基于RDF及本體的列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)研究

劉旗揚(yáng)

（廣西大學(xué)科技處，廣西南寧530004）

綠色裝備技術(shù)

基于RDF及本體的列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)研究

劉旗揚(yáng)

（廣西大學(xué)科技處，廣西南寧530004）

為了滿足軌道交通列車自動化、智能化的需求，提出了將RDF與本體技術(shù)應(yīng)用于列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)。通過對RDF框架應(yīng)用于此系統(tǒng)的描述及對本體應(yīng)用的設(shè)計(jì)，給出了RDF及本體應(yīng)用于列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)的方式與方法，為車載設(shè)備的智能維護(hù)提供依據(jù)。

RDF；本體；列車；健康狀態(tài)監(jiān)測；智能維護(hù)

中國鐵路的快速發(fā)展，對各種機(jī)車、動車和高速列車的質(zhì)量性能和運(yùn)用效率提出了更高的要求，長交路、車循環(huán)、輪乘制，“大運(yùn)用、大整備、大檢修”等新模式成為機(jī)務(wù)發(fā)展趨勢。各種列車車載設(shè)備的正常運(yùn)行直接關(guān)系到鐵路的安全性、穩(wěn)定性、可靠性、舒適性以及列車運(yùn)行速度等，列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)對于提高列車的運(yùn)營效率，改善列車的可靠性，保障行車安全，降低維護(hù)成本等具有重要的意義。

自從上世紀(jì)70年代德國采用連續(xù)無級列車控制系統(tǒng)LZB（Linien Zug Beeinfussung）以來，歐洲各國、美國、日本等均開始了對鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)RITS（Railway Intelligent Transportation system）的研究。歐洲各國以及日木在RITS框架內(nèi)的“設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)檢測與監(jiān)控系統(tǒng)”都運(yùn)用得比較成功。此外，歐洲連續(xù)開展了以維護(hù)系統(tǒng)為主要研究內(nèi)容的鐵路開放式系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目ROSIN（Railway Open System Interconnection Network）、以遠(yuǎn)程監(jiān)視與維護(hù)系統(tǒng)ROMM（Remote Monitoring and Maintenance）為主要研究內(nèi)容的用于智能列車應(yīng)用的集成通信系統(tǒng)項(xiàng)目Train－Com（Integrated Communication System for Intelligent Train Applications）、歐洲鐵路整體開放式維護(hù)支持系統(tǒng)EuRoMain（European Railway Open Maintenance System）、以及鐵路系統(tǒng)智能集成項(xiàng)目InteGRail（INTElligent inteGration of RAILway system）等項(xiàng)目，美國GE公司開發(fā)了RM&D遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，日本三菱電機(jī)公司開發(fā)了TIMS列車信息管理系統(tǒng)等[1-3]。在國內(nèi)，大力發(fā)展行車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對列車實(shí)時(shí)健康發(fā)展監(jiān)測、故障診斷、控制和管理、智能維護(hù)于一體的安全監(jiān)控體系等，也是我國鐵路發(fā)展的重要目標(biāo)之一。

對于機(jī)車車輛這一復(fù)雜的大系統(tǒng)，需要具有全面的狀態(tài)感知、信息互聯(lián)、業(yè)務(wù)協(xié)同等能力，通過基于信息共享集成的列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)，達(dá)到列車維護(hù)向更高效、更高速、更準(zhǔn)時(shí)、更安全、資源優(yōu)化使用的目標(biāo)。

隨著列車通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和帶寬的提高，傳輸?shù)臓顟B(tài)和故障信息必然會更多，更多的傳感器也將應(yīng)用于列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)。由于不同傳感器在類別、性能、采集方式等眾多方面存在著差異，因而直接采集的信息可讀性較差，并且不利于信息在列車維護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行交換。隨著信息量的增加，這種信息可讀信與交換性的不足就越明顯。

