基于圖論推理的高速鐵路信號系統網絡診斷方法研究

徐德龍,魯劍鋒,竇 偉,楊 璘

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

作為保證列車安全運行、控制列車運行速度的高速鐵路信號系統，系統結構都很復雜[1-3]。如果用戶要詳細了解系統內部狀態，需要額外借助于一個人機接口，即維護終端設備。通過維護終端詳細記錄系統內部狀態數據，對于故障判斷，傳統的方法為通過收集記錄信息，依靠工作人員的經驗，對信息進行人工分析及識別，得出判斷結果，判斷結果往往受人的因素影響大。目前，各行業對智能診斷方法研究較多，如人工智能應用中的神經網絡、貝葉斯網絡技術等[4-6]。信號系統多涉及行車安全，日志信息以記錄信息、開關量信息為主，用戶期望判斷出精準的故障點，人工智能的技術方法適用性不強。為此，以計算機聯鎖系統(CBI)為例，提出一種基于圖論模型和模糊推理的顯示和故障推理方法，并結合CBI系統網絡方面的監測及診斷技術進行實例研究，力圖計算出高質量的診斷結果。

1 CBI系統維護終端架構

CBI是典型的地面信號系統，由負責邏輯運算和控制輸出的聯鎖機、負責操作顯示的操作機組成[7-8]。系統的可靠性、安全性要求高，系統內各組成部分均為冗余設備，各組成部分間為網絡通信或串行通信方式，是一個有著較復雜網絡架構的控制系統[9]。維護終端與聯鎖機、操作機間為通信接口，其本身無控制功能，僅作為維護管理的手段，其總體架構如圖1所示。

圖1 計算機聯鎖系統維護終端總體架構

圖1中，維護終端從聯鎖機接收系統控制對象和采集對象的狀態信息(驅采對象信息)，系統內部的設備狀態、內部通道信息，以及系統外部的接口信息和通道信息(網絡狀態信息)，從操作機接收界面顯示信息以及操作命令，并對這些數據信息記錄和管理。維護終端設置人機界面，用戶可以通過界面操作查詢以上信息。當前的維護終端僅實現了這些基本信息的記錄和查詢功能，遠不能滿足用戶對智能化的需求。

在智能化方面，網絡監測是一個關鍵點，主要包括各主機狀態及通信通道狀態。其中，通道狀態主要包括兩個方面：一個是聯鎖系統內部設備之間的通信狀態，主要包括聯鎖機、操作機、維護終端之間的通信狀態；另一個是聯鎖系統與外部設備之間的通信狀態，主要包含聯鎖系統與列控中心(TCC)、無線閉塞中心(RBC)、相鄰的CBI、調度集中(CTC)等冗余接口的通信狀態[10]。CBI系統網絡結構相對復雜，接口數量大，冗余通道多，且中間存在交換機等轉發的環節。因此，研究CBI系統的網絡監測和診斷比較有代表性。

2 圖論及推理技術研究

對于維護終端，如果能采用圖形、圖像技術交互式地顯示，并基于圖形作進一步的推理，將大大提升智能化水平。近年來，相關學者對于圖論和推理技術進行了深入研究，為本文研究提供了理論支撐。

2.1 圖論模型研究

圖(Graph)是由節點及節點間的關系集合組成的一種網狀模型，用公式表達為G=(V，E)。其中，V是節點的集合；E是節點之間關系的集合，也稱為邊。圖分為有向圖(Directed Graph)和無向圖(Undirected Graph)。在有向圖中，兩個節點u、v是有順序的，用表示從節點u到節點v的一條有向邊。在無向圖中，節點u和節點v相關聯的一條邊沒有特定的方向，用(u，v)表示[11]。CBI系統為各主機以及雙向交互數據的特定應用系統，可將具體主機抽象為節點，將通信通道抽象為連接兩個節點的邊，依據此方法將CBI系統網絡轉化為無向圖模型[12]。

根據圖論模型搭建的網絡節點和通道模型示意如圖2(a)所示。其中，A為第1層節點，B1、B2、B3為第2層節點，C11、C12、C21等為第3層節點。本模型中上層節點和下層節點為獨立連接，節點間沒有交叉互通的情況。在CBI系統中，各主機之間的冗余通道存在交叉關聯的情況。為此，將圖2(a)的模型進一步改進，增加交叉的無向邊。如圖2(b)中虛線部分，B1節點和C21節點關聯，B2節點和C11節點關聯。這種情況下的關聯關系將更復雜，但無論如何交叉互通，采用的方法是相同的。以B1節點為例，其關聯的通道有4條，分別為A-B1、B1-C11、B1-C12、B1-C21，如果模型中還存在C13、C14等節點，也就是還存在第5、6條通道。

