軌道交通多Agent監(jiān)控診斷維護(hù)支持系統(tǒng)

龔曉妍，朱曉青，秦斌，王欣（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

軌道交通多Agent監(jiān)控診斷維護(hù)支持系統(tǒng)

龔曉妍，朱曉青，秦斌，王欣
（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007）

摘要：針對(duì)城市軌道交通運(yùn)行過程中設(shè)備監(jiān)測(cè)、信息采集、故障診斷的數(shù)據(jù)不全面、反饋不及時(shí)等問題，提出基于MAS（multi-agent system）的軌道交通智能控制-故障診斷-維護(hù)支持系統(tǒng)方案。該方案通過Agent與Agent之間協(xié)調(diào)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)軌道交通的分布式、協(xié)調(diào)化、集成控制與管理。描述了該系統(tǒng)的總體框架、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)面向安全、維修、調(diào)度、管理等信息化業(yè)務(wù)的軌道交通信息采集、診斷和維護(hù)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；維護(hù)支持系統(tǒng)；多Agent系統(tǒng)

本文引用格式：龔曉妍，朱曉青，秦斌，等.軌道交通多Agent監(jiān)控診斷維護(hù)支持系統(tǒng)[J].新型工業(yè)化，2015，5（8）：11-16

Citation: GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, et al. Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 11-16.

0 引言

城市軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)是專為地鐵系統(tǒng)研發(fā)的具備設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障智能分析、維護(hù)管理等功能的綜合性維護(hù)管理系統(tǒng)，在綜合監(jiān)控平臺(tái)ISCS（Integrated Supervision and Control System）基礎(chǔ)上，研究基于MAS（multi-agent system）智能控制-故障診斷-維護(hù)管理模型，為軌道交通設(shè)備的管理和維護(hù)提供更好的服務(wù)，能夠有效提高設(shè)備的維護(hù)質(zhì)量和維護(hù)效率，保證城市軌道交通能夠安全、高效運(yùn)行。

當(dāng)前軌道交通設(shè)備的維護(hù)實(shí)施過程中，對(duì)正線設(shè)備的信息監(jiān)測(cè)不全面，正線系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)ATS（列車自動(dòng)監(jiān)控）、ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）和ATO（列車自動(dòng)駕駛），正線計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)及車輛段/停車場(chǎng)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖等各子系統(tǒng)能夠自診斷和監(jiān)測(cè)報(bào)警，但存在著標(biāo)準(zhǔn)和界面不統(tǒng)一的問題；部分設(shè)備采集的數(shù)據(jù)及報(bào)警信息分散在不同的系統(tǒng)中，且數(shù)據(jù)難以在系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)共享[1]。

近年來，MAS的發(fā)展為軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)提供了新的解決方案。MAS是由多個(gè)具有不同或者類似功能的Agent集合而成，完成一個(gè)或多個(gè)功能目標(biāo)[2]。通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)Agent全面監(jiān)控和采集中心級(jí)設(shè)備（維護(hù)中心）、車站級(jí)設(shè)備（各設(shè)備集中站、車輛段、停車場(chǎng)、控制中心和沿線各信號(hào)工區(qū)）和網(wǎng)絡(luò)通信線路三個(gè)層面各子系統(tǒng)的運(yùn)行信息，通過Agent的集成和協(xié)作與其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息互換，最終對(duì)各相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和信息共享，提高城市軌道交通整體維護(hù)管理的水平。

城市軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、維護(hù)維修，匯總各設(shè)備故障報(bào)警信息并進(jìn)行分類，從而幫助維修工作更方便、高效地完成。

城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正線系統(tǒng)和車輛段/停車場(chǎng)各子系統(tǒng)的狀態(tài)。車輛段/停車場(chǎng)通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)其范圍內(nèi)所有設(shè)備故障狀況。正線系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)ATS中包含了列車自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)防護(hù)、自動(dòng)駕駛的設(shè)備故障自動(dòng)報(bào)警功能。

系統(tǒng)目前存在一些問題，包括不能全面監(jiān)測(cè)到所有設(shè)備的所有信息，設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)及上傳的報(bào)警信息分散，且由于系統(tǒng)間難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，查詢、篩選這些數(shù)據(jù)都要花費(fèi)維護(hù)人員很大的精力，這就使得故障搶修難度增大、故障處理時(shí)間延長(zhǎng)。

