高速铁路电务仿真知识库的研究

张威

摘要：该文通过研究知识库的结构以及构建方法，提出了一种以三维模型作为知识库的基本概念库、以模型的行为属性变量作为事实库的事实方法、以函数形式形成规则库调用方式的新型知识库。

关键词：知识库；高速铁路；交互控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）25-0180-02

Research on High-Speed Railway Electrical Simulation Knowledge Base

ZHANG Wei

（Hohhot Railway Bureau Research Institute， Hohhot 010020， China）

Abstract ：In this thesis， through researching the structure of the Knowledge Base and the construction of the methods puts forward a 3D model as the basic concept of Knowledge Base， behavioral property variables of the model functional form as the fact of the Fact Base， using the function to form the way of Rule Base called new Knowledge Base.

Key words： knowledge base； high-speed railway train； interactive control

1 概述

铁路行业涉及机、车、工、电、辆等一系列专业，每一个专业都拥有海量的业务知识，随着高速铁路的发展和铁路三维仿真培训系统的大面积普及和应用，如何将大量的高速铁路专业知识以三维数据的形式存贮起来，并满足低带宽网络传输的需要，形成覆盖全路的仿真培训系统是一个值得研究的问题。传统知识库内容结构很难满足高速铁路虚拟现实仿真培训系统的要求，因此本论文提出了一种知识库内容结构的新尝试。以运用虚拟现实技术制作出的场景和模型作为知识库的概念知识，采用变量构建事实知识库，采用函数构建规则知识库。

高速铁路虚拟现实仿真培训系统所需要的知识库应当满足以下要求[1]：

1） 以三维模型为基础，能表达高铁电务知识点与三维模型状态之间的对应关系。

2） 提供便捷高效的知识管理手段，按照模块化思想组织知识库结构。

3） 可以表达三维模型之间的关系以及描述和记录模型事实状态。

4） 后续推理机构可以方便地进行知识的调用[2]。

2 知识库构建原则

知识库应按照如下原则进行构建：

1） 层次化：知识库应按照三级层次知识表示体系进行构建。底层是“概念知识”，它应当包括可操作的基础知识元素。中间层是“事实知识”，是提供操作概念知识的方法的知识，通常用变量、过程等内容来表示。上层是“规则知识”，是何时达到何种条件时控制中间层执行某种操作的知识。三级层次相互联系，共同存在形成一个完整的知识库体系，是知识库本身结构的基本要求。

2） 可扩充性：知识库应具有统一的数据格式以及存取标准。使知识库文件可以单独存在，与后续推理机构相互独立，即知识库不包括推理知识，推理机构中也不存在基础知识的内容，同时要求知识库是以模块化结构设计，每一个模块都可独立使用。这样就可以提供知识库依靠添加新的模块来不断扩充容量的可能性，也为知识库系统提供了开放性的功能，实现系统的不断成长。

3） 明确性：知识库中的知识表示方法应能准确的表达知识库中的专业知识，只有知识内容定义准确才可以快速的提供使用与维护的各项功能，提高系统的工作效率。

4） 清晰性：知识库中的知识表示方法应当结构简单，易于理解和实现，这样有利于将基础知识清晰的编写为事实和规则进行存储和检索，也有利于后续推理机构识别和控制[3]。

3 知识的获取

知识库的构建前提是取得一定量的现实基础知识，知识获取就是把求解专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源中抽取出来，转换为一种特定的计算机表示，并以某种形式在计算机中存储，满足领域问题求解的需求[4]。

在高速铁路虚拟现实培训系统中，知识库用来存放各种设备模型的状态以及控制规则（如技规、维规、行规等）、因果关系（设备间联动的相互配合关系）、维护人员（现场作业职工）的经验等各种知识。建立知识库的第一步是获取有关高速铁路电务相关设备的组成结构、设备工作原理、标准化检修作业程序和相关标准、设备调整维护方法以及故障处理方法的知识。知识获取的途径大致可以分为三种[5]：

