基于LabVIEW的鋼軌四向校直機(jī)模糊專家系統(tǒng)

胡 博，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

基于LabVIEW的鋼軌四向校直機(jī)模糊專家系統(tǒng)

胡 博，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

利用LabVIEW的開發(fā)功能，結(jié)合模糊專家系統(tǒng)的設(shè)計理念，開發(fā)了鋼軌四向校直機(jī)模糊專家系統(tǒng)。系統(tǒng)以鋼軌焊接接頭軌頂與行車面平直度曲線為輸入，運(yùn)用模糊推理規(guī)則尋找最優(yōu)匹配方案，通過反模糊化求取支點(diǎn)位移和校直壓力作為具體參考數(shù)值。系統(tǒng)中相似度的判定根據(jù)曲線間HD距離，隸屬度函數(shù)是基于對大量原始校直參數(shù)采用梳理統(tǒng)計規(guī)律方式來確定，推理規(guī)則源于專家經(jīng)驗的總結(jié)，并增加了學(xué)習(xí)更新模塊以保證系統(tǒng)具備自學(xué)功能。采用隨機(jī)抽取的鋼軌焊接接頭樣本進(jìn)行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠給出合理的專家意見用于焊接接頭的校直，降低對操作人員的技能要求。

鋼軌校直機(jī)；糊專家系統(tǒng)；HD距離

0 前言

隨著我國高速鐵路的迅猛發(fā)展，無縫線路所占的比例逐年提高，無縫線路實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于鋼軌焊接[1]，而鋼軌焊接的平直度直接影響行車安全、輪軌使用壽命和旅客乘車舒適度。由于鋼軌焊接設(shè)備的剛性和鋼軌軌端的形狀尺寸等方面存在問題，焊接接頭出現(xiàn)上拱、側(cè)彎以及小量錯邊等問題，鋼軌的平直度不能完全通過焊接保證，目前主要通過焊后四向校直和精磨保證上線鋼軌的平直度，校直過程完全根據(jù)操作人員工作經(jīng)驗，校直質(zhì)量和效率受人為因素影響很大。

人工校直判斷的過程非常接近于模糊專家系統(tǒng)的推理判斷過程，LabVIEW具有強(qiáng)大的開發(fā)功能，因此，基于LabVIEW開發(fā)了鋼軌焊接接頭校直專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用成功的校直數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，通過合理的推理機(jī)制，為鋼軌焊接接頭校直提供可靠的校直參數(shù)，保證校直質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

1 鋼軌焊接接頭過程分析與系統(tǒng)實(shí)施方案

鋼軌焊接接頭校直過程如圖1所示。鋼軌彎曲變形量尚未達(dá)到屈服極限時適用于胡克定律；當(dāng)鋼軌彎曲變形量達(dá)到屈服極限時鋼軌產(chǎn)生永久塑性變形δw；當(dāng)卸去載荷后鋼軌會有一定的回彈量δf，當(dāng)鋼軌初始彎曲變形量δ0=δw-δf時，鋼軌焊接接頭完成。由于鋼軌焊接接頭在組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上發(fā)生了變化，因此很難定量計算鋼軌焊接接頭過程中的δw和δf，使得鋼軌焊接接頭校直需要重復(fù)多次操作，對δw-δf進(jìn)行累加，最終實(shí)現(xiàn)鋼軌的校直。由圖1可知，要實(shí)現(xiàn)校直主要通過調(diào)整F及t，控制δw參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

圖1 鋼軌焊接接頭原理

焊接接頭的校直流程如圖2所示。首先測量鋼軌的軌頂與行車面外形尺寸，并在顯示屏上顯示；操作人員根據(jù)自己的校直經(jīng)驗，結(jié)合顯示尺給出合適的校直壓力和支點(diǎn)位移實(shí)施校直；校直完成后，檢測鋼軌外形尺寸，直至合格。校直流程中給定校直參數(shù)、判定合格與否要結(jié)合個人工作經(jīng)驗，校直質(zhì)量和效率受人為因素影響大。且在設(shè)定壓頭壓力、支點(diǎn)位移時，操作人員多采用“大概”“左右”“附近”等模糊概念詞匯，難以定量表示，因此人工校直過程非常接近模糊專家系統(tǒng)的推理、判斷、操作過程。