資源描述框架RDF（Resource Description Fram ework）以其在RSS中的應(yīng)用，證明其在信息可讀性和交換性方面具有較大的優(yōu)勢。但在列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)領(lǐng)域，RDF的運(yùn)用還處于初級階段。本文針對RDF的局限性及列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)的要求，提出將本體（ontology）技術(shù)與RDF結(jié)合應(yīng)用于列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)平臺的思想，并給出此領(lǐng)域中構(gòu)建本體的方法，為本體技術(shù)的實(shí)施提供一種解決方法。

1 RDF與本體技術(shù)

1.1 RDF技術(shù)

資源描述框架RDF提供了一種用于表達(dá)語義信息，并使其能在應(yīng)用程序間交換而不喪失語義的通用框架。它的基本思想是：用Web標(biāo)識符（Uniform Resource Identifiers或URIs）來標(biāo)識事物，用簡單的屬性（property）及屬性值來描述資源。這使得RDF可以將一個(gè)或多個(gè)關(guān)于資源的簡單陳述表示為一個(gè)由結(jié)點(diǎn)和弧組成的圖（graph），其中的結(jié)點(diǎn)和弧代表資源、屬性或?qū)傩灾怠Ｆ鋵?shí)這就是RDF的模型，如圖1為描述的行駛中的列車資源。

圖1 基于RDF的列車描述方式

RDF文檔使用XML編寫。通過使用XML，RDF信息可以輕易地在使用不同類型的操作系統(tǒng)和應(yīng)用語言的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交換。為了便于應(yīng)用程序的使用，需要對RDF對應(yīng)地?cái)U(kuò)展，以定義應(yīng)用程序?qū)Ｓ玫念惡蛯傩裕渲凶钪饕臄U(kuò)展為RDF Shema.它雖然不提供實(shí)際的應(yīng)用程序?qū)Ｓ玫念惡蛯傩裕瑓s提供了描述應(yīng)用程序?qū)Ｓ玫念惡蛯傩缘目蚣埽诖嘶A(chǔ)上用戶可以根據(jù)需求定義自己的專用類和屬性。通過RDF Shema定義專屬類和屬性，可以實(shí)現(xiàn)對專用XML描述到RDF描述的自動轉(zhuǎn)換。

1.2 本體技術(shù)

由于RDF無法解決語義上同義詞和一詞多義的語義沖突，并且在推理上的局限性，若要使計(jì)算機(jī)能夠相互理解，消除語義上的沖突，需要引入有共同標(biāo)準(zhǔn)的概念體系，這就是本體。

本體是描述特定領(lǐng)域的概念模型，即關(guān)于領(lǐng)域的一個(gè)公認(rèn)概念集，其目的是為了實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域概念的標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)語義級的互操作。概念有公認(rèn)的語義，通過概念之間的關(guān)聯(lián)來體現(xiàn)。

本體通過五個(gè)最基本的建模基元來描述概念及其關(guān)系，即類、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例，用此來嚴(yán)格且準(zhǔn)確地刻畫所描述的對象。其中類主要描述基本概念，概念可以有屬性，而屬性正是通過關(guān)系則描述，概念之間的關(guān)系主要有四種：part-of、kind-of、attribute-of、instance-of.其中part-of表達(dá)概念之間整體和局部的關(guān)系；kind-of表達(dá)概念之間的繼承關(guān)系；attribute-of表達(dá)某個(gè)概念是另外某個(gè)概念的屬性；instance-of表達(dá)概念和概念的實(shí)例之間的關(guān)系。函數(shù)實(shí)際上是一類特殊的關(guān)系。在這種關(guān)系中前n-1個(gè)元素可以唯一決定第n個(gè)元素；公理也可以稱得上是關(guān)系，其代表的永真斷言；實(shí)例代表概念內(nèi)的具體對象或元素[4]。

本體通過本體定義語言來描述，盡管出現(xiàn)不同的本體描述語言，如與Web相關(guān)的RDF、OIL、DMAL+OIL、SHOE、OWL，但它們都是基于XML來進(jìn)行定義擴(kuò)展的。因此本體文檔也主要使用XML格式。這也給XML、RDF與本體聯(lián)合運(yùn)用帶來方便。

