（机械电子工程专业论文）8k型电力机车电路及制动系统仿真教学系统.pdf

北京交通大学硕士论文摘要 摘要 本文详细地介绍了为8 k 型电力机车开发的电路及制动系统仿真教 学系统。首先介绍了8 k 机车电路及制动系统仿真教学系统研制的背景 和意义，当前的研究状况。之后具体分专家系统知识库的可视化生成、 电路仿真软件的设计和制动系统仿真软件的设计三个部分讨论，详细介 绍了专家系统知识库，系统总体结构，仿真界面，及相关部分采用的各 种技术，并给出了相应运行的结果。 仿真系统的专家系统知识库记录了机车电路仿真所需要的数据。系 统程序利用这些数据进行机车操作过程的模拟、故障模拟，是系统仿真 的基础。传统的专家系统知识库的生成方法有诸多的缺点，本文提出了 应用v i s i 0 2 0 0 2 软件来生成专家系统知识库的可视化方法，提高了开发的 效率。 电路仿真软件的设计，采用了专家系统、计算机仿真、多媒体等技 术，模拟仿真8 k 型电力机车实际运行时内部电路的各种实时的变化状 态。用户操作界面简单，使用方便。根据用户要求，系统以仿真主程序 作为中心点，采用模块化的程序设计方法，从而使系统在扩展和修改时 更加灵活。制动系统仿真软件，模拟8 k 型电力机车在实际运行与操作 时，制动系统的仪表显示、气流流动与压力变化的情况。为增加人机界 面的真实感，系统使用m e a s u r e m e n ts t u d i o 软件包嵌入到v b 中的控件， 设计出了更为逼真的控制台和制动显示仪表。 以上两个系统可以由司机控制台进行统一的控制与管理。它们之间 的通讯完成数据与命令的传输，达到操作的统一。 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i m u l a t i o na n dt e a c h i n gs y s t e mf o rc i r c u i ta n d a i rb r a k es y s t e mo f8 kl o c o m o t i v ei nd e t a i l f i r s t l y , i tp r e s e n t st h e b a c k g r o u n da n dt h em e a n i n go fr e s e a r c h i n g ，t h es t a t eo fc u r r e n tr e s e a r c h t h e nt h e _ p a p e ri sd i v i d e dt ot h r e ep a r t s ：v i s i b l ec r e a t i n go fk n o w l e d g eb a s eo f e x p e r ts y s t e m ，t h ed e s i g no fs o f t w a r es i m u l a t i n gc i r c u i t ，t h ed e s i g no f s o f t w a r es i m u l a t i n ga i rb r a k es y s t e m 。t h e yi n t r o d u c et h ek n o w l e d g eb a s eo f e x p e r ts y s t e m ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h es y s t e mi n t e r f a c ea n da p p l i e d t e c h n o l o g i e si ne a c hp a r t ：f i n a l l y , t h er e s u l ti ss h o w e d a st h eb a s i so ft h ew h o l es y s t e m ，t h ek n o w l e d g eb a s eo fe x p e r ts y s t e m r e c o r d ss i m u l a t i o nd a t aw h a tt h es y s t e mp r o g r a mu s e sf o rs i m u l a t i o no ft h e p r o c e s so fo p e r a t i o no fl o c o m o t i v e t h et r a d i t i o n a lm e t h o dt o c r e a t et h e k n o w l e d g eb a s eo fe x p e r ts y s t e mh a ss o m es h o r t a g e s ，s ov i s i b l ec r e a t i n go f k n o w l e d g eb a s ep r e s e n t e di nt h ep a p e rm e n d st h e t r a d i t i o n a lm e t h o da n d i m p r o v e st h ew o r ke f f i c i e n c y t h ee x p e r ts y s t