圖2 鋼軌焊接接頭流程

基于模糊技術(shù)的模糊專家系統(tǒng)是建立在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上[2]。相較于通用專家系統(tǒng)，模糊專家系統(tǒng)在知識表示方面能更貼切的反映模糊關(guān)系，在知識處理方面允許部分匹配，提供了一種近似（或模糊）的推理機(jī)制，在知識獲取方面方便了領(lǐng)域?qū)＜襕3]。這些優(yōu)勢恰好能夠與鋼軌焊接接頭系統(tǒng)相結(jié)合，充分利用既有校直經(jīng)驗和模糊推理規(guī)則，減少重復(fù)勞動，提高效率，增加效益。

綜上所述，鋼軌焊接接頭過程是一個模糊推理與運(yùn)用專家經(jīng)驗的過程，因此在鋼軌焊接接頭機(jī)去經(jīng)驗化設(shè)計中考慮采用模糊專家系統(tǒng)設(shè)計鋼軌焊接接頭校直專家系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡介

該系統(tǒng)與模糊專家系統(tǒng)相結(jié)合，基于鋼軌焊接接頭過程，利用LabVIEW高性能、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，設(shè)計的鋼軌四向校直模糊專家系統(tǒng)包含輸入輸出模塊、模糊知識庫、模糊推理機(jī)、學(xué)習(xí)模塊等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)輸入輸出模塊以鋼軌軌頂和行車面平直度曲線模糊化結(jié)果作為輸入，以待校直曲線與數(shù)據(jù)庫曲線相似度作為模糊推理結(jié)果輸出，并通過反模糊化求解出對應(yīng)的左上、左下、右上、右下支點(diǎn)位移及油缸校直壓力，這些數(shù)據(jù)涵蓋了鋼軌焊接接頭的所有基本參考因素，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的校直過程。

（2）知識庫中包含規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫均來自于鋼軌焊接接頭實(shí)踐經(jīng)驗。各焊軌基地有很多原始校直記錄數(shù)據(jù)，既可以用來構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，也可以從中總結(jié)出模糊推理的規(guī)則庫。考慮到不同系統(tǒng)、不同檢測設(shè)備與EXCEL表格之間的互通性，在系統(tǒng)中對知識庫采用EXCEL表格的方式保存，滿足使用要求。

模糊推理機(jī)是系統(tǒng)的核心，而學(xué)習(xí)更新模塊是專家系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)提高的關(guān)鍵，這兩部分單列介紹。

2.2 模糊推理機(jī)模塊設(shè)計

模糊推理模塊包含模糊化處理、模糊推理和反模糊化三部分，流程如圖4所示。

圖4 推理機(jī)流程

（1）模糊化處理。首先對軌頂與行車面平直度曲線與數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)平直度曲線進(jìn)行模糊化處理，并按照隸屬函數(shù)進(jìn)行相似性比較。考慮到實(shí)際校直中軌頂及行車面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類型相同，且操作員對其參考程度相當(dāng)，因此對二者采用相同隸屬度函數(shù)。在比較曲線相似度時，常用的有最小二乘法、曲線間Hausdorff距離[4]、曲線間Fréchet距離[5]等，由于校直過程中設(shè)備可沿鋼軌方向移動，故而焊接接頭可能會偏離校直機(jī)中心，所測鋼軌外形尺寸產(chǎn)生平移效果，因此在對曲線相似度比較時著重考慮其變化趨勢的相似性，HD距離所測的是曲線間垂直距離，在一定程度上能夠表征曲線間相似度，在此選取HD距離作為曲線相似度判別方法較為合適。在求取隸屬函數(shù)時，計算出一定數(shù)量曲線間HD距離，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗，人工判定其隸屬度，并統(tǒng)計規(guī)律，畫出隸屬度曲線，最后通過與經(jīng)典隸屬度函數(shù)相匹配，得到隸屬度曲線如圖5所示，其模糊語言狀態(tài)值設(shè)為相似（PB）、基本相似（PM）、不相似（PS），以此完成對輸入數(shù)據(jù)的模糊化處理。

