铁路信号设备故障诊断专家系统研究

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摘 要： 铁路运输是当前社会交通运输当中一种重要的交通方式，在我国经济建设中发挥了十分重要的作用，铁路运输是否正常，在很大程度上取决于铁路系统的安全性和稳定性。信号故障设备是铁路运输基础设备之一，担负各类行车设备状况的信息传输与调度指令控制的作用。信号设备故障在铁路运输系统中是一个十分严重的隐患，如果对信号故障处理不到位，则很可能会带来严重的安全后果。铁路信号设备故障诊断专家系统可以实现对信号设备的故障进行实时诊断分析，从而提高铁路运行的安全性。本文对铁路信号设备故障诊断专家系统的设计进行分析和探讨。
关键词：铁路信号设备 故障诊断 专家系统
中图分类号：U284 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）05-0233-02
引言
随着我国经济水平不断提升，我国铁路行业近几年来得到了飞速的发展，尤其是列车的不断提速、高铁不断建设，铁路运行水平有了很大程度的提升，但铁路运行过程中的安全问题也越来越明显。安全问题一直是各国铁路运输行业关注的重点，在铁路运行过程中会产生很多信号，信号设备是对这些信号进行传输、接收、执行的基础设施设备，通过信号的产生、传输与执行，可以控制铁路车辆的正常安全运转。信号设备在运行过程中也可能会出现各种故障，对于信号设备故障要及时处理，以防对整个铁路运输系统带来影响。铁路信号设备越来越复杂，复杂程度也越来越高，传统的铁路信号设备管理通常都是通过技术人员将信号设备的故障信息收集起来，并且对这些信息进行分析，以得到信号设备的运行状况，对信号设备的维修工作进行指导。单纯地依靠人工检测并不能及時检测发现到的问题，很有可能会导致铁路信号设备故障不能被及时发现而酿成大祸。铁路信号设备故障诊断专家系统是专门针对铁路信号设备故障提出的一个系统，能够实现对铁路信号设备故障的及时诊断、分析、处理，可以为铁路信号设备维护人员的维修工作提供帮助，提高信号设备维修效率。
一、铁路信号设备故障分类和成因
1.铁路信号设备故障分类
一般将铁路信号设备的故障划分为几种类型，例如电器元件故障、各种逻辑关系错误导致的故障、数据信息错误导致的故障等。在铁路信号设备故障的分类过程中，按照不同的角度进行分类会产生不同的故障类型。例如按照故障的显示形式可以将故障分为显性故障和隐性故障，隐性故障是难于发现的故障类型，这种故障往往需要通过很多检测以及技术人员丰富的检测经验才能发现，而显性故障则一般都表现得比较明显，能够明显地显示出来，有助于技术人员及时对故障进行维修。例如根据故障的产生原因可以将其分为人为故障、非人为故障，人为故障指的是由于操作人员的误操作和不尽工作义务产生的一些故障类型，而非人为故障则一般是指由于电气设备老化或者隐性故障没有检测出来而产生的故障类型。按照故障产生的性质可以将其分为机械设备故障和电气故障，机械设备故障主要是指各种硬件设备故障，例如由于维修不及时、材质老化等原因造成的各种机械设备不能正常运转，螺丝松动、继电器不能自动开关等都属于机械故障。电气故障指的是各种电气设备故障，很多电气元件都具有一定期限的使用寿命，超过使用寿命之后就会导致各种设备不能使用。
2.铁路信号设备故障的原因
在铁路信号设备管理过程中，找到故障原因才能对症下药，对故障进行及时解决。当前铁路信号设备故障产生原因主要有几个方面：
2.1铁路信号设备的质量差。构成基本电路的铁路信号设备质量不过关，使用一段时间之后就出现严重的老化、磨损等现象，会导致信号设备故障。
2.2维修不当。对铁路信号设备进行定期维修是提高信号设备工作效率的重要途径，但是当前铁路系统中有的现场维护的工作人员业务素质不够高，技术水平较低，误操作导致故障，而且对各种故障也没有及时维修处理，因此导致信号设备的故障越来越严重，最终酿成严重的安全后果。
2.3违章操作。在铁路系统中有规范的操作要求，很多技术人员在进行工作的时候没有按照相应的规章制度进行操作，因此导致各种故障问题出现。
