高速鐵路電務仿真知識庫的研究

張威

摘要：該文通過研究知識庫的結構以及構建方法，提出了一種以三維模型作為知識庫的基本概念庫、以模型的行為屬性變量作為事實庫的事實方法、以函數形式形成規則庫調用方式的新型知識庫。

關鍵詞：知識庫；高速鐵路；交互控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）25-0180-02

Research on High-Speed Railway Electrical Simulation Knowledge Base

ZHANG Wei

（Hohhot Railway Bureau Research Institute， Hohhot 010020， China）

Abstract ：In this thesis， through researching the structure of the Knowledge Base and the construction of the methods puts forward a 3D model as the basic concept of Knowledge Base， behavioral property variables of the model functional form as the fact of the Fact Base， using the function to form the way of Rule Base called new Knowledge Base.

Key words： knowledge base； high-speed railway train； interactive control

1 概述

鐵路行業涉及機、車、工、電、輛等一系列專業，每一個專業都擁有海量的業務知識，隨著高速鐵路的發展和鐵路三維仿真培訓系統的大面積普及和應用，如何將大量的高速鐵路專業知識以三維數據的形式存貯起來，并滿足低帶寬網絡傳輸的需要，形成覆蓋全路的仿真培訓系統是一個值得研究的問題。傳統知識庫內容結構很難滿足高速鐵路虛擬現實仿真培訓系統的要求，因此本論文提出了一種知識庫內容結構的新嘗試。以運用虛擬現實技術制作出的場景和模型作為知識庫的概念知識，采用變量構建事實知識庫，采用函數構建規則知識庫。

高速鐵路虛擬現實仿真培訓系統所需要的知識庫應當滿足以下要求[1]：

1） 以三維模型為基礎，能表達高鐵電務知識點與三維模型狀態之間的對應關系。

2） 提供便捷高效的知識管理手段，按照模塊化思想組織知識庫結構。

3） 可以表達三維模型之間的關系以及描述和記錄模型事實狀態。

4） 后續推理機構可以方便地進行知識的調用[2]。

2 知識庫構建原則

知識庫應按照如下原則進行構建：

1） 層次化：知識庫應按照三級層次知識表示體系進行構建。底層是“概念知識”，它應當包括可操作的基礎知識元素。中間層是“事實知識”，是提供操作概念知識的方法的知識，通常用變量、過程等內容來表示。上層是“規則知識”，是何時達到何種條件時控制中間層執行某種操作的知識。三級層次相互聯系，共同存在形成一個完整的知識庫體系，是知識庫本身結構的基本要求。

2） 可擴充性：知識庫應具有統一的數據格式以及存取標準。使知識庫文件可以單獨存在，與后續推理機構相互獨立，即知識庫不包括推理知識，推理機構中也不存在基礎知識的內容，同時要求知識庫是以模塊化結構設計，每一個模塊都可獨立使用。這樣就可以提供知識庫依靠添加新的模塊來不斷擴充容量的可能性，也為知識庫系統提供了開放性的功能，實現系統的不斷成長。

3） 明確性：知識庫中的知識表示方法應能準確的表達知識庫中的專業知識，只有知識內容定義準確才可以快速的提供使用與維護的各項功能，提高系統的工作效率。

4） 清晰性：知識庫中的知識表示方法應當結構簡單，易于理解和實現，這樣有利于將基礎知識清晰的編寫為事實和規則進行存儲和檢索，也有利于后續推理機構識別和控制[3]。

3 知識的獲取

知識庫的構建前提是取得一定量的現實基礎知識，知識獲取就是把求解專門領域問題的知識從擁有這些知識的知識源中抽取出來，轉換為一種特定的計算機表示，并以某種形式在計算機中存儲，滿足領域問題求解的需求[4]。

在高速鐵路虛擬現實培訓系統中，知識庫用來存放各種設備模型的狀態以及控制規則（如技規、維規、行規等）、因果關系（設備間聯動的相互配合關系）、維護人員（現場作業職工）的經驗等各種知識。建立知識庫的第一步是獲取有關高速鐵路電務相關設備的組成結構、設備工作原理、標準化檢修作業程序和相關標準、設備調整維護方法以及故障處理方法的知識。知識獲取的途徑大致可以分為三種[5]：