2系統(tǒng)總體框架

列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)平臺共分為三大部分，分別是列車健康狀態(tài)數(shù)據(jù)采集-故障診斷部分、車地?cái)?shù)據(jù)傳輸部分以及地面健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。而本文RDF及本體應(yīng)用只涉及地面健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)部分。

地面健康狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對在途列車的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)監(jiān)測、故障報(bào)警與診斷以及遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，具體包括行車電子地圖、各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、視頻監(jiān)視、專家診斷、在線和離線分析、系統(tǒng)修等模塊。其中核心的技術(shù)問題是保證地面系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性、準(zhǔn)確性、無歧義性和列車車載各子系統(tǒng)之間信息的共享，實(shí)現(xiàn)綜合、全面、深入的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成。

2.1 基于RDF格式的列車狀態(tài)信息存儲

基于RDF的列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)如圖2所示，首先利用3G/4G通信與運(yùn)行的列車通過車-地傳輸系統(tǒng)將列車健康狀態(tài)信息傳輸至地面；地面程序根據(jù)雙方制訂的協(xié)議進(jìn)行解碼，將實(shí)時(shí)信息存入地面數(shù)據(jù)庫；在程序中或者直接利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可將存儲數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為XML格式；而XML轉(zhuǎn)換RDF格式，只需在RDF Schema中定義語義即可實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換。如下即為通過將采集后的行駛中的列車XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RDF后的結(jié)果：

＜?xm l version="1.0"?＞

＜rdf：RDF

xm lns：rdf="http：//www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"

xm lns：contact="http：//localhost/train/contact#"＞

＜contact：train

rdf：about="http//localhost/train/me/contact#me"＞

＜contact：speed＞80＜/contact：speed＞

＜contact：3G rdf：resource=”http：//localhost/train/ 3G/contact#state”/＞

＜/contact：train＞

＜/rdf：RDF＞

圖2 基于RDF格式的地面系統(tǒng)流程

根據(jù)其得到的對該列車的RDF描述如圖1所示。其中，“行駛中的列車”以“http：//localhost/train/ me/contact#me”來標(biāo)識，其速度屬性是“http：//localhost/train/contact#speed”，值為80；其位置屬性是“http：//localhost/train/contact#3G”，而其值由“http：// localhost/train/3G/contact#state”來標(biāo)識。該信息也可以作為另一個(gè)資源被描述。由于RDF在數(shù)據(jù)交換方面的優(yōu)越性可以使列車數(shù)據(jù)容易實(shí)現(xiàn)外部訪問。

2.2 列車本體框架設(shè)計(jì)

列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)地面系統(tǒng)列車數(shù)據(jù)的異構(gòu)性主要是系統(tǒng)異構(gòu)和語義異構(gòu)，其中車載制動、牽引、門控、空調(diào)等各子系統(tǒng)由于硬件、系統(tǒng)軟件和通信系統(tǒng)之間的差異而形成的系統(tǒng)異構(gòu)，由車載硬件網(wǎng)關(guān)解決。本文主要解決的語義異構(gòu)問題，主要包括以下幾個(gè)方面：不同信息源中，使用不同的結(jié)構(gòu)來表示相同或相似的信息；不同信息源中，不同的術(shù)語表示相同的概念；同一術(shù)語在不同的信息源中表示不同的含義；不同信息源對同一對象的抽象程度不同；不同信息源對概念的形式化描述方法不同，從而造成了信息表達(dá)的異構(gòu)。

（1）確定本體實(shí)現(xiàn)的功能

在列車故障診斷中，主要涉及監(jiān)視不同列車對象的列車狀態(tài)，并根據(jù)其數(shù)據(jù)預(yù)判故障和診斷，其間涉及到列車狀態(tài)、故障類型、存儲數(shù)據(jù)、列車參數(shù)等方面的信息理解和互操作，因此其本體主要需要建立這些概念集合及其關(guān)系。其具體涉及列車狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)語義數(shù)據(jù)、列車監(jiān)視模型三部分。基于本體的列車功能描述如圖3所示。

