鐵路信號設備故障診斷專家系統研究

楊杰

摘 要： 鐵路運輸是當前社會交通運輸當中一種重要的交通方式，在我國經濟建設中發揮了十分重要的作用，鐵路運輸是否正常，在很大程度上取決于鐵路系統的安全性和穩定性。信號故障設備是鐵路運輸基礎設備之一，擔負各類行車設備狀況的信息傳輸與調度指令控制的作用。信號設備故障在鐵路運輸系統中是一個十分嚴重的隱患，如果對信號故障處理不到位，則很可能會帶來嚴重的安全后果。鐵路信號設備故障診斷專家系統可以實現對信號設備的故障進行實時診斷分析，從而提高鐵路運行的安全性。本文對鐵路信號設備故障診斷專家系統的設計進行分析和探討。

關鍵詞：鐵路信號設備 故障診斷 專家系統

中圖分類號：U284 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）05-0233-02

引言

隨著我國經濟水平不斷提升，我國鐵路行業近幾年來得到了飛速的發展，尤其是列車的不斷提速、高鐵不斷建設，鐵路運行水平有了很大程度的提升，但鐵路運行過程中的安全問題也越來越明顯。安全問題一直是各國鐵路運輸行業關注的重點，在鐵路運行過程中會產生很多信號，信號設備是對這些信號進行傳輸、接收、執行的基礎設施設備，通過信號的產生、傳輸與執行，可以控制鐵路車輛的正常安全運轉。信號設備在運行過程中也可能會出現各種故障，對于信號設備故障要及時處理，以防對整個鐵路運輸系統帶來影響。鐵路信號設備越來越復雜，復雜程度也越來越高，傳統的鐵路信號設備管理通常都是通過技術人員將信號設備的故障信息收集起來，并且對這些信息進行分析，以得到信號設備的運行狀況，對信號設備的維修工作進行指導。單純地依靠人工檢測并不能及時檢測發現到的問題，很有可能會導致鐵路信號設備故障不能被及時發現而釀成大禍。鐵路信號設備故障診斷專家系統是專門針對鐵路信號設備故障提出的一個系統，能夠實現對鐵路信號設備故障的及時診斷、分析、處理，可以為鐵路信號設備維護人員的維修工作提供幫助，提高信號設備維修效率。

一、鐵路信號設備故障分類和成因

1.鐵路信號設備故障分類

一般將鐵路信號設備的故障劃分為幾種類型，例如電器元件故障、各種邏輯關系錯誤導致的故障、數據信息錯誤導致的故障等。在鐵路信號設備故障的分類過程中，按照不同的角度進行分類會產生不同的故障類型。例如按照故障的顯示形式可以將故障分為顯性故障和隱性故障，隱性故障是難于發現的故障類型，這種故障往往需要通過很多檢測以及技術人員豐富的檢測經驗才能發現，而顯性故障則一般都表現得比較明顯，能夠明顯地顯示出來，有助于技術人員及時對故障進行維修。例如根據故障的產生原因可以將其分為人為故障、非人為故障，人為故障指的是由于操作人員的誤操作和不盡工作義務產生的一些故障類型，而非人為故障則一般是指由于電氣設備老化或者隱性故障沒有檢測出來而產生的故障類型。按照故障產生的性質可以將其分為機械設備故障和電氣故障，機械設備故障主要是指各種硬件設備故障，例如由于維修不及時、材質老化等原因造成的各種機械設備不能正常運轉，螺絲松動、繼電器不能自動開關等都屬于機械故障。電氣故障指的是各種電氣設備故障，很多電氣元件都具有一定期限的使用壽命，超過使用壽命之后就會導致各種設備不能使用。

2.鐵路信號設備故障的原因

在鐵路信號設備管理過程中，找到故障原因才能對癥下藥，對故障進行及時解決。當前鐵路信號設備故障產生原因主要有幾個方面：

2.1鐵路信號設備的質量差。構成基本電路的鐵路信號設備質量不過關，使用一段時間之后就出現嚴重的老化、磨損等現象，會導致信號設備故障。

2.2維修不當。對鐵路信號設備進行定期維修是提高信號設備工作效率的重要途徑，但是當前鐵路系統中有的現場維護的工作人員業務素質不夠高，技術水平較低，誤操作導致故障，而且對各種故障也沒有及時維修處理，因此導致信號設備的故障越來越嚴重，最終釀成嚴重的安全后果。

2.3違章操作。在鐵路系統中有規范的操作要求，很多技術人員在進行工作的時候沒有按照相應的規章制度進行操作，因此導致各種故障問題出現。

2.4其他外界因素。鐵路信號設備大多是暴露在室外的，因此外界環境條件對鐵路信號設備的運行也產生很大影響。例如雷擊事故就可能導致鐵路信號設備燒毀，進而對整個鐵路系統的運行造成安全隱患。

