基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統設計

陶漢卿 李文波

【摘 要】本文論述基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統設計，對城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統的智能故障處理教學方面存在的問題進行研究，根據AFC系統的工作過程和檢修流程，對智能故障信息采集整理的故障樹進行分析，設計一套實現智能故障處理的教學系統;以AFC系統的自動售票機（TVM）為例進行實踐應用，證明AFC的故障樹智能故障處理教學系統是可行的。

【關鍵詞】故障樹 ?AFC ?教學系統 ?自動售票機 ?智能故障處理

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07C-0187-03

一、研究背景

隨著社會經濟的持續發展和人民生活水平的不斷提高，城市軌道交通成為解決我國的城市化進程加快、城市規模擴大造成交通擁堵問題的首選。在城市軌道交通的運營管理中，AFC系統起著非常重要的作用，是體系結構復雜、技術含量高的設備之一，是集計算機技術、網絡通信、自動控制和機械自動化技術于一體的自動售檢票系統。AFC系統的使用和維護涉及專業面廣，包括城市軌道交通運營管理、城市軌道交通通信信號技術和城市軌道交通機電技術等專業，設備維護復雜，還要根據城市軌道交通運營業務的需求，進行系統更新改造。

系統的復雜度和多功能集成增加了設備使用和維護人員的檢修和故障處理難度，對故障處理方面的技術與能力要求較高。城市軌道交通AFC系統的故障處理技能的學習和掌握以設備的認知為基礎，學習周期較長，在教學過程中，當出現故障時通常采用傳統的故障處理方法，時間長，難度較大，不利于學生快速準確地判斷故障位置與掌握故障查找處理的技巧。所以需要借鑒、普及與傳承具有豐富專業知識的技術人員故障處理的經驗并不斷優化，建立專家庫，用于城市軌道交通AFC系統的教學過程中故障處理能力的訓練。

為搭建城市軌道交通AFC理實一體化實訓系統，采用互聯網+教學模式，實現教師與學生“教、學、做”一體，需要深入研究故障樹和智能化診斷技術，對城市軌道交通AFC系統的故障分析查找和處理過程進行智能分析，設計指導學生快速準確進行故障處理的教學系統，提供學生自主學習和個性化學習的機會，提高學習效率。

目前，城市軌道交通AFC系統教學過程中的故障分析查找處理的方法和經驗信息傳授有以下三個方式：

一是城市軌道交通AFC設備的說明書。教師在學生對設備認知的基礎上，開發實驗實訓項目，指導學生根據設備說明書進行故障處理，教學效率不夠高。

二是教師講授。教學過程中，對于初學的學生來說，城市軌道交通AFC系統的故障處理方法是由教師“手把手”教學協助指導完成。由于班級人數多，供訓練的設備少，這樣的做法較難組織教學，不能實現“一對一”教學，不能全面監督和驗證學生的學習效果，對于教學有一定的局限性，部分學生需要多次進行指導，當遇到教師傳授以外的故障時，需要花相對長的時間來處理。

三是經驗積累。對于學生來說城市軌道交通AFC系統故障處理經驗的積累必須是從量變到質變的過程，但是在注重質量與效率提升的時代，城市軌道交通企業急需員工具有良好的基礎和快速成長的能力，學生動手實踐機會不足等因素影響了故障處理經驗的積累效果與職業成長的速度。

為了提高城市軌道交通AFC系統的教學效率及人才快速培養，以系統的故障處理的經驗為基礎，總結關鍵知識與信息點，采用故障樹理論，設計了智能故障處理的教學系統。該系統具有指導學生進行故障分析與處理的功能，并不斷進行優化，可實現智能、快速和準確的故障處理。

二、城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統設計

（一）故障樹及特點

故障樹是一種采用直觀圖示的方法描繪事件發生原因及邏輯因果關系的有向邏輯樹圖。故障樹分為頂事件、中間事件和底事件，頂事件是分析目標，即系統故障狀態，中間事件是導致頂事件發生的所有可能原因，需要向下一層追蹤，到最底層時為底事件，也稱基本事件。故障樹就是將這些事件的相互關系用相應的邏輯符號進行連接而成的樹形結構圖。

故障樹能把系統中不同的故障之間的關系用圖形化的方式清晰表示出來，知識結構簡潔直觀，當系統發生故障時，利用故障樹從上而下，逐層查找頂事件發生的直接和間接原因，這為智能故障處理教學系統提供了很好的表述方式。

故障樹模型可以進行定性、定量分析，由于城市軌道交通AFC系統智能故障處理教學系統是根據故障樹分析查找故障，然后進行實際測量判斷故障，最后找到故障點進行處理，不需要對系統進行可靠性評價，所以對故障樹進行定性分析即可。主要任務是縮小故障范圍，可以通過查找出故障最小割集的方式，也就是找出導致頂事件發生的所有可能中間事件和底事件的集合，這些事件發生或同時發生，必然會導致頂事件的發生。

城市軌道交通AFC系統按照故障樹的樹形結構規范化、統一化的表達，直觀明了地描述各種事件，不容易出錯，如此使得學生使用故障樹結構進行快速推理，降低知識的冗余性，同時使得故障樹的維護和升級優化更加方便簡單。

（二）教學系統的故障樹模型設計

城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統的核心是故障樹，而故障樹的事件原因來源于城市軌道交通AFC系統檢修和故障處理實踐中的分析查找經驗。因此，知識獲取和整合是該教學系統設計的重點和難點。城市軌道交通AFC系統智能故障處理教學系統故障樹模型設計步驟如下：

