（检测技术与自动化装置专业论文）车站信号设备管理系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 铁路运输是国家的命脉，关系到国家的经济与生产，甚至国防安全。而车站信号系 统是铁路系统最重要的组成部分之一，它保证了铁路运输的安全生产和高效运营。然而 车站信号设备管理几乎还停留在七八十年代的管理水平中，虽然近几年车站信号系统使 用了一部分微机监测设备，但由于功能不足使得监测设备的使用效率很低。车站信号设 备管理已经完全不符合现阶段各个领域信息化发展的需要，随着铁路几次大提速，更是 逼迫车站信号系统需要一个高效的管理平台。 本文根据车站信号设备管理的现状，结合了地理信息技术、s q ls e r v e r 数据库、a d o 技术和专家系统理论，设计了车站信号设备管理系统。本系统重点设计和实现了设备信 息管理和故障诊断两个模块。车站信号设备信息管理模块把组件g i s 应用到车站信号设 备信息管理系统中，实现了车站信号设备信息的图形化管理。前台采用v c + + 和 m a p o b j e c t s ( e s r i ) 组件开发界面，后台采用s q ls e r v e r 进行数据库存储，并通过编程 实现地理信息数据( m a p o b j e c t s 支持的s h a p e f i l e s ) 在图层界面上的应用，通过使用a d o 数据库接口来连接s o ls e r v e r 数据库，实现了信息数据管理一体化、办公自动化、无纸 化，从而提高了车站信号设备管理的效率。车站信号设备故障诊断模块把知识的规则表 示法、框架表示法和面向对象表示法结合起来，构成知识的对象表示方法。整个模块以 对象的层次结构为中心，以事件树作为故障诊断模型来设计知识库和推理机。推理机主 要采用以事件树为模型的基于规则的推理机制，利用模糊推理计算故障隶属度来缩小故 障范围和消解规则间的冲突。 通过测试，本系统能够高效地管理车站信号设备信息，快速、准确的地推理出故障 原因，该系统具有一定的实用性，能够弥补车站信号微机监测软件的不足。 关键词：车站信号；地理信息系统；s o l s e r v e r ；专家系统 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e d e v i c em a n a g e m e n t s y s t e mo fs t a t i o ns i g n a l a b s t r a c t r a i l w a y sa l et h el i f e b l o o do ft h ec o u n t r y ，w h i c hr e l a t et oc o u n t r y se c o n o m ya n d p r o d u c t i o n ，a n de v e nn a t i o n a ls e c u r i t y t h es t a t i o ns i g n a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r a i l w a y ss e c t o r ，i te n s u r e st h es a f e t yo fr a i lt r a n s p o r ta n de f f i c i e n tp r o d u c t i o no p e r a t i o n s h o w e v e r , t h em a n a g e m e n to ft h es t a t i o ns i g n a lr e m a i n sa ta l m o s tl e v e li n7 0 so r8 0 s ，a l t h o u g h i nr e c e n ty e a r st h es t a t i o ns i g n a ls y s t e mp a r t i a l l yu s e st h ec o m p u t e rm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ， b u td u et ol a c ko ff u n c t i o n a l i t y ，t h eu s ei sv e r yl o we f f i c i e n t t h es t a t i o ns i g n a lm a n a g e m e n t h a sb e e nt o t a l l yi n c o n s i s t e n tw i t ht h es i t u a t i o no fi n f o r m a t i o nd e v e l o p m e n ti ne v e r ya r e a , w i t h r a i l w a ys p e e di n c r e a s i n g ，t h es t a t i o ns i g n a ls y s t e mn e e d sa l le f f i c i e n tm a n a g