1） 通過知識工程師獲取知識。知識工程師是一個計算機方面的工程師，他從專家那里獲取知識，并把它以正確的形式儲存到知識庫里去。

2） 通過直接向電務設備檢修維護領域專家提問，以學生的身份獲取專家的經驗，并將其經驗進行規范化。

3） 決策支持類系統能對以往成功的經驗，錯誤的和失敗的教訓進行總結，獲得新的知識，對知識庫系統或專家系統中的知識庫進行修正和擴充。

4 知識的表示

知識表示就是知識的符號化和形式化的過程，是研究用計算機表示知識的可行性、有效性的一般方法，是描述一些現實事物的規則格式，是把原始知識轉換為計算機能處理的數據結構。現在已發明出很多知識表示方法，比較常見的主要有以下幾種：一階謂詞邏輯表示、產生式表示（或稱規則表示）、框架表示、面向對象表示、語義網絡表示等。

從電務設備檢修維護領域專家處獲取的知識是使用自然語言描述的，為了使計算機能夠對這些設備檢修維護知識進行處理，選擇產生式規則表示方法構建事實庫和規則庫。

產生式系統是建立在產生式規則基礎之上的知識庫系統。主要由三部分構成，即規則庫，動態數據庫和推理機。

產生式知識表示法使用事實作為信息的存儲集合，用來表示問題和問題的環境條件，其中包括關于問題的各類臨時條件。產生式規則的表達形式為“符合某條件要求則執行對應的行為”這種條件語句形式，一般形式是R# IF RLS THEN RRS，其中R#是規則序號，RLS是產生條件，RRS是滿足條件后需要執行的行為操作。

5 事實庫的構建

產生式知識庫包括事實庫和規則庫兩個部分。

產生式知識庫的事實庫表示形式為：

事實庫=（事實1 事實2… 事實m）。

事實（結論）=（<對象屬性值>）。

產生式規則知識庫將設備檢修維護知識分為兩部分：凡是靜態的知識，如設備的描述、設備的狀態、事件、以及它們之間的關系，以所謂的事實來描述；而把行為的過程知識以規則的形式來表達，對作業程序和故障處理方法的內容敘述均屬于事實。

以電務道岔1DQJ故障點查找判斷為例，故障處理知識為：

觀察機械室內故障道岔第一牽引點的1DQJ不勵磁。說明是1DQJ勵磁電路故障。

1）聯系運轉室操縱道岔轉動到反位。

2）使用萬用表直流25V檔。

3）一只正表筆插入側面端子06-1（KZ，控制電源正極），另一只負表筆測試以下可能故障點（萬用表由24V變為0V之間的端子或配線即是故障點）。

第一種情況：側面端子01-2，更換配線。

第二種情況：2DQJ的142、141接點，則更換2DQJ。

第三種情況：1DQJ的4、3端子，則更換1DQJ。

第四種情況：側面端子01-3，更換配線。

可以將知識抽取歸納為事實狀態表1 所示。

表1 1DQJ故障點查找判斷事實狀態表

[道岔位置＼&操縱道

岔位置＼&萬用表

檔 位＼&正表筆

測量點＼&負表筆

測量點＼&萬用表測量值＼&故障點＼&定位＼&未操作＼&AC500V＼&＼&＼&0V＼&＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&側面端子01-2＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&2DQJ的142接點＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&2DQJ的141接點＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&1DQJ的4接點＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&1DQJ的3接點＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側面端子06-1＼&側面端子01-3＼&0V或25V

＼&0V是故障點，25V非故障點＼&]

根據上述事實狀態表，按照知識的產生式規則表示方法即可得到如下事實表達式：

1DQJ故障點查找判斷（道岔位置，操縱道岔位置，萬用表檔位，正表筆測量點，負表筆測量點，萬用表測量值）=故障點。

將事實表達式中的每一個概念定義為相應的變量，將表格具體內容定義為變量值，則可得到如下變量形式的事實表達式：

Gz_1DQJ_Failure（Switch_position，Control_Switch，Multimeter_Shift，Pen_Positive，Pen_Negative，Multimeter）=Failure

根據設備狀態變量的事實表達形式分別建立靜態數據庫和動態數據庫文件[6]。

靜態數據庫負責記錄場景中設備的初始狀態和最終用戶檢修維護以及故障處理的步驟完成程度等結果。在服務器端根據靜態數據庫的數據記錄可以統計使用者的學習日期、學習課時、已學習課時內容等學習和練習數據，根據靜態數據庫的數據記錄可以完成遠程在線考試功能，實現考試分數的自動計算、統計和匯總。