1.事件的獲取，如圖1所示，深入了解系統的正常狀態、異常狀態和故障狀態以及各種參數，與現場系統使用和維護人員、技術骨干和專家對接，收集積累相關專業知識和故障案例，取得教學系統詳細的頂事件、中間事件和底事件。

2.將這些事件進行全面分析、統計和整合，保證故障樹建立的完整性與準確性，以一定的規則編制成故障數據庫。

3.調查分析與故障有關的所有原因事件和各種因素，并進行排列，劃分最小割集。

4.從系統頂上事件開始，從數據庫中找出每級直接原因的事件和最小割集，直至所要分析的級別深度，利用規范的故障樹邏輯符號，按城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統的邏輯關系，畫出故障樹。

通過采集豐富的現場經驗，建立故障樹模型，有效地利用知識數據庫，高效、準確地實現城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統的教學功能。

三、城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統設計實例

城市軌道交通AFC系統一般具有五層架構，分別為清算系統、中央計算機層、車站計算機層、車站終端設備層、車票層。自動售票機是車站終端設備層的站級設備之一，安裝在非付費區，提供單程票發售和儲值票充值等功能。乘客能夠按照設備操作提示，使用紙幣或硬幣完成購票或儲值票充值操作。自動售票機能夠向乘客發售指定購買面值和數量的單程車票或將指定金額充值到乘客的儲值票中，交易結果上傳到車站計算機，自動售票機能夠通過中央計算機和車站計算機進行管理。自動售票機主要由運營狀態顯示屏、乘客操作觸摸屏、硬幣投入口、紙幣投入口、儲值票充值模塊、出票、找零口、主控制器、紙幣處理模塊、硬幣處理模塊、紙幣模塊、硬幣模塊、紙幣錢箱、SJT模塊、MCU單程票發售模塊、點陣打印機、廢票箱、電源、電池和維修面板組成。

下面以自動售票機為實際案例，進行基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統的設計。

（一）實例故障樹建立方法

對自動售票機的故障信息進行全面采集，獲取故障處理知識并整理，分析自動售票機可能存在的故障，模擬現場故障處理的流程，從上至下逐層進行追蹤，繪制故障樹，然后劃分最小割集（即縮小故障范圍）。自動售票機故障樹的建立具體步驟：

1.確定頂事件。以自動售票機系統故障作為頂事件，模塊故障、運行故障和通訊故障作為第二層子節點。對于就是所表現的故障現象，如卡紙幣、卡硬幣、卡票等作為模塊故障事件的第三層子節點，依次類推。

2.對頂事件，即故障現象進行分析。模擬現場故障處理的流程，從上到下逐層尋找產生故障現象可能的直接和必要原因，從而找出中間事件和底事件，劃分最小割集。然后將所有直接原因進行優化組合作為輸入，以故障現象作為輸出，用適當的常用規范邏輯符號表示事件的相互邏輯關系。

3.接著對每一個與頂事件直接關聯的輸入事件進行分析，判斷能否進一步分解成下一級輸出事件，重復步驟2對頂事件處理的方法。

4.使用逆向演繹推理的方法。根據已知的輸出事件，采用相互關聯的邏輯關系，找出問題的輸入事件，從而形成故障樹。

（二）自動檢票機系統故障信息采集

對城市軌道交通AFC系統自動售票機的功能模塊故障現場、故障分析、故障處理的全過程進行追蹤采集，詳細記錄且進行整合，制作故障信息集合表。記錄表格應對故障現象、模塊、事件描述準確，用語規范，對于級別較多的現場需要逐層詳細記錄、整合，確保集合表的完整和準確。故障現象的描述要準確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，以便于制作故障樹教學系統，給學生提供友好的操作界面，從而快速準確地使用故障樹進行故障分析。教學系統故障處理過程要詳細描述現場工作人員對整個故障處理的思路與方法，整合優化最快速、準確的故障分析過程。故障底事件的原因同樣也要明確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，查找到故障點后，要給出故障處理的方法以及處理過程的注意事項等，如學生查找不到故障點，則給出正確的分析查找思路，引導學生快速準確地進行故障處理，使學生達到自學處理自動售票機故障的目的。

（三）自動檢票機系統故障樹建立

現場調研獲取大量的城市軌道交通AFC系統的故障數據和故障處理的知識，數據雜而散，經過梳理、優化和整合，提取出故障信息集合的三大故障：自動售票機卡紙、自動售票機卡硬幣、自動售票機卡票，逐層進行故障現象和故障原因分析，劃分故障最小割集，制作故障信息集合表，應用規范的邏輯符號繪制故障樹，學生采用故障樹進行逐層分析，自動售票機卡票故障樹示意圖如圖2所示。

本文從城市軌道交通AFC系統故障處理教學實際出發，深入研究了城市軌道交通AFC系統智能故障處理系統故障樹模型，以自動售票機為例，對故障信息進行全面采集，模擬現場故障處理的流程，進行處理、整合和優化，建立自動售票機故障樹，并應用于教學，提高了城市軌道交通AFC系統智能故障處理的教學質量和效率。

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[5]王瑛.自動售檢票系統檢修工[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2017

【基金項目】2017年度廣西職業教育教學改革研究項目（重點項目）“基于Moodle平臺的《鐵路信號集中監測系統維護》混合教學模式改革與實踐”（GXGZJG2017A044）;2017年度廣西職業教育教學改革研究項目“基于‘城軌正線信號設備維護課程‘交互-自主教學模式改革研究”（GXGZJG2017B089）

【作者簡介】陶漢卿（1983— ），男，廣西欽州人，碩士，柳州鐵道職業技術學院副教授，研究方向：智能交通系統。

（責編 丁 夢）