专家系统在铁路信号设备故障诊断中的应用

·28· (总 800) 专家系统在铁路信号设备故障诊断中的应用 20t2年 文章 编号 ：1003—5850(2012)10-0028—02 专家系统在铁路信号设备故障诊断中的应用 黎 想 (同济大学计算机科学系，上海 201804) 摘 要：铁路信号设备在保证列车运行，提高运输效率，保证铁路运行秩序等方面起到重要作用，同时也成为保障铁路运输安 全的关键所在。当前 ，对铁路信号设备故障的分析处理大多依赖于设备维护人员的经验 ，由于铁路大发展所造成的专业人员数量相 对缺乏，有必要建造一个专家系统，作为铁路信号设备故障诊断的有效辅助工具。通过研究专家系统的一般原理，设计出一种适合 铁路信号设备故障诊断的专家系统。通过铁路现场调试表明，该专家系统适用于国内铁路信号系统，对保障铁路运输安全有重大意 义 。 关键词：专家系统，铁路信号设备 ，故障诊断。微机监测，推理机 中图分类号 ；TP39 文献标识码 ：A Application of Expert System to Rail way Signal Appliance Fault Diagnosis LI Xiang (Department of Computer Science，Tonicgji Universit Shanghai 201804，China) Abstract：Railway signal appliance not only plays an important role tO ensure the running of trains， improve transport efficiency，and keep the railway running order，but also become the key tO protect the safer Y of rail transport．At present， the railway signaling appliance failure analysis and processing are mostly dependent on the experience of expert．Because of lack of professionals caused by the rapid development of the railway，it is necessary tO build an expert system ，which can be taken as an effective tool for diagnosis railway signal appliance failure．In tiffs paper，by studying the general principles of tim expert system ，combining with the actual situation of the railway signaling system ，it designes a suitable railway signaling appliance fault diagnosis expert system．Experiments show that the expert system is suitable for domestic railway signaling systems，and of great significance tO the protection of rail transport security． Key words：expert system ，railway signal appliance，fault diagnosis，inference engine，computer monitoring system 铁路信号设备故障诊断专家系统是近年来新提出 的一个系统 。目前 ，许多铁路电务设备的运行数据都 由 集中监测系统进行采集统计，但是并没有一个合理的 方法将这些数据有效、合理地运用起来。大部分的铁路 路局都只是通过人工的方式，设立分析部门对数据进 行每 日的轮检，或者通过一些专家将这些数据进行进 一 步的分析，以期得出设备的运行状况，指导状态维 修。但是，具备这种分析能力的专家人才不多或非常缺 乏，而且通过每日的轮检来分析运行状况，很难将数据 分析得面面俱到，导致了许多关键的信息被遗漏，对设 备状态数据的采集精度造成了一定的影响，并会导致 铁路运输的安全隐患。当前，专家系统作为人工智能的 一 个领域在各行各业得到广泛应用。把专家系统与铁 路信号设备故障诊断相结合，有必要构建一个适合铁 路信号设备的专家系统，作为铁路信号设备维护人员 的辅助工具。 专家系统概述 专家系统于 2O世纪 6O年代产生 ，现已作 为～ 门 实用学科。它结合了人工智能、计算机程序设计、数据 收稿日期：2012—06—16，修回日期：2012—09一ll 黎 想 ，男 ，1987年 生 ．硕 士，研究方向 ：人工智能理论 及应用 。 · 29· 库、计算机网络等相关技术，是人工智能领域在实践中 的一个成功运用 。一般认为，专家系统由知识库、推 理机、人机接 口、解释器、事实获取系统 5个部分组 成[1]。 2 系统总体设计 铁路信号设备故障诊断专家系统是一智能故障诊 断系统。它的设计遵循前文所述的专家系统结构，并且 结合铁路系统的特点进行改进。该系统的最终目的是 通过推理规则判断信号设备是否存在故障或处于易发 故障状态。图 1展示了铁路信号设备故障诊断专家系 统的总体结构。 图 1 系统总体结构 3 系统设计与实现 3．1 铁路现场数据采集子系统 微机监测系统：通过 CAN总线采集现场电信设 备的运行参数，并存储到数据库中。各种设备的状态信 息，通过铁路信号微机监测系统获取，从车站发送到监 测系统服务器中，作为专家系统的基础数据。目前我国 大部分 车站采用的是 TJWX一2000型微机监测系 统L2]，通过模拟量与开关量两种形式来描述实时采集 的数据。其中，开关量为二进制的 0与 1，主要用于描 述设备的状态信息，继电器状态。模拟量主要包括设备 运行的电流、电压、时间、温度湿度等连续变化的参数。 同时，微机监测系统还具备设备历史状态存储功能。 微机监测系统采集铁路现场信号设备运行参数， 在电务段设置服务器保存监测数据并且通过铁路局的 服务器监测设备运行状况。系统构成如图2所示。 铁路局 中心、电务段 中心与车站信息 流 图2 微机监测系统构成 其中，车站机监测车站设备采用 CAN总线传输； 车站机、电务段、铁路局之间的通信采用 TCP／IP协 议 。 