e m ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dm u l t i m e d i aa r ea d o p t e d i ns o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r eh a ss u c hf u n c t i o n sa sd y n a m i cd i s p l a yo f c i r c u i ta n df a u l ts i m u l a t i o n t h es y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i co ft h es i m p l ei n t 、e r f a c ea n dt h ec o n v e n i e n t o p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fu s e r s ，t h es y s t e mt a k e ss i m u l a t i o n p r o g r a ma st h ec e n t e ro ft h es y s t e ma n da p p l i e sm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ，s ot h e s y s t e m i se x p a n d a b l ea n da d a p t a b l e t h es o f t w a r eo fa i rb r a k es y s t e m s i m u l a t e si n s t r u m e n td i s p l a y , a i rf l o wa n dp r e s s u r ec h a n g eo fb r a k es y s t e ma t r u n n i n go fl o c o m o t i v e f o ri n c r e a s eo fr e a l i t y , t h es y s t e mu s e st h ec o m p o n e n t o fv be m b e d d e ds o f t w a r ep a c k e to fm e a s u r e m e n ts t u d i oa n dm a k e st h er e a l c o n t r o l l e ra n dt h ed i s p l a yi n s t r u m e n t s ， a b o v et w os y s t e m sc a nb ec o n t r o l l e da n dm a n a g e db yd r i v e rc o n t r o l p l a t f o r m ，w h i c hi sf i n i s h e dt h r o u g ht h e i rc o m m u n i c a t i o n b 一 第1 章绪论 第1 章绪论 在当前科学技术高速发展的情况下，仿真技术凭借其自身的诸多优 点，在各个领域得到了广泛的应用。本课题“8 k 型电力机车电路及制动 系统仿真教学系统”是针对8 k 型电力机车而研制的，本章从整体上对 本课题做了介绍，首选论述了本课题的研制背景及国内外的发展现状， 之后对本系统总体进行了简要的介绍。 1 1 课题的背景与意义 1 1 。1 课题的背景和意义 在铁路运输中，安全生产和运输是第一位的。安全生产不仅事关企 业经济利益，而且事关人民群众根本利益；不仅事关铁路自身形象，而 且事关党和国家的形象；搞好安全生产不仅是重要的工作任务，而且是 重大的政治任务。同时，铁路运输不断提速，机车的现代化水平也越来 越高，这样就需要大量优秀的、高素质的司机来满足铁路运输的要求， 但在我国铁路运输中，司机操纵列车安全运行的控制方式主要是经验型 的，即“师傅带徒弟”型，这样，列车操纵仍基本依赖于司机的技术水 平和操纵经验，培养优秀的司机需要的时间长，并且人的效率比较低， 机车工作条件比较差，司机易受精神紧张、振动和嗓声因素的影响，出 现观察和判断错误，这种状态已不能适应铁路运输现代化的要求。采用 列车驾驶仿真不但可以大大缩短司机的培训时间，降低使用成本，同时 又能培训出高水平的司机，使司机不仅能很快地提供驾驶技术，而且也 能在理论水平上有很大地提高。仿真技术作为一门独立的学科已经有5 0 多年的发展历史，它广泛地应用于航空航天、交通运输、通信、化工等 各个领域，基于计算机及其网络的仿真技术，不但能提高生产效率，缩 短开发周期，减少培训时间，不受环境及气候限制，而且在保证安全、 节约开支、提高质量方面更为突出。仿真教学系统是通过计算机的程序 来完成教学的，给人以很强的真实感、时代感，是一种全新的教学手段， 教学内容不受仪器设备的限制，可以很方便地更新、增加内容。 