圖3 基于本體的列車功能描述

1）列車狀態(tài)數(shù)據(jù)：包含列車所有關(guān)鍵部件的重要參數(shù)信息，如參數(shù)具體數(shù)值、單位、正常讀取的范圍等等。

2）參數(shù)語義數(shù)據(jù)：不僅包含對數(shù)據(jù)信息的解釋，還包含對數(shù)據(jù)的推理。如根據(jù)讀取牽引電機(jī)電流的大小，可以推斷出列車運(yùn)行狀態(tài)，例如運(yùn)行信息、進(jìn)站信息。上述信息為綜合判斷提供依據(jù)。

3）列車監(jiān)視模型：包括三個(gè)部分，分別是監(jiān)視列車、預(yù)測故障和故障診斷部分。

監(jiān)視列車部分：即監(jiān)視列車的速度、位置、時(shí)間等。根據(jù)確定的列車類型及語義數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，確定需要監(jiān)視對象的主要參數(shù)。

預(yù)測故障部分：根據(jù)目前得到的監(jiān)視信息及知識庫內(nèi)容，合理預(yù)計(jì)將可能發(fā)生的故障。

故障診斷部分：確定故障類型和位置。

（2）列車本體數(shù)據(jù)信息模型和本體結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)據(jù)的功能，將以上3個(gè)部分信息又分成4個(gè)部分來表達(dá)，分別是：列車狀態(tài)數(shù)據(jù)、參數(shù)語義數(shù)據(jù)、列車健康狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障診斷數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 列車本體數(shù)據(jù)信息模型

3系統(tǒng)中RDF和本體的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 RDF格式的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)，RDF格式的應(yīng)用關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)間格式的轉(zhuǎn)化，而數(shù)據(jù)間格式的轉(zhuǎn)化前提便是設(shè)計(jì)出需要轉(zhuǎn)化形式的格式。首先是DBMS和XML結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；其次是RDF的設(shè)計(jì)，包括詞匯表的設(shè)計(jì)、RDF Schema語義在程序中的定義；最后是數(shù)據(jù)的讀取。本文只針對列車運(yùn)用，給出詞匯表設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)讀取程序。

（1）設(shè)計(jì)詞匯表

因?yàn)橛?G/4G傳回的數(shù)據(jù)主要是列車上各種傳感器所采集的數(shù)據(jù)，需要解釋的也就是各類傳感器采集的電流、電壓等的語義。不同傳感器在其類別、型號、所采信息的指標(biāo)不同，在設(shè)計(jì)時(shí)不可能一一詳盡地解釋各類傳感器的參數(shù)，需要以列車本身的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)在于各種機(jī)車車輛的電氣結(jié)構(gòu)，圖5給出了內(nèi)燃機(jī)車本體的部分電路層級結(jié)構(gòu)。只需要設(shè)計(jì)出機(jī)車車輛電路的詞匯，便可形成列車詞匯表。

圖5 內(nèi)燃機(jī)車本體的部分電路結(jié)構(gòu)

（2）數(shù)據(jù)讀取程序

地面列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)采用B/S模式，信息以RDF格式存儲（見2.1），通過Web訪問。以圖1為例，編程語言為C#，讀取RDF中速度值，其程序?yàn)椋?/p>

XmlDocument doc=new XmlDocument（）；

doc.Load（"xxx.xm l"）；

XmlNode book；

XmlElement root=doc.DocumentElement；

book=root.SelectSingleNode（"http://contact：speed"）；

Console.W riteLine（book.InnerXml）；

3.2 列車本體的實(shí)施

（1）本體的形式化描述

基于圖4的列車本體結(jié)構(gòu)，借鑒OWA（Ontology-based Web Annotation）形式化定義和KAON（Karlsruhe Ontology）形式化定義，確定了列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)領(lǐng)域的本體形式化定義。

列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)領(lǐng)域本體定義后由9個(gè)元素構(gòu)成｛C，AC，R，AR，H，X，≤C，σ，≤R｝，其中表示概念集，如直流機(jī)車（SS、DF系統(tǒng)）、和諧型機(jī)車（HXD、HXN系列）、動車組（CRH）；AC表示每個(gè)概念的屬性集；R表示關(guān)系集；AR表示每個(gè)關(guān)系的屬性集；H表示概念層次；X表示公理集；偏序≤C稱為集合C的概念層次或分類法；函數(shù)σ：R→C+稱為簽名；偏序≤R稱作集合R的關(guān)系層次，r1≤Rr2意味著｜σ（r）1｜＝｜σ（r2）｜，并且對于每個(gè)1≤i≤｜σ（r）1｜，有π（iσ（r1））≤Cπ（iσ（r2））.

