基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶漢卿 李文波

【摘 要】本文論述基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)城市軌道交通自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)的智能故障處理教學(xué)方面存在的問題進(jìn)行研究，根據(jù)AFC系統(tǒng)的工作過程和檢修流程，對(duì)智能故障信息采集整理的故障樹進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)智能故障處理的教學(xué)系統(tǒng);以AFC系統(tǒng)的自動(dòng)售票機(jī)（TVM）為例進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，證明AFC的故障樹智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)是可行的。

【關(guān)鍵詞】故障樹 ?AFC ?教學(xué)系統(tǒng) ?自動(dòng)售票機(jī) ?智能故障處理

【中圖分類號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）07C-0187-03

一、研究背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市軌道交通成為解決我國(guó)的城市化進(jìn)程加快、城市規(guī)模擴(kuò)大造成交通擁堵問題的首選。在城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理中，AFC系統(tǒng)起著非常重要的作用，是體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高的設(shè)備之一，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制和機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)于一體的自動(dòng)售檢票系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)的使用和維護(hù)涉及專業(yè)面廣，包括城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理、城市軌道交通通信信號(hào)技術(shù)和城市軌道交通機(jī)電技術(shù)等專業(yè)，設(shè)備維護(hù)復(fù)雜，還要根據(jù)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的需求，進(jìn)行系統(tǒng)更新改造。

系統(tǒng)的復(fù)雜度和多功能集成增加了設(shè)備使用和維護(hù)人員的檢修和故障處理難度，對(duì)故障處理方面的技術(shù)與能力要求較高。城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障處理技能的學(xué)習(xí)和掌握以設(shè)備的認(rèn)知為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，在教學(xué)過程中，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)通常采用傳統(tǒng)的故障處理方法，時(shí)間長(zhǎng)，難度較大，不利于學(xué)生快速準(zhǔn)確地判斷故障位置與掌握故障查找處理的技巧。所以需要借鑒、普及與傳承具有豐富專業(yè)知識(shí)的技術(shù)人員故障處理的經(jīng)驗(yàn)并不斷優(yōu)化，建立專家?guī)欤糜诔鞘熊壍澜煌ˋFC系統(tǒng)的教學(xué)過程中故障處理能力的訓(xùn)練。

為搭建城市軌道交通AFC理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，采用互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生“教、學(xué)、做”一體，需要深入研究故障樹和智能化診斷技術(shù)，對(duì)城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障分析查找和處理過程進(jìn)行智能分析，設(shè)計(jì)指導(dǎo)學(xué)生快速準(zhǔn)確進(jìn)行故障處理的教學(xué)系統(tǒng)，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，提高學(xué)習(xí)效率。

目前，城市軌道交通AFC系統(tǒng)教學(xué)過程中的故障分析查找處理的方法和經(jīng)驗(yàn)信息傳授有以下三個(gè)方式：

一是城市軌道交通AFC設(shè)備的說明書。教師在學(xué)生對(duì)設(shè)備認(rèn)知的基礎(chǔ)上，開發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)備說明書進(jìn)行故障處理，教學(xué)效率不夠高。

二是教師講授。教學(xué)過程中，對(duì)于初學(xué)的學(xué)生來說，城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障處理方法是由教師“手把手”教學(xué)協(xié)助指導(dǎo)完成。由于班級(jí)人數(shù)多，供訓(xùn)練的設(shè)備少，這樣的做法較難組織教學(xué)，不能實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”教學(xué)，不能全面監(jiān)督和驗(yàn)證學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，對(duì)于教學(xué)有一定的局限性，部分學(xué)生需要多次進(jìn)行指導(dǎo)，當(dāng)遇到教師傳授以外的故障時(shí)，需要花相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間來處理。

三是經(jīng)驗(yàn)積累。對(duì)于學(xué)生來說城市軌道交通AFC系統(tǒng)故障處理經(jīng)驗(yàn)的積累必須是從量變到質(zhì)變的過程，但是在注重質(zhì)量與效率提升的時(shí)代，城市軌道交通企業(yè)急需員工具有良好的基礎(chǔ)和快速成長(zhǎng)的能力，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)不足等因素影響了故障處理經(jīng)驗(yàn)的積累效果與職業(yè)成長(zhǎng)的速度。

為了提高城市軌道交通AFC系統(tǒng)的教學(xué)效率及人才快速培養(yǎng)，以系統(tǒng)的故障處理的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，總結(jié)關(guān)鍵知識(shí)與信息點(diǎn)，采用故障樹理論，設(shè)計(jì)了智能故障處理的教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行故障分析與處理的功能，并不斷進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)智能、快速和準(zhǔn)確的故障處理。

二、城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）故障樹及特點(diǎn)

