貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

蘭州交通大學(xué)自動控制研究所　甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室　王　剛　牛宏俠

0　引言

鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)鐵路車站“運(yùn)行指揮，安全防護(hù)”的控制功能，是在計算機(jī)控制技術(shù)以及可靠性、安全性理論的基礎(chǔ)上結(jié)合鐵路信號系統(tǒng)自身的特點設(shè)計的系統(tǒng)[1]。近些年來，針對鐵路系統(tǒng)故障的特點，學(xué)者們相繼提出了基于專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持向量機(jī)，最小近鄰法和模糊推理系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的故障診斷方法，并且取得了一定的實際應(yīng)用效果。但是，對于計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障診斷，很少有文獻(xiàn)關(guān)注并做深入研究分析。目前，在計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷的實際應(yīng)用中，多數(shù)情況下依然采用人工經(jīng)驗進(jìn)行診斷分析，這已不能滿足當(dāng)前高速鐵路對列車信號系統(tǒng)的安全性和快速性的要求。

本文在近年來故障診斷技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，考慮到車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障的復(fù)雜性、不確定性的特點，提出將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理模型應(yīng)用于計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障診斷中，充分發(fā)揮貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在不確定性知識表達(dá)和推理領(lǐng)域的無法比擬的優(yōu)勢，對車站計算機(jī)聯(lián)機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)準(zhǔn)確、及時地判斷故障部位，以便于后期快速、準(zhǔn)確地排除故障。

1　計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷模型的建立

鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，其主要功能是首先對鐵路車站的道岔設(shè)備、軌道電路設(shè)備、信號機(jī)設(shè)備的狀態(tài)信息以及相鄰區(qū)間內(nèi)處于列車占用或者通過情況進(jìn)行采集,然后依據(jù)列車調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)度命令，對列車運(yùn)行實時情況進(jìn)行安全控制及防護(hù)。圖1代表了計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，主要包含兩個部分，即室內(nèi)部分和室外部分。其中，室內(nèi)部分又由軟件部分和硬件部分構(gòu)成。軟件部分主要包含編碼信息、冗余軟件和檢測軟件，硬件部分主要包含上位機(jī)、聯(lián)鎖機(jī)和結(jié)構(gòu)電路等。室外部分主要包括道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備、信號機(jī)和軌道電路。

為了實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地判斷故障部位，查找故障原因的需求，在統(tǒng)計分析車站聯(lián)鎖設(shè)備以往多年的故障類型的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)的工作原理和實際結(jié)構(gòu)，將計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)按功能和層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級分解。第一級為四個子類，A11代表室內(nèi)控制部分，A12代表室外設(shè)備，A13代表控制臺，A14代表電源部分。然后依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在每一個一級子類下面再次分解，構(gòu)成如表1所示的20個二級子類[2]。

圖1　計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

表1　計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)分級分解模塊

計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷模型是在深入分析各個子系統(tǒng)的功能原理和層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家系統(tǒng)的經(jīng)驗和以往的故障維護(hù)記錄進(jìn)行建立的。在建立每一個子系統(tǒng)的故障模型以后，用虛擬事件來代替系統(tǒng)故障，然后用邏輯門將各個故障子系統(tǒng)聯(lián)系起來，最終構(gòu)成整個系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)模型。

以道岔控制電路子模塊的故障模型建立的過程為例來說明計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷模型建立的過程[3]。故障模型的建立一般分為三個步驟：

（1）選取頂事件。所謂頂事件，即是指系統(tǒng)邏輯分析和功能發(fā)生故障的事件。根據(jù)系統(tǒng)是否發(fā)生故障失去預(yù)定的功能，我們將道岔控制電路不能正常工作視作故障模型的頂事件。

（2）分析頂事件。將頂事件作為系統(tǒng)的輸出事件，之后依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時的實際的邏輯關(guān)系，尋找出能引發(fā)頂事件產(chǎn)生的必要的直接的原因，構(gòu)成輸入事件，并以適當(dāng)?shù)倪壿嬮T相聯(lián)系。具體針對道岔控制電路來說，根據(jù)其工作原理和邏輯關(guān)系的分析可知，能引發(fā)道岔控制電路發(fā)生故障的原因主要有兩個，一個是道岔啟動電路發(fā)生故障，另一個是道岔表示電路發(fā)生故障。

（3）分析輸入事件。在分析頂事件之后可以得到輸入事件，然后根據(jù)二者的因果關(guān)系對輸入事件進(jìn)一步分析，倘若當(dāng)前的輸入事件還能做下一步分解，就將其作為下一級的輸出事件。