動態數據庫又稱臨時數據庫，由推理機構在場景開始時讀取服務器端的靜態數據庫中設備初始狀態值之后臨時創建，其結構與靜態數據庫相同。動態數據庫在場景中主要負責記錄場景中設備在交互過程中的臨時狀態，為推理機構提供相關控制依據，隨著場景的關閉，注銷創建的動態數據庫。

使用簡單變量構成事實庫的表達形式所具備的優勢在廣域網形式的虛擬現實場景系統中是十分巨大的。服務器端與客戶端之間的交互控制只需要交換場景設備的狀態變量和控制變量即可實現，這樣在復雜網絡環境下就可以最大限度地保證通信質量和通信速度，同時又可以完成必要的數據統計和管理功能，實現系統的模塊化管理。

6 規則庫的構建

產生式知識庫的規則庫表示形式為：

規則庫=（規則1 規則2… 規則n）。

規則=（<規則名>（IF<事實>）（THEN<結論>）。

在高速鐵路虛擬現實仿真培訓系統中，故障處理方法除了 需要記錄考評故障查找過程中的步驟完成情況以及記錄場景中各個設備的狀態之外，更重要的是為故障位置的設定提供控制參數。在實際故障處理過程中，不同的故障位置可能造成出現同一種故障現象，因此，為了在場景中實現故障位置的變化以及同時存在多個故障位置的功能，就必須為故障位置的設定提供控制參數和控制手段。在電氣類設備故障中，多為電氣通道或電氣接點故障，測試點的萬用表顯示值是判斷是否成為故障點的依據，因此設定萬用表顯示值既可以為故障點提供記錄參數，又可為萬用表模型的顯示提供數值參數。以1DQJ故障為例，當設定故障點為其勵磁電路中的“側面端子01-2”時，則將變量Multimeter設為1，其余接點均設為0。如需改變故障點位置，則只需修改“側面端子01-2”點及新故障點規則中的變量Multimeter值即可，對于多點故障則需將多個故障點的Multimeter值設為1來實現。

在規則的實際應用方法上，采用了一個場景對應一個規則函數的新型規則庫，充分體現出模塊化設計思想。經過這樣的設計之后，推理機構可以直接讀取事實知識庫中的變量數據作為規則函數的參數來調用規則函數，經過規則函數的規則對比，符合規則后返回相應值，如果返回正確值，則推理機構可以根據規則函數的返回值繼續控制下一步的交互操作，如果返回空值、錯誤值或沒有返回值，則推理機構將限制當前場景部分設備的交互功能，將場景停留在當前進度，讓使用者繼續完成場景交互內容。

7 結論

通過研究得到以下結論：

1） 以文字或符號信息存儲于數據庫內的知識庫結構可以轉變為使用虛擬現實技術構造的三維場景和模型來代替，并且具有表達知識內容清晰準確、包含的知識信息量大、易于接受和理解，可以提供交互功能等優點。

2） 采用變量表示靜態事實符合現場設備的實際工作狀態，便于記錄和存儲，而且可以為規則提供判斷依據。

3） 使用函數形式的產生式規則易于調用，可以判斷場景運行程度，為后續推理機構提供符合現場實際的模型交互控制依據，能按照安全標準、作業程序、故障處理步驟等現場規則輸出符合要求的虛擬現實場景。

在實際應用過程中，基于虛擬現實技術開發的電務仿真知識庫符合高速鐵路虛擬現實仿真培訓系統的使用要求，現已正式應用于現場職工培訓工作中，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1] 李林林. 高爐專家系統中知識庫的研究與實現[D]. 沈陽：東北大學， 2004：52-56.

[2] 董秀成. 高爐爐況檢測與診斷專家系統[J]. 工業儀表與自動化裝置， 1994（3）：27-32.

[3] 苗艷榮. 發酵過程生物量軟測量專家系統知識庫研究[D]. 北京：北京化工大學， 2008：21-22.

[4] 武波，馬玉祥. 專家系統[M]. 北京：北京理工大學出版社，2 003：95-118.

[5] 王壯峰. 智能高速鐵路行車指揮仿真系統的研究[D]. 北京：鐵道科學研究院， 2003：52-60.

[6] 曹琦，何中市. 搶險救災物資保障模擬訓練系統分析與設計[J]. 災害學， 2012，27（1）：139-143.