本項(xiàng)目運(yùn)用Agent理論設(shè)計(jì)了中央級(jí)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，并在各站及車輛段/停車場(chǎng)設(shè)立綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站各設(shè)備的監(jiān)控功能。利用網(wǎng)絡(luò)通信接口將其集成，有效解決了監(jiān)測(cè)信息不全、數(shù)據(jù)難以共享的問題，使得軌道交通設(shè)備能夠得到更及時(shí)、有效的維護(hù)管理。

1 基于MAS的智能控制-故障診斷-維護(hù)支持系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

1.1 多Agent技術(shù)

近幾年來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)飛速發(fā)展，智能體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為人工智能中的前沿學(xué)科，在許多領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用，成為解決復(fù)雜系統(tǒng)中分布式問題的一種有效的方法。多Agent技術(shù)MAS是通過多個(gè)智能體（Agent）的相互通訊、協(xié)作，達(dá)到將復(fù)雜的系統(tǒng)（軟硬件系統(tǒng)）分解成彼此獨(dú)立且相互之間能夠?qū)崿F(xiàn)通訊、協(xié)調(diào)的小系統(tǒng)的目的，并由相應(yīng)的Agent（s）來完成子系統(tǒng)的任務(wù)，通過多個(gè)Agents的協(xié)作、協(xié)調(diào)解決復(fù)雜系統(tǒng)問題[3]。MAS中的一個(gè)Agent可由更細(xì)的Agents組成。可以將比較復(fù)雜的任務(wù)經(jīng)過多次細(xì)分，直到每個(gè)子任務(wù)都能由一個(gè)Agent獨(dú)立或者和其它Agent（s）合作完成。

利用多智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的智能控制-維護(hù)-管理系統(tǒng)就是用MAS思想解決地鐵控制、維護(hù)、管理集成的問題。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)控制區(qū)域分為多個(gè)MAS部分，實(shí)現(xiàn)相互之間的合作，完成系統(tǒng)的優(yōu)化和診斷。每個(gè)MAS內(nèi)部可分為控制MAS、人機(jī)接口MAS和仿真優(yōu)化MAS，每個(gè)MAS分為主管Agent和專業(yè)Agent，主管Agent主要是根據(jù)外界環(huán)境對(duì)自身的控制系統(tǒng)知識(shí)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；專業(yè)Agent則負(fù)責(zé)信息采集、故障診斷和監(jiān)控的任務(wù)[4]。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)首先要解決信息來源的問題。列車信息的采集與記錄主要通過車載信息子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；通過完善車載人機(jī)接口界面、車地?zé)o線通信接口分別實(shí)現(xiàn)信息與工作人員、與地面的交互；最后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)車進(jìn)行智能診斷和維護(hù)支持[5]。監(jiān)控系統(tǒng)采用整體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)，采集設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)、管理和分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]。本文根據(jù)軌道交通運(yùn)行特點(diǎn)，建立一個(gè)基于MAS的軌道交通智能控制管理系統(tǒng)，如圖1所示。

該系統(tǒng)分為決策層、優(yōu)化執(zhí)行層和控制層3層結(jié)構(gòu)。經(jīng)營(yíng)決策層通過規(guī)劃Agent對(duì)需求信息做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)資源整體規(guī)劃。優(yōu)化執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，包括監(jiān)視Agent、控制Agent和診斷Agent在內(nèi)的基本模塊。監(jiān)視Agent主要收集各設(shè)備（包括信號(hào)設(shè)備、電力設(shè)備、機(jī)電設(shè)備等）數(shù)據(jù)并做出初步處理，完成狀態(tài)分析、預(yù)警和儲(chǔ)存，并在需要的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)提供給其他Agent?？刂艫gent將第一層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和處理，得出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息并進(jìn)行隱患預(yù)警分析和故障綜合診斷。診斷Agent基于各種信號(hào)，進(jìn)行故障診斷并作出診斷決策和維護(hù)建議，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 控制與管理MAS單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The cell structure of control and management MAS

圖2 優(yōu)化執(zhí)行MAS系統(tǒng)的總體架構(gòu)Fig.2 The overall architecture of optimization and execution MAS system