e m e n tp l a t f o r m b a s e do nt h ec u r r e n tm a n a g e m e n ts t a t u so ft h es t a t i o ns i g n a l ，t h er e p o r th a sd e s i g n e d t h es t a t i o ns i g n a le q u i p m e n tm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n go fg i st e c h n o l o g y ，s q ls e r v e r d a t a b a s e ，a d ot e c h n o l o g y ，a n de x p e r ts y s t e m st h e o r y t h es y s t e m m a i n l yi n c l u d e s i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea n df a u l td i a g n o s i sm o d u l e t h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t m o d u l eo fs y s t e mr e a l i z e sg r a p h i c a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tb yu s e i n gg i sc o m p o n e n t t h e s y s t e mu s e sv ca n dm a p o b j e c t s ( e s r i ) i nd e s i g n i n gt h es y s t e mi n t e r f a c e ，a n du s e ss q l s e r v e rd a t a b a s et os a v eo nt h eb a c k g r o u n d ，a n dr e a l i z e sg i sd a t a ( m a p o b j e c t ss u p p o r t s h a p e f i l e s ) a p p l i c a t i o na tt h ei n t e r f a c eo ft h ea p p l i c a t i o nl a y e r t h r o u g hc o n n e c t i n gs o l s e r v e rd a t a b a s ew i t ha d od a t a b a s ei n t e r f a c e ，t h e s y s t e ma c h i e v e s t h ei n t e g r a t i o no f i n f o r m a t i o nd a t am a n a g e m e n t ，o f f i c ea u t o m a t i o n ，p a p e r l e s s ，a n di m p r o v e se f f i c i e n c yi nt h e m a n a g e m e n to fs t a t i o ns i g n a l s t h e f a u l td i a g n o s i sm o d u l eo fs y s t e mm a k e st h er u l e s r e p r e s e n t a t i o n ，t h e1 j r a m e w o r kr e p r e s e n t a t i o n a n do b j e c t o r i e n t e dr e p r e s e n t a t i o nb a n d e d t o g e t h e rt ob u i l dk n o w l e d g eo b j e c t - o r i e n t e dr e p r e s e n t a t i o n t h ew h o l es y s t e mu s e so b j e c t h i e r a r c h ya st h ec e n t r a l ，a n du s ee v e n tt r e ea sam o d e lt od e s i g nf a u l td i a g n o s i si n f e r e n c e e n g i n ea n dk n o w l e d g eb a s e i n f e r e n c ee n 舀n em a i n l yb a s e so nr u l ea n du s e se v e n tt r e ea s m e t h o do fr e a s o n i n g , a n dn a r r o w st h es c o p eo ff a u l ta n de l i m i n a t e