鐵通通信設備故障診斷專家系統設計與實現

基金項目：本文是2016年度湖南省教育廳科學研究項目“鐵路通信線路與設備故障診斷專家系統研究與實現”階段性研究成果（項目編號： 16C1056）

摘要：本文針對鐵路通信設備日常維護檢修工作的實際需求和鐵路通信設備故障機理特點，基于相關故障診斷和專家系統的理論與方法，設計了鐵路通信設備故障診斷專家系統的知識庫和主要子模塊，實現了鐵路通信設備故障診斷專家系統基本的實現結構，以期能在鐵路通信工進行設備檢修和維護時能提供輔助決策支持。

關鍵詞：鐵路通信設備;故障診斷;專家系統;知識表示

中圖分類號：U284.92文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）14-0064-02

1引言

我國軌道交通最近幾十年來得到了迅猛的發展，中國鐵路和城市軌道已經趕超世界先進水平，鐵路通信是指揮列車運行，組織鐵路運輸生產，提高效率，保證安全，傳輸各種信息及公務聯絡的重要設施。如何保證光纖通信系統、現代交換設備、車載通信設備、光電纜線路等的無故障運行是鐵路運輸生產的一個非常重要的環節。為了確保各種通信設備和線路在鐵路運輸生產過程中處于正常工作狀態，各級鐵路運行部門都制訂了各自的檢修程序，按照一定的時間規律對設備進行日常檢修、定期輪修、重點整修，這為鐵路運輸生產的正常進行奠定了基礎，但是目前檢修程序并不完善，有時通信線路和設備出現嚴重故障時才被發現，這大幅度提高了鐵路維修的成本和難度。目前各種通信線路和設備的故障診斷，主要是現場的檢修人員利用現有的設備原理、維修手冊等資料和知識結合自己的經驗，構造出一個基于規則的診斷方案，但通信線路、設備種類和型號繁多，更新換代快，故障多種多樣，維修人員很難迅速更新知識，總結新規則需要花費一定時間，這樣會延誤維修時間，尤其出現了重大的問題后，不能及時的處理故障，會對整個行車產生很大的影響。而故障診斷專家系統是將信息技術、人工智能以及專業技術知識結合在一起形成的一個智能分析系統，在知識表示、運用、獲取上表現不錯，在開放性、開發時間及診斷效率上都具有優勢。因此，將專家系統應用于通信線路與設備的故障診斷，非常值得深入研究與探討。它為鐵路通信技術人員根據設備狀態及時維修設備、分析排除各種復雜故障提供輔助決策的支持的作用，該系統的建立對提高我國鐵路通信線路與設備的維修水平以及確保行車安全具有一定的實際意義。

2知識庫的建立

知識庫不僅是專家系統中知識的存儲機構，還能為為推理機提供解決故障所需要的關鍵知識，是故障診斷系統的核心。推理機工作時調用知識庫中的故障數據進行推理，并將新的診斷方案添加到知識庫中，因此，知識庫一直在更新與完善，是一個動態的數據結構，應具有知識的查詢、添加、刪除和修改功能。鐵路通信設備故障診斷專家系統知識庫的建立過程共分3步。

（1）分析、收集與整理通信設備的故障知識。

（2）采用產生式規則表示法表示設備故障知識。

故障診斷專家系統常用的知識表示法有產生式規則表示法、狀態空間法、問題規約法、框架表示法、語義網絡法、神經網絡表示法等。產生式規則使用規則序列形式描述知識，從初始事實出發，用模式匹配的方式查找匹配的產生式規則。如果已知事實能夠使規則前提為真，則該規則被激活，推出新的事實;否則，依次查找下一條規則，直到得到結論為止。產生式規則因其知識模塊化、易于理解、一致性較好，知識庫維護和操作方便，在故障診斷、醫療診斷、地質勘探等領域得到了廣泛的應用。