圖5 曲線HD距離隸屬度曲線

（2）模糊推理。模糊推理相當(dāng)于操作人員在已有的操作經(jīng)驗中，按照推理規(guī)則尋求解決方案的過程。在系統(tǒng)中，用知識庫中的數(shù)據(jù)庫替代人工操作經(jīng)驗，用規(guī)則庫替代操作人員的推理過程，總結(jié)專家經(jīng)驗，得到模糊規(guī)則如表1所示，Ex表示軌頂表面模糊化結(jié)果，Ec表示行車面模糊化結(jié)果。

表1 模糊專家控制規(guī)則

推理結(jié)果按照PB、PM的順序依次選取，輸出結(jié)果為PS的曲線則沒有參考價值。模糊推理的結(jié)果可能會出現(xiàn)多條結(jié)果相同的曲線，考慮到焊接工藝參數(shù)和鋼軌批次的影響，選擇時間最近的一組；但隨著系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)，數(shù)據(jù)庫不斷更新，輸出結(jié)果相同的曲線條數(shù)會逐漸減少，專家系統(tǒng)會更加完善。推理過程主要是不確定推理，即對某一現(xiàn)象只做定性判斷，不做定量估計，符合鋼軌焊接接頭實(shí)踐經(jīng)驗。例如對某條曲線進(jìn)行匹配時，與第100、121行數(shù)據(jù)軌頂面匹配結(jié)果均為PM，與行車面匹配結(jié)果為PB，則待校直曲線與第100、121行曲線相似度為PM，按照時間最近原則選擇第121行作為匹配結(jié)果，其校直參數(shù)可做參考。

（3）反模糊化。由模糊推理所得的模糊輸出值是輸出論域的模糊子集，只有將模糊輸出值轉(zhuǎn)化為精確控制量才能施加于對象，這個過程稱之為反模糊化或精確化。例如按照推理規(guī)則得出第121行校直參數(shù)可做參考，這其中的“相似”程度如何，“參考”比例多大沒有具體的數(shù)量表示，因此需要通過反模糊化對參考參數(shù)精確化。當(dāng)結(jié)果為PB或PM時，系統(tǒng)進(jìn)行反模糊化，首先求取待校直曲線與輸出曲線間的隸屬度，考慮到鋼軌焊接接頭是軌頂與行車面綜合作用的結(jié)果，系統(tǒng)采用加權(quán)平均值法（重心法）求取隸屬度；其次以輸出結(jié)果所在行的校直參數(shù)與所求隸屬度相乘，得到校直參數(shù)的精確值作為校直參考參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)輸出為PS時，系統(tǒng)不會給出任何參數(shù)，由操作人員手動輸入校直參數(shù)并完成校直，該組校直參數(shù)作為新數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，作為知識庫的一部分。

2.3 學(xué)習(xí)更新模塊設(shè)計

為避免知識庫中數(shù)據(jù)庫無限擴(kuò)容，內(nèi)容陳舊，設(shè)計了數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)更新模塊。數(shù)據(jù)庫的更新有兩種形式：（1）通過知識庫管理模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，通過添加、刪除等操作人工修改或輸入完成數(shù)據(jù)更新。（2）每次校直結(jié)束后，系統(tǒng)將該組校直數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中原有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，按照優(yōu)劣程度不同實(shí)現(xiàn)自動更新，其更新過程如圖6所示。

圖6 知識庫學(xué)習(xí)更新流程

自動更新在每組鋼軌焊接接頭結(jié)束后，按照模糊推理過程將鋼軌外形尺寸數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)按照相似、基本相似和不相似三類，并且對不同相似度待更新數(shù)據(jù)區(qū)別處理。校直過程中，鋼軌外形尺寸檢測、支點(diǎn)位移時間和施力時間大致相當(dāng)，因此在評判校直效率優(yōu)劣時只考慮校直次數(shù)。例如，當(dāng)某組校直數(shù)據(jù)初始曲線與數(shù)據(jù)庫中第50組校直數(shù)據(jù)的第2次校直曲線比對結(jié)果為PM，且本次校直過程3次完成，而數(shù)據(jù)庫中仍需校直5次才能完成，系統(tǒng)將自動把數(shù)據(jù)庫中后五次校直數(shù)據(jù)用本次校直3次的數(shù)據(jù)替換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的不斷更新。當(dāng)數(shù)據(jù)總量達(dá)到設(shè)計容量上限時，系統(tǒng)自動刪除較早的校直數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