北京交通大学硕士论文 仿真技术作为一门独立的学科已经有5 0 多年的发展历史，它不仅 用于航天、航空、各种武器系统的研制部门，而且已经广泛应用于电力、 交通运输、通信、化工、核能各个领域，随着人类所研究的对象规模日 益庞大，结构目益复杂，仅仅依靠人的经验及传统技术难以满足愈来愈 高的要求，基于现代计算机及其网络的仿真技术，不仅有提高效率，缩 短研究开发周期，减少训练时间，不受环境及气候限制等优点，而且对 保证安全，节约开支，提高质量尤其具有突出的功效。 系统仿真用于司机训练与教育是它的一个重要特点，早期的培训大 都在实际现场或设备上进行的，随着系统规模的加大，复杂程度的提高， 特别是造价日益昂贵，训练时因操作不当引起破坏而带来的损失大大增 加，因此，提高系统运行的安全性事关重大，为了解决这些问题，需要 有这样的系统，它既能够模拟实际系统的工作情、况和运行环境，又可以 避免采用实际系统时可能带来的危险性及高昂的代价，这就是训练仿真 系统。 1 1 2 研究现状 机车模拟装置自8 0 年代以来，已在世界各国铁路部门得到了广泛应 用。在美国，每3 年要对机车司机进行培训和考试，换发司机证书；澳 大利亚为了解决重载列车司机操纵问题，1 9 8 1 年完成了第一台t d s 1 0 0 0 列车驾驶器，t d s 的使用改进了司机的操纵水平，节省了燃料，并 可作进一步的研究：英国铁路每年要培训6 0 0 多名司机，在9 0 年代中期 建造了高档模拟装置，使用了虚拟现实技术，装备了自动驾驶系统等先 进设备；在亚洲，韩国等地下铁路采用模拟装置，进行司机资格考试和 培训。日本为加强安全体制9 在各地设立了综合训练中心，用来对铁路 一线人员不断进行车上训练。 我国自8 0 年代后期研制成功机车模拟装置以来，由于铁路机务和教 育部门的重视，目前装置已在8 0 余个机务段和3 0 余个司机学校或培训 中心使用，为我国铁路机车司机培训起到了很好的作用。上海铁道大学 1 9 8 5 年开始研制机车模拟驾驶器，1 9 8 8 年研制出第一台d f 4 模拟驾驶器， 第1 章绪论 是我国最早研制机车状态仿真系统的单位。上海地铁教育培训中心拥有 从德国引进的世界上最先进的地铁列车模拟驾驶器，可模拟列车机械、 电器、制动等技术故障，可对驾驶员进行操纵、故障设置和处理等培训 和考核：荆门车务段坚持行车人员每月不少于2 次接发列车模拟演练制 度。西南交通大学利用计算机技术，将计算机与机车操纵台连接起来， 把司机的操纵动作输入计算机，利用存贮在计算机中的列车动力学分析 软件进行列车动力学的快速计算，并将计算结果转变为直观的图形，在 司机前方的显示器上直接、实时显示出每一瞬时列车在线路上的位置、 速度、每节车的车钩力、线路断面、信号机及车站位置、电能消耗等参 数。 为了适应铁路现代化发展的要求，除了运输设备与管理现代化之外， 提高乘务员的理论水平和能力是另一个关键，传统教学的经验型的培训 方法，周期长、成本高并且受很多因素的影响和限制，已经不能满足铁 路现代化的发展要求了。“8 k 型电力机车电路及制动系统仿真教学系统” 是为培养高层次机务工程技术人才、司机和乘务人员研制的。为了高质 量快速提高相关人员的技能和素质，使其能更快更好地熟悉和掌握机车 电路及制动系统的工作原理，了解运行中机车内部工作的状态，并熟练 进行故障判断和处理，我们研制了该系统。 利用“机车仿真教学系统”来培训司机，克服了传统教学方法的许 多不足，大大降低了培训成本，缩减了培训周期，在培训过程中不受线 路和天气等突发事件的限制，可根据要求设置各种故障，同时不仅能改 善学员的驾驶技术，更重要的是提高了学员的理论水平，适应提速要求， 训练学员尽早发现和排除故障的能力以及提高安全防护意识和技能，保 证行车安全。本项目是针对8 k 型电力机车而进行开发的，为培训驾驶 8 k 型电力机车提供了一个好的方法，能够实时显示机车电路、制动系统 的工作情况，使学员在学习驾驶技术的同时能够提高一定的关于机车的 理论水平，同时它具有很强的灵活性，在其基础上做一些修改，也可以 使它应用到其它类型的机车仿真教学系统中去。 北京交通大学硕士论文 1 2 系统的总体设计与功能 1 2 1 8 k 机车介绍 1 9 8 4 年为解决晋煤外运中铁路运输动力不足的问题，国家决定进口 一批电力机车以解燃眉之急。经与多家厂商的多次洽谈和反复比较，最 后选定由法国阿乐斯通公司牵头的欧洲5 0 赫兹集团推荐的8 轴交直 流传动大功率电力机车，铁道部命名为8 k 型电力机车。主要有如下特 点为： 1 、台机车由完全相同的两节机车组成，每节机车有两台完全相同的转 向架。每节机车设一个司机室、一台受电弓，可以单独操纵牵引列车， 机车设有重联装置，可实现由1 节( 连挂在首端) 机车，集中控制2 节、3 节、4 节机车作重联运行。 2 、机车的电气制动采用再生方式，在型式试验中测得，当速度为5 0 l 如恤 时制动力为3 8 3 5 k n ；当速度为o _ 4 3 l 妇蚰范围内能发挥最大恒定 制动力4 4 2 k n ，可以利用再生制动直到使列车停止，在实际运行中， 再生制动在长坡道区段的作用十分明显，司机可以有效地控制列车速 度，稳定地运行，既省电又避免因为使闸不当造成列车“放扬”的危 险，保证了运输安全。 3 、主整流电路采用两段桥调压电路：一段为晶闸管桥也称全控桥，一段 为晶闸管与二极管混合桥也称半控桥。采用大容量元件，晶闸管为 2 2 0 0 v 1 7 0 0 a 。