故障樹是一種采用直觀圖示的方法描繪事件發(fā)生原因及邏輯因果關(guān)系的有向邏輯樹圖。故障樹分為頂事件、中間事件和底事件，頂事件是分析目標(biāo)，即系統(tǒng)故障狀態(tài)，中間事件是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能原因，需要向下一層追蹤，到最底層時(shí)為底事件，也稱基本事件。故障樹就是將這些事件的相互關(guān)系用相應(yīng)的邏輯符號(hào)進(jìn)行連接而成的樹形結(jié)構(gòu)圖。

故障樹能把系統(tǒng)中不同的故障之間的關(guān)系用圖形化的方式清晰表示出來，知識(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔直觀，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用故障樹從上而下，逐層查找頂事件發(fā)生的直接和間接原因，這為智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)提供了很好的表述方式。

故障樹模型可以進(jìn)行定性、定量分析，由于城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)故障樹分析查找故障，然后進(jìn)行實(shí)際測(cè)量判斷故障，最后找到故障點(diǎn)進(jìn)行處理，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，所以對(duì)故障樹進(jìn)行定性分析即可。主要任務(wù)是縮小故障范圍，可以通過查找出故障最小割集的方式，也就是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能中間事件和底事件的集合，這些事件發(fā)生或同時(shí)發(fā)生，必然會(huì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)按照故障樹的樹形結(jié)構(gòu)規(guī)范化、統(tǒng)一化的表達(dá)，直觀明了地描述各種事件，不容易出錯(cuò)，如此使得學(xué)生使用故障樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速推理，降低知識(shí)的冗余性，同時(shí)使得故障樹的維護(hù)和升級(jí)優(yōu)化更加方便簡(jiǎn)單。

（二）教學(xué)系統(tǒng)的故障樹模型設(shè)計(jì)

城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)的核心是故障樹，而故障樹的事件原因來源于城市軌道交通AFC系統(tǒng)檢修和故障處理實(shí)踐中的分析查找經(jīng)驗(yàn)。因此，知識(shí)獲取和整合是該教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)故障樹模型設(shè)計(jì)步驟如下：

1.事件的獲取，如圖1所示，深入了解系統(tǒng)的正常狀態(tài)、異常狀態(tài)和故障狀態(tài)以及各種參數(shù)，與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)使用和維護(hù)人員、技術(shù)骨干和專家對(duì)接，收集積累相關(guān)專業(yè)知識(shí)和故障案例，取得教學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)的頂事件、中間事件和底事件。

2.將這些事件進(jìn)行全面分析、統(tǒng)計(jì)和整合，保證故障樹建立的完整性與準(zhǔn)確性，以一定的規(guī)則編制成故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.調(diào)查分析與故障有關(guān)的所有原因事件和各種因素，并進(jìn)行排列，劃分最小割集。

4.從系統(tǒng)頂上事件開始，從數(shù)據(jù)庫(kù)中找出每級(jí)直接原因的事件和最小割集，直至所要分析的級(jí)別深度，利用規(guī)范的故障樹邏輯符號(hào)，按城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，畫出故障樹。

通過采集豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，建立故障樹模型，有效地利用知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)功能。

三、城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

城市軌道交通AFC系統(tǒng)一般具有五層架構(gòu)，分別為清算系統(tǒng)、中央計(jì)算機(jī)層、車站計(jì)算機(jī)層、車站終端設(shè)備層、車票層。自動(dòng)售票機(jī)是車站終端設(shè)備層的站級(jí)設(shè)備之一，安裝在非付費(fèi)區(qū)，提供單程票發(fā)售和儲(chǔ)值票充值等功能。乘客能夠按照設(shè)備操作提示，使用紙幣或硬幣完成購(gòu)票或儲(chǔ)值票充值操作。自動(dòng)售票機(jī)能夠向乘客發(fā)售指定購(gòu)買面值和數(shù)量的單程車票或?qū)⒅付ń痤~充值到乘客的儲(chǔ)值票中，交易結(jié)果上傳到車站計(jì)算機(jī)，自動(dòng)售票機(jī)能夠通過中央計(jì)算機(jī)和車站計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理。自動(dòng)售票機(jī)主要由運(yùn)營(yíng)狀態(tài)顯示屏、乘客操作觸摸屏、硬幣投入口、紙幣投入口、儲(chǔ)值票充值模塊、出票、找零口、主控制器、紙幣處理模塊、硬幣處理模塊、紙幣模塊、硬幣模塊、紙幣錢箱、SJT模塊、MCU單程票發(fā)售模塊、點(diǎn)陣打印機(jī)、廢票箱、電源、電池和維修面板組成。

下面以自動(dòng)售票機(jī)為實(shí)際案例，進(jìn)行基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（一）實(shí)例故障樹建立方法

對(duì)自動(dòng)售票機(jī)的故障信息進(jìn)行全面采集，獲取故障處理知識(shí)并整理，分析自動(dòng)售票機(jī)可能存在的故障，模擬現(xiàn)場(chǎng)故障處理的流程，從上至下逐層進(jìn)行追蹤，繪制故障樹，然后劃分最小割集（即縮小故障范圍）。自動(dòng)售票機(jī)故障樹的建立具體步驟：

