基金項目：本文是2016年度湖南省教育廳科學(xué)研究項目“鐵路通信線路與設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)研究與實現(xiàn)”階段性研究成果（項目編號： 16C1056）

摘要：本文針對鐵路通信設(shè)備日常維護檢修工作的實際需求和鐵路通信設(shè)備故障機理特點，基于相關(guān)故障診斷和專家系統(tǒng)的理論與方法，設(shè)計了鐵路通信設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫和主要子模塊，實現(xiàn)了鐵路通信設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)基本的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，以期能在鐵路通信工進(jìn)行設(shè)備檢修和維護時能提供輔助決策支持。

關(guān)鍵詞：鐵路通信設(shè)備;故障診斷;專家系統(tǒng);知識表示

中圖分類號：U284.92文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0064-02

1引言

我國軌道交通最近幾十年來得到了迅猛的發(fā)展，中國鐵路和城市軌道已經(jīng)趕超世界先進(jìn)水平，鐵路通信是指揮列車運行，組織鐵路運輸生產(chǎn)，提高效率，保證安全，傳輸各種信息及公務(wù)聯(lián)絡(luò)的重要設(shè)施。如何保證光纖通信系統(tǒng)、現(xiàn)代交換設(shè)備、車載通信設(shè)備、光電纜線路等的無故障運行是鐵路運輸生產(chǎn)的一個非常重要的環(huán)節(jié)。為了確保各種通信設(shè)備和線路在鐵路運輸生產(chǎn)過程中處于正常工作狀態(tài)，各級鐵路運行部門都制訂了各自的檢修程序，按照一定的時間規(guī)律對設(shè)備進(jìn)行日常檢修、定期輪修、重點整修，這為鐵路運輸生產(chǎn)的正常進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)，但是目前檢修程序并不完善，有時通信線路和設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時才被發(fā)現(xiàn)，這大幅度提高了鐵路維修的成本和難度。目前各種通信線路和設(shè)備的故障診斷，主要是現(xiàn)場的檢修人員利用現(xiàn)有的設(shè)備原理、維修手冊等資料和知識結(jié)合自己的經(jīng)驗，構(gòu)造出一個基于規(guī)則的診斷方案，但通信線路、設(shè)備種類和型號繁多，更新?lián)Q代快，故障多種多樣，維修人員很難迅速更新知識，總結(jié)新規(guī)則需要花費一定時間，這樣會延誤維修時間，尤其出現(xiàn)了重大的問題后，不能及時的處理故障，會對整個行車產(chǎn)生很大的影響。而故障診斷專家系統(tǒng)是將信息技術(shù)、人工智能以及專業(yè)技術(shù)知識結(jié)合在一起形成的一個智能分析系統(tǒng)，在知識表示、運用、獲取上表現(xiàn)不錯，在開放性、開發(fā)時間及診斷效率上都具有優(yōu)勢。因此，將專家系統(tǒng)應(yīng)用于通信線路與設(shè)備的故障診斷，非常值得深入研究與探討。它為鐵路通信技術(shù)人員根據(jù)設(shè)備狀態(tài)及時維修設(shè)備、分析排除各種復(fù)雜故障提供輔助決策的支持的作用，該系統(tǒng)的建立對提高我國鐵路通信線路與設(shè)備的維修水平以及確保行車安全具有一定的實際意義。

2知識庫的建立

知識庫不僅是專家系統(tǒng)中知識的存儲機構(gòu)，還能為為推理機提供解決故障所需要的關(guān)鍵知識，是故障診斷系統(tǒng)的核心。推理機工作時調(diào)用知識庫中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，并將新的診斷方案添加到知識庫中，因此，知識庫一直在更新與完善，是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有知識的查詢、添加、刪除和修改功能。鐵路通信設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)知識庫的建立過程共分3步。

（1）分析、收集與整理通信設(shè)備的故障知識。

（2）采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法表示設(shè)備故障知識。

故障診斷專家系統(tǒng)常用的知識表示法有產(chǎn)生式規(guī)則表示法、狀態(tài)空間法、問題規(guī)約法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法等。產(chǎn)生式規(guī)則使用規(guī)則序列形式描述知識，從初始事實出發(fā)，用模式匹配的方式查找匹配的產(chǎn)生式規(guī)則。如果已知事實能夠使規(guī)則前提為真，則該規(guī)則被激活，推出新的事實;否則，依次查找下一條規(guī)則，直到得到結(jié)論為止。產(chǎn)生式規(guī)則因其知識模塊化、易于理解、一致性較好，知識庫維護和操作方便，在故障診斷、醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

