基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何偉 常賽

摘? 要： 為了提高軌道交通故障監(jiān)測的智能化程度，設(shè)計了基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層及數(shù)據(jù)處理層等三層。數(shù)據(jù)采集層利用超聲波探傷技術(shù)對軌道狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)通過傳輸層發(fā)送到數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層的監(jiān)測管理平臺利用專家系統(tǒng)模塊進(jìn)行故障信息判斷，并根據(jù)故障類型給出故障處理建議，最終將故障信息及處理建議發(fā)送給維修人員。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測軌道故障信息，可提高軌道故障維修效率，保障廣大旅客的財產(chǎn)及生命安全。

關(guān)鍵詞： 專家系統(tǒng); 物聯(lián)網(wǎng); 軌道故障; 遠(yuǎn)程監(jiān)測; 管理平臺

中圖分類號：TP315? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）01-46-03

Abstract： In order to improve the intelligence of rail transit fault detection， this paper designs a track fault monitoring system based on expert system. The system is divided into three layers： data acquisition layer， transport layer and data processing layer. The data acquisition layer uses the ultrasonic flaw detection technology to detect the track state， and the detection data is sent to the data processing layer through the transport layer. The monitoring and management platform of the data processing layer uses the expert system module to judge the fault information， and provides fault handling suggestions according to the fault type， and finally sends the fault information and processing suggestions to the maintenance personnel. The system can improve the maintenance efficiency of track fault and ensure the property and life safety of the vast passengers.

Key words： expert system; Internet of Things; track fault; remote monitoring; management platform

0 引言

在信息技術(shù)革命的推動下，以計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等信息通信技術(shù)為動力的信息化浪潮席卷全球。經(jīng)過近10年的信息化建設(shè)，城市的經(jīng)濟(jì)、文化、交通、娛樂等方面都已經(jīng)和信息化的數(shù)字空間緊密融合[1-2]。鐵路車輛運(yùn)行過程中，鋼軌受到摩擦，擠壓，沖擊等會產(chǎn)生內(nèi)部損傷，鋼軌內(nèi)部損傷會引起許多斷軌事故，及時發(fā)現(xiàn)軌道疲勞損傷、微小裂痕等隱患是鐵路安全運(yùn)行的重要保障。早期軌道狀態(tài)采用人工檢測，十九世紀(jì)七十年代出現(xiàn)了用人力推行小車和機(jī)動的檢測小車進(jìn)行檢測。隨著技術(shù)的發(fā)展，軌道檢測小車技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，但多數(shù)的檢測小車的工作原理都是采集數(shù)據(jù)后將現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)初步分析后發(fā)送給技術(shù)人員，由技術(shù)人員分析判斷故障情況，或需要有技術(shù)人員干預(yù)小車的檢測過程，這樣智能程度不足，故障排除效率不高。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了提高軌道檢測效率，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測系統(tǒng)，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用專家系統(tǒng)模塊，分析故障類型并給出維修建議，降低了維修人員的技術(shù)要求，提高了故障報警速度及維修效率，保障了廣大旅客的人身財產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測系統(tǒng)包括：故障檢測小車及故障監(jiān)測管理平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。故障檢測小車中配有數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)定位模塊、數(shù)據(jù)分析模塊及通信模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊通過超聲波探頭進(jìn)行軌道裂紋探傷。超聲波探傷技術(shù)是一種運(yùn)用超聲波穿入金屬材料的內(nèi)部，并通過一個側(cè)面進(jìn)入另一個側(cè)面，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查軌道是否存在缺陷的技術(shù)。超聲波通過探頭發(fā)射入軌道內(nèi)部，遇到內(nèi)部有缺陷與底面就分別產(chǎn)生多次反射波。數(shù)據(jù)分析模塊通過采集的反射波來判斷軌道的缺陷及分布情況[3-4]。數(shù)據(jù)通信模塊將故障信息數(shù)據(jù)發(fā)送給故障監(jiān)測管理平臺的。專家系統(tǒng)模塊對上傳故障信息進(jìn)行故障分析，并給出故障解決建議。報警模塊將故障信息及預(yù)處理方法發(fā)送到維修人員手機(jī)，維修人員獲取信息后可根據(jù)定位信息及時趕赴現(xiàn)場進(jìn)行故障處理。該系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)處理，并給出解決方案，解決了維修實施人員技術(shù)參差不齊而無法及時排除故障的問題。維修人員在收到故障信息時即可根據(jù)故障解決方法的難易程度派出合適維修人員進(jìn)行及時故障處理[5-6]。

2 軌道故障監(jiān)測管理平臺

2.1 平臺功能

基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測管理平臺主要包括：數(shù)據(jù)接收模塊，專家系統(tǒng)模塊，數(shù)據(jù)管理模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊四個模塊。平臺功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊獲取采集層的數(shù)據(jù)可以分為手動和自動兩種采集模式。專家系統(tǒng)模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行推理判斷，根據(jù)故障類型得出故障解決方案。數(shù)據(jù)管理模塊管理系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)顯示模塊利用短信報警及數(shù)據(jù)報表的形式展示數(shù)據(jù)[7-8]。

2.2 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題，簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機(jī)程序系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，專家系統(tǒng)由人機(jī)交互界面、知識庫、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構(gòu)成[9]。

人機(jī)交互界面是指專家系統(tǒng)與用戶之間的界面，由一組程序和相應(yīng)的硬件組成，用于完成專家系統(tǒng)的輸入輸出工作。通過專家系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，領(lǐng)域?qū)＜逸斎胫R，更新和完善知識庫。系統(tǒng)將軌道采集數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)則通過知識庫的規(guī)則對比，通過人機(jī)接口輸出運(yùn)行結(jié)果。

知識獲取系統(tǒng)是專家系統(tǒng)中獲取知識的機(jī)構(gòu)，同樣是由一組程序組成，基本任務(wù)是把知識輸入到知識庫中檢測并修改知識庫中的錯誤對知識庫進(jìn)行擴(kuò)充和調(diào)試等。其目的是建立起性能良好的知識庫。

知識庫是整個診斷平臺中最重要的組成部分。知識庫與推理機(jī)實現(xiàn)專家系統(tǒng)的推理機(jī)制。知識庫存儲著從領(lǐng)域?qū)＜姨帿@取的有關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)知識，主要包括診斷規(guī)則、決策模型，專家經(jīng)驗。推理機(jī)是構(gòu)成專家系統(tǒng)的核心部分，其任務(wù)是模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過程，控制并執(zhí)行對問題的求解。根據(jù)現(xiàn)場采集的實時數(shù)據(jù)，利用知識庫中的知識，按照系統(tǒng)設(shè)計的推理方法和控制策略進(jìn)行診斷推理，診斷出相應(yīng)的結(jié)果[10]。

根據(jù)專家系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，軌道故障監(jiān)測平臺通過將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)結(jié)合行業(yè)專家經(jīng)驗，利用推理機(jī)制獲取故障指導(dǎo)意見。

3 結(jié)論

基于專家系統(tǒng)的軌道故障監(jiān)測系統(tǒng)的可實現(xiàn)對軌道故障進(jìn)行檢測監(jiān)測，并通過專家系統(tǒng)模塊，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用專家?guī)爝M(jìn)行推理，給出故障處理建議，并將故障信息和處理建議發(fā)送給維修人員，減少維修人員先出處理的難度，提高故障處理效率。經(jīng)過多次試驗，證明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，對現(xiàn)場故障信息利用專家系統(tǒng)可實現(xiàn)智能處理，系統(tǒng)具有一定的社會推廣價值。

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