地鐵車門故障診斷專家系統軟件設計

孫 晨 吳視東 汪會志

（上海工程技術大學城市軌道交通學院，中國 上海201620）

由于現今國內地鐵運營負荷普遍較大，高峰期列車嚴重過載，車門由于擠壓震動等原因，工作環境惡劣，使得地鐵列車車門成為整個車輛中故障頻發的部分。地鐵車門故障診斷專家系統是為了保證地鐵列車車門系統在地鐵列車運行中出現故障時，能快速準確的診斷所發生故障的智能計算機系統。將地鐵車門故障相關診斷專家通過長期實踐積累出的經驗知識與計算機技術結合起來，從而形成對地鐵車門系統故障信息管理、危害度分析、故障定位、故障診斷及故障預測于一體的地鐵車門故障診斷系統，對車門系統故障維修提供良好的決策支持，提高車門系統故障檢修效率。

1 系統需求分析和功能設計

1.1 系統需求分析

（1）總結積累專家診斷思維，分析故障診斷相關知識，建立地鐵車輛車門系統故障診斷系統的故障征兆庫、故障模式庫和故障樹模型等專家系統知識庫；

（2）針對某些特殊故障鏈存在的多種不確定性，建立故障診斷模型；

（3）通過上述研究并結合計算機技術[1]建立地鐵車輛車門系統故障診斷專家系統。

1.2 系統功能設計

應用程序的開發包括系統登錄及權限管理、車輛基本信息管理、車輛運營信息管理、故障及檢修管理、檢修建議模塊、用戶管理6個功能子模塊。知識庫主要建立在檢修建議模塊，包括對數據的整理分析、數據庫結構設計。

2 故障診斷原理及方法

對比測試法[2]是故障診斷的常用方法，即通過將實際系統的輸出量與參考模型的輸出量進行比較，來判斷系統是否發生故障。并對已檢測到故障的系統進行分析，分離故障征兆，識別故障原因，定位故障源。對于復雜系統，由于其故障的多樣性，故障與征兆之間不存在簡單的單項對應關系，其故障診斷往往是一種探索的過程。原理如圖1。

圖1 故障診斷過程流程圖

專家系統的功能模塊大致由6個部分組成：知識獲取模塊、數據管理模塊、推理機模塊、解釋機模塊、人機交互模塊以及學習機構。地鐵車門系統的故障診斷專家系統的結構如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統結構圖

其中車門系統的知識主要從以下幾個方面獲得，包括現場維修技術人員的經驗知識，產品使用說明書，車門系統結構原理圖、門控電路圖，對車門系統進行可靠性分析時所形成的FMECA表單、故障樹等結果，以及車門系統運營故障數據，并通過對歷史故障數據進行統計分析，總結出易發故障，從而對其進行重點診斷。

3 數據庫的設計

數據庫模塊主要包含5個部分：列車基本信息、運營信息管理設計，列車故障、檢修信息管理設計，列車故障樹節點，列車檢修建議查詢。數據庫部分是整個系統的數據源，是系統最重要的組成部分之一。

后臺數據庫服務器的重點在于設計數據表及其之間的相互關系，只對其中關鍵數據表的設計進行了闡述，結構見表1。

表1 關鍵數據表結構

4 主要功能模塊及界面設計

4.1 系統管理與用戶權限管理模塊

根據現今地鐵車輛的維修管理體系，由于系統使用對象的多樣性，從而對應不同的用戶權限。主要分為以下三種：管理員、高級用戶與普通用戶。如司機為普通用戶，權限較低；車輛段的維修人員為高級用戶；系統管理員則具有有最高使用權限，不僅可以查詢知識庫中的內容，根據實際經驗對新獲得的知識增刪修減，還可以制定其他用戶的權限。而普通用戶則僅僅可以瀏覽，進行相應的診斷操作，并不能對知識庫做任何改動。

4．2 車輛基本信息管理模塊

基本信息管理包括車輛基本信息的錄入與查詢兩個模塊。其中，車輛基本信息查詢模塊對所有用戶均開放，錄入模塊僅對高級用戶及管理員開放。錄入模塊包括對信息的增添、修改及刪除三種功能，具有相應權限的用戶通過這三種功能對其中的信息進行編輯。普通用戶只能進入查詢模塊，對其進行檢索、查詢及瀏覽，而不能對其中的內容進行任何修改。通過信息管理模塊，用戶可以實現對運行中的地鐵列車的車輛編號、車輛類型、所屬線路、所屬公司及起始運營時間等列車基本信息的查詢，車輛基本信息輸入查詢界面如圖3。

