轨道交通多Agent监控诊断维护支持系统

龚晓妍，朱晓青，秦斌，王欣（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南株洲 412007）

轨道交通多Agent监控诊断维护支持系统

龚晓妍，朱晓青，秦斌，王欣
（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南株洲 412007）

摘要：针对城市轨道交通运行过程中设备监测、信息采集、故障诊断的数据不全面、反馈不及时等问题，提出基于MAS（multi-agent system）的轨道交通智能控制-故障诊断-维护支持系统方案。该方案通过Agent与Agent之间协调优化实现轨道交通的分布式、协调化、集成控制与管理。描述了该系统的总体框架、网络结构，最终实现面向安全、维修、调度、管理等信息化业务的轨道交通信息采集、诊断和维护。

关键词：城市轨道交通；维护支持系统；多Agent系统

本文引用格式：龚晓妍，朱晓青，秦斌，等.轨道交通多Agent监控诊断维护支持系统[J].新型工业化，2015，5（8）：11-16

Citation: GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, et al. Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 11-16.

0 引言

城市轨道交通维护支持系统是专为地铁系统研发的具备设备监测、故障智能分析、维护管理等功能的综合性维护管理系统，在综合监控平台ISCS（Integrated Supervision and Control System）基础上，研究基于MAS（multi-agent system）智能控制-故障诊断-维护管理模型，为轨道交通设备的管理和维护提供更好的服务，能够有效提高设备的维护质量和维护效率，保证城市轨道交通能够安全、高效运行。

当前轨道交通设备的维护实施过程中，对正线设备的信息监测不全面，正线系统的主要子系统ATS（列车自动监控）、ATP（列车自动防护）和ATO（列车自动驾驶），正线计算机联锁系统及车辆段/停车场计算机联锁等各子系统能够自诊断和监测报警，但存在着标准和界面不统一的问题；部分设备采集的数据及报警信息分散在不同的系统中，且数据难以在系统间实现共享[1]。

近年来，MAS的发展为轨道交通维护支持系统提供了新的解决方案。MAS是由多个具有不同或者类似功能的Agent集合而成，完成一个或多个功能目标[2]。通过综合监控系统Agent全面监控和采集中心级设备（维护中心）、车站级设备（各设备集中站、车辆段、停车场、控制中心和沿线各信号工区）和网络通信线路三个层面各子系统的运行信息，通过Agent的集成和协作与其它系统实现信息互换，最终对各相关设备实现集中监控和信息共享，提高城市轨道交通整体维护管理的水平。

城市轨道交通维护支持系统实现对信号系统、供电系统、监控系统、自动售检票系统、门禁系统等设备的数据采集、维护维修，汇总各设备故障报警信息并进行分类，从而帮助维修工作更方便、高效地完成。

城市轨道交通综合监控系统实时监测正线系统和车辆段/停车场各子系统的状态。车辆段/停车场通过计算机监测设备，监测其范围内所有设备故障状况。正线系统的主要子系统ATS中包含了列车自动监控、自动防护、自动驾驶的设备故障自动报警功能。

系统目前存在一些问题，包括不能全面监测到所有设备的所有信息，设备采集到的数据及上传的报警信息分散，且由于系统间难以实现数据共享，查询、筛选这些数据都要花费维护人员很大的精力，这就使得故障抢修难度增大、故障处理时间延长。

本项目运用Agent理论设计了中央级综合监控系统，并在各站及车辆段/停车场设立综合监控系统，实现对车站各设备的监控功能。利用网络通信接口将其集成，有效解决了监测信息不全、数据难以共享的问题，使得轨道交通设备能够得到更及时、有效的维护管理。

1 基于MAS的智能控制-故障诊断-维护支持系统的逻辑结构

1.1 多Agent技术

近几年来，计算机网络和信息技术飞速发展，智能体技术已经发展成为人工智能中的前沿学科，在许多领域都广泛应用，成为解决复杂系统中分布式问题的一种有效的方法。多Agent技术MAS是通过多个智能体（Agent）的相互通讯、协作，达到将复杂的系统（软硬件系统）分解成彼此独立且相互之间能够实现通讯、协调的小系统的目的，并由相应的Agent（s）来完成子系统的任务，通过多个Agents的协作、协调解决复杂系统问题[3]。MAS中的一个Agent可由更细的Agents组成。可以将比较复杂的任务经过多次细分，直到每个子任务都能由一个Agent独立或者和其它Agent（s）合作完成。