每节机车2 4 只；二极管为2 2 0 0 v 2 5 0 0 a ，每节机车8 只。用少量元件即可满足牵引与再生两种工况要求。 4 、机车装有强大的功率因数补偿装置( a f l p ) ，全部投入时达3 6 0 0 k v a r ， 无论在牵引或再生工作状况，当机车发挥功率超过额定功率的一半 时，机车功率因数可达0 9 以上，在持续额定工作状况下可达0 9 5 以 上。电力机车上有功率因数补偿装置，与无功率因数补偿装置，其功 率因数的差别是明显的。 5 、每台转向架上的两台牵引电动机在电路上为串联连接。这种接线方 式，可以使因两台电机的特性差异和两个轮对的直径差异所引起的两 个轮对牵引力的差异，与电机并联接线的方式相比，较小。 第1 章绪论 6 、空气制动采用p l b 2 电一空制动系统，实现了空电一体化，减少了空 气管路，操作轻便简单，制动作用时间短，维修工作量少。机车具有 空电联合制动功能，在正常工作状况下，司机施行列车空气制动时， 机车产生电制动而不进行空气制动，当列车运行在下坡道司机施行再 生制动而制动力不足以控制列车速度或再生制动发生故障时，能自动 使车辆进行空气制动以给予补偿，控制列车速度，保证行车安全。 7 、为保护工作人员的人身安全，机车采用了保安钥匙箱系统，这是法国 电力机车的传统技术。机车所有高压设备的柜门和面板上，以及登车 车顶的门上，都装有保安锁，打开此锁的保安钥匙，必须经一定程序 的操作，才能从保安钥匙箱中取出。此程序保证受电弓已落下、车顶 高压设备已断开并接地和高压电容器已放电。 8 、冷却通风方式为车体通风，采用惯性空气滤清器。冷却风的通道分夏 季与冬季两种方式：夏季携带热量的冷却风排出到大气；冬季时遮挡 一个进风口，从外部进入车体内的风量减少一半，并使部分风在车内 循环，以保持车体内适当的温度。 为了适应铁路运输高速发展的要求，提高司乘人员的实际操作能力 和理论水平，我们研制了本系统。系统要能对机车在运行时进行动态的 模拟，包括操作模拟，内部电路的工作仿真，仪器仪表显示，制动系统 的风路模拟，工作故障模拟等，各种工作状态可以反复再现。下面以图 1 - 1 所示的机车主电路的一部分为例，讨论一下系统的工作目标，在系统 运行时，模拟机车电路在工作时，电流的变化情况，同时进行动态显示， 用不同的颜色对电流的属性加以区别，当用户操作某一个开关后，开关 将动态地显示开合，用户可看到与之相关的电路发生得电、失电的变化， 如有与之相关的显示灯，则也发生明暗的变化。这些变化不是通过程序 的设置得到的，因为机车的电路是非常庞大的，而且各个电路之间还有 关联，一个开关的动作或几个开关的动作，又分为好多种情况，所以事 先的设置是不可能的。这样我们应用专家系统知识库的方法，把机车电 北京交通大学硕士论文 路图转化为数据文件形成知识库，按照一定的规则进行推理，达到对电 图1 - 1 机车的部分主电路 路的各种情况的模拟。 1 2 2 系统总体结构 随着计算机技术的发展，各种软件为我们提供了越来越多的解决问 题的好方法。本系统就是用软件的方法，专家系统、计算机仿真、多媒 体等技术，模拟仿真8 k 型电力机车实际运行时内部电路及制动系统的 各种实时的变化状态，与工作现场相同，使操作者有身临其境的感觉， 同时可观察到机车内部的一些变化，用户操作界面简单，使用方便。 本系统采用专家系统知识库支持的仿真系统来实现对8 k 电力机车 电路及制动系统工作情况进行的仿真，充分应用多媒体技术，在计算机 屏幕上实时、动态地模拟和显示在正常操纵和故障条件下机车工作电路 第l 章绪论 的开关动作及电路得、失电的情况，制动系统和制动系统配件剖面图动 态交化及相关的仪器仪表的实时显示，提供了一个“图、文、动画”并 茂的教学环境。采用的关键性技术包括：结构化程序设计；移屏、切屏 技术；图像缩放技术；电路电流流速可控等。 图1 - 2 是整个程序的结构框图，主要分成两个部分，第一个部分是系 统的程序部分( 框图中虚线上面的部分) ，实现电路及制动系统的仿真， 第二部分是专家系统知识库部分( 框图中虚线下面的部分) ，保存着绘制 电路图用的数据文件。系统采用知识库与程序分开设计的方式，增加了 图1 - 2 系统程序结构框图 系统的灵活性和扩展性。 在第一部分中，仿真主模块作为各个子模块的连接中心结点，响应 用户的操作，调度各个子模块来完成相应的功能，这种模块化的设计方 法，使整个系统的扩展和修改变得更加灵活。 北京交通大学硕士论文 1 2 3 系统功能 如图1 - 1 所示，这是8 k 型电力机车的主电路的一部分，从图上可以 看出，只是这一部分电路图，它的连接就是相当复杂的，而且，组成电 路的器件，有一些结构和接线也是相当复杂的。在电路实际运行起来， 所有的机车电路都要参与进来，而且各个电路之间还有一定的联系，电 流的流动，器件的开合，看起来更是眼花缭乱，如果要是学习起来，就 相当困难。所以为了提高培训机车司机和乘务人员的质量，降低培训的 成本，使整个机车的工作情况更容易理解，研制了这个系统。系统采用 多种现代化的技术，如多媒体技术、专家系统、仿真技术等。在实际运 行时，学员能够置身于相对真实的虚拟环境中学习。 