地铁车门故障诊断专家系统软件设计

孙 晨 吴视东 汪会志

（上海工程技术大学城市轨道交通学院，中国 上海201620）

由于现今国内地铁运营负荷普遍较大，高峰期列车严重过载，车门由于挤压震动等原因，工作环境恶劣，使得地铁列车车门成为整个车辆中故障频发的部分。地铁车门故障诊断专家系统是为了保证地铁列车车门系统在地铁列车运行中出现故障时，能快速准确的诊断所发生故障的智能计算机系统。将地铁车门故障相关诊断专家通过长期实践积累出的经验知识与计算机技术结合起来，从而形成对地铁车门系统故障信息管理、危害度分析、故障定位、故障诊断及故障预测于一体的地铁车门故障诊断系统，对车门系统故障维修提供良好的决策支持，提高车门系统故障检修效率。

1 系统需求分析和功能设计

1.1 系统需求分析

（1）总结积累专家诊断思维，分析故障诊断相关知识，建立地铁车辆车门系统故障诊断系统的故障征兆库、故障模式库和故障树模型等专家系统知识库；

（2）针对某些特殊故障链存在的多种不确定性，建立故障诊断模型；

（3）通过上述研究并结合计算机技术[1]建立地铁车辆车门系统故障诊断专家系统。

1.2 系统功能设计

应用程序的开发包括系统登录及权限管理、车辆基本信息管理、车辆运营信息管理、故障及检修管理、检修建议模块、用户管理6个功能子模块。知识库主要建立在检修建议模块，包括对数据的整理分析、数据库结构设计。

2 故障诊断原理及方法

对比测试法[2]是故障诊断的常用方法，即通过将实际系统的输出量与参考模型的输出量进行比较，来判断系统是否发生故障。并对已检测到故障的系统进行分析，分离故障征兆，识别故障原因，定位故障源。对于复杂系统，由于其故障的多样性，故障与征兆之间不存在简单的单项对应关系，其故障诊断往往是一种探索的过程。原理如图1。

图1 故障诊断过程流程图

专家系统的功能模块大致由6个部分组成：知识获取模块、数据管理模块、推理机模块、解释机模块、人机交互模块以及学习机构。地铁车门系统的故障诊断专家系统的结构如图2所示。

图2 故障诊断专家系统结构图

其中车门系统的知识主要从以下几个方面获得，包括现场维修技术人员的经验知识，产品使用说明书，车门系统结构原理图、门控电路图，对车门系统进行可靠性分析时所形成的FMECA表单、故障树等结果，以及车门系统运营故障数据，并通过对历史故障数据进行统计分析，总结出易发故障，从而对其进行重点诊断。

3 数据库的设计

数据库模块主要包含5个部分：列车基本信息、运营信息管理设计，列车故障、检修信息管理设计，列车故障树节点，列车检修建议查询。数据库部分是整个系统的数据源，是系统最重要的组成部分之一。

后台数据库服务器的重点在于设计数据表及其之间的相互关系，只对其中关键数据表的设计进行了阐述，结构见表1。

表1 关键数据表结构

4 主要功能模块及界面设计

4.1 系统管理与用户权限管理模块

根据现今地铁车辆的维修管理体系，由于系统使用对象的多样性，从而对应不同的用户权限。主要分为以下三种：管理员、高级用户与普通用户。如司机为普通用户，权限较低；车辆段的维修人员为高级用户；系统管理员则具有有最高使用权限，不仅可以查询知识库中的内容，根据实际经验对新获得的知识增删修减，还可以制定其他用户的权限。而普通用户则仅仅可以浏览，进行相应的诊断操作，并不能对知识库做任何改动。

4．2 车辆基本信息管理模块

基本信息管理包括车辆基本信息的录入与查询两个模块。其中，车辆基本信息查询模块对所有用户均开放，录入模块仅对高级用户及管理员开放。录入模块包括对信息的增添、修改及删除三种功能，具有相应权限的用户通过这三种功能对其中的信息进行编辑。普通用户只能进入查询模块，对其进行检索、查询及浏览，而不能对其中的内容进行任何修改。通过信息管理模块，用户可以实现对运行中的地铁列车的车辆编号、车辆类型、所属线路、所属公司及起始运营时间等列车基本信息的查询，车辆基本信息输入查询界面如图3。