sc o n f l i c t sb yc a l c u l a t i n g f a u l tp o s s i b i l i t yw i t hu s i n g f u z z yi n f e r e n c er u l e s b yt e s t i n gt h es y s t e mc a ne f f i c i e n t l y ，q u i c k l ya n dc o n v e n i e n t l ym a n a g e ss t a t i o ns i g n a l e q u i p m e n t ，a n da c c u r a t e l yc o n c l u d et h er e a s o n so ff a i l u r e ，t h es y s t e mh a sac e r t a i np r a c t i c a l i t y ， i tc a nr e a l l ym a k eu pf o rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e ms h o r t a g e k e yw o r d s ：s t a t i o ns i g n a l ；g i s ；s q ls e r v e r ；e x p e r ts y s t e m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：叠整遣蔓谜笠醚幽盘鱼2 美兰乏壶望冽 作者签名： 釜毖! 硅日期：垒翌堡年- 一丝月二工日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：垒丝缝蚤超壶丝毽：公缢j 盘安数迸复塞冽 作者签名：鑫毖：硅 日期： 之竺8 年j 上月迓日 剥醛各毒耻 嗍：型l 年监月丑日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题背景及研究意义 车站信号系统是铁路系统的一个重要的组成部分，是保证铁路运输安全，提高运输 效率的关键。车站信号系统主要实现车站行车与调车进路管理的自动化，保证行车与调 车的安全，提高站内的通过能力【1 1 。车站信号设备要求必须具有很高的工作稳定性和安 全性。车站信号系统分室内和室外两部分：室外设备主要分布在车站两端的咽喉区，根 据类型分为：道岔、信号机、轨道、电缆、箱盒五大部分；室内设备主要安装在信号机 械室、电源室和运转室内。车站信号设备具有数量多、种类多、联锁电路复杂、故障原 因多、故障处理时间短等特点i z j 。 随着运输需求的迅速增加，铁路列车的运行速度与密度都在不断增加，对铁路信号 设备的安全性要求也越来越高。另外，面对微电子、控制、信息技术的飞速发展，现代 铁路信号系统已不仅仅是保障铁路安全运行的部分，而是整个铁路系统安全、高效运行 的控制系统。为了保证铁路信号设备的安全性，采用高效的设备信息管理方法及快捷有 效的监测和诊断手段是十分重要的。利用新技术和方法实现铁路信号设备信息管理和故 障检测及诊断，是保障铁路运输安全中需亟待研究的重大课题之一。 为了保证铁路车站信号设备经常处于良好的工作状态，铁道部己建立并实施了多种 维修制度，主要包括年修、大修、中修、厂修、假修等定期维修，以及不定期维修和日 常维修等。这些制度的严格执行，为铁路行车安全奠定了重要基础【3 l 。但是，总体而言， 这些维修制度均具有超前或事后维修的特点，缺乏基于设备状态维修的预测性和设备维 修的经济性。因此，面对铁路运输的不断大幅度提速、对安全要求越来越高的形势，由 超前或事后维修向着基于状态修的转变已经成为维修制度改革的方向【4 j 。状态修的重要 手段是采用先进设备信息管理和故障监测诊断方法，建立全面信息化的管理、监测、诊 断系统。目前我国铁路信号微机监测系统己经不同程度得到了推广应用，但是还没有设 备信息管理方面的开发，而故障诊断决策支持系统也只处于亟待研究开发阶段。 目前，现场设备管理落后，故障分析仍依赖维修人员对设备故障机理的把握程度和 经验。这就难免因工作效率低下，或经验不足而产生失误，造成设备故障性行车事故或 延误维修时间，以致影响铁路运输的安全和效率。因此，利用新技术和方法，建立和开 发实用性的信号设备信息管理和故障诊断系统，提高科学的设备信息管理水平、提供科 学的故障诊断方法和决策，对提高设备状态维修水平和效率，确保铁路运输的安全都具 有重要的实际意义1 5 j 。 车站信号设备管理系统的设计与实现 1 2 车站信号系统管理现状 建国以来，经过6 0 多年的建设，我国铁路信号系统已基本达到体系完整、产品配 套、信号统一的成熟阶段，实现了由机械信号向以继电技术为主、逐步向电子信号系统 过渡的转变。但是我国的车站信号管理水平还停留在8 0 年代水平，设备管理还依旧靠 人工管理图纸、表格、笔记、台帐，故障处理还仍然靠经验、靠书本【6 1 。 