信號(hào)繼電器故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張婉

摘要：文章介紹了故障樹分析法和基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的基本原理。為了提高工作效率和故障識(shí)別可靠度，提出將故障樹分析法和基于規(guī)則的專家診斷系統(tǒng)相融合。以故障樹的形式系統(tǒng)地、全面地呈現(xiàn)專家知識(shí)，由故障樹生成診斷專家知識(shí)庫，設(shè)計(jì)了具有友好人機(jī)交互界面的信號(hào)繼電器智能故障診斷專家系統(tǒng)。并且以JWXC型無極型繼電器故障診斷為例，印證了該故障診斷專家系統(tǒng)的良好應(yīng)用前景和通用性。

關(guān)鍵詞：故障診斷;故障樹;專家系統(tǒng);信號(hào)繼電器

中圖分類號(hào)：TP182 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）07-0127-04

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能故障診斷已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。目前，智能故障診斷主要包括基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷、基于數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家診斷等。其中，專家診斷是具有人類專家水平的故障診斷的計(jì)算機(jī)程序，是應(yīng)用最廣泛的智能故障診斷方法，已經(jīng)應(yīng)用于軍工[1]、航天[2]、汽車[3]、醫(yī)療等領(lǐng)域。專家診斷擁有大量該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶的自動(dòng)問診。同時(shí)，還能夠模仿人類專家用知識(shí)進(jìn)行估值診斷推理，逐步縮小故障范圍，找到引發(fā)故障的原因并給出解決方案[4]。

高速鐵路的出現(xiàn)讓很多從前的“長(zhǎng)途跋涉”變成一日可往返的“通途”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)目前擁有全球最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)。我國(guó)高速鐵路網(wǎng)始建于2004年，到2019年?duì)I業(yè)總里程已達(dá)3.5萬公里，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)3.8萬公里[5]。如此大規(guī)模的高速鐵路交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)通信系統(tǒng)和信號(hào)設(shè)備特別是基礎(chǔ)的信號(hào)元件的性能提出了更高要求。繼電器是一種可以控制斷開、閉合信號(hào)電路的多路開關(guān)，廣泛應(yīng)用于鐵路信號(hào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制中，是非常重要的安全基礎(chǔ)元件[6]。它在工作中的穩(wěn)定性和安全性關(guān)系到鐵路通信、軌道控制、信號(hào)燈指示等諸多方面。為了確保其可靠性、一致性和準(zhǔn)確性，加強(qiáng)檢修工作十分必要。當(dāng)鐵路信號(hào)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)，檢修人員需要根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，但是這種故障診斷的方式易受檢修人員的主觀因素的影響，存在對(duì)故障誤判的可能性。為了更好保證鐵路信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得信號(hào)繼電器檢修過程更智能化，減少檢修人員主觀因素的影響，本文設(shè)計(jì)了信號(hào)繼電器故障診斷專家系統(tǒng)，以專家系統(tǒng)的故障診斷來代替人工經(jīng)驗(yàn)判斷，提高故障診斷的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)繼電器的種類較多，其中，直流24V繼電器系列的重彈力式直流繼電器是信號(hào)設(shè)備中的主流繼電器。胡耀華[6]研究指出，安全型繼電器的典型結(jié)構(gòu)為無極繼電器，其他各型繼電器均由無極繼電器衍生而來，且大部分零件可以通用。由于安全型無極繼電器具有經(jīng)典性和代表性，因此，本文選取JWXC型無極繼電器為研究對(duì)象，結(jié)合基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和故障樹分析，設(shè)計(jì)了信號(hào)繼電器智能故障診斷專家系統(tǒng)。

基于故障樹的信號(hào)繼電器故障診斷專家系統(tǒng)由人機(jī)交互界面、知識(shí)處理模塊、診斷知識(shí)庫和診斷推理模塊組成，如圖1所示。其中，診斷知識(shí)庫和診斷推理模塊是影響故障診斷專家系統(tǒng)性能的重要部分。