1.確定頂事件。以自動(dòng)售票機(jī)系統(tǒng)故障作為頂事件，模塊故障、運(yùn)行故障和通訊故障作為第二層子節(jié)點(diǎn)。對(duì)于就是所表現(xiàn)的故障現(xiàn)象，如卡紙幣、卡硬幣、卡票等作為模塊故障事件的第三層子節(jié)點(diǎn)，依次類推。

2.對(duì)頂事件，即故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。模擬現(xiàn)場(chǎng)故障處理的流程，從上到下逐層尋找產(chǎn)生故障現(xiàn)象可能的直接和必要原因，從而找出中間事件和底事件，劃分最小割集。然后將所有直接原因進(jìn)行優(yōu)化組合作為輸入，以故障現(xiàn)象作為輸出，用適當(dāng)?shù)某Ｓ靡?guī)范邏輯符號(hào)表示事件的相互邏輯關(guān)系。

3.接著對(duì)每一個(gè)與頂事件直接關(guān)聯(lián)的輸入事件進(jìn)行分析，判斷能否進(jìn)一步分解成下一級(jí)輸出事件，重復(fù)步驟2對(duì)頂事件處理的方法。

4.使用逆向演繹推理的方法。根據(jù)已知的輸出事件，采用相互關(guān)聯(lián)的邏輯關(guān)系，找出問題的輸入事件，從而形成故障樹。

（二）自動(dòng)檢票機(jī)系統(tǒng)故障信息采集

對(duì)城市軌道交通AFC系統(tǒng)自動(dòng)售票機(jī)的功能模塊故障現(xiàn)場(chǎng)、故障分析、故障處理的全過程進(jìn)行追蹤采集，詳細(xì)記錄且進(jìn)行整合，制作故障信息集合表。記錄表格應(yīng)對(duì)故障現(xiàn)象、模塊、事件描述準(zhǔn)確，用語規(guī)范，對(duì)于級(jí)別較多的現(xiàn)場(chǎng)需要逐層詳細(xì)記錄、整合，確保集合表的完整和準(zhǔn)確。故障現(xiàn)象的描述要準(zhǔn)確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，以便于制作故障樹教學(xué)系統(tǒng)，給學(xué)生提供友好的操作界面，從而快速準(zhǔn)確地使用故障樹進(jìn)行故障分析。教學(xué)系統(tǒng)故障處理過程要詳細(xì)描述現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)整個(gè)故障處理的思路與方法，整合優(yōu)化最快速、準(zhǔn)確的故障分析過程。故障底事件的原因同樣也要明確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，查找到故障點(diǎn)后，要給出故障處理的方法以及處理過程的注意事項(xiàng)等，如學(xué)生查找不到故障點(diǎn)，則給出正確的分析查找思路，引導(dǎo)學(xué)生快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障處理，使學(xué)生達(dá)到自學(xué)處理自動(dòng)售票機(jī)故障的目的。

（三）自動(dòng)檢票機(jī)系統(tǒng)故障樹建立

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取大量的城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)和故障處理的知識(shí)，數(shù)據(jù)雜而散，經(jīng)過梳理、優(yōu)化和整合，提取出故障信息集合的三大故障：自動(dòng)售票機(jī)卡紙、自動(dòng)售票機(jī)卡硬幣、自動(dòng)售票機(jī)卡票，逐層進(jìn)行故障現(xiàn)象和故障原因分析，劃分故障最小割集，制作故障信息集合表，應(yīng)用規(guī)范的邏輯符號(hào)繪制故障樹，學(xué)生采用故障樹進(jìn)行逐層分析，自動(dòng)售票機(jī)卡票故障樹示意圖如圖2所示。

本文從城市軌道交通AFC系統(tǒng)故障處理教學(xué)實(shí)際出發(fā)，深入研究了城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理系統(tǒng)故障樹模型，以自動(dòng)售票機(jī)為例，對(duì)故障信息進(jìn)行全面采集，模擬現(xiàn)場(chǎng)故障處理的流程，進(jìn)行處理、整合和優(yōu)化，建立自動(dòng)售票機(jī)故障樹，并應(yīng)用于教學(xué)，提高了城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理的教學(xué)質(zhì)量和效率。

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【基金項(xiàng)目】2017年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（重點(diǎn)項(xiàng)目）“基于Moodle平臺(tái)的《鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)維護(hù)》混合教學(xué)模式改革與實(shí)踐”（GXGZJG2017A044）;2017年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于‘城軌正線信號(hào)設(shè)備維護(hù)課程‘交互-自主教學(xué)模式改革研究”（GXGZJG2017B089）

【作者簡(jiǎn)介】陶漢卿（1983— ），男，廣西欽州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：智能交通系統(tǒng)。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）