1.3 單個(gè)Agent的結(jié)構(gòu)模型

單個(gè)Agent感知外部環(huán)境變化和要求，通過計(jì)算、推理等內(nèi)部行為將計(jì)算結(jié)果返回，即“改變環(huán)境”。感知環(huán)境信息、接收外部Agent要求以及返回計(jì)算結(jié)果或改變環(huán)境參數(shù)這些行為均為Agent外部行為，Agent個(gè)體的內(nèi)部計(jì)算、推理等行為是Agent的內(nèi)部行為，Agent的心智（Thinker）包括體現(xiàn)Agent思考行為的知識(shí)庫、信念庫等。因此單個(gè)Agent的結(jié)構(gòu)可分為三層：心智、內(nèi)部行為和外部行為，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

心智層是Agent的核心，相當(dāng)于其大腦，包括信念、期望、意圖、承諾、規(guī)劃等，Agent以此為依據(jù)做出行為決策。信念是對(duì)內(nèi)部和外部特征的描述；期望是系統(tǒng)目標(biāo)，是下一步?jīng)Q策的根據(jù)；意圖是Agent預(yù)先計(jì)劃好自身在未來時(shí)間內(nèi)將要執(zhí)行的行為。

內(nèi)部行為層是Agent的內(nèi)部心智活動(dòng)，主要功能包括心智管理、規(guī)劃及學(xué)習(xí)等，主要對(duì)心智進(jìn)行維護(hù)，對(duì)外部的環(huán)境、其他Agent的通信信息及自身內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行分析推理并規(guī)劃其目標(biāo)、意圖和行為，僅影響其內(nèi)部狀態(tài)而不對(duì)外部環(huán)境產(chǎn)生作用[7]。

外部行為層主要實(shí)現(xiàn)Agent之間及其與環(huán)境的交互。

圖3 單個(gè)Agent的結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structural model of a single Agent

2 軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由中心級(jí)設(shè)備（維護(hù)中心）、車站級(jí)設(shè)備（各設(shè)備集中站、車輛段、停車場(chǎng)、控制中心和沿線各信號(hào)工區(qū)）和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)三部分組成，如圖4所示。

圖4 維護(hù)支持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Network structure diagram of Maintenance-support system

基于MAS的智能管理與控制系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備智能化，集成為可通訊的單個(gè)Agent模塊。這些設(shè)備根據(jù)其需要完成的具體任務(wù)實(shí)現(xiàn)不同程度的智能（知識(shí)）[8]。Agent根據(jù)其智能程度做出合理的反應(yīng)。

2.1 控制中心

控制中心系統(tǒng)系統(tǒng)由綜合業(yè)務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、調(diào)度終端、維護(hù)及網(wǎng)管終端等部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄車站上送的設(shè)備故障信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、重現(xiàn)，維修人員通過該系統(tǒng)獲取所轄車站設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)給出的故障診斷建議排除故障[9]。

車站設(shè)備收集來自電源屏、外電網(wǎng)和環(huán)境溫濕度的信息?？刂浦行挠信cATS、DCS中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)接口，設(shè)有一臺(tái)維護(hù)終端。其連接如圖5所示。

2.2 車站級(jí)子系統(tǒng)

車站級(jí)子系統(tǒng)包括車站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制網(wǎng)絡(luò)、控制設(shè)備、車站管理網(wǎng)絡(luò)和操作設(shè)備，是軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，如圖6所示。

現(xiàn)場(chǎng)智能采集設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)信息并對(duì)其進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)故障分析和預(yù)警功能。

另外，車站主機(jī)實(shí)現(xiàn)與維修中心及其它上層設(shè)備的信息互換。上層接收到車站主機(jī)傳過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，讓車間、電務(wù)段調(diào)度及時(shí)了解故障情況及原因，以便采取措施對(duì)故障進(jìn)行處理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

基于MAS的智能控制-維護(hù)-管理集成系統(tǒng)的特色就是它能將控制、維護(hù)和管理功能分解為分散的Agent，通過一個(gè)分布式的通訊網(wǎng)絡(luò)將各部分功能進(jìn)行通訊，將控制、維護(hù)、管理三者連接起來，最終在各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)其功能。

圖5 控制中心車站設(shè)備連接圖Fig.5 Station equipment connection diagram of control center

圖6 車站級(jí)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of station level subsystem