隨機(jī)抽取多組鋼軌平直度曲線作為樣本，運(yùn)用模糊專家系統(tǒng)，通過模糊推理機(jī)檢測符合相似度要求的匹配曲線，兩組曲線匹配結(jié)果如圖7所示，圖中粗實(shí)線為待校直鋼軌焊接接頭平直度曲線，細(xì)線為參考校直曲線，上方為軌頂外形尺寸，下方為行車面外形尺寸。圖中還標(biāo)出了左上、左下、右上、右下參考支點(diǎn)位移以及上、下、前、后四個校直油缸的參考校直壓力。

圖7 鋼軌焊接接頭參考曲線對比

經(jīng)過多次隨機(jī)測試，各組曲線均能匹配出相應(yīng)參考曲線，并且參考曲線的走向與實(shí)際鋼軌的平直度走向大致相當(dāng)，與人工判定結(jié)果一致，匹配結(jié)果曲線對鋼軌焊接接頭校直有參考價值。此外，在測試中，增加的優(yōu)化后校直數(shù)據(jù)，能夠成功的在主程序結(jié)束前自動替換原有未優(yōu)化的校直數(shù)據(jù)，保證知識庫中知識的不斷更新，驗證了該模塊的可行性。

4 結(jié)論

通過對鋼軌焊接接頭變形及校直過程分析，提出了解決目前鋼軌焊接接頭校直過程質(zhì)量、效率受人為因素制約問題的新方法，并設(shè)計了鋼軌焊接接頭校直模糊專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校直過程校直參數(shù)的自動給定，通過樣本校直數(shù)據(jù)與專家經(jīng)驗的比較，驗證了系統(tǒng)用于鋼軌焊接接頭校直的可行性。

[1]王衛(wèi)星.城市軌道交通線路長鋼軌現(xiàn)場焊接方案探討[J].城市軌道交通研究，2003，6（4）：77-79．

[2]李洪興，汪培莊．模糊數(shù)學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[3]田應(yīng)忠.基于模糊集的模糊專家系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[4]Huttenlocherd，Klandermang，Rucklidgew.Comparing images using the Hausdorff distance[J].IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1993，15（9）：850-863.

[5]Efrat Alon，F(xiàn)an Q F.Curve Matching，Time Warping，and Light Fields：New Algorithms for Computing Similarity between Curves[J].J Math Imaging，2007：27.

Fuzzy expert system for rail straightening machine based on LabVIEW

HU Bo，LV Qibing
（Southwest Jiaotong University，Material Science and Engineering institute，Chengdu 610031，Chin）

Use the development functions of LabVIEW，combining the fuzzy expert system design concept，develop rail four to the straightening machine fuzzy expert system.The system takes rail track top and the driving surface flatness curve as input，using fuzzy inference rules to find the best matching scheme，through the defuzzification for pivot displacement and pressure straightening specific reference parameters.System similarity judgment according to the HD-distance between two curves，membership degree function was determined based on a large number of the original alignment parameter of the sort of statistical rules，inference rules source to summary of the experience of experts.In addition，the increase in the learning update module to ensure that the system had selflearning function.The rails on a random sample of welded joint specimens were tested，showed that the system could give reasonable expert opinion for alignment of the welded joints and reduce the requirement for the skills of operating personnel.

rail straightening machine；fuzzy expert systems；HD-distance

TG409

A

1001－2303（2016）12－0037-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.08

獻(xiàn)

胡博，呂其兵.基于LabVIEW的鋼軌四向校直機(jī)模糊專家系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：37-40.

2016-05-10

胡博（1992—），男，四川遂寧人，在讀碩士，主要從事焊接設(shè)備及其自動化的研究工作。