由于车站信号设备自身的特点和管理上的落后，造成了一定程度上的信号设备管理 的难度，具体原因有： ( 1 ) 车站信号设备分布地域广( 最远端设备分布在距离车站3 k m 左右) ； ( 2 ) 大站( 几十组或上百组道岔) 室内外设备数量巨大，种类繁多； ( 3 ) 管理技术上的落后，信号工区工作人员管理设备通过图纸和填写的表格、台帐 进行管理，处理故障要翻阅配线图纸、查阅笔记记录，对于中型站，站场图纸就有厚厚 的几本，不论是在零散电路图上查找分线盘，还是在电缆配线图中查找电缆端子，都是 一项十分繁琐的事情，往往会延误故障处理时间； ( 4 ) 由于天气或一些外来因素常常导致室外设备故障发生频繁，并且由于信号系统 与铁路运输的紧密结合，故障处理时间只有几分钟，所以故障处理难度非常大； ( 5 ) 由于车站信号设备不仅种类多，而且故障现象及产生的原因和形式比较复杂， 有些故障具有很大的偶然性和模糊性，所以故障诊断问题具有非结构化或半结构化的性 质。 根据以上原因可知，对于车站信号设备在很短的时间内处理设备故障，面对复杂的 电路和庞大数量的设备，没有一个高效的设备信息管理和诊断系统，将是一件非常困难 的事。 8 0 年代以来，我国车站信号设备微机监测系统已经在全路广泛应用，绝大部分车站 都可实现设备工作状态信息实时监测，然而微机监测系统功能单一，只限于重点设备状 态的监测功能，其功能方面还有待于扩充完善，例如信号设备的信息管理方面及故障的 诊断方面等l 丌。 本论文，结合作者的车站信号工作经验，并通过研究生期间v c 编程、g i s 开发和 数据库的学习，就如何运用g i s 和计算机技术来加强信号设备信息管理，以及如何利用 专家系统理论来设计实现故障诊断系统进行了选题研究。 1 3 完成的工作及意义 ( 1 ) 完成的工作 本论文的研究内容是根据我国铁路车站信号系统的主要特点，紧密结合现场的实际 情况以及应用的要求，将g i s 技术、a d o 访问数据库技术和人工智能领域内专家系统 大连理工大学硕士学位论文 的方法应用到铁路车站信号设备的管理与故障诊断中，代替传统的人工管理设备模式、 人工排查故障诊断处理方法。论文主要进行了以下方面的研究工作： 利用v c 和m a p o b j e c t s 控件进行系统平台界面的设计，地理数据库和s q l s e r v e r 数据库的设计，实现数据库互访。 利用v c + + 通过a d o 访问后台数据库s q ls e r v e r 的技术和m a p o b j e c t s 控件二 次开发技术来设计实现信号设备的信息管理，实现信息查询、报表管理、c a d 图管理 等功能。 针对电气集中联锁电路的结构特点与工作原理，设计车站信号故障诊断专家系 统中关键部分一知识库与推理机。 基于面向对象的软件设计方法，利用v c 开发以信号设备信息管理模块和故障 诊断模块为主要组成部分的车站信号设备管理系统。 ( 2 ) 工作的意义 本文尝试把现今成熟的计算机技术引入到车站信号系统管理中，改变车站信号管理 落后的现状。作者设计并开发了车站信号设备管理系统，实现了两个主要的功能模块： 设备信息管理模块和设备故障诊断模块。系统实现了数据信息管理和设备故障诊断图形 化、简单化、高效化。本系统的设计弥补了目前车站信号系统普遍应用的微机监测系统 的功能不足。利用本课题的研究成果能够实用、有效地辅助车站信号维护人员进行设备 信息管理、故障诊断，该系统能够成为信号维护人员的好帮手，进而减轻设备维护人员 的工作压力。 车站信号设备管理系统的设计与实现 2 m a p o b j e c t s 组件及故障诊断专家系统介绍 2 1 m a p o b j e c t s 组件介绍 2 1 1 m a p o b j e c t s 概述 m a p o b j e c t s 是全球最大的g i s 软件供应商e s r i ( e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c h i n s t i t u t e ，环境系统研究所) 公司在业界最早推出的g i s 软件组件，它起点高、功能强、 结构优雅。 m a p o b j e c t s 是全球范围内使用最广的g i s 组件，也是潜在错误被最充分暴露并得以 纠正的软件组件，其稳定可靠性毋庸置疑。有经验的程序员都知道，在软件开发过程中， 稳定性压倒一切，而这正是m a p o b j e c t s 能被成功应用的重要前提和保证。 m a p o b j e c t s 可以称得上是最优雅简洁的g i s 软件组件。之所以这么说，是因为它以 最少的接口提供了常用的g i s 功能，甚至g p s 的动态特性，同时做到了结构合理，简 单明了，容易理解和扩展。与之相比，其他的g i s 组件，不是由于提供的功能过多而破 坏了其内在的结构美，进而影响了用户扩展的灵活性，就是结构过于简单而使功能大大 弱化。可以说，m a p o b j e c t s 在功能和结构两者之间，取得了完美平衡，体现出了软件的 艺术性，给人带来愉悦的感受【8 j 。 2 1 2 m a p o b j e c t s 组件组成结构 m a p o b j e c t s 由一个被称为m a pc o n t r o l 的a c t i v e x 控件和4 6 个功能对象组成。