根據(jù)自上而下逐級分解的原則，對以上步驟進(jìn)行重復(fù)操作，直到對輸入事件不能再次進(jìn)行分解，即可建立道岔控制電路的故障模型。

2　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障診斷算法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Network，BN）是基于圖形化的結(jié)構(gòu)模型，主要包含數(shù)值和圖形兩個部分。圖形代表著系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一個有向無環(huán)圖，是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各個節(jié)點之間的邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系建立的；數(shù)值代表著系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點之間相互影響的概率分布。在進(jìn)行故障推理時候，這兩部分內(nèi)容必不可少?？紤]到車站計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的復(fù)雜性和安全性要求，如何確定節(jié)點之間的概率數(shù)值，對于領(lǐng)域?qū)＜襾碚f往往需要花費(fèi)大量時間和精力。本文主要采用以下三種方式來獲取計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障知識。（1）從專家處獲取知識[4]。通過產(chǎn)生式規(guī)則來表達(dá)知識之間的因果關(guān)系。（2）從FMEA(故障模式及影響分析)表單獲取知識。根據(jù)事先建立的故障結(jié)構(gòu)模型和規(guī)則對系統(tǒng)進(jìn)行診斷并生成相應(yīng)的定性知識，而其中系統(tǒng)的先驗概率以及規(guī)則的置信度就是定量知識[5]。（3）從故障模型分析結(jié)果獲取知識。通過研究計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)模型的層次結(jié)構(gòu)導(dǎo)出各節(jié)點之間的因果關(guān)系。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理模型如圖2所示。

圖2　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理流程圖

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)診斷推理過程中，團(tuán)樹傳播算法是一種表常用的算法，在該傳播算法中，主要包括兩個部分：建立團(tuán)結(jié)合樹；在團(tuán)結(jié)合樹上面推理計算。以下是算法的實現(xiàn)步驟：

（1）建立團(tuán)結(jié)合樹

①建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的道德圖；

②三角化剖分道德圖；

③從三角化剖分過程中抽取團(tuán)節(jié)點；

④建立團(tuán)結(jié)合樹。

（2）在團(tuán)結(jié)合樹上推理計算

根據(jù)診斷網(wǎng)絡(luò)是否得到所需的證據(jù)信息，可以將團(tuán)結(jié)合樹上的推理計算分為兩種情況，①診斷網(wǎng)絡(luò)沒有得到所需的證據(jù)信息：初始化→全局傳遞→邊緣化；②給定診斷網(wǎng)絡(luò)證據(jù)信息：初始化→全局傳遞→邊緣化。

3　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的診斷推理方法，在對計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行診斷時，首先需要輸入診斷對象的故障現(xiàn)象，接下來系統(tǒng)會查詢該故障現(xiàn)象所屬的診斷網(wǎng)絡(luò)模型，然后調(diào)出相應(yīng)模型對其實行進(jìn)一步的診斷。在得到與當(dāng)前故障現(xiàn)象相關(guān)的原因以及先驗概率和條件概率之后，才能進(jìn)行系統(tǒng)下一步的推理診斷，如果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不完整，將會在一定程度上對最終的診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。在所需的故障知識齊備后，就可以利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷推理，找出引起該故障發(fā)生的所有故障原因及相應(yīng)概率值，經(jīng)比較判斷，給出最大可能性的故障原因。圖3給出了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用的流程。

圖3　故障推理實現(xiàn)流程

4　結(jié)束語

當(dāng)前，在我國鐵路快速發(fā)展和體制全面改革的形勢下，計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為鐵路信號系統(tǒng)的核心技術(shù)裝備，對于保證旅客安全，維護(hù)鐵路秩序，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全可靠設(shè)計和故障修復(fù)勢必是一個值得研究的課題。本文結(jié)合計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)模型和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在不確定性知識表達(dá)與推理中的優(yōu)勢，給出了系統(tǒng)故障推理的實現(xiàn)流程，對于實際系統(tǒng)的故障診斷應(yīng)用和相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究具有一定的參考價值。

[1]徐洪澤,岳強(qiáng).車站信號計算機(jī)聯(lián)鎖控制系統(tǒng):原理及應(yīng)用[M].中國鐵道出版社,2005.

[2]何向東.鐵路車站計算機(jī)聯(lián)鎖故障診斷專家系統(tǒng)研究[D].長沙:中南大學(xué),2008

[3]李國寧,曹杰,劉伯鴻.故障樹分析在計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報,2006,25(6):16-19.

[4]張志恒,董昱.計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2007.

[5]譚潔,張友鵬.鐵路信號設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的研究[J].鐵道運(yùn)營技術(shù),2011,17(1):1-3.