系统主要模块完成的功能： ( 1 ) 图形处理模块：以数据模块读取的专家系统知识库的电路数据文 件为基础，在屏幕上显示对应的电路的图形文件，同时能够根据用户的 要求来改变电路图的大小，实现机车电路图的移屏、切屏； 所谓移屏，即在机车同一张电路图上，因为机车的每一张电路图都 是非常大的，在同一个屏幕上不能完全显示出来，为了不影响用户查看 电路图的连续性，可以让用户通过移屏，来连续的观察。 所谓切屏，即是在各个电路图间进行切换，因为机车的电路图是非 常多的，如主电路、辅助电路、控制电路等，而且各个电路之间还有一 定的关系，用户需要在这些电路中不断的切换。 ( 2 ) 推理模块：利用专家系统知识库的数据进行推理，得出实时的机 车各部分的状态，为下一步的仿真作数据方面的准备；推理模块是程序 的核心模块，通过推理得出电路中并联、串联电路的得电、失电的情况， 及相关的开关、继电器的状态。 ( 3 ) 故障模拟：接收用户的各种故障设置，来实现在故障状态下，电 路及制动系统的运行状态，同时给出故障可能的原因； 在传统的教学方式中，机车在实际的运行当中，不可能来设置故障 供学员来了解和学习，这样当机车发生故障时，学员不能很好地处理这 些突发事件。本系统可以通过人为设置，来模拟机车的各种故障，并依 第1 章绪论 靠专家系统知识库和实时的推理，按实际情况来显示电路在故障情况下 的变化情况。 ( 3 ) 操纵指导模块：在故障情况下工作时，为了能让用户尽快地了解 故障出现后，所产生的后果及相关电路的现象，来提高用户的理论水平， 在程序中制作了操纵指导模块，用来指导用户在设置某种故障下，对故 障进行理解和分析。 电路仿真模块：利用推理模块推理得到的数据，来重新得到机车 电路的实时运行情况，用不同的颜色来显示电路的通断状态和电流的不 同性质( 如交流电或直流电) 。 ( 5 ) 制动系统仿真模块：通过对制动系统及制动系统配件剖面图动态 显示功能以及相应显示仪表的变化情况，来模拟制动系统的实时工作情 况及动作产生的原理； ( 6 ) 数据读取模块：在主模块程序与专家系统知识库的数据库之间架 起了桥梁，读取数据库中的数据，存储专家系统知识库的数据库是由电 路图数据文件、控制矩阵文件以及器件库矩阵文件等构成的，该数据库 是与系统程序相互独立的。 在第二部分中，专家系统知识库的数据库包括四类数据文件， 电路数据文件：以固定格式数据记录的形式保存机车电路图的文件。 通过对它的调用可以在屏幕上显示出机车的电路。 器件图元文件：保存着电路图中器件的组成部分的信息，在电路图 中每个器件都是由线、弧线、圆组成的。 器件库矩阵文件：用以记录器件的状态。即器件的通、断状态，通 过对它的读取来推理得出器件所在支路的电流的通断状态。 控制矩阵文件：控制电路中每个电路支路的通断情况。当电路中某 个器件的状态发生改变，将影响到整个控制矩阵的状态，在推理时，就 是建立在新的控制矩阵基础上，得出整个电路的得、失电的状态。 用户可以直接在电路图上单击某个在实际当中可以人为控制的开 关，则开关发生动作( 打开或闭合) ，则可立即显示由开关引发的一系列 电路的变化情况，如电路接通、继电器线圈得电，电流的流动等。与实 北京交通大学硕士论文 际情况相同，则用户可以通过这种动堪式的教学方式，快速地掌握电路 工作原理。 1 2 4 专家系统知识库 专家系统知识库，是本系统核心部分之一，它的目的是为仿真程序 提供具有一定格式的电路图数据文件，仿真程序在这些数据文件的基础 上，在屏幕上显示机车电路的电路图，如主电路、控制电路等，当用户 进行一些影响电路状态的操作时，仿真程序还要对这些数据文件进行推 理，以实现电路的实时仿真。 专家系统知识库包括两个部分，其中一个部分由机车主电路数据文 件，控制电路数据文件、辅助电路数据文件等组成，这些文件具有相同 的结构，由两张表组成的，即电路图数据文件和电路控制矩阵文件。其 中电路图数据文件是记录着电路图中开关、继电器、导线等各种电路器 件的位置、标号等属性，而电路控制文件则记录着本电路中各个支路的 器件的状态，从而可以推理得出电路在运行时的实时状态。专家系统知 识库的另一个部分是器件库矩阵文件和器件图元文件，器件库矩阵文件 中记录着所有电路中应用到的开关器件的物理状态，及与之对应的反状 态器件的位置。在电路图中，机车使用的各种器件需要自己进行屏幕上 的显示，为了显示的方便，同时可重复使用，所以采用了图元这个概念， 把机车的一些器件分解成由一些简单的圆、矩形、圆弧等组成，这样就 形成了器件图元文件，每一条记录代表一个器件，在绘制电路图时，程 序在画同样的器件时，就可以反复调用与之对应的记录。 专家系统知识库的应用，使本仿真教学系统具有更大的灵活性。通 过数据读取模块为主程序绘制电路图提供必要的数据，而仿真程序不需 要了解它的内部的具体内容是什么。这样可以通过改变专家系统知识库 中数据文件的内容来改变电路仿真的内容，从而可提高本仿真教学系统 的应用范围，如能提供其它机车电路的专家系统知识库，就可以对其它 机车进行仿真了。 第2 章知识库的生成 第2 章知识库的生成 专家系统知识库是电路仿真系统中必不可少的一个部分。由于机车 的电路包括主电路、辅助电路、控制电路等部分，而且每一张电路图又 都非常庞大和繁琐，所以生成专家系统知识库文件也是一件非常麻烦和 费时的事情。专家系统知识库在过去经常使用的方法，我们称之为传统 方法，而使用软件v i s i 0 2 0 0 2 的方法，我们称之为可视化的生成方法。