其中 m a pc o n t r o l 中包括1 5 个消息、2 4 个方法和4 0 个属性设置函数，而这4 6 个对象按功能 可分为6 大类，二者的关系可以用舞台来描述。m a pc o n t r o l 控件就好像舞台总控制室， 而这4 6 个功能对象就是舞台上的演员、灯光、音响等要素，全部都由m a pc o n t r o l 控件 统一调度和管理。而这里面的演员是c m o m a p l a y e r 对象【9 1 0 】。 4 6 个功能对象又可以分为四组： ( 1 ) 数据通道目标组 通过数据通道目标组，你能建立与地图数据的联系，增加属性值，从地图元素上反 馈属性信息。 ( 2 ) 地图显示目标组 通过地图显示目标组，能用符号或专题描述画一张地图，也可加入图像做为背景， 在地图上显示动态数据。 ( 3 ) 几何图形目标组 几何图形目标组提供几种功效：从图层中选择的元素反馈几何信息；向图层添加几 何目标；向地图中绘制几何目标而不更新图层。 4 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 地址匹配目标组 地址匹配目标组允许进入一图层上的某个地址，该地址具有目标名称和地址范围并 返回一个位型1 1 j 。 2 1 3 m a p o b j e c t s 组件与地图数据 从m a p o b j e c t s 对地图数据的组织方式来看，概念清晰，易于理解。一个综合性的 地图由多个图层构成，图层数据来源广泛，既可以是g i s 矢量图层，也可以是c a d 图 层，甚至影像数据。对于g i s 和c a d 的矢量图层，其内部统一用记录集( r e c o r d s e t ) 来 表达，这样就抹平了各种不同格式数据之间在内存中的表达鸿沟，简化了程序员的数据 匹配编程。记录集正像关系数据库中的二维表，行表示每个要素、列表示每个属性。如 果含有名称为“s h a p e 的列，则该记录集表示的是地图要素，否则表示的是普通的数 据库表格。这样，在数据结构内部就消除了g i s 和m i s 数据之间的差异，使程序员开 发g m i s 综合应用系统易如反掌。 s h a p e 字段以面向对象的技术封装了要素的图形部分。他把图形划分为三种类型， 即点、线、面。这些几何类型既简单又复杂，说他简单，是因为很容易理解，所有的图 形归根到底都是由点、线、面构成的；说他复杂，是因为这些点、线、面并不是简单的 点、线、面，实际上他引入了一个部件( p a r t ) 的概念，由点构成部件，部件由复合点构 成、线和面则由部件构成。 如果只有一个部件，则它是简单的线或面，如果有两个以上的部件，则构成复合线 或面。例如夏威夷群岛，由很多小岛屿构成，但它是一个整体，其中的每个小岛都可以 用p a r t 来表示，多个p a r t 构成的多边形放到一个s h a p e 字段中。 至于注记，则被描述为属性字段的自动标注。标注的位置由s h a p e 字段中的图形要 素决定，他可以是点、线或面，通常是线。标注的内容由普通属性表示，既可以是字符 型，也可以是整型或浮点型，通常是字符型。这样，一切要素既可以按图形表示，也可 以按其属性内容标注显示，甚至可以两者同时显示，地图显示和制图的方式是极为灵活 的【1 二1 4 1 。 m a p o b j e c t s 可以支持的数据源格式有形文件，图像文件，属性表或通过e s r i 的专 用数据库引擎连接的专用数据库。形文件是e s r i 提供的存储地理数据的矢量格式，这 就意味着地图元素以x ，y 形式出现。其坐标系是笛卡尔坐标。注意：笛卡尔坐标与屏 幕坐标有所不同。 每一元素的几何形状以一组矢量坐标的形式存储。其属性存放在与形文件相连的 d b a s e 的记录中。 车站信号设备管理系统的设计与实现 以下是得到形文件的不同方法： ( 1 ) 购卖商业地图数据； ( 2 ) m a p o b j e c t s 提供的光盘； ( 3 ) a r c v i c w ，a r c i n f o 等e s r i 产品的数据； ( 4 ) 编写程序从其它格式中转换。 一个形文件由三种文件组成：主文件( * s h p ) 包含几何形状；索引文件( * s h x ) 包含数 据的索引；数据库文件( 幸d b f ) 包含形的属性，你可以修改字段的定义。 此外利用m a p o b j e c t s 编写的应用程序，可通过一种关系与外部属性表相连。关系 是连接元素表( 元素表可是形文件的d b a s e 表，也可是从s d e 层中得到的表) 与属性表 的表。为了这种连接，可安装o d b c 。这种关系留存于应用程序运行期间，它不会被写 入文件中【1 5 1 6 1 。 2 2 故障诊断专家系统介绍 专家系统是目前人工智能中最活跃、最有成效的一个研究领域，是基于知识的计算 机智能程序系统。它从人类领域专家那里获取知识，并用来解决只有领域专家才能够解 决的困难问题。因此可以这样来定义专家系统：专家系统是一种具有特定领域内大量知 识与经验的程序系统，它应用人工智能技术，根据某个领域一个或多个人类专家提供的 知识和经验进行推理判断，模拟人类专家求解问题的思维过程，以解决该领域内的各种 问题l 。 