圖2 改進前后的網絡節點和通道示意

2.2 推理技術研究

推理機是整個推理過程的核心，其關鍵是推理方向和推理方法，推理過程如圖3所示。推理方向包括正向推理、反向推理及正反向混合推理3種[13]。其中，正向推理為從事實出發，推理出目標的方法。反向推理從目標出發，沿著推理路徑回溯到事實，從一般性開始，逐步涉及細節，通過收集越來越詳細的證據以求證實一種情況或假設。在實際應用中，正向、反向推理應用均比較廣泛。正向推理多應用于節點、邊狀態都已知的情況下。反向推理可應用于有未知節點或邊狀態的情況下，通過反向多條無向邊分析和推理，推理出未知節點狀態。本文的推理方向主要為依據搭建的圖論模型展開。圖2(b)中的節點B1，如因條件限制，無法獲取其節點狀態，這時可對B1節點反向推理。滿足B1相關的所有節點的故障判斷后，即多異常節點的互相驗證后，確定B1節點狀態。

圖3 基本推理流程

模糊邏輯是一門數學學科，它以允許真實度和謬誤度的模糊集理論為基礎[14]。模糊推理是效仿人思維的推理過程，是常用的分析方法之一[15-16]。模糊邏輯方法是基于有著表示判定特征的模糊集，采用IF-THEN語言規則，針對某一前提推理出結果的過程。其公式表述為式(1)的形式

(1)

其中，M→P，當M′與M滿足一定相似要求時，得出結論P′。模糊推理及控制已經應用到控制高階非線性系統，不能用數學描述或由于太復雜而不能分析的系統，如飛機飛行控制、電力系統和核反應堆控制等。對于CBI系統，當網絡發生故障時，因通道中有交換機等中間設備，難于精確地判斷出故障點。采用不確定性推理方法對故障信息進行模糊推理，將有助于解決系統網絡故障時節點或邊判斷的難題。

3 CBI系統網絡監測實例研究

3.1 基于圖論原理的顯示界面設計

根據圖論的原理，網絡監測按照系統物理連接的方式進行顯示，反映出系統中所有的物理設備及物理連接通道。所有設備及設備間的連接線纜都能顯示且與實際設備一一對應，做到圖形界面與實物相符，有利于用戶準確地處理故障設備[17]。

(1)節點設備設計

本文以TYJL-ADX型計算機聯鎖系統為例，對其二乘二取二冗余結構的設備組成進行分析，梳理出系統內各節點設備，如表1所示[18]。主要包括操作A機狀態、操作B機狀態、聯鎖I系狀態、聯鎖II系狀態，以及外部設備CTC-A機狀態、CTC-B機狀態，以及相鄰的CBI、TCC、RBC主機狀態。

表1 節點設備

(2)節點和通道狀態庫

根據表1的節點設備，建立主機狀態庫。主機狀態庫基本信息主要包括節點編號、設備名稱和節點狀態，節點狀態主要為主控、備用、故障、未知等。

建立通道狀態庫。計算機聯鎖系統的網絡監測數據來源分散，通道數量大，維護終端只能收集到邏輯通道的狀態信息，沒有直接反映物理通道狀態的信息。在軟件實現方面，將所有邏輯通道狀態按照自定義的存儲格式保存在一片緩存里，自定義的存儲格式舉例如表2所示，通道狀態為0表示未知，1表示正常，2表示故障。

表2 邏輯通道狀態庫格式

按照圖論模型和以上分析，并參照航空領域的人因工程相關標準，設計的TYJL-ADX型計算機聯鎖網絡監測實物界面效果如圖4所示。

圖4 TYJL-ADX型計算機聯鎖節點和通道邊顯示效果

在圖4中，節點用方框表示，通道邊用線條表示。節點的狀態通過邊框顏色進行區分，其中綠色表示主控，黃色表示備用，紅色表示故障，灰色表示未知。通道邊的顏色通過連接線顏色反映，其中綠色表示正常，橙色表示部分故障，紅色表示故障，灰色表示未知。在界面中，白色虛框以內的節點和通道邊為CBI系統內部設備，虛框以外的節點和通道邊為外部接口設備[19]。

邏輯通道的狀態顯示采用二級窗口的方式呈現。當點擊節點設備框時，彈出相關聯的邏輯通道狀態表。圖5為聯鎖Ⅰ系節點的邏輯通道狀態表效果，共包括與操作機、TCC、CBI、RBC的16個邏輯通道狀態。采用這種兩級界面的顯示方式，實現了基于圖論模型實物關系圖，同時也顯示出了底層狀態數據，便于對比分析。