下 面我们就这两个方法分别讨论。 2 1 专家系统与图元 2 1 1 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一个 最为重要的应用领域，专家系统产生于6 0 年代中期，经过二十多年的科 学研究、理论和技术成熟，其应用得到了飞速发展，至今，世界各国已 经在医疗诊断，图像处理、金融决策、信号解释、军事等领域研制出了 大量的实用专家系统，其中不少系统在性能上已达到甚至超过了同领域 人类专家的水平，已经产生或正在产生巨大的经济效益和社会影响。 专家系统是一种以知识为基础的、智能化的计算机软件系统，它将 领域专家的知识、经验加以总结，形成规则，存入计算机建立知识库， 采用合适的控制策略，按输入的原始数据进行推理、演绎，做出判断和 决策，起到领域专家的作用。 如图2 - 1 专家系统的基本结构，它包括两个主要部分：知识库和推 理机。这种结构比较简单，知识工程师与领域专家直接交互，收集与整 理领域专家的知识，将其转化为系统的内部表示形式并存放到知识库中， 推理机根据用户的问题、求解要求和所提供的初始数据，运用知识库中 的知识对问题求解、并将产生的结果输出给用户。 专家系统的一般结构，这种结构包括六个部分，知识库、推理机、 综合数据库、人机接口、解释程序以及知识获取程序。 知识库：用于存放领域专家提供的专业知识。 北京交通大学硕士论文 综合数据库：用于存放关于问题求解的初始数据、求解状态、中间 结果、假设、目标以及最终求解结果。 田户 图2 1 专家系统的基本结构 推理机：在一定的控制策略下针对综合数据库中的当前信息，识别 和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。 知识获取程序：用于部分代替知识工程师进行专门知识的自动获取。 解释程序：对系统给出的结论、求解过程以及系统当前的求解状态 提供说明。 人机接口：把领域专家或用户输入的信息转换成人类易理解的外部 形式。 专家系统的研制促进了人工智能理论和技术的发展，开辟了计算机 求解非数值问题的有效途径，专家系统已成为世界各国最热门的竞争性 研究课题，我国对于专家系统的研究工作起步较晚，但经过二十年的艰 苦努力，已经在理论研究和应用开发方面取得了很大进展，在战略管理 等方面研制了一批专家系统，取得了明显的经济效益和社会影响。 专家系统的任务，将专家的知识和经验以适当的形式存入计算机， 利用类似专家的思维规则，对事例的原始数据，进行逻辑或可能性的推 理、演绎，并做出判断和决策。 专家系统和传统程序的根本区别， 前者使知识库和运用知识的推理机制相互独立。从程序设计方法学 的角度来看，传统程序的设计方法可以写成： 数据+ 算法= 程序， 而专家系统的设计方法为： 知识+ 推理= 系统， 第2 章知识库的生成 与传统程序相比，专家系统似乎更专门、更特殊。传统程序通过算 法对大量的数据进行积累和处理，使繁琐的事务处理自动化，而专家系 统通常是要完成那些需要拥有专门知识的领域专家在几分钟或几小时内 完成的量大面广、性质相对重要的任务，如诊断、规划、决策等等，专 家系统通常要考察大量的可能性，或者说动态地建立解决问题的方法。 2 1 2 图元 图元是用户可以操作的、不可细分的最小图形单元，在这里指的是 电力机车的继电器、开关等器件，在建立数据文件时，创建一个具有特 殊定义的图元p ，将其加入到适应的位置，p 既是支路之间的分界符，又 是每个支路的开端标识符，这个特殊图元p 的数据结构的定义包含表现 网络关系的参数，用于推理机制的推理，其数据结构包括：节点前一支 路电状态、该节点标识的支路所包含图元个数、与当前支路并联的支路 个数、并联支路第一支路标志、节点位置的横坐标与纵坐标、节点图元 在图形库中的位置、与并联支路其它支路的关系。此外还有0 开关等器 件( 状态改变将影响支路) 、o s 指示灯等器件( 状态改变不影响支路) 、l 直流导线、l 交流导线；电路数据文件就是由这些图元组成的。数据结构 一方面把每个图元的位置、显示特征作为一体化对象描述出来，另一方 面通过安插节点将电路的网络关系清楚地表现出来。 表2 - 1 图元数据结构的定义： poo s ll 1电状态电状态电状态电状态 2 支路器件数标注的横坐 标注的横坐标注的横坐标注的横坐 标标标 标 3 推理电状态标注的纵坐标注的纵坐标注的纵坐 标注的纵坐 杯标标标 4 标注内容标注内容标注内容标注内容标注内容 5 支路属性 开关状态 北京交通大学硕士论文 6 图元横坐标图元横坐标图元横坐标图元横坐标图元横坐标 7 图元纵坐标图元纵坐标图元纵坐标图元纵坐标图元纵坐标 9 图元在器件图元在器件图元在器件 库文件中位库文件中位库文件中位 置号 置号置号 9注释 1 0 在图形文件中的唯一的名字 注：”表示无意义。 在电路仿真系统中，我们在计算机屏幕上动态地显示机车电路工作 在正常和故障情况下得电、失电的过程，在显示中电流变化的速度是可 调整的，得、失电的电路的颜色也发生适当的变化，与机车实际运行时 的各种实时的变化状态相同，使操作者有身临其境的感觉，用户界面简 单，使用方便，只需用鼠标单击( 或键盘的输入) 就能完成所有的操作， 学习掌握操作方法上手快。