2 2 1 专家系统基本结构 + 推觋卜- 鬻瓣卜 人 过 机 t 程 接 接 口 - 知识获取机构h 翟雾h 解释器 口 +厂 图2 1 专家系统的组成结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m 专家系统是在计算机中实现的。它由知识库、知识获取机构、综合数据库、推理机、 人一机接口、解释器五个部分组成。其中知识库和推理机是专家系统的核心部分。各部 分的关系如图2 1 所示【1 8 l 。在上述各组成部分中，知识库与推理机是专家系统不可缺少 大连理工大学硕士学位论文 的组成部分。在某些应用领域中，可以缺少解释部分和知识获取部分，但是一个完善的 专家系统应具备上述五个部分。 2 2 2 知识库 知识库是用来存储领域专家知识和经验的地方。专家的知识只有用适当的数值、符 号并通过一定的形式表示之后才能为计算机所接受。因此，建立知识库的关键是如何准 确、简明、有效地表示专家的知识。 要在计算机中建立一个知识库，首先要从领域专家获取知识，其次是将专家的知识 用适当的方法表示出来，并用智能语言书写，然后再送入计算机中。常用的知识表示法 有如下几种：逻辑模式、产生式系统、框架结构、语义网络，此外还有事件树、与或图、 状态图、模糊关系及模糊逻辑等。 本课题结合车站联锁电路的特点主要研究分析产生式表示法、框架表示法以及面向 对象的知识表示方法。 ( 1 ) 产生式表示法 产生式一词是由美国数学家波斯特于1 9 4 3 年根据替换规则提出了计算模型，产生 式表示法又称为规则表示法，用于表示因果关系的知识，其基本形式是： i f 条件t h e n 结论 条件也称为前提或前件，用于指出该产生式规则是否可用的条件；结论也称为后件 或动作，前提条件满足得出的结论或执行的操作。前提条件可以有多条，彼此通过逻辑 运算符a n d 或者o r 联系在一起组成表达式。 将一组产生式规则放在一起，通过逻辑关系使它们互相配合协同工作，一条规则的 结论可以作为另一条规则的前提，以求得问题的解决，这种系统被称为产生式系统 ( p r o d u c t i o ns y s t e m ) 。由于这种系统的知识库主要用于存储规则，因此又把这种故障诊 断专家系统称为基于规则的系统( r u l e - b a s e ds y s t e m ) 。 ( 2 ) 框架表示法 框架表示法是一种基于框架理论的结构化表示方法【1 9 】。认识都是以框架的结构存储 在记忆中的。一个框架( f r a m e ) 由若干个描述相关事物各方面及其概念的槽( s l o t ) 组成， 每个槽下面的层次为侧面，每个侧面又有各自的若干个值。槽用于描述研究对象某一方 面的属性。 一个框架可以形式地表示如下： 槽名1 ： 车站信号设备管理系统的设计与实现 侧面名1 ：值1 ，值2 ，值k 侧面名2 ：值1 ，值2 ，值k 侧面名1 1 ：值1 ，值2 ，值k 槽名n ： 侧面名1 ：值1 ，值2 ，值k 侧面名2 ：值1 ，值2 ，值k 侧面名n ：值1 ，值2 ，值k 规则： 规则1 规则2 规则m 框架表示法最突出的特点是它善于表达结构性的知识，能够把知识的内部结构关系 及知识间的联系表达出来，但其不足之处是不善于表达过程性的知识。 ( 3 ) 面向对象的表示方法 随着面向对象技术的成熟，面向对象技术越来越多地被应用于专家系统的开发中。 面向对象技术所具有以下特点：封装性、继承性、多态性、消息机制。通过封装将对象 的外部行为和内部数据结构区分开来，对象的行为由其内部的结构和过程决定，而不是 外部的程序。 面向对象的程序设计方法以抽象的数据类型为基础，能方便地描述复杂对象的静态 特性、动态行为及其相互作用，而且具有一般知识表示方法的优点。面向对象的知识系 统【矧采用封装机制和抽象数据类型来表示知识，即可以将下列信息封装在一起：结构( 类 或对象的属性) 、方法( 类或对象属性的操作、事实库的存储方法、规则库的推理方法) 、 事例库( 有关对象的事实) 、规则库( 有关对象的启发性知识) 、与其它对象的关系【2 l 】。 2 2 3 推理机 推理机实际上是计算机中的一组智能程序，它包括推理机制与搜索策略两个部分。 其任务是运用给定的推理方法和搜索策略，从知识库中选取有关知识，针对用户提出的 问题，做出相应的解答。 ( 1 ) 推理机制 大连理工大学硕士学位论文 在专家系统中，推理分为精确推理与非精确推理两大类。其推理方式又分为正向推 理、反向推理以及正反向混合推理。 正向推理 正向推理是一种从证据到结论的推理方法，所以又称为证据驱动策略，或者称为由 项向下策略。应用正向推理构成的推理机，应具备以下功能： 根据用户提供的前提事实，选用知识库中的知识；将选用的知识和经过推理得出的 结论显示在用户窗口中，并记录下来以便向用户解释推理诊断过程；当用户提供的证据 不充分、不足以得到相关结论时，可以向用户进行提问；能够判断结束推理的时机。 反向推理 反向推理是一种从结论到证据的推理方法。它是根据用户的问题，先给出一个结论 ( 假设) ，然后在知识库中去寻求支持这个假设的证据，如果证据存在假设就成立，则问 题获解。这种推理方式是从结论到证据，所以又称为目标驱动策略。 正反向混合推理 正反混合推理则是一种证据到结论、再由结论到证据的综合推理方法。 