1） 通过知识工程师获取知识。知识工程师是一个计算机方面的工程师，他从专家那里获取知识，并把它以正确的形式储存到知识库里去。

2） 通过直接向电务设备检修维护领域专家提问，以学生的身份获取专家的经验，并将其经验进行规范化。

3） 决策支持类系统能对以往成功的经验，错误的和失败的教训进行总结，获得新的知识，对知识库系统或专家系统中的知识库进行修正和扩充。

4 知识的表示

知识表示就是知识的符号化和形式化的过程，是研究用计算机表示知识的可行性、有效性的一般方法，是描述一些现实事物的规则格式，是把原始知识转换为计算机能处理的数据结构。现在已发明出很多知识表示方法，比较常见的主要有以下几种：一阶谓词逻辑表示、产生式表示（或称规则表示）、框架表示、面向对象表示、语义网络表示等。

从电务设备检修维护领域专家处获取的知识是使用自然语言描述的，为了使计算机能够对这些设备检修维护知识进行处理，选择产生式规则表示方法构建事实库和规则库。

产生式系统是建立在产生式规则基础之上的知识库系统。主要由三部分构成，即规则库，动态数据库和推理机。

产生式知识表示法使用事实作为信息的存储集合，用来表示问题和问题的环境条件，其中包括关于问题的各类临时条件。产生式规则的表达形式为“符合某条件要求则执行对应的行为”这种条件语句形式，一般形式是R# IF RLS THEN RRS，其中R#是规则序号，RLS是产生条件，RRS是满足条件后需要执行的行为操作。

5 事实库的构建

产生式知识库包括事实库和规则库两个部分。

产生式知识库的事实库表示形式为：

事实库=（事实1 事实2… 事实m）。

事实（结论）=（<对象属性值>）。

产生式规则知识库将设备检修维护知识分为两部分：凡是静态的知识，如设备的描述、设备的状态、事件、以及它们之间的关系，以所谓的事实来描述；而把行为的过程知识以规则的形式来表达，对作业程序和故障处理方法的内容叙述均属于事实。

以电务道岔1DQJ故障点查找判断为例，故障处理知识为：

观察机械室内故障道岔第一牵引点的1DQJ不励磁。说明是1DQJ励磁电路故障。

1）联系运转室操纵道岔转动到反位。

2）使用万用表直流25V档。

3）一只正表笔插入侧面端子06-1（KZ，控制电源正极），另一只负表笔测试以下可能故障点（万用表由24V变为0V之间的端子或配线即是故障点）。

第一种情况：侧面端子01-2，更换配线。

第二种情况：2DQJ的142、141接点，则更换2DQJ。

第三种情况：1DQJ的4、3端子，则更换1DQJ。

第四种情况：侧面端子01-3，更换配线。

可以将知识抽取归纳为事实状态表1 所示。

表1 1DQJ故障点查找判断事实状态表

[道岔位置＼&操纵道

岔位置＼&万用表

档 位＼&正表笔

测量点＼&负表笔

测量点＼&万用表测量值＼&故障点＼&定位＼&未操作＼&AC500V＼&＼&＼&0V＼&＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&侧面端子01-2＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&2DQJ的142接点＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&2DQJ的141接点＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&1DQJ的4接点＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&1DQJ的3接点＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&侧面端子06-1＼&侧面端子01-3＼&0V或25V

＼&0V是故障点，25V非故障点＼&]

根据上述事实状态表，按照知识的产生式规则表示方法即可得到如下事实表达式：

1DQJ故障点查找判断（道岔位置，操纵道岔位置，万用表档位，正表笔测量点，负表笔测量点，万用表测量值）=故障点。

将事实表达式中的每一个概念定义为相应的变量，将表格具体内容定义为变量值，则可得到如下变量形式的事实表达式：

Gz_1DQJ_Failure（Switch_position，Control_Switch，Multimeter_Shift，Pen_Positive，Pen_Negative，Multimeter）=Failure

根据设备状态变量的事实表达形式分别建立静态数据库和动态数据库文件[6]。

静态数据库负责记录场景中设备的初始状态和最终用户检修维护以及故障处理的步骤完成程度等结果。在服务器端根据静态数据库的数据记录可以统计使用者的学习日期、学习课时、已学习课时内容等学习和练习数据，根据静态数据库的数据记录可以完成远程在线考试功能，实现考试分数的自动计算、统计和汇总。