利用多智能系统实现的智能控制-维护-管理系统就是用MAS思想解决地铁控制、维护、管理集成的问题。监控系统根据控制区域分为多个MAS部分，实现相互之间的合作，完成系统的优化和诊断。每个MAS内部可分为控制MAS、人机接口MAS和仿真优化MAS，每个MAS分为主管Agent和专业Agent，主管Agent主要是根据外界环境对自身的控制系统知识框架结构进行调整；专业Agent则负责信息采集、故障诊断和监控的任务[4]。

1.2 系统的结构组成

轨道交通维护支持系统的功能实现首先要解决信息来源的问题。列车信息的采集与记录主要通过车载信息子系统实现；通过完善车载人机接口界面、车地无线通信接口分别实现信息与工作人员、与地面的交互；最后将这些数据进行处理和分析，根据分析结果对机车进行智能诊断和维护支持[5]。监控系统采用整体实时数据平台，采集设备运行的现场数据并存储、管理和分析，实现实时数据的统一管理与设备运行状况的实时监控[6]。本文根据轨道交通运行特点，建立一个基于MAS的轨道交通智能控制管理系统，如图1所示。

该系统分为决策层、优化执行层和控制层3层结构。经营决策层通过规划Agent对需求信息做出反应，实现资源整体规划。优化执行层主要负责生产管理和调度执行，包括监视Agent、控制Agent和诊断Agent在内的基本模块。监视Agent主要收集各设备（包括信号设备、电力设备、机电设备等）数据并做出初步处理，完成状态分析、预警和储存，并在需要的时候将数据提供给其他Agent。控制Agent将第一层采集到的数据进行综合分析和处理，得出设备运行状态信息并进行隐患预警分析和故障综合诊断。诊断Agent基于各种信号，进行故障诊断并作出诊断决策和维护建议，其结构如图2所示。

图1 控制与管理MAS单元结构Fig.1 The cell structure of control and management MAS

图2 优化执行MAS系统的总体架构Fig.2 The overall architecture of optimization and execution MAS system

1.3 单个Agent的结构模型

单个Agent感知外部环境变化和要求，通过计算、推理等内部行为将计算结果返回，即“改变环境”。感知环境信息、接收外部Agent要求以及返回计算结果或改变环境参数这些行为均为Agent外部行为，Agent个体的内部计算、推理等行为是Agent的内部行为，Agent的心智（Thinker）包括体现Agent思考行为的知识库、信念库等。因此单个Agent的结构可分为三层：心智、内部行为和外部行为，其结构如图3所示。

心智层是Agent的核心，相当于其大脑，包括信念、期望、意图、承诺、规划等，Agent以此为依据做出行为决策。信念是对内部和外部特征的描述；期望是系统目标，是下一步决策的根据；意图是Agent预先计划好自身在未来时间内将要执行的行为。

内部行为层是Agent的内部心智活动，主要功能包括心智管理、规划及学习等，主要对心智进行维护，对外部的环境、其他Agent的通信信息及自身内部状态进行分析推理并规划其目标、意图和行为，仅影响其内部状态而不对外部环境产生作用[7]。

外部行为层主要实现Agent之间及其与环境的交互。

图3 单个Agent的结构模型Fig.3 Structural model of a single Agent

2 轨道交通维护支持系统的具体实现

该系统的网络结构主要由中心级设备（维护中心）、车站级设备（各设备集中站、车辆段、停车场、控制中心和沿线各信号工区）和网络通信系统三部分组成，如图4所示。

图4 维护支持系统网络结构图Fig.4 Network structure diagram of Maintenance-support system

基于MAS的智能管理与控制系统是将现场各设备智能化，集成为可通讯的单个Agent模块。这些设备根据其需要完成的具体任务实现不同程度的智能（知识）[8]。Agent根据其智能程度做出合理的反应。

2.1 控制中心

控制中心系统系统由综合业务服务器、数据库服务器、调度终端、维护及网管终端等部分组成，实现对所辖车站上送的设备故障信息的存储、统计、重现，维修人员通过该系统获取所辖车站设备的实时状态，并根据系统给出的故障诊断建议排除故障[9]。

车站设备收集来自电源屏、外电网和环境温湿度的信息。控制中心有与ATS、DCS中心服务器的数据接口，设有一台维护终端。其连接如图5所示。

2.2 车站级子系统

车站级子系统包括车站现场设备、控制网络、控制设备、车站管理网络和操作设备，是轨道交通维护支持系统最基础的部分，如图6所示。

现场智能采集设备采集现场信息并对其进行智能分析，实现故障分析和预警功能。

另外，车站主机实现与维修中心及其它上层设备的信息互换。上层接收到车站主机传过来的实时数据和分析结果，让车间、电务段调度及时了解故障情况及原因，以便采取措施对故障进行处理。