用纯软件的方法降低了本系统的制作成本， 也降低了培训的成本，可移植性好，只要系统能在计算机上运行，就可 以进行培训。 电路原理图的生成、推理和仿真是通过专家系统来完成的。本系统 中的专家系统知识库是由电路图数据文件、控制矩阵文件以及器件库矩 阵文件等构成。专家系统知识库的生成是本系统的重点和难点。 2 1 3 专家系统推理模型 电力机车电路是一个庞大、复杂的系统，它的几大电路在同一工作 状况下错综耦合，继电器、保护电路和断路器等逻辑关系复杂，在进行 其工作仿真时，就需要用到较多的启发性知识，并以逻辑判断为主，同 时还要涉及机车控制原理的较深层次的知识，所以适合采用专家系统的 方法来解决。 为了描述专家系统机推理的模型，首先介绍一下模型中用到的几个 名词： ( 1 )支路( b r a n c h ) ：构成电路的不能再分的最小部分，它有物理 第2 章知识库的生成 状态和电状态两种属性。机车的每一电路都是由若干支路组 成。 ( 2 ) 器件( c o m p o n e t ) ：构成支路的各单位元件，如开关、接触器 “等，它也有物理状态和电状态两种属性。 ( 3 ) 器件的物理状态( s o n ) ：在指定方向上电流能否流过该器件 的状态，可分为通( “1 ”) 、断( “0 ”) 两种。 器件通：s 州j = 1 ，器件能流过电流，如开关处于闭合状态； 器件断：s c p i i = o ，器件不能流过电流，如开关处于断开状态； ( 4 )器件的电状态( s 耐) ：电流是否流过的状态，分得电( “l ”) 和 失电( “o ，) 两种。 器件得电：s 。“= l ，器件有电流流过： 器件失电：s c 。“= 0 ，器件没有电流流过： ( 5 ) 支路的物理状态( s b o i ) ：指其能否流过电流的状态； ( 6 )支路的电状态( s b d ) ：指电流是否流过的状态； ( 7 )节点( p ) ：节点是每条支路开始的标志，它包括前面支路的 状态、本支路的器件数、与本支路并联的支路数等信息。它 是数据文件的核心元素。 从得电、失电的角度来说，机车控制电路中的所有器件都只有“得电” 与“失电”两种状态，所以用于动态显示得电、失电变化时，可以把机车 电路的动作逻辑当作逻辑电路来处理：分析机车电路逻辑控制模型时， 将机车电路中所有相对独立的部分( 如导线、开关、线圈等) 都当作一个 器件来处理。而器件的动作依赖于器件的状态，在本系统中把电路中器 件的状态分为物理状态和电状态两种。器件的物理状态定义为在指定方 向上电流能否流过该器件的状态，电状态定义为电流是否流过该器件的 状态。对每一支路，按照直流电路的通电机理，一条支路是否有电流流 过，取决于支路的起始点状态和物理状态，支路的物理状态又取决于构 成支路各器件的物理状态。这就是机车电路控制机理逻辑。基于此可以 建立电路推理的物理模型，如图2 2 所示： 其推理数学模型如下： 北京交通大学硕士论文 ( 1 ) 器件的物理状态( s e 。i j ) ：在器件的物理状态控制矩阵s 。t 。( 表达 式见下节) 中表示。各表达式的下标字母含义为；c 一器件，p - - 物 图2 - 2 电路推理模型 理状态，i ，j 一第i 个支路的第j 个器件，n 共1 1 个支路，r r 卜一每 个支路最多有1 1 1 个器件。 ( 2 ) 支路的物理状态( s 。) ： s ”产u s c p i j ( i = 1 ，2 ，n ) j 下标字母b 表示支路。c 、p 、i 、j 的含义同上 ( 3 ) 支路的电状态( s 。) ： s b 。i = s b ，i s ( i = 1 ，2 ，n ) 其中，下标字母e 表示电状态，s 。为第i 个支路的节点电状态。 ( 4 ) 器件的电状态( s 。，) ： s 。i j = s b 。i( i = 1 ，2 ，n ；j = l ，2 ，m ) ( 5 ) 下一支路节点电状态( s 。+ ”) ： s 口，( i + 1 ) = s b “ 系统电路工作仿真是通过仿真主机读取电路的数据文件，并利用电 路控制矩阵来实现的，而电路控制矩阵的自动更新是由专家系统推理来 第2 章知识库的生成 完成的。 专家系统的主要内容是知识库、推理机、综合数据库。在本系统中， 知识库就是电路的功能、结构和工作原理：综合数据库是电路数据文件、 控制矩阵以及器件库矩阵等，采用v b 6 0 语言编写推理机用于对电路的 推理。本系统的推理方法采用精确推理，推理方向为正向推理。 专家系统知识库的结构： 1 、电路图的数据文件： 电路数据文件是将电路的网络关系化解成 串联或并联的关系。用串联、并联的逻辑关系 来进行推理。串、并联电路之间的逻辑主要是 “与”、“或”的关系。如图2 - 3 所示，是8 k 电 力机车主电路的部分电路，当a 节点状态为1 且开关k 1 为闭合时，b 节点的状态才为1 ，b n 的状态是a 与k 1t t 与”的结果。当b 节点的状 图2 38 k 机车部分电路图 态为1 ，在d 1 或d 2 之中有一个导通，则e 节点的状态就是1 ，e 的状态 是由两并联支路状态相“或”之后再与前一节点相“与”的结果。其逻 辑关系可以表示如下： b 处：s b = s a & s m e 处：s 。