因此，研究出更加智能和完善的專家系統(tǒng)將是今后的研究方向。

〔1〕舒剛.人工智能方法在車站信號故障診斷中的應(yīng)用與研究〔D〕.北京：北京交通大學(xué)，2008.

〔2〕劉建，張喜，馮麗萍.鐵路車站信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)原型開發(fā)〔J〕.工業(yè)控制計(jì)算，2005，18（4）：39-40.

〔3〕袁成華.信號設(shè)備故障分析與處理〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2003.