圖3 車輛基本信息查詢界面

4．3 故障及檢修管理

故障及檢修管理模塊是專家系統軟件的核心數據庫，也是更新頻率最高的實時數據庫。包括故障信息輸入、故障信息查詢、列控系統故障輸入、檢修信息輸入、檢修信息查詢五個子模塊。與車輛基本信息及運營信息管理模塊相似，這其中查詢相關的子模塊對所有用戶開放，輸入相關的子模塊僅對高級用戶及管理員開放。

當車輛出現新的故障，車輛檢修人員完成每完成一次檢修工作，用戶應將相應的故障信息及檢修信息錄入，使該模塊相應的數據庫得到豐富。在進行添加新知識內容時，用戶應該對新知識與原有知識進行一致性檢驗，以保證知識庫的一致性。通過對設備的結構樹進行建立，對每個節點有可能發生的故障的所有信息進行編輯，節點與故障信息則通過共同的器件編號(Component ID)進行聯系。

用戶可以通過故障信息輸入模塊對故障信息進行錄入更新，包括故障車輛編號、故障等級、所屬線路、修程、故障所屬系統、具體描述及檢修狀態等基本故障信息。從而完成診斷結果檔案的建立與維護、各種診斷分析報表的建立與維護。

根據維修檔案，用戶可以跟蹤了解設備運行狀況，為制定設備的大修、中修、小修等維修計劃服務。

4．4 故障診斷及檢修建議查詢模塊

系統通過分析整個故障診斷專家系統的各個模塊，找出需要的中間結果數據，為專家知識庫靜態實例庫、動態實例庫和規則庫的更新、設備趨勢分析、壽命預測和維修報表的生成等提供更直接的數據來源，最終故障診段。診斷模塊采用產生式規則[4]作為其知識表示模式，其基本表達結構為：

IF故障現象THEN故障模式 CF可靠度

系統對已發生出現的故障征兆，進行故障征兆信息挖掘，通過與數據庫中已有故障模式及相關歷史故障數據進行對比分析，得出基于一定可靠度的故障診斷結果。其中的可靠度由系統初始設置的置信度或人工設置所需結論的置信度進行預設。規則是智能診斷系統最基本的結構單元，它的正確與否直接關系到系統診斷的準確程度。所建立的規則應該能準確反映領域專家在處理實際問題的整個思維過程，正確的表達征兆與故障之間的因果關系，其次有些故障之間存在層次關系，所以某些結論的可信度可以在不影響診斷準確性的情況下進行繼承，以提高推理效率。故障診斷及檢修建議查詢界面如圖4所示。

圖4 故障診斷及檢修建議查詢界面

5 系統運行環境與開發工具

本系統是由Windows系統開發，數據庫設計工具選擇SQL Server Management Studio 2012，系統的開發工具選擇Visual Studio 2013，Visual Studio是微軟公司推出的開發環境，是目前最流行的Windows平臺應用程序，通過該軟件進行界面設計可以自動設置開始頁，使設計更加簡便高效，同時兼容傳統的VB 6．0，使設計的界面更能滿足用戶的需要。系統設計采用模塊化的思想，在實際操作中可以多人共同設計。在Visual studio 2013編寫界面時，根據不同模塊的作用進行獨立設計，最后整合在一塊，這樣一方面可以提高設計的效率，另一方面便于調試，在進行相似設計時可以直接利用，避免了重復工作。界面編好后進行調試工作，沒有任何錯誤后，形成可執行的文件。

6 結語

本系統在設計階段把其他子系統包含在內，在功能實現上只針對車門系統進行闡述，其他子系統為后續研究內容。

［1］波爾頓．數據庫經典譯叢：SQL Server 2012 深入解析與性能優化[M]．3 版．北京：清華大學出版社,2013．

［2］時旭．地鐵車門系統故障診斷與維修策略的方法研究[D]．北京：北京交通大學,2009．

［3］包旭，馬從兵．基于數據庫的汽車故障診斷專家系統的設計[J]．公路與汽運2007(5)．

［4］張乳燕．地鐵車輛牽引系統故障診斷技術及系統的研究[D]．北京：北京交通大學，2009．