在鐵路運行過程中，信號設備是一個十分重要的基礎設施，隨著鐵路運輸安全性要求越來越高，信號設備也必須要滿足一定的要求，信號設備在發生故障時，應該要具備完善的應急措施，能夠啟用備用設備，確保列車穩定、安全運行。當前關于鐵路信號設備故障的檢測一般都是利用計算機實時檢測，構成一個網絡系統，但是這種系統對于鐵路信號設備運行過程中的很多異常情況都不能及時發現，因此難以監測得到準確的數據。

二、鐵路信號設備故障診斷專家系統結構的概況

專家系統是上世紀六十年代產生的一個系統性很強的學科，結合了人工智能、計算機程序設計、數據庫、計算機網絡等相關技術，也是人工智能在各個領域實踐產生的系統。通常認為專家系統主要包括五個部分，第一，知識庫，第二，推理機，第三，人機接口，第四，解釋器，第五，事實獲取系統。專家系統與鐵路信號設備故障診斷的結合，是提高鐵路信號設備故障診斷和處理水平的重要途徑，可以及時發現各種信號設備故障，為技術人員的維修提供支持和幫助。

在鐵路信號設備故障診斷專家系統設計過程中，其基礎是信號微機監測系統數據，專家系統結構可以分為三個部分，分別是數據預處理、故障診斷專家系統、檢修管理模塊。其系統結構如下圖所示：

如上圖所示，該系統采用B/S結構作為系統設計基礎，B/S結構具有獨特的優勢，為系統設計開發提供了很多便利，B/S結構是在 Internet 技術不斷發展的基礎上誕生的，能夠幫助不同的人、用不同的介入方式來對共有的數據庫進行訪問和操作。例如利用B/S結構對就業規劃測評系統進行開發，只需要從服務器方面著手即可，不需要考慮到客戶端方面的因素，因此從某種程度來講，降低了開發成本，也降低了開發人員的工作量。B/S結構最大的好處是運行維護過程都比較簡單，但同時也具有一定的缺點，例如對外網環境依賴性太強，但是由于各種原因，可能會引起外網中斷，從而導致系統出現癱瘓。該系統需在服務器上存放應用程序數據庫與相應部件庫存，而且統一選取瀏覽器用客戶端訪問服務器，系統操作系統比較簡單，不需要額外安裝其他軟件。基于B/S結構故障診斷專家系統，可以對多個信號設備進行遠程診斷，極大地提高了診斷效率。當診斷系統中想要開發新功能的時候，只需要對服務端進行開發或部署即可，不需要對客戶端進行改變，因此極大地提高了系統的擴展能力。

從上圖的結構系統圖可以看出，在鐵路信號設備故障診斷專家系統中有三個重要模塊：

第一，數據預處理模塊。數據預處理模塊主要是為故障初始數據服務的，能夠將各種故障數據信息傳遞給故障診斷模塊，由鐵路有關服務器對數據進行實時采集，并且將各種信號設備的故障初始數據轉換成統一格式，將編碼數據轉換為可讀表數據，并且在相應地數據庫中添加新的故障信息。

第二，故障診斷模塊。故障診斷模塊是鐵路信號設備故障診斷專家系統的核心，主要是對各種故障進行診斷，在故障診斷模塊中會根據輸入的故障癥狀信息體現出具體的癥狀，并且可以對知識庫、數據庫進行適當調用，將數據庫中的信息與實際產生的故障信息進行匹配，利用和用戶交互的過程取得更多完整的故障信息，對故障的種類以及具體的原因進行診斷分析。

第三，維修管理模塊。維修管理模塊也是鐵路信號設備故障診斷專家系統中的重要組成部分，當分析故障成因之后要及時對故障進行解決，維修模塊是鐵路信號設備故障決策支持系統的組成部分，可以派發檢修任務，及時對故障進行解除。

三、鐵路信號設備故障診斷專家系統設計

1.系統結構總體框架設計

通過對信號設備故障診斷專家系統的構成進行分析，并且結合鐵路信號設備故障診斷特征、要求等，可以將故障診斷專家系統結構總體框架設計出來。其中知識庫、人機接口是專家系統的重點設計部分，例如知識獲取子系統設計，主要是對各種信號信息進行獲取，例如設備故障機理、故障記錄等。知識庫的設計也是一個關鍵內容，知識庫被稱為規則庫，在設計知識庫的過程中應該要根據相應格式、原則等進行處理，將信號設備體現出來的各種信號轉移成為專家系統可以識別的信息形式。信號設備微機監測系統則主要實現對鐵路車站現場設備的檢測，能夠對設備的運行狀態進行更加準確地識別，并且向檢測主機傳遞信號設備的狀態。當前信號設備微機監測系統在鐵路系統中的應用十分廣泛。

