铁通通信设备故障诊断专家系统设计与实现

基金项目：本文是2016年度湖南省教育厅科学研究项目“铁路通信线路与设备故障诊断专家系统研究与实现”阶段性研究成果（项目编号： 16C1056）

摘要：本文针对铁路通信设备日常维护检修工作的实际需求和铁路通信设备故障机理特点，基于相关故障诊断和专家系统的理论与方法，设计了铁路通信设备故障诊断专家系统的知识库和主要子模块，实现了铁路通信设备故障诊断专家系统基本的实现结构，以期能在铁路通信工进行设备检修和维护时能提供辅助决策支持。

关键词：铁路通信设备;故障诊断;专家系统;知识表示

中图分类号：U284.92文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）14-0064-02

1引言

我国轨道交通最近几十年来得到了迅猛的发展，中国铁路和城市轨道已经赶超世界先进水平，铁路通信是指挥列车运行，组织铁路运输生产，提高效率，保证安全，传输各种信息及公务联络的重要设施。如何保证光纤通信系统、现代交换设备、车载通信设备、光电缆线路等的无故障运行是铁路运输生产的一个非常重要的环节。为了确保各种通信设备和线路在铁路运输生产过程中处于正常工作状态，各级铁路运行部门都制订了各自的检修程序，按照一定的时间规律对设备进行日常检修、定期轮修、重点整修，这为铁路运输生产的正常进行奠定了基础，但是目前检修程序并不完善，有时通信线路和设备出现严重故障时才被发现，这大幅度提高了铁路维修的成本和难度。目前各种通信线路和设备的故障诊断，主要是现场的检修人员利用现有的设备原理、维修手册等资料和知识结合自己的经验，构造出一个基于规则的诊断方案，但通信线路、设备种类和型号繁多，更新换代快，故障多种多样，维修人员很难迅速更新知识，总结新规则需要花费一定时间，这样会延误维修时间，尤其出现了重大的问题后，不能及时的处理故障，会对整个行车产生很大的影响。而故障诊断专家系统是将信息技术、人工智能以及专业技术知识结合在一起形成的一个智能分析系统，在知识表示、运用、获取上表现不错，在开放性、开发时间及诊断效率上都具有优势。因此，将专家系统应用于通信线路与设备的故障诊断，非常值得深入研究与探讨。它为铁路通信技术人员根据设备状态及时维修设备、分析排除各种复杂故障提供辅助决策的支持的作用，该系统的建立对提高我国铁路通信线路与设备的维修水平以及确保行车安全具有一定的实际意义。

2知识库的建立

知识库不仅是专家系统中知识的存储机构，还能为为推理机提供解决故障所需要的关键知识，是故障诊断系统的核心。推理机工作时调用知识库中的故障数据进行推理，并将新的诊断方案添加到知识库中，因此，知识库一直在更新与完善，是一个动态的数据结构，应具有知识的查询、添加、删除和修改功能。铁路通信设备故障诊断专家系统知识库的建立过程共分3步。

（1）分析、收集与整理通信设备的故障知识。

（2）采用产生式规则表示法表示设备故障知识。

故障诊断专家系统常用的知识表示法有产生式规则表示法、状态空间法、问题规约法、框架表示法、语义网络法、神经网络表示法等。产生式规则使用规则序列形式描述知识，从初始事实出发，用模式匹配的方式查找匹配的產生式规则。如果已知事实能够使规则前提为真，则该规则被激活，推出新的事实;否则，依次查找下一条规则，直到得到结论为止。产生式规则因其知识模块化、易于理解、一致性较好，知识库维护和操作方便，在故障诊断、医疗诊断、地质勘探等领域得到了广泛的应用。

由于铁路通信设备的故障现象与故障原因之间存在大量的因果关系，本团队使用产生式规则表示法来表示故障知识，其表示形式为：

规则编号 if （前提） then {结论}。

前提是某规则能否采纳的先决条件。前提可由一个或者多个事实进行逻辑运算构成。结论是一组说明结论或操作。指出满足指定前提的时候，应该得出的结论或应该进行的操作。

程控交换机的业务部分故障诊断的知识表示形式如下：

If （摘机无馈电）

then {话机线未插上用户板的背板or 此话机线已断或话机已损坏 or 此话机未正确地接在用户板后面的插针or所接用户板故障话机坏}

（3）构建知识库，并将故障知识存入知识库中。

本文将收集到的故障诊断经验知识以及系统涉及的基础数据使用Microsoft Access数据库来存储，其中一些关键表的结构如下：

系统用户表（用户编号、用户名称、用户密码、用户权限）

设备类型（ID、类型名称）

设备表（设备编号、设备类型ID、设备名称、购买时间、维修次数、末  次维修时间、地点）

故障表（故障编号、故障地点、故障时间、故障现象）

知识表（知识编号、设备类型、故障现象、故障原因、解决方案）

故障解决方案（方案编号、故障编号、解决方案、添加时间）

3铁路通信设备故障诊断系统实现

3.1 专家系统故障诊断流程。铁路通信故障诊断专家系统的故障诊断流程为：（1）描述故障现象，使用专家系统进行分析;（2）将发生的故障与知识库中的故障特征进行比对，查询是否有相同的故障记录;（3）如果有相同记录，则检验相关规则，如果仅有一条规则匹配故障产生的条件，则启用该规则，当多条规则匹配成功时，选择优先级的那条的规则作为启用规则。（4）如果没有任何规则可以对应，输出“没有相关知识为您服务”。

3.1 专家系统功能功能设计与实现。铁路通信故障诊断专家系统的基本功能和性能要求如下：

（1）能够实时的存储铁路通信工等维护人员需要的各种数据;能够快速的提供给维护人员和管理人员使用，以便进行辅助决策;将一段时间产生的故障数据进行备份以防止重要数据丢失。

（2）能够设定报警时间，及时提醒维护人员处理没有被及时解决的故障，提升故障排除的效率。

（3）能够将未处理的故障按优先级自动排序，方便维护人员及时发现和排除优先级高的故障。

（4）能够就典型故障为铁路通信工提供检修流程和解决方案，以供辅助决策。

（5）具有查询、统计等功能，方便进行故障、知识库、用户等数据的查询、统计。

（6）具有友好的人机交互界面，方便系统各种用户使用。

本系统采用浏览器/服务器（B/S结构）开发模式，选用VS2013、ACCESS作为软件开发工具和数据库管理工具，使用C#语言编程实现了铁路通信设备故障诊断系统的用户管理模块、登录模块、故障诊断模块、知识库管理模块、工单模块、数据库备份模块等，其中知识库管理模块的实现效果如图1所示。

4总结

基于诊断和专家系统的理论与方法，本文分析了铁路通信设备故障诊断专家系统的必要性和可行性，设计了该系统的数据库和功能模块，并实现了其基本功能，能为铁路通信设备和通信线路的一些日常故障维护检修、分析排除复杂故障提供辅助决策支持。该系统已经在湖南铁路科技职业技术学院与广铁集团公司长沙电务段共建的铁路通信信号实训基地进行了现场试验，能有效提高铁路通信工的维修水平，具有在较广阔的应用前景。

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作者简介：任佳（1980.10-），女，汉族，湖南汨罗，博士，高级工程师，研究方向：铁道通信与信息化技术。