其推理过程是：先根据用户提供的前提( 证据) 事实，通过正向推理，得出参考结论， 再应用反向推理，进一步寻求支持该结论的证据，如此反复循环直到推理成功或失败为 止。 无论是正向推理、反向推理，还是正反混合推理，都有精确推理和非精确推理之分。 精确推理 ， 精确推理是指经过推理得到的结沦要么为真( 肯定的) ，要么为假( 否定的) 。在这种 推理中，应用到的知识或涉及到的推理规则，都是客观世界中存在的必然事实，证据和 结论之间，都有确定的因果关系。 非确定性推理 非确定性推理主要用于某些事实前提和因果关系都并非肯定的场合，这在诊断型、 预测型的专家系统中常会用到。其共同特点是：利用客观世界中某些不完善的或不确定 的事实和资料、以及不缺定的因果关系进行推理，得出某些近乎合理的结论。 ( 2 ) 搜索策略 无论在哪种推理方法中都会遇到搜索闯题。搜索策略的适当与否决定着系统的推理 速度，它是设计推理机时需要考虑的重要问题。单纯的正、反向推理，在目标的搜索上 常常具有很大的盲目性。在一个庞大的知识库中( 样本空间) ，盲目地搜索问题的求解目 标，影响系统的工作效率。因此，对推理路线和推理规则要求是具有启发性，使之能有 一9 一 车站信号设备管理系统的设计与实现 效缩短推理过程，加快目标的收敛聚焦速度。在专家系统中，根据搜索空间的大小，目 前常用的搜索策略主要有深度优先搜索、宽度优先搜索等方法。 深度优先搜索【2 2 】 深度优先搜索( d e p t h - - f i r s t s e a r c h ) ：按照深度越大优先级越高的原则，从初始节点 开始搜索，在其子节点中选择一个节点进行考察，若不是目标节点，则在该子节点的下 一级子节点中再选择一个节点进行考察，如此循环，直至到达目标节点。当在某个子节 点时，该子节点既不是目标节点又不能够继续向下搜索，此时，才选择同一层的相邻节 点如此循环类推，直至最终目标节点。 宽度优先搜索 宽度优先搜索( b r e a d t h - - f i r s t s e a r c h ) ：又称广度优先搜索，指从初始节点开始，逐 层地对节点进行扩展并考察其是否为目标节点，对本层的节点没有全部考察结束之前， 不会对下一层的节点考察。宽度优先搜索的盲目性较大，且随着搜索深度的增加，耗费 时间较多，但它总能求得最短路径的解。 2 2 4 专家系统其他组成部分 ( 1 ) 解释器 解释器是与人一机接口相连的部件，它负责对专家系统的行为进行解释，并通过人 一机接口界面提供给用户。它实际也是一组程序，其主要功能是对系统的推理过程进行 跟踪和记录，回答用户的提问，使用户能够了解推理的过程及运用的知识和数据，并负 责解释系统本身的推理结果。 采用的形式包括系统提示、人一机对话等。例如，回答用户提出的“为什么，给 用户说明“结论是如何得出的 等。解释器是专家系统不可缺少的部分，它可以使用户 了解系统的推理情况，也可以帮助系统建造者发现系统存在的问题，从而帮助进一步对 系统进行完善。 设计解释器一般要考虑系统运行时，用户可能会提到哪些问题，如何对这问题进行 回答，以便在程序中加以实现。解释器与人一界面的连接与交互方法也是设计解释器时 必须要考虑的。 ( 2 ) 知识获取机构 知识获取部分的任务是实现知识源到知识库的转移。知识源一方面来自专家，另一 面来自书本文献。对这些知识均需经过形式化处理并以编码的方式存入知识知识库中。 知识获取的方法有两种：人工和自动获取。早期的专家系统，其知识的表示、存储、 修改、扩充和删除等都是人工进行的，需要领域专家与智能工程师长期合作，并为此付 出艰巨的劳动。目前，一些专家系统已或多或少具有了自动获取知识的功能。自动获取 知识包括两个方面的含义分别为：针对领域专家知识的自动获取，即系统可以不通过智 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 能工程师就能与领域专家交流，并自动将专家传授的知识做形式化处理，存放在知识库 中；在推理过程中形成的知识，通过总结成功和失败的经验，自动修改、扩充、完善自 身的知识。 实现系统自动获取知识的功能，需要一套知识的编译程序，要使计算机本身智能化， 要做到这一点，并非是件容易的事，属于系统建造的“瓶颈问题，目前正在探索将人 工神经元网络应用于智能系统中。 ( 3 ) 人一机接口 专家系统的人机界面，主要用于系统与用户之间的双向技术交流。一个友好的人机 界面，应具备下述功能： 系统能够理解用户按规定语言输入的信息： 系统能向用户提问； 系统能显示对策查询结果，并解答用户提问； 系统应能向用户提示系统的操作方法及外围设备( 打印机、屏幕显示) 的使用方 津 2 3 - 2 4 - 、o 2 2 5 故障诊断专家系统 将专家系统方法应用于设备故障诊断领域是故障诊断技术发展的趋势。一般说来， 为了对设备的故障进行诊断与维修，对设备的工作情况均要进行监控和测试。为获取设 备的运动状态信息和位置状况，在设备的一些重要功能执行部件、部位安装传感器，以 监测设备运动状态或位置信息，如振动、温度、压力和功率等信息。较先进的设备控制 器内的数据还应包含有各种指示运动状态信号，控制器i o 信号，设备功能控制产生的 中间信号及位置信息等。