动态数据库又称临时数据库，由推理机构在场景开始时读取服务器端的静态数据库中设备初始状态值之后临时创建，其结构与静态数据库相同。动态数据库在场景中主要负责记录场景中设备在交互过程中的临时状态，为推理机构提供相关控制依据，随着场景的关闭，注销创建的动态数据库。

使用简单变量构成事实库的表达形式所具备的优势在广域网形式的虚拟现实场景系统中是十分巨大的。服务器端与客户端之间的交互控制只需要交换场景设备的状态变量和控制变量即可实现，这样在复杂网络环境下就可以最大限度地保证通信质量和通信速度，同时又可以完成必要的数据统计和管理功能，实现系统的模块化管理。

6 规则库的构建

产生式知识库的规则库表示形式为：

规则库=（规则1 规则2… 规则n）。

规则=（<规则名>（IF<事实>）（THEN<结论>）。

在高速铁路虚拟现实仿真培训系统中，故障处理方法除了 需要记录考评故障查找过程中的步骤完成情况以及记录场景中各个设备的状态之外，更重要的是为故障位置的设定提供控制参数。在实际故障处理过程中，不同的故障位置可能造成出现同一种故障现象，因此，为了在场景中实现故障位置的变化以及同时存在多个故障位置的功能，就必须为故障位置的设定提供控制参数和控制手段。在电气类设备故障中，多为电气通道或电气接点故障，测试点的万用表显示值是判断是否成为故障点的依据，因此设定万用表显示值既可以为故障点提供记录参数，又可为万用表模型的显示提供数值参数。以1DQJ故障为例，当设定故障点为其励磁电路中的“侧面端子01-2”时，则将变量Multimeter设为1，其余接点均设为0。如需改变故障点位置，则只需修改“侧面端子01-2”点及新故障点规则中的变量Multimeter值即可，对于多点故障则需将多个故障点的Multimeter值设为1来实现。

在规则的实际应用方法上，采用了一个场景对应一个规则函数的新型规则库，充分体现出模块化设计思想。经过这样的设计之后，推理机构可以直接读取事实知识库中的变量数据作为规则函数的参数来调用规则函数，经过规则函数的规则对比，符合规则后返回相应值，如果返回正确值，则推理机构可以根据规则函数的返回值继续控制下一步的交互操作，如果返回空值、错误值或没有返回值，则推理机构将限制当前场景部分设备的交互功能，将场景停留在当前进度，让使用者继续完成场景交互内容。

7 结论

通过研究得到以下结论：

1） 以文字或符号信息存储于数据库内的知识库结构可以转变为使用虚拟现实技术构造的三维场景和模型来代替，并且具有表达知识内容清晰准确、包含的知识信息量大、易于接受和理解，可以提供交互功能等优点。

2） 采用变量表示静态事实符合现场设备的实际工作状态，便于记录和存储，而且可以为规则提供判断依据。

3） 使用函数形式的产生式规则易于调用，可以判断场景运行程度，为后续推理机构提供符合现场实际的模型交互控制依据，能按照安全标准、作业程序、故障处理步骤等现场规则输出符合要求的虚拟现实场景。

在实际应用过程中，基于虚拟现实技术开发的电务仿真知识库符合高速铁路虚拟现实仿真培训系统的使用要求，现已正式应用于现场职工培训工作中，取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 李林林. 高炉专家系统中知识库的研究与实现[D]. 沈阳：东北大学， 2004：52-56.

[2] 董秀成. 高炉炉况检测与诊断专家系统[J]. 工业仪表与自动化装置， 1994（3）：27-32.

[3] 苗艳荣. 发酵过程生物量软测量专家系统知识库研究[D]. 北京：北京化工大学， 2008：21-22.

[4] 武波，马玉祥. 专家系统[M]. 北京：北京理工大学出版社，2 003：95-118.

[5] 王壮峰. 智能高速铁路行车指挥仿真系统的研究[D]. 北京：铁道科学研究院， 2003：52-60.

[6] 曹琦，何中市. 抢险救灾物资保障模拟训练系统分析与设计[J]. 灾害学， 2012，27（1）：139-143.