2.系統功能模塊設計

2.1鐵路現場數據采集子系統

鐵路信號數據采集子系統指的是微機監測系統，通過CAN總線對鐵路信號設備的運行參數進行采集，并且要將各種參數存儲到數據庫中。下圖為鐵路信號數據采集子系統示意圖：

通過鐵路信號微機監測系統可以對信號設備的工作狀態進行獲取，這些數據信息將作為信號設備故障診斷專家系統的基礎數據。當前我國鐵路系統中大多數車站都采用TJWX-2000型微機監測系統，該系統主要通過模擬量與開關量兩種形式對采集的信號設備數據進行描述。其中，開關量為二進制的0與1，主要描述各種信號設備的狀態信息。模擬量則主要包括信號設備運行過程中產生的電流、電壓、時間、溫度等參數。與此同時，微機監測系統還具備設備歷史狀態存儲功能，能夠將信號設備歷史運行過程中產生的信號狀態進行記錄。在電務段設置服務器保存監測數據，并且可以通過鐵路局的服務器對所有設備的運行狀況進行監測。其中，監測車站設備采用CAN總線傳輸，車站機、電務段、鐵路局三者之間可以采用TCP/IP協議進行通信，對各種信息數據進行及時傳輸。

2.2人機對話子模塊

在專家系統中人機交互是一個十分重要的功能，為了實現良好地人機交互功能，在專家系統設計過程中要設計輸入、輸出部分，人機對話子模塊中不能任意修改參數，人機對話和專家、知識工程師接口都能對專家、知識工程師的知識進行接收，以此對系統的工作性能進行進一步了解。與此同時，技術人員還能通過人機交互功能對系統中的各種問題進行解決。在人機對話子模塊設計過程中主要采用Windows操作系統，該界面良好、清晰，通過自然語言、文字輸入與輸出可以實現信息數據的傳遞。

2.3知識庫構造子模塊

知識庫是推理機正常運作的前提，知識庫要對電氣集中故障檢修專家知識進行準確表達，知識庫是程序的外部數據庫，主要存儲各種故障信息，當信號設備出現故障的時候，監測系統將采集到的信號傳遞給診斷模塊，診斷模塊就要將實際故障與知識庫中的故障信息進行比對分析，從而對故障進行“確診”。知識庫通常具有專家系統知識的存儲與管理功能，需要根據固定格式對子模塊進行設計，并且要區分中英文格式，確保信號設備的故障能及時被診斷。

2.4診斷分析推理模塊

診斷分析推理模塊主要是利用推理模式對故障進行診斷的過程，推理得到的結論就等同于專家對故障進行診斷之后得到的結論。推理模塊結構如下圖所示：

在推理機中集成了推理與控制兩個功能，這兩個功能也使得專家系統與一般的資料庫系統和知識庫系統不相同，專家系統的智能化程度更高，能夠對信號設備的故障癥狀進行推理和分析，注重推理分析的過程，是對故障進行詳細解剖的過程。推理模塊中主要包括推理機制、控制策略兩個重要方面，此子模塊設計技術必須確保程序能夠正常運作。在信號設備故障診斷系統中，可以選取反向推理機制作為專家系統故障診斷、維修專家系統的主要方式。其推理方式是首先對結論的正確性進行假設，然后再對各種結論所對應的條件的合理性進行分析和驗證，如何驗證條件成立，則可以得出對應的結論。

2.5綜合數據庫構造子模塊

該模塊在主要是對執行推理環節中的各種信息進行存儲的模塊，其中包含的內容十分復雜，例如用戶對系統提問的回答等，其主要的目的是將設備運行工作狀態數據存儲到信號設備故障診斷專家系統的綜合數據庫中。在對該模塊進行設計的時候應該要確保數據能夠及時更新，從而能夠對信號設備的狀態進行正確反映。在專家系統運行過程中，綜合數據庫中的內容可能會呈現持續變化的現象，在整個專家系統運行過程中，都要考慮到數據庫與知識庫的對接，從而確保系統的完整性。

結語

綜上所述，鐵路信號設備是對鐵路車輛運行過程中的各種故障進行反映的基礎設施，信號設備的正常運轉是確保鐵路安全運行的重要前提，在信號設備運行過程中可能由于多種原因會導致信號設備出現故障，對此，要積極加強對故障的分析和處理，及時解除故障，提高信號設備的工作水平。鐵路信號故障診斷專家系統是對鐵路信號設備故障進行診斷分析的專業系統，可以對故障進行及時發現、及時分析、及時處理，從而提高信號設備的工作性能。

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