如果故障发生，根据控制器内的各类信号及信号之间的逻辑关 系一般可以找到出现故障的位置及部件。设备故障诊断专家系统是利用各种类型的诊断 知识通过对监数据库测到的信息进行分析、处理、对设备运动状态进行判断和推理的软 件系统。一旦设备发生异常，它可以通过推理判断找出故障的原因和发生故障的位置， 最后给出诊断、推理过程的解释和故障处理结果【2 5 1 。故障诊断专家系统的构成如图2 2 所示。 其中数据采集模块是把信息通过各种手段采集到系统的数据库中，这些信息反映设 备运行的各种状态，这样便于诊断专家系统对故障及设备的运行状态进行判别和诊断。 数据库是按照一定的格式以文件的形式把设备的各种状态信息( 如问题求解的初始状态 数据、求解状态、中间结果、假设目标以及最终求解结果等) 存储起来。 车站信号设备管理系统的设计与实现 1人机接1 3 i j 33 1r 解 实 系现 i 知识获取 释 时 统场 数实 l机制 广机 e b - - -数降 据 悻 时 j- l 制 据 接数 广 库 口据 1，jt i 系统知识库卜- l 推理机 图2 2 故障诊断专家系统结构 f i g 2 2 s t r u c t u r eo ff a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m 推理机是控制整个系统运行的一组程序，它利用知识库中的知识，根据监测到的信 息，按着一定的问题求解策略进行推理、诊断，并给出诊断结果。推理机是设备故障诊 断专家系统的关键部分。 系统知识库用于存放来自本领域专家的各种有关设备故障诊断的知识，包括设备征 兆、控制知识、经验知识、对策知识等。这些知识是由领域专家和知识工程师合作获取 的，并以一定的知识表示形式存储到知识库中，它是诊断专家系统的核心。知识获取模 块负责对知识库进行管理和维护。 动态数据库用来存放推理的初始信息、中间结果和用户交互地提供的各种信息或知 识的一个存储区，它设在内存中，且内容不断地改变。 解释器能回答专家系统所做推理或其他处理的理由及它是如何详细地处理问题等。 用户界面用于用户、领域专家或知识工程师与系统的交互作用，以实现人机交互处理。 故障诊断专家系统有关设备故障的数据主要来源于三方面： ( 1 ) 设备运动过程中通过各传感器元件监测反馈的结果； ( 2 ) 设备中包含的以自我保护为目的的监控报警信号； ( 3 ) 现场人工观察的信息。 随着故障诊断专家系统技术的发展。进一步将人工智能引入监测与诊断，实现监测、 诊断的一体化，在传统故障诊断专家系统的基础上，利用专家系统开发工具进一步开发 出集成化的故障诊断专家系统。集成化故障诊断专家系统的特征是数值计算和符号推理 的集成，多种知识处理技术和诊断技术的集成，多个功能子模块的集成，形成分布处理 的较大的专家系统。 大连理工大学硕士学位论文 故障诊断专家系统由各功能子模块分别独立地完成诊断的各部分工作，然后进行综 合并做出诊断决策。其中每个功能子模块都包含数值计算和符号推理功能。其中综合推 理机是集成诊断专家系统的核心，它不仅能利用状态监测结果进行推理，同时可分析判 断来自设备控制器内部的数据，结合各种数据进行推理、综合，做出诊断决策。综合知 识库中包含有关系统一的物理知识、经验知识、设备运动过程状态知识、运动过程监测 结果所能反映的异常状态知识，以及诊断对象的征兆与故障之间的各种因果联系知识 等。多种知识的综合，便于对故障进行综合诊断，这样可以提高知识本身的有效性，而 且可以更准确地定位故障点，将故障定位到最小范围。综合数据库是一个动态数据库， 由监测与诊断共同生成、共同利用 2 6 1 。 车站信号设备管理系统的设计与实现 3 系统总体设计 3 1系统设计原则 ( 1 ) 安全性原则 对于铁路信号系统，安全性是重中之重，系统设计也要充分考虑安全保证因素，系 统不应该影响到原车站信号系统运转，并且系统中应建立起数据的备份和恢复机制。 ( 2 ) 可靠性原则 可靠性是系统设计的基本原则，铁路信号故障多发生在铁路运营期间，处理故障是 在行车期间或行车间歇期，通常时间只有几分钟，作为一种信号辅助系统，应该提供精 确的分析、查询和定位，使之真正成为信号技术人员的帮手，同时要保证在大数据量及 各种环境下系统都能稳定、健壮的运行。 ( 3 ) 实用性原则 系统设计开发的根本目的是实用性。主要体现在所设计的系统从实际应用出发，本 系统以涪陵站微机监测施工为基础，利用现场的大量实际数据，通过施工中发现的问题， 结合专业知识来开发设计本系统。 ( 4 ) 可扩展性原则 系统应符合当前信息技术的主流方向，功能可以持续扩充和增强。一方面，应保证 本系统的功能可以不断扩充、完善：另一方面本系统尽量与最先进的计算机科学技术接 轨，方便以后进行系统的整体升级和移植。 经济性原则在满足上述全部要求的前提下，争取以最小投入获取最大效益【勿。 3 2 系统总体设计 本系统设计利用m a p o j e c t s 来管理系统前台界面，利用s o ls e r v e r 2 0 0 0 做为系统后 台的数据库。系统大致分为三个模块分别为：地图管理和分析模块、设备信息管理模块、 故障诊断模块。 ( 1 ) 地图管理和分析模块：实现地图的基本管理功能( 例如：显