= s b & & ( s mj fs m ) 这里，& 表示逻辑“与”，f i 表示逻辑“或”，s d l 表示d 1 的状态， s b 表示b 节点的状态，如此类推。机车电路的得、失电过程在时间上是 有一定顺序的，有些支路的得、失电是以其它支路的得、失电为条件的。 因此在建立数据文件的过程中，除考虑支路之间的逻辑关系外，还要考 虑时序关系和条件关系。 在本系统中，引入了图元的概念，图元是用户可以操作的不可细分 的最小图形单元，在这里指的是电路中的继电器等器件。在建立数据文 件时，创建了具有特殊意义的图元p ，它既是支路之间的分界符，也是 一个支路的开始符。图元p 的数据结构的定义包含表现网络关系的参数， 用于推理机制的推理，其数据结构如下：前一支路电状态、该节点所在 北京交通大学硕士论文 支路的图元个数、与当前支路并联的支路个数、并联支路第一支路标志、 节点的横坐标与纵坐标、节点在图形库中的位置、与并联支路其它支路 的关系。此外还有0 ( 开关等器件) 、l ( 交流导线) 等国元，每个图元 的数据结构都包括图元的标注内容及其坐标、图元的位置坐标、图元在 器件库的位置，显示特征作为一体化对象描述出来。 2 、控制矩阵文件： 电路动态仿真的整个推理过程是从器件的物理状态开始的，即通过 控制器件的物理状态来控制电路，器件的物理状态s 。，是指在指定方向 上电流能否流过，可分为通( “1 ”) 、断( “0 ”) 两种。控制矩阵是由能够 影响电路状态的图元的物理状态( o 或1 ) 组成的，第i 个支路的第j 个 器件c ：i 的物理状态对应于控制矩阵的第i 行、第j 列的s c p ，其表达式 女，s 印( 一。) = s c p l l ： j 驯l ： s l j 曲1 2 -_ - 5 2 3 、器件库矩阵文件 基本图形绘制好后，保存在图形库中，用其在图形库中的位置来区 分，当图元的状态发生改变时，为了快速准确地找到与其对应的图元的 位置，建立了一个图元矩阵，即：g r a p h a r r a y m = q 。g 1 ： g ，g ： 6 - 卅。6 2 g i l ( i = l 2 ，m ，i 表示图元器件库中的位置，m 是器件库中器件 的总数) 的值为“0 ”或“1 ”，表示与当前图元状态相反的图元状态， g 缸表示与当前图元状态相反的图元在器件库中的位置。 爪 加 ； 第2 章知识库的生成 2 2 传统的知识库生成方法 2 2 1 方法概述 在电路仿真中，机车电路原理图的生成是通过专家系统的知识库即 电路图数据文件而得到的，数据文件中图元的数据结构包括了该图元的 坐标位置，在器件库中的位置等信息，程序读取这些信息，即可在窗体 上画出电路图。传统的知识库的生成，就是对照电路图逐句的编写，这 种方法本身就是很繁琐的，而是机车电路图很大，整个机车又包括主电 路图、辅助电路图、控制电路图等，这就使得数据文件的编写成为了十 分复杂的过程，而且其修改、补充也都有一定的困难， 数据文件本身是用一些数字和字母来表示电路的导线、器件及电路 的网络关系，对于每幅电路图，它的数据文件都包括几百个图元，每个 图元在文件中是由一条记录来体现的，如图2 - 3 所示的电路，其数据文 件编写如下： p131 。+ 07 1 02 7 55 80 l000+t+07 1 02 7 57 1 02 8 0 o07 2 02 5 5k 117 1 02 9 0 2 9 10 i000+07 1 03 0 07 1 03 0 5 p192 4+ 27 1 03 0 55 85 l000。+07 1 0 3 0 57 3 03 0 5 l0 00e+07 3 03 0 57 3 03 2 5 o07 0 0 3 3 5d 107 3 03 3 57 50 l0 004+07 3 03 3 57 3 03 4 0 100 0 4+4 07 3 03 4 07 1 03 4 0 p142107 1 03 4 05 80 l00 0+ 07 1 0 3 4 07 1 03 5 0 o07 4 0 3 3 5d 207 1 03 6 07 50 10 0 0+4+07 1 0 3 7 0 7 1 0 3 8 0 可见，对于图2 - 3 所示的简单电路，其数据文件已经很大，所以编 写数据文件的工作量很大。 北京交通大学硕士论文 2 2 2 存在问题 通过上节的介绍，可以知道，用传统的方法生成系统知识库，要编 写人员逐条记录的编写，同时，由于没有明显的标记和说明，以至于非 常容易发生混乱和错误。所以总结起来有如下几点不足： 1 、不易修改。数据文件一旦完成就不易修改，除修改其本身比较复 杂外，改动数据文件还意味着将要改动器件物理状态控制矩阵，电力机 车的车型很多，且在不断增加，各种车型的电路不完全相同，即使是同 一种车型的电路也在不断地改进，因此，传统方法通用性差，不适于系 统的扩充。 2 、可视性差。传统方法不够直观，在写知识库的过程中，无法直接 看到计算机画出的电路图，因此不能保证根据它画出的电路图布局合理。 3 、编写效率低。用这种方法编写数据文件时完全依靠人工编写，工 作量十分大。而且也不易于他人的阅读与理解。 基于以上原因，我们改进了数据文件的生成过程，提出了一种新的 绘图方法，借助于v i s i o2 0 0 2 绘图软件，把电路中的所有元器件以图形 的形式存入