由于鐵路通信設備的故障現象與故障原因之間存在大量的因果關系，本團隊使用產生式規則表示法來表示故障知識，其表示形式為：

規則編號 if （前提） then {結論}。

前提是某規則能否采納的先決條件。前提可由一個或者多個事實進行邏輯運算構成。結論是一組說明結論或操作。指出滿足指定前提的時候，應該得出的結論或應該進行的操作。

程控交換機的業務部分故障診斷的知識表示形式如下：

If （摘機無饋電）

then {話機線未插上用戶板的背板or 此話機線已斷或話機已損壞 or 此話機未正確地接在用戶板后面的插針or所接用戶板故障話機壞}

（3）構建知識庫，并將故障知識存入知識庫中。

本文將收集到的故障診斷經驗知識以及系統涉及的基礎數據使用Microsoft Access數據庫來存儲，其中一些關鍵表的結構如下：

系統用戶表（用戶編號、用戶名稱、用戶密碼、用戶權限）

設備類型（ID、類型名稱）

設備表（設備編號、設備類型ID、設備名稱、購買時間、維修次數、末? 次維修時間、地點）

故障表（故障編號、故障地點、故障時間、故障現象）

知識表（知識編號、設備類型、故障現象、故障原因、解決方案）

故障解決方案（方案編號、故障編號、解決方案、添加時間）

3鐵路通信設備故障診斷系統實現

3.1 專家系統故障診斷流程。鐵路通信故障診斷專家系統的故障診斷流程為：（1）描述故障現象，使用專家系統進行分析;（2）將發生的故障與知識庫中的故障特征進行比對，查詢是否有相同的故障記錄;（3）如果有相同記錄，則檢驗相關規則，如果僅有一條規則匹配故障產生的條件，則啟用該規則，當多條規則匹配成功時，選擇優先級的那條的規則作為啟用規則。（4）如果沒有任何規則可以對應，輸出“沒有相關知識為您服務”。

3.1 專家系統功能功能設計與實現。鐵路通信故障診斷專家系統的基本功能和性能要求如下：

（1）能夠實時的存儲鐵路通信工等維護人員需要的各種數據;能夠快速的提供給維護人員和管理人員使用，以便進行輔助決策;將一段時間產生的故障數據進行備份以防止重要數據丟失。

（2）能夠設定報警時間，及時提醒維護人員處理沒有被及時解決的故障，提升故障排除的效率。

（3）能夠將未處理的故障按優先級自動排序，方便維護人員及時發現和排除優先級高的故障。

（4）能夠就典型故障為鐵路通信工提供檢修流程和解決方案，以供輔助決策。

（5）具有查詢、統計等功能，方便進行故障、知識庫、用戶等數據的查詢、統計。

（6）具有友好的人機交互界面，方便系統各種用戶使用。

本系統采用瀏覽器/服務器（B/S結構）開發模式，選用VS2013、ACCESS作為軟件開發工具和數據庫管理工具，使用C#語言編程實現了鐵路通信設備故障診斷系統的用戶管理模塊、登錄模塊、故障診斷模塊、知識庫管理模塊、工單模塊、數據庫備份模塊等，其中知識庫管理模塊的實現效果如圖1所示。

4總結

基于診斷和專家系統的理論與方法，本文分析了鐵路通信設備故障診斷專家系統的必要性和可行性，設計了該系統的數據庫和功能模塊，并實現了其基本功能，能為鐵路通信設備和通信線路的一些日常故障維護檢修、分析排除復雜故障提供輔助決策支持。該系統已經在湖南鐵路科技職業技術學院與廣鐵集團公司長沙電務段共建的鐵路通信信號實訓基地進行了現場試驗，能有效提高鐵路通信工的維修水平，具有在較廣闊的應用前景。

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作者簡介：任佳（1980.10-），女，漢族，湖南汨羅，博士，高級工程師，研究方向：鐵道通信與信息化技術。