3．2 用户接 口子系统 通 过 Visual Studio 2010集 成 开发 环 境 ，．NET Framework 4．0架构搭建用户接 口。系统界面如 图 3 所 示 。 ￡蔓 ! 至 ：： 卿 ： =蛊蛙 匿 礁建鲤壁盐蛰 董 誊 j 。I ～= ， _ 一 ‘ ． 。A· 一 ’ ． 一 ⋯ ‘ r — ’ ’ 一 一 图 3 专冢 系统 界面 3．3 推理子 系统及解释子系统 本专家系统采用正向推理策略的产生式系统。这 个策略的特点是推理机易于实现，易于管理 ，且能快速 搭建。 根据该铁路信号设备故障的故障分解及产生式的 特点，结合正向推理策略，把一条规则分为 3个部分： 前提条件 c，中间条件M，结论 R。除此之外，每条规则 都有一个置信度。 一 条规则包括规则名、规则置信度、后件、前件如： Rule 0．9 C1+ C2+C3+C4一 M 1 推理开始前，首先搜索知识库，将当前设备运行参 数与知识库中的规则进行对 比，把 当前存在的所有无 需推理即存在的规则提取到内存中。每条规则在内存 中表示成如下结构 ： struct rule f char nam e； double certainty； vector-~struet rule *> prev； vector next； bool conclusion； ) 推理算法如图 4所示 。 该算法采用向前推理方法，遍历当前设备运行状 态，在知识库中搜索规则，进行推理，找出所有的结论， 并对故障进行报警。 3．4 知识库设计 本系统使用 MySQI 数据库系统储存和管理知识 库中条件与规则，并且可以方便地增加、删除、修改规 则。由于前文已对推理算法进行了描述，所以数据表的 条目是显而易见的，分别用 5个列对应规则数据结构 即可 。 (下转第 32页) 一 基于iSCSI协议的IP SAN存储解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在视频监控中的研究 据段返回给 SCSI Initiator。 最后，虚拟iSCSI Initiator在获得iSCSI存储设备 的 Target Name后 ，将会 话模 式设 置为 SessionType = Normal，使用上步获得的iSCSI Target Name登 录， 完成 Normal状态下的安全和操作协商 以后，虚拟 iSCSI Initiator和iSCSI存储设备之间建立了Normal 模式 的全功能状态会话 ，在这个会话过程中，可以实现 存储数据的通信。 4 虚拟 logical volumes(逻辑卷)设计 虚拟 logical volumes的功能 是 为虚 拟 iSCSI Target提 供一个 访 问接 口，同时使用 虚 拟 iSCSI Initiator所提供的接 口，实现对 iSCSI存储设备的存 储空间进行整合，进而虚拟一个巨大容量的存储池，这 个存储池同样是个虚拟的总 logical volumes，它的存 储容量为所有真正 iSCSI存储设备的存储空间的总 和 。 监控用户的 SCSI命令中的 I．BA(逻辑块)地址分 别 对应 所 分 配 的 用 户逻 辑 卷，所 以 有一 个 虚拟 的 logical volumes映射表动态地将存储空间与监控用户 的虚拟 logical volumes进行映射，将监控用户的虚拟 logical volumes的 LBA 地 址转 换 为存 储 池 中的总 logical volumes的块地址，同时再将这个块地址转换 成真正的iSCSI存储设备上的LBA地址。 当监控用户通过接口访问一个分配给它的存储空 间时，它的SCSI请求所对应的是一个虚拟的logical volumes地址，监控用户可以对存储空间进行相应的 读写操作，这两种操作使用同一种寻址方式，对应一个 连续的 LBA地址。 (上接第 29页) 5 虚拟管理配置模块设计 虚拟管理配置模块主要完成配置信息的生成和维 护。包括 iSCSI设备 的 IP地址、块的数 量 BlockNum 和块的大小 BlockSize；监控用户的 lnitiatorName、为 监控用户所分配的块的数量 BloekNum和存储空间的 零扇 区在存储池 中的起 始点位置 StartPoint等 ，这些 配置信息都要以文本的形式保存在存储系统的服务器 中，使用统一的格式对存储设备进行描述 。 6 结束语 近年来，随着和谐社会、平安城市建设的不断推 进 ，视频监控已经发展到以数字化、网络化为核心的时 代。同样，监控视频数据的完整存储和数据安全也成为 一 个非常重要的问题。在海量的视频存储技术中，随着 iSCSI存储 设备性价 比的不断提 高，可 以相信 ，基 于 iSCSI的IPSAN存储解决方案将会成为网络视频监 控系统中的主流存储技术。 参考文献： [1] 宫宇峰，朱晓红．虚拟存储技术的网络化实现及应用 LJ]．情报科学，2006，24(4)：588—591． [2] 胡志雄．网络视频监控系统的发展障碍[J]．中国公共 安全 (综 合版)，2006，1l(8)：38—39． E3] 蔡明，任绮年，易剑光．视频监控系统中的视频存储系 统的设计与实现EJ]．江南大学学报(自然科学版)， 2003，2(2)：115—118． [43 徐学雷．网络存储技术及其新进展[J]．北京电子科技 学院学报 ，2005，13(4)：7-10． [5] 杨冬竹．虚拟存储技术及其应用探讨口]．科技情报开 发与经济 ，2006，16(15)：214—216． 图 4 正向推理算法 4 结 论 为了验证本文所述的专家 系统 的有效性，在沪宁 铁路镇江车站对该系统进行了现场调试，结果令人满 意 。在现场调试 中所遇到的碳刷接触不 良、滑床板不 良、1DQJ电气特性改变、道岔解锁 困难、道彷锁 闭过 紧、尖轨反弹等铁路信号系统常见故障都能被本专家 系统检出。调试结果说明了系统设计的科学性和有效 性 。 参考文献 ： [1] 蒋呜雷．专家系统在汽车故障诊断中的应用fJ]．中国 新技术产品，2010(11)：34． Ez] 王书强，匡兴杰，张 喜．铁路车站信号设备故障诊 断专家系统的研究[J]．铁路计算机应用，14(1)：9-12． E3] Fink P K，Lusth J C．Expert System and Diagnostic Expertise the Mechanical and Electrical Domain【J]． IEEE Trans．SMC，1987，17(3)：340—349．