2.4其他外界因素。铁路信号设备大多是暴露在室外的，因此外界环境条件对铁路信号设备的运行也产生很大影响。例如雷击事故就可能导致铁路信号设备烧毁，进而对整个铁路系统的运行造成安全隐患。
在铁路运行过程中，信号设备是一个十分重要的基础设施，随着铁路运输安全性要求越来越高，信号设备也必须要满足一定的要求，信号设备在发生故障时，应该要具备完善的应急措施，能够启用备用设备，确保列车稳定、安全运行。当前关于铁路信号设备故障的检测一般都是利用计算机实时检测，构成一个网络系统，但是这种系统对于铁路信号设备运行过程中的很多异常情况都不能及时发现，因此难以监测得到准确的数据。
二、铁路信号设备故障诊断专家系统结构的概况
专家系统是上世纪六十年代产生的一个系统性很强的学科，结合了人工智能、计算机程序设计、数据库、计算机网络等相关技术，也是人工智能在各个领域实践产生的系统。通常认为专家系统主要包括五个部分，第一，知识库，第二，推理机，第三，人机接口，第四，解释器，第五，事实获取系统。专家系统与铁路信号设备故障诊断的结合，是提高铁路信号设备故障诊断和处理水平的重要途径，可以及时发现各种信号设备故障，为技术人员的维修提供支持和帮助。
在铁路信号设备故障诊断专家系统设计过程中，其基础是信号微机监测系统数据，专家系统结构可以分为三个部分，分别是数据预处理、故障诊断专家系统、检修管理模块。其系统结构如下图所示：
如上图所示，该系统采用B/S结构作为系统设计基础，B/S结构具有独特的优势，为系统设计开发提供了很多便利，B/S结构是在 Internet 技术不断发展的基础上诞生的，能够帮助不同的人、用不同的介入方式来对共有的数据库进行访问和操作。例如利用B/S结构对就业规划测评系统进行开发，只需要从服务器方面着手即可，不需要考虑到客户端方面的因素，因此从某种程度来讲，降低了开发成本，也降低了开发人员的工作量。B/S结构最大的好处是运行维护过程都比较简单，但同时也具有一定的缺点，例如对外网环境依赖性太强，但是由于各种原因，可能会引起外网中断，从而导致系统出现瘫痪。该系统需在服务器上存放应用程序数据库与相应部件库存，而且统一选取浏览器用客户端访问服务器，系统操作系统比较简单，不需要额外安装其他软件。基于B/S结构故障诊断专家系统，可以对多个信号设备进行远程诊断，极大地提高了诊断效率。当诊断系统中想要开发新功能的时候，只需要对服务端进行开发或部署即可，不需要对客户端进行改变，因此极大地提高了系统的扩展能力。
从上图的结构系统图可以看出，在铁路信号设备故障诊断专家系统中有三个重要模块：
第一，数据预处理模块。数据预处理模块主要是为故障初始数据服务的，能够将各种故障数据信息传递给故障诊断模块，由铁路有关服务器对数据进行实时采集，并且将各种信号设备的故障初始数据转换成统一格式，将编码数据转换为可读表数据，并且在相应地数据库中添加新的故障信息。
第二，故障诊断模块。故障诊断模块是铁路信号设备故障诊断专家系统的核心，主要是对各种故障进行诊断，在故障诊断模块中会根据输入的故障症状信息体现出具体的症状，并且可以对知识库、数据库进行适当调用，将数据库中的信息与实际产生的故障信息进行匹配，利用和用户交互的过程取得更多完整的故障信息，对故障的种类以及具体的原因进行诊断分析。
第三，维修管理模块。维修管理模块也是铁路信号设备故障诊断专家系统中的重要组成部分，当分析故障成因之后要及时对故障进行解决，维修模块是铁路信号设备故障决策支持系统的组成部分，可以派发检修任务，及时对故障进行解除。
三、铁路信号设备故障诊断专家系统设计
1.系统结构总体框架设计
通过对信号设备故障诊断专家系统的构成进行分析，并且结合铁路信号设备故障诊断特征、要求等，可以将故障诊断专家系统结构总体框架设计出来。其中知识库、人机接口是专家系统的重点设计部分，例如知识获取子系统设计，主要是对各种信号信息进行获取，例如设备故障机理、故障记录等。知识库的设计也是一个关键内容，知识库被称为规则库，在设计知识库的过程中应该要根据相应格式、原则等进行处理，将信号设备体现出来的各种信号转移成为专家系统可以识别的信息形式。信号设备微机监测系统则主要实现对铁路车站现场设备的检测，能够对设备的运行状态进行更加准确地识别，并且向检测主机传递信号设备的状态。当前信号设备微机监测系统在铁路系统中的应用十分广泛。