1.1 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面的作用是將用戶的輸入信息轉(zhuǎn)化為故障診斷系統(tǒng)能識(shí)別的形式，并傳輸至相應(yīng)的程序。同時(shí)，也能將故障診斷系統(tǒng)的輸出信息轉(zhuǎn)化為自然語言顯示給用戶。基于故障樹的信號(hào)繼電器故障診斷專家系統(tǒng)的人機(jī)交互界面采用選擇方式的人機(jī)接口，即系統(tǒng)把故障現(xiàn)象用選擇對(duì)話框的形式進(jìn)行羅列供用戶選擇，在用戶做出選擇后，執(zhí)行相應(yīng)的操作并顯示出下一級(jí)選擇對(duì)話框。

1.2 知識(shí)處理模塊

知識(shí)獲取是收集和整合信號(hào)繼電器領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)于故障診斷的經(jīng)驗(yàn)積累和相關(guān)技術(shù)資料，再借助編輯軟件輸入系統(tǒng)知識(shí)庫中。知識(shí)校驗(yàn)對(duì)重復(fù)或者沖突的條件進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)而保證了知識(shí)庫中知識(shí)的完備性和一致性。知識(shí)查詢是查詢知識(shí)庫的輔助性功能。

1.3 診斷知識(shí)庫

繼電器的故障中包含著一些矛盾因素，如工作值與釋放值、釋放值與緩放時(shí)間、電氣特性與機(jī)械特性等。如果調(diào)整不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致一種特性已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)而另一種特性卻超出規(guī)定的要求。通過對(duì)大量JWXC型無極型繼電器電氣特性故障的匯總和分析發(fā)現(xiàn)，其電氣特性故障可以分為：工作值大但釋放值標(biāo)準(zhǔn)、工作值大且釋放值大、釋放值小、緩放時(shí)間不夠、接點(diǎn)電阻大。故障樹由最高層的頂事件、多層的中間事件和最后一層的底事件構(gòu)成，是圖形化的模型、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)。通過故障樹生成故障知識(shí)庫，可以比較直觀地反映故障現(xiàn)象及其原因間的邏輯關(guān)系，各節(jié)點(diǎn)間的層次感強(qiáng)，便于查詢且能夠大幅提高知識(shí)獲取的效率[3]。

首先，確定故障樹的頂事件為：JWXC無極型繼電器電氣特性故障。通過演繹分析法，從頂事件開始，每層事件依照輸入（現(xiàn)象）和輸出（結(jié)果）的邏輯關(guān)系，用邏輯門連接起來。再逐級(jí)往下尋找原因，直至最基本的故障點(diǎn)。因?yàn)镴WXC型無極繼電器的故障的邏輯關(guān)系是低一層的事件中只要有一個(gè)發(fā)生就會(huì)使上一級(jí)的事件也發(fā)生，事件之間是一種“或”的邏輯關(guān)系，因此，根據(jù)其邏輯關(guān)系編制的故障樹如圖2所示。

在故障樹中，頂事件為E，中間事件為T，底事件為X，中間事件和底事件的內(nèi)容如表1所示。

在基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的診斷知識(shí)庫中需要存儲(chǔ)相關(guān)的規(guī)則。由圖2可知，故障樹的邏輯門為“或門”，則使用“if......，then......”的產(chǎn)生式規(guī)則來表示診斷知識(shí)庫中的知識(shí)。用表格的集合，如表2、表3、表4構(gòu)建關(guān)系數(shù)據(jù)庫，使故障樹和診斷知識(shí)庫建立聯(lián)系。

1.4 診斷推理模塊

診斷推理模塊是通過人機(jī)對(duì)話的形式采集信息進(jìn)行推理，結(jié)合診斷知識(shí)庫給出診斷建議。系統(tǒng)采用的推理策略如圖3所示，具有如下特點(diǎn)為：其一，由故障現(xiàn)象推出故障原因和維修建議，更接近人類的思維方式，能夠提高用戶使用的便捷性;其二，速度快，實(shí)時(shí)性好。系統(tǒng)的推理模式先根據(jù)用戶在人機(jī)界面的選擇故障現(xiàn)象進(jìn)行診斷，再判斷該故障現(xiàn)象是否有子故障。如果為“否”，顯示診斷解釋和維修建議;如果為“是”，則根據(jù)診斷知識(shí)庫中的子故障知識(shí)庫進(jìn)行下一項(xiàng)的故障現(xiàn)象選擇，進(jìn)行下一次循環(huán)，直到?jīng)]有子故障，進(jìn)入診斷解釋模塊。在解釋模塊中，故障原因及相應(yīng)的維修建議如表5所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