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和傳輸通道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的環(huán)形自愈網(wǎng)絡(luò)，為提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，應(yīng)采用遷回、環(huán)狀、抽頭等冗余方式[9]。采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)管理網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)的數(shù)據(jù)流，從而達(dá)到適應(yīng)多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的。

為實(shí)現(xiàn)與符合底層通信協(xié)議規(guī)定的任何信息源設(shè)備的互聯(lián)互通，車站現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)（控制網(wǎng)）應(yīng)具備開放性和兼容性[10]。

軌道交通智能分析子系統(tǒng)采用智能化的故障診斷方法，根據(jù)用戶對(duì)開關(guān)量、模擬量等信息采集的要求，構(gòu)建出一套適用于軌道交通的微機(jī)監(jiān)測(cè)擴(kuò)展系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠更快捷更方便地向工作人員提示軌道交通各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)各設(shè)備更易發(fā)的故障進(jìn)行分析并給出維修建議。

智能分析子系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)控管理信息系統(tǒng)之間的整體架構(gòu)如圖7所示。2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能

該系統(tǒng)對(duì)城市軌道交通設(shè)備實(shí)現(xiàn)了完全監(jiān)測(cè)，不僅可對(duì)非智能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如道岔、信號(hào)機(jī)、外電網(wǎng)、電纜、數(shù)字音頻軌道電路、移動(dòng)閉塞環(huán)線、定位環(huán)線等，而且還可對(duì)包含ATC、CI、計(jì)軸、智能電源屏、智能燈絲、屏蔽門等在內(nèi)的智能設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)[11]。另外，該系統(tǒng)采用人工智能方法，對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而選出設(shè)備維護(hù)需要的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和維修。

（2）監(jiān)測(cè)及報(bào)警管理功能

該系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析和處理所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)設(shè)備工作參數(shù)的變化趨勢(shì)，濾除一些意外和干擾后，找出參數(shù)的異常變化。當(dāng)發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化趨勢(shì)出現(xiàn)異常時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警告，并給出相應(yīng)的維護(hù)建議。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完善的統(tǒng)計(jì)分析，為設(shè)備的維護(hù)計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)，維護(hù)人員通過系統(tǒng)故障診斷分析故障原因，處理故障。

圖7 智能分析子系統(tǒng)框架Fig.7 Framework of intelligent analysis subsystem

3 結(jié)論

本文在MAS的理論基礎(chǔ)上，將城市軌道交通維護(hù)支持系統(tǒng)中的子系統(tǒng)分解成多個(gè)Agent模塊，通過Agent之間的通訊和協(xié)作，搭建基于MAS的軌道交通智能控制-故障診斷-維護(hù)支持系統(tǒng)集成系統(tǒng)平臺(tái)，從全新的角度研究了軌道交通運(yùn)行過程中的一系列問題。維護(hù)支持系統(tǒng)為城市軌道交通設(shè)備的維護(hù)、維修和管理提供有力的支持和建議。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，可為設(shè)備排除故障提供支持，減少故障間隔時(shí)間，提高設(shè)備的維護(hù)、維修效率和質(zhì)量。但由于系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障感知和診斷模型不能做到十分精確，還有一定的誤差存在，已有的車站設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)也有各方面的不足，還需要進(jìn)一步改進(jìn)與升級(jí)以提高系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61074067），湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助。

作者簡(jiǎn)介：龔曉妍（1988-），女，湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：復(fù)雜電氣系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調(diào)控制；朱曉青（1958-），男，湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)過程控制、過程檢測(cè)、優(yōu)化控制、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究；秦斌（1963-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制。

Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit

GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, WANG Xin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology , Zhuzhou Hunan , 412007)

ABSTRACT:In view of the problems such as the data’s feedback are not comprehensive or in time in the equipment monitoring, information collection and fault diagnosis of the process of urban rail transit operation, the Intelligent control-Fault diagnosis-Maintenance support system of rail transportation based on MAS （Multi-Agent System） is proposed. The scheme realizes the distributed, coordinated, integrated control and management of the rail transit through the coordination of Agent and Agent. By describing the framework and network structure of the system, ultimately achieved the information collection, diagnosis and maintenance of the rail transit which face to security, maintenance, scheduling, management and other information business.

KEYWORDS:Urban rail transit; Maintenance-support system; Multi-agent system