由于鐵路通信設(shè)備的故障現(xiàn)象與故障原因之間存在大量的因果關(guān)系，本團隊使用產(chǎn)生式規(guī)則表示法來表示故障知識，其表示形式為：

規(guī)則編號 if （前提） then {結(jié)論}。

前提是某規(guī)則能否采納的先決條件。前提可由一個或者多個事實進(jìn)行邏輯運算構(gòu)成。結(jié)論是一組說明結(jié)論或操作。指出滿足指定前提的時候，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該進(jìn)行的操作。

程控交換機的業(yè)務(wù)部分故障診斷的知識表示形式如下：

If （摘機無饋電）

then {話機線未插上用戶板的背板or 此話機線已斷或話機已損壞 or 此話機未正確地接在用戶板后面的插針or所接用戶板故障話機壞}

（3）構(gòu)建知識庫，并將故障知識存入知識庫中。

本文將收集到的故障診斷經(jīng)驗知識以及系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫來存儲，其中一些關(guān)鍵表的結(jié)構(gòu)如下：

系統(tǒng)用戶表（用戶編號、用戶名稱、用戶密碼、用戶權(quán)限）

設(shè)備類型（ID、類型名稱）

設(shè)備表（設(shè)備編號、設(shè)備類型ID、設(shè)備名稱、購買時間、維修次數(shù)、末? 次維修時間、地點）

故障表（故障編號、故障地點、故障時間、故障現(xiàn)象）

知識表（知識編號、設(shè)備類型、故障現(xiàn)象、故障原因、解決方案）

故障解決方案（方案編號、故障編號、解決方案、添加時間）

3鐵路通信設(shè)備故障診斷系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 專家系統(tǒng)故障診斷流程。鐵路通信故障診斷專家系統(tǒng)的故障診斷流程為：（1）描述故障現(xiàn)象，使用專家系統(tǒng)進(jìn)行分析;（2）將發(fā)生的故障與知識庫中的故障特征進(jìn)行比對，查詢是否有相同的故障記錄;（3）如果有相同記錄，則檢驗相關(guān)規(guī)則，如果僅有一條規(guī)則匹配故障產(chǎn)生的條件，則啟用該規(guī)則，當(dāng)多條規(guī)則匹配成功時，選擇優(yōu)先級的那條的規(guī)則作為啟用規(guī)則。（4）如果沒有任何規(guī)則可以對應(yīng)，輸出“沒有相關(guān)知識為您服務(wù)”。

3.1 專家系統(tǒng)功能功能設(shè)計與實現(xiàn)。鐵路通信故障診斷專家系統(tǒng)的基本功能和性能要求如下：

（1）能夠?qū)崟r的存儲鐵路通信工等維護人員需要的各種數(shù)據(jù);能夠快速的提供給維護人員和管理人員使用，以便進(jìn)行輔助決策;將一段時間產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行備份以防止重要數(shù)據(jù)丟失。

（2）能夠設(shè)定報警時間，及時提醒維護人員處理沒有被及時解決的故障，提升故障排除的效率。

（3）能夠?qū)⑽刺幚淼墓收习磧?yōu)先級自動排序，方便維護人員及時發(fā)現(xiàn)和排除優(yōu)先級高的故障。

（4）能夠就典型故障為鐵路通信工提供檢修流程和解決方案，以供輔助決策。

（5）具有查詢、統(tǒng)計等功能，方便進(jìn)行故障、知識庫、用戶等數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計。

（6）具有友好的人機交互界面，方便系統(tǒng)各種用戶使用。

本系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S結(jié)構(gòu)）開發(fā)模式，選用VS2013、ACCESS作為軟件開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫管理工具，使用C#語言編程實現(xiàn)了鐵路通信設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的用戶管理模塊、登錄模塊、故障診斷模塊、知識庫管理模塊、工單模塊、數(shù)據(jù)庫備份模塊等，其中知識庫管理模塊的實現(xiàn)效果如圖1所示。

4總結(jié)

基于診斷和專家系統(tǒng)的理論與方法，本文分析了鐵路通信設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的必要性和可行性，設(shè)計了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和功能模塊，并實現(xiàn)了其基本功能，能為鐵路通信設(shè)備和通信線路的一些日常故障維護檢修、分析排除復(fù)雜故障提供輔助決策支持。該系統(tǒng)已經(jīng)在湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院與廣鐵集團公司長沙電務(wù)段共建的鐵路通信信號實訓(xùn)基地進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，能有效提高鐵路通信工的維修水平，具有在較廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：任佳（1980.10-），女，漢族，湖南汨羅，博士，高級工程師，研究方向：鐵道通信與信息化技術(shù)。