操作系統(tǒng)：Windows10專業(yè)版，處理器：Intel（R）Core（TM）m3-6Y30，內(nèi)存：4.00GB，64位操作系統(tǒng)。

2.1 故障診斷界面

在故障診斷界面，對(duì)話框中出現(xiàn)“請(qǐng)選擇故障類型”的提示語及“工作值大，釋放值標(biāo)準(zhǔn)”、“工作值大，釋放值大”、“釋放值小”、“緩放時(shí)間不夠”和“接點(diǎn)電阻大”的選項(xiàng)。用戶根據(jù)信號(hào)繼電器的故障現(xiàn)象選擇故障類型，如選擇“緩放時(shí)間不夠”，在選擇完成后，點(diǎn)擊ok按鈕開始診斷，如圖4所示。

2.2 推理界面

在推理界面中，如圖5所示，對(duì)話框標(biāo)題已由“JWXC型無極繼電器故障診斷系統(tǒng)”變?yōu)椋骸肮收厦枋觯壕彿艜r(shí)間不夠?！边@種設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)診斷過程的記錄，方便使用者查閱。對(duì)話框出現(xiàn)“請(qǐng)檢查釋放值、電磁系統(tǒng)”，提示用戶檢查這兩項(xiàng)的狀態(tài)。通過檢查，用戶發(fā)現(xiàn)釋放值正常，故障屬于電磁系統(tǒng)的問題，所以選擇“釋放值正常電磁系統(tǒng)問題”。

如圖6所示，對(duì)話框標(biāo)題內(nèi)容更新為“故障描述：緩放時(shí)間不夠，電磁系統(tǒng)故障”。對(duì)話框提示用戶檢查鐵芯與軛鐵間隙、止片與鐵芯是否密貼，用戶檢查后發(fā)現(xiàn)JWXC無極型繼電器屬于鐵芯不牢固，鐵芯與軛鐵間隙過大，所以選擇第一個(gè)選項(xiàng)。

2.3 診斷結(jié)論界面

如圖7所示，故障診斷的結(jié)果為：故障描述：緩放時(shí)間不夠，鐵芯不牢固;故障原因：鐵芯與軛鐵間隙過大;維修建議：緊固鐵芯。

3 結(jié)語

為了提高信號(hào)繼電器故障檢修工作的效率，將故障樹和基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了信號(hào)繼電器故障診斷專家系統(tǒng)。通過故障樹生成診斷知識(shí)庫，大大簡(jiǎn)化了知識(shí)庫的構(gòu)建過程，并引入關(guān)系數(shù)據(jù)模型使系統(tǒng)的邏輯關(guān)系更加清晰。以智能故障診斷專家系統(tǒng)代替原有的人工判斷，幫助檢修人員快速定位故障原因，同時(shí)提供維修建議，縮短了檢修時(shí)間，提升了信號(hào)繼電器檢修工作的智能化水平。另外，該系統(tǒng)也適用于其他類型的信號(hào)繼電器，只需要構(gòu)建相應(yīng)信號(hào)繼電器的診斷知識(shí)庫，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型繼電器的故障診斷，通用性良好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張敏芳，劉峰，阮博，等.基于專家系統(tǒng)的雷達(dá)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2019，48（4）：29-32.

[2] 楊海濤，于杰克，曹俊彬.某型飛機(jī)電源故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（4）：204-207.

[3] 許化東.基于故障樹分析法的汽車故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2002：4-13.

[4] 劉嶸，周鳴岐.故障診斷專家系統(tǒng)綜述[J].測(cè)控技術(shù)，1994，13（2）：6-9.

[5] 陳家宏.高鐵企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)能力發(fā)展報(bào)告（1990-2016）[M].（第1版）北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2018：1-2.

[6] 胡耀華.信號(hào)繼電器及檢修上冊(cè)[M].（第1版）北京：中國(guó)鐵道出版社，1999：1-2+8-9.