（2）本體合并規(guī)則

隨著列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)地面系統(tǒng)中本體知識庫數(shù)量的增多，經(jīng)常出現(xiàn)多個(gè)本體知識庫共同支持解決某一故障診斷任務(wù)的協(xié)同合作問題，該類問題首先必須實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域本體知識庫的合并，從而實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識庫之間相互理解、協(xié)同操作。首先計(jì)算領(lǐng)域本體的相似性。領(lǐng)域本體相似性包括概念相似性和關(guān)系相似性兩個(gè)部分，其計(jì)算公式如下：

式中：Sim（O1，O2）表示領(lǐng)域本體O1，O2的相似度取值為[0，1]，k1，k2，wC，wR表示權(quán)重系數(shù)，F(xiàn)（a1，a2）表示相似度函數(shù)。D（ψ（a1），ψ（a2））表示ψ（a1），ψ（a2）之間的最小編輯距離。

一般來說，相似度越高，領(lǐng)域本體的語義就越相近。利用上式求出相似度，進(jìn)而設(shè)計(jì)出合理的合并規(guī)則。

基于RDF及本體的列車弓網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)地面軟件界面如圖6所示，包括弓網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測和弓網(wǎng)故障診斷，包括拉出值、硬點(diǎn)和導(dǎo)高實(shí)時(shí)顯示；初步診斷的弓網(wǎng)故障信息包括：拉出超限、硬點(diǎn)超限、導(dǎo)高超限、多項(xiàng)超限和自動弓降等。

圖6 弓網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)界面

4結(jié)束語

針對列車健康狀態(tài)監(jiān)測與智能維護(hù)系統(tǒng)對列車健康狀態(tài)監(jiān)視及安全性能的要求，本文提出了將RDF及本體技術(shù)應(yīng)用于列車狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與智能維護(hù)系統(tǒng)；提出了列車信息的RDF轉(zhuǎn)換過程實(shí)現(xiàn)方式、基于本體的功能實(shí)現(xiàn)和本體設(shè)計(jì)過程，為實(shí)現(xiàn)列車的信息化與智能化提供了技術(shù)支撐。

[1]賀德強(qiáng)，路向陽，苗劍.地鐵列車故障檢測與診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其仿真研究[J].機(jī)車電傳動，2009（5）：30-32，55.

[2]龔利.鐵路機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（4）：227-229.

[3]王玉玨.基于VQ/DTW的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)健康管理[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[4]陽其凱，王堅(jiān)，凌衛(wèi)青.基于本體和云服務(wù)的交通異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法研究[J].高技術(shù)通訊，2015，25（7）：694-702.

Research on Train Health Condition Monitoring and Intelligent Maintenance System Based on RDF and Ontology Technology

LIU Qi-yang
（Department of Science and Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to meet automatic and intelligent requirements of rail transit train，the RDF and ontology technology was applied to train health condition monitoring and intelligentmaintenance system in this paper.As the description of the RDF framework is applied to the system and the application of the ontology is designed.The RDF and ontology application and method are given to train health condition monitoring and intelligent maintenance system.Itwill provide the basis for the intelligencemaintenance of train on-board equipment.

RDF；ontology；train；health condition monitoring；intelligentmaintenance

TP391；U266

A

1672-545X（2016）12-0155-05

2016-09-03

廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：桂科攻1598009-6）；南寧市科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：20151021）

劉旗揚(yáng)（1974-），女，廣西寧鄉(xiāng)人，助理研究員，研究方向：軌道交通信息化與智能化。