2.3 网络通信系统

基于MAS的智能控制-维护-管理集成系统的特色就是它能将控制、维护和管理功能分解为分散的Agent，通过一个分布式的通讯网络将各部分功能进行通讯，将控制、维护、管理三者连接起来，最终在各现场设备中实现其功能。

图5 控制中心车站设备连接图Fig.5 Station equipment connection diagram of control center

图6 车站级子系统结构Fig.6 Structure of station level subsystem

网络通信设备和传输通道构成网络子系统的环形自愈网络，为提高网络可靠性，应采用迁回、环状、抽头等冗余方式[9]。采用数据压缩技术管理网络中流动的数据流，从而达到适应多种网络拓扑结构的目的。

为实现与符合底层通信协议规定的任何信息源设备的互联互通，车站现场总线数据通信平台（控制网）应具备开放性和兼容性[10]。

轨道交通智能分析子系统采用智能化的故障诊断方法，根据用户对开关量、模拟量等信息采集的要求，构建出一套适用于轨道交通的微机监测扩展系统。该系统能够更快捷更方便地向工作人员提示轨道交通各设备的运行状态，同时对各设备更易发的故障进行分析并给出维修建议。

智能分析子系统与监测系统及监控管理信息系统之间的整体架构如图7所示。2.4 系统实现的功能

（1）监测及报警功能

该系统对城市轨道交通设备实现了完全监测，不仅可对非智能设备进行监测，如道岔、信号机、外电网、电缆、数字音频轨道电路、移动闭塞环线、定位环线等，而且还可对包含ATC、CI、计轴、智能电源屏、智能灯丝、屏蔽门等在内的智能设备进行统一监测[11]。另外，该系统采用人工智能方法，对采集到的大量数据进行分析和处理，从而选出设备维护需要的数据，根据这些信息对设备进行维护和维修。

（2）监测及报警管理功能

该系统能够自动分析和处理所监测到的数据并监测设备工作参数的变化趋势，滤除一些意外和干扰后，找出参数的异常变化。当发现参数变化趋势出现异常时，能够及时发出警告，并给出相应的维护建议。对数据进行完善的统计分析，为设备的维护计划提供科学依据。当有故障报警时，维护人员通过系统故障诊断分析故障原因，处理故障。

图7 智能分析子系统框架Fig.7 Framework of intelligent analysis subsystem

3 结论

本文在MAS的理论基础上，将城市轨道交通维护支持系统中的子系统分解成多个Agent模块，通过Agent之间的通讯和协作，搭建基于MAS的轨道交通智能控制-故障诊断-维护支持系统集成系统平台，从全新的角度研究了轨道交通运行过程中的一系列问题。维护支持系统为城市轨道交通设备的维护、维修和管理提供有力的支持和建议。对系统进行有针对性的设计和改进，可为设备排除故障提供支持，减少故障间隔时间，提高设备的维护、维修效率和质量。但由于系统对设备故障感知和诊断模型不能做到十分精确，还有一定的误差存在，已有的车站设备维护系统也有各方面的不足，还需要进一步改进与升级以提高系统预警的准确性。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.03

*基金项目：国家自然科学基金项目（61074067），湖南省高校科技创新团队资助。

作者简介：龚晓妍（1988-），女，湖南工业大学电气与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向：复杂电气系统的信息集成和协调控制；朱晓青（1958-），男，湖南工业大学电气与信息工程学院教授，硕士生导师，主要从事工业过程控制、过程检测、优化控制、现场总线系统应用等方面的研究；秦斌（1963-），男，教授，硕士生导师，主要研究领域为复杂系统建模与优化控制。

Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit

GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, WANG Xin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology , Zhuzhou Hunan , 412007)

ABSTRACT:In view of the problems such as the data’s feedback are not comprehensive or in time in the equipment monitoring, information collection and fault diagnosis of the process of urban rail transit operation, the Intelligent control-Fault diagnosis-Maintenance support system of rail transportation based on MAS （Multi-Agent System） is proposed. The scheme realizes the distributed, coordinated, integrated control and management of the rail transit through the coordination of Agent and Agent. By describing the framework and network structure of the system, ultimately achieved the information collection, diagnosis and maintenance of the rail transit which face to security, maintenance, scheduling, management and other information business.

KEYWORDS:Urban rail transit; Maintenance-support system; Multi-agent system