图3 车辆基本信息查询界面

4．3 故障及检修管理

故障及检修管理模块是专家系统软件的核心数据库，也是更新频率最高的实时数据库。包括故障信息输入、故障信息查询、列控系统故障输入、检修信息输入、检修信息查询五个子模块。与车辆基本信息及运营信息管理模块相似，这其中查询相关的子模块对所有用户开放，输入相关的子模块仅对高级用户及管理员开放。

当车辆出现新的故障，车辆检修人员完成每完成一次检修工作，用户应将相应的故障信息及检修信息录入，使该模块相应的数据库得到丰富。在进行添加新知识内容时，用户应该对新知识与原有知识进行一致性检验，以保证知识库的一致性。通过对设备的结构树进行建立，对每个节点有可能发生的故障的所有信息进行编辑，节点与故障信息则通过共同的器件编号(Component ID)进行联系。

用户可以通过故障信息输入模块对故障信息进行录入更新，包括故障车辆编号、故障等级、所属线路、修程、故障所属系统、具体描述及检修状态等基本故障信息。从而完成诊断结果档案的建立与维护、各种诊断分析报表的建立与维护。

根据维修档案，用户可以跟踪了解设备运行状况，为制定设备的大修、中修、小修等维修计划服务。

4．4 故障诊断及检修建议查询模块

系统通过分析整个故障诊断专家系统的各个模块，找出需要的中间结果数据，为专家知识库静态实例库、动态实例库和规则库的更新、设备趋势分析、寿命预测和维修报表的生成等提供更直接的数据来源，最终故障诊段。诊断模块采用产生式规则[4]作为其知识表示模式，其基本表达结构为：

IF故障现象THEN故障模式 CF可靠度

系统对已发生出现的故障征兆，进行故障征兆信息挖掘，通过与数据库中已有故障模式及相关历史故障数据进行对比分析，得出基于一定可靠度的故障诊断结果。其中的可靠度由系统初始设置的置信度或人工设置所需结论的置信度进行预设。规则是智能诊断系统最基本的结构单元，它的正确与否直接关系到系统诊断的准确程度。所建立的规则应该能准确反映领域专家在处理实际问题的整个思维过程，正确的表达征兆与故障之间的因果关系，其次有些故障之间存在层次关系，所以某些结论的可信度可以在不影响诊断准确性的情况下进行继承，以提高推理效率。故障诊断及检修建议查询界面如图4所示。

图4 故障诊断及检修建议查询界面

5 系统运行环境与开发工具

本系统是由Windows系统开发，数据库设计工具选择SQL Server Management Studio 2012，系统的开发工具选择Visual Studio 2013，Visual Studio是微软公司推出的开发环境，是目前最流行的Windows平台应用程序，通过该软件进行界面设计可以自动设置开始页，使设计更加简便高效，同时兼容传统的VB 6．0，使设计的界面更能满足用户的需要。系统设计采用模块化的思想，在实际操作中可以多人共同设计。在Visual studio 2013编写界面时，根据不同模块的作用进行独立设计，最后整合在一块，这样一方面可以提高设计的效率，另一方面便于调试，在进行相似设计时可以直接利用，避免了重复工作。界面编好后进行调试工作，没有任何错误后，形成可执行的文件。

6 结语

本系统在设计阶段把其他子系统包含在内，在功能实现上只针对车门系统进行阐述，其他子系统为后续研究内容。

［1］波尔顿．数据库经典译丛：SQL Server 2012 深入解析与性能优化[M]．3 版．北京：清华大学出版社,2013．

［2］时旭．地铁车门系统故障诊断与维修策略的方法研究[D]．北京：北京交通大学,2009．

［3］包旭，马从兵．基于数据库的汽车故障诊断专家系统的设计[J]．公路与汽运2007(5)．

［4］张乳燕．地铁车辆牵引系统故障诊断技术及系统的研究[D]．北京：北京交通大学，2009．