圖5 邏輯通道狀態顯示效果

(3)通道狀態計算方法

在通道邊狀態顯示前，首先要將狀態庫中的邏輯通道數據信息轉換為物理通道狀態。CBI系統的通道為一段通信線，兩端節點為主機，或主機與交換機。在網絡模式下，邏輯通道與物理通道存在著本質上的區別。一是起點、終點節點的區別，邏輯通道為主機與主機的狀態，物理通道的兩個端點可能是主機與交換機，僅僅是邏輯通道的一段；二是每個物理通道包含了多個邏輯通道狀態的一段。物理通道和邏輯通道部分重疊但又不完全相同，逐段逐條一一對應是一個難題。本文提出的計算方法基本原則是，根據網絡結構，一條物理通道狀態的顯示綜合考慮該物理通道上所有邏輯通道的狀態。經由該通道的所有邏輯通道都正常，物理通道顯示為正常；所有邏輯通道都故障，物理通道顯示為故障；否則物理通道顯示為部分故障狀態。以操作A機到交換機A的物理通道為例說明。操作A機通過該物理通道與聯鎖Ⅰ系、聯鎖Ⅱ系、維修機分別建立邏輯通信。根據表2，3個邏輯通道的狀態在狀態庫緩存中分別位于第1，9，14位。在初始化該物理通道時，新建一個列表用于保存該物理通道對應所有邏輯通道狀態的索引值，即將索引值1，9，14保存到該列表中，如表3所示。在計算該物理通道狀態時，在緩存中遍歷該列表中索引值對應的狀態值，從而實時獲取操作A機到交換機A的物理通道狀態。其他物理通道計算方法類似。

表3 物理通道與邏輯通道索引關系

為了實現網絡狀態的回放，將實時接收到的邏輯通道狀態按時間順序存儲成文件。在回放網絡狀態時，讀取狀態庫文件，重新按以上規則進行以上計算即可再現歷史時刻的網絡狀態。

3.2 基于推理的故障診斷

在實際使用過程中，系統中某條線纜或者某個節點設備故障后，往往出現的現象是，網絡狀態圖上顯示的故障區域比實際的范圍要大。如交換機A故障，與交換機A相連的5個通道邊全部顯示為故障，致使從建立的圖論模型上難于直觀看出故障點。

使用者希望能提供一種自動的故障定位功能，引導用戶優先排查最可能出現故障的節點設備或連接通道。采用基于圖論模型和模糊推理方法的混合推理控制策略，從主機節點追溯網絡狀態，查詢的方式發送診斷指令，調取狀態庫的記錄信息進行識別判斷，追溯到相關的所有節點。以根據全部的邏輯通道狀態及主機節點工作狀態，通過邏輯判斷和模糊推理方法，最終定位到最可能出現故障的設備或者通道[20]。按照以上需求設計的推理機判定流程如圖6所示。

圖6 網絡故障推理判定流程

在圖6所示的推理工作流程中，對于交換機的故障定位，在具體判別時，還需采用模糊推理的方法。在已知“經過交換機所有邏輯通過通信中斷，為交換機故障”大前提后，如對于交換機A故障，根據具體狀態庫中邏輯通道狀態作為小前提，經過模糊推理判別出故障點，具體推理如下：

結合本文研究的通道特定計算方法，以及圖6的推理工作流程，經過進一步延伸分析，得出圖7所示的聯鎖Ⅰ系推理流程。

圖7 聯鎖Ⅰ系至交換機B故障推理處理流程

以聯鎖Ⅰ系與交換機B的網線故障為例，這是一個較常見的故障情況。在網絡圖中，如圖8所示，交換機B有一各通道顯示為3倍寬度的紅色線條，3個通道顯示為2倍寬度的橙色線條。該故障導致聯鎖Ⅰ系至交換機B的邏輯通道全部中斷，包括聯鎖Ⅰ系與操作A機邏輯通道中斷、聯鎖Ⅰ系與操作B機邏輯通道中斷、聯鎖Ⅰ系與維修機邏輯通道中斷。此情況下，操作A機、操作B機、維修機經過交換機B與聯鎖Ⅱ系通信正常。按照圖7所示推理過程，從聯鎖Ⅰ系查詢，推理出聯鎖Ⅰ系與交換機B的通道邊故障。

圖8 網絡監測界面故障顯示

除此之外，對于安全數據網故障、與CTC通道故障也能參照以上方法進行推理分析。基于本流程對CBI系統進行了完整的網絡故障推理，覆蓋了所有設備節點和通道故障判別，現已完成軟件開發。

4 結論

基于圖論模型進行設計，并在圖論模型和模糊推理方法的混合推理策略的基礎上，結合計算機聯鎖系統的網絡監測診斷功能進行實例研究，從顯示、故障定位方面對網絡主機節點、通道邊的故障點分析進行了深入研究。經實踐驗證結論如下。

(1)采用圖論模型的信號系統網絡狀態顯示方式，可視化程度高，可用性強。

(2)基于圖論模型和模糊推理方法的混合推理方法，能夠有效對主機節點、交換機、通道邊進行精準或區域故障定位，可行性強。

(3)以上顯示和故障定位方法，可為相關系統的網絡監測和診斷提供借鑒。