2.系统功能模块设计
2.1铁路现场数据采集子系统
铁路信号数据采集子系统指的是微机监测系统，通过CAN总线对铁路信号设备的运行参数进行采集，并且要将各种参数存储到数据库中。下图为铁路信号数据采集子系统示意图：
通过铁路信号微机监测系统可以对信号设备的工作状态进行获取，这些数据信息将作为信号设备故障诊断专家系统的基础数据。当前我国铁路系统中大多数车站都采用TJWX-2000型微机监测系统，该系统主要通过模拟量与开关量两种形式对采集的信号设备数据进行描述。其中，开关量为二进制的0与1，主要描述各种信号设备的状态信息。模拟量则主要包括信号设备运行过程中产生的电流、电压、时间、温度等参数。与此同时，微机监测系统还具备设备历史状态存储功能，能够将信号设备历史运行过程中产生的信号状态进行记录。在电务段设置服务器保存监测数据，并且可以通过铁路局的服务器对所有设备的运行状况进行监测。其中，监测车站设备采用CAN总线传输，车站机、电务段、铁路局三者之间可以采用TCP/IP协议进行通信，对各种信息数据进行及时传输。
2.2人机对话子模块
在专家系统中人机交互是一个十分重要的功能，为了实现良好地人机交互功能，在专家系统设计过程中要设计输入、输出部分，人机对话子模块中不能任意修改参数，人机对话和专家、知识工程师接口都能对专家、知识工程师的知识进行接收，以此对系统的工作性能进行进一步了解。与此同时，技术人员还能通过人机交互功能对系统中的各种问题进行解决。在人机对话子模块设计过程中主要采用Windows操作系统，该界面良好、清晰，通过自然语言、文字输入与输出可以实现信息数据的传递。
2.3知识库构造子模块
知识库是推理机正常运作的前提，知识库要对电气集中故障检修专家知识进行准确表达，知识库是程序的外部数据库，主要存储各种故障信息，当信号设备出现故障的时候，监测系统将采集到的信号传递给诊断模块，诊断模块就要将实际故障与知识库中的故障信息进行比对分析，从而对故障进行“确诊”。知识库通常具有专家系统知识的存储与管理功能，需要根据固定格式对子模块进行设计，并且要区分中英文格式，确保信号设备的故障能及时被诊断。
2.4诊断分析推理模块
诊断分析推理模块主要是利用推理模式对故障进行诊断的过程，推理得到的结论就等同于专家对故障进行诊断之后得到的结论。推理模块结构如下图所示：
在推理机中集成了推理与控制两个功能，这两个功能也使得专家系统与一般的资料库系统和知识库系统不相同，专家系统的智能化程度更高，能够对信号设备的故障症状进行推理和分析，注重推理分析的过程，是对故障进行详细解剖的过程。推理模块中主要包括推理机制、控制策略两个重要方面，此子模块设计技术必须确保程序能够正常运作。在信号设备故障诊断系统中，可以选取反向推理机制作为专家系统故障诊断、维修专家系统的主要方式。其推理方式是首先对结论的正确性进行假设，然后再对各种结论所对应的条件的合理性进行分析和验证，如何验证条件成立，则可以得出对应的结论。
2.5综合数据库构造子模块
该模块在主要是对执行推理环节中的各种信息进行存储的模块，其中包含的内容十分复杂，例如用户对系统提问的回答等，其主要的目的是将设备运行工作状态数据存储到信号设备故障诊断专家系统的综合数据库中。在对该模块进行设计的时候应该要确保数据能够及时更新，从而能够对信号设备的状态进行正确反映。在专家系统运行过程中，综合数据库中的内容可能会呈现持续变化的现象，在整个专家系统运行过程中，都要考虑到数据库与知识库的对接，从而确保系统的完整性。
结语
综上所述，铁路信号设备是对铁路车辆运行过程中的各种故障进行反映的基础设施，信号设备的正常运转是确保铁路安全运行的重要前提，在信号设备运行过程中可能由于多种原因会导致信号设备出现故障，对此，要积极加强对故障的分析和处理，及时解除故障，提高信号设备的工作水平。铁路信号故障诊断专家系统是对铁路信号设备故障进行诊断分析的专业系统，可以对故障进行及时发现、及时分析、及时处理，从而提高信号设备的工作性能。
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