人工智能技术在铁路信息管理中的应用

.人工智能技术在铁路信息管理中的应用王聪雅13120475 王宇航13120476 (北京交通大学计算机与信息技术学院，北京，100044)摘要：本文简述了人工智能在铁路信息管理中的应用，包括编组站货车管理信息系统（YIS）对于铁路扩大运拾能力提高劳动生产率的积极作用以及人工智能在列车运输管理系统的中重要应用。并指出了在运输市场环境日趋复杂、铁路运输事业不断发展条件下其原有功能和性能的不足之处, 探讨了将人工智能技术引入编组站信息处理的必要性和可能性, 并在此基础上建立了智能化编组站管理系统（IYMS）的概念模型和结构模型, 最后分析了其产生的效益。铁路信号设备是组织指挥列车运行、提高运输效率、改善行车人员劳动条件的重要设施,同时也成为保障铁路运输安全的关键所在。关键字：人工智能技术；铁路编组站；信息管理；铁路信号；列车运输管理系统Abstract: This paper briefly describes the application of artificial intelligence in the railway information management, including the positive role of marshalling yard freight train management information system in expanding the ability of railway picked up freight train improve the labor productivity. And pointing out the deficiency of its original function and performance under the condition of the transportation market environment while becoming complex, the railway transport enterprise continuous developing, discussing artificial intelligence technology, and the necessity and the possibility of marshalling yard information processing, and on this basis to establish the concept of intelligent IYMS marshalling yard management system model and structure model, finally analyzed its benefit; Railway signal equipment is the train operation organization command, improve the efficiency of transportation, improve the important facility of driving personnel working conditions, it has also become the key to protect the safety of railway transportation. And important application in the field of artificial intelligence in the train transportation management system.Keywords：Artificial intelligence technology, Railway marshalling yards, Information management, Railway signal, Train transportation management system1 引言人工智能是一门具有实用价值的跨学科的新科目, 它的应用已引起人们的高度重视。以往主要在医学、化学、教育等方面进行一些应用性的尝试, 近来在铁道工程等方面也已开始应用, 并已发现有很优越的应用前景。我国铁路承担了近60%的旅客周转量和70%的货物周转量, 运输极度繁忙。为缓解这种局面, 可多修复线和三线, 扩建站场和增大机车的牵引力, 但投资巨大, 工程时间长, 见效慢。因此, 切实有效的措施是广泛深入地采用自动化技术, 使铁路这样一个地域广阔, 作业点分散, 要求实时统一调度指挥的大系统, 实现作业管理的一体化和实时化。2 人工智能技术人工智能(Artificial Intelligence) ，英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能的定义可以分为两部分，即“人工”和“智能”。“人工”比较好理解，争议性也不大。有时我们会要考虑什么是人力所能及制造的，或者人自身的智能程度有没有高到可以创造人工智能的地步，等等。但总的来说，“人工系统”就是通常意义下的人工系统。关于什么是“智能”，就问题多多了。这涉及到其它诸如意识、自我、思维（包括无意识的思维（UNCONSCIOUS_MIND）等等问题。人唯一了解的智能是人本身的智能，这是普遍认同的观点。但是我们对我们自身智能的理解都非常有限，对构成人的智能的必要元素也了解有限，所以就很难定义什么是“人工”制造的“智能”了。因此人工智能的研究往往涉及对人的智能本身的研究。其它关于动物或其它人造系统的智能也普遍被认为是人工智能相关的研究课题。人工智能在计算机领域内，得到了愈加广泛的重视。并在机器人，经济政治决策，控制系统，仿真系统中得到应用。人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。人工智能将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了计算机科学的范畴，人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。从思维观点看，人工智能不仅限于逻辑思维，要考虑形象思维、灵感思维才能促进人工智能的突破性的发展，数学常被认为是多种学科的基础科学，数学也进入语言、思维领域，人工智能学科也必须借用数学工具，数学不仅在标准逻辑、模糊数学等范围发挥作用，数学进入人工智能学科，它们将互相促进而更快地发展。3 人工智能应用于铁路编组站信息管理3.1 基本概念铁路是我国目前最主要的运箱工具。随着经济持续稳定的发展, 铁路客货运输量不断增长,铁路运输能力短缺的现象仍然是今后一个阶段内制约国民经济发展的重要因素。多年来, 铁路系统采取了新建铁路线、发展重载等多种措施以缓和运能与运量的矛盾. 在扩大铁路运输能力的各种措施中, 建设和运用编组站货车管理信息系统(YIS - Yard Information System )是一条投资少、见效快的途径。编组站一般设在有大宗货物的集散地、或几条铁路线的交汇点, 是制造货物列车的“ 工厂” 。铁路任何线路上运行的货车都要在编组站进行解体和编组作业, 编成相应类型的列车, 然后发往目的地。在编组站作业过程中, 机车、车辆、车场、股道等实体的信息以及相应的调度作业计划是运输任务完成的基础, 其传输速度、质量的好坏对于编组站作业的安全和效率起着关键的作用。YIS在我国的应用始于80年代, 是目前铁路编组站进行信息处理的主要工具之一。它取代了编组站信息处理中传统的手工作业方式, 借助于计算机网络系统完成机车、车辆数据的采集、加工及传输等工作, 在改善编组站劳动条件、提高劳动效率、保障作业安全等方面起到重大作用, 已成为编组站运输生产中不可或缺的组成部分. 然而, 进入90 年代以来, 由于编组站作业条件和环境已发生了很大变化, 现有系统已逐渐不能适应编组站作业的需要, 开发和建设智能化编组站管理系统(IYMS-Intelligent Yard Management System) 已成必然。3.2 智能化编组站管理系统(IYMS) 的概念模型IYMS是在现有管理信息系统(MIS)办公自动化系统(OAS)专家系统(ES) 和决策支持系统(DSS)相结合的基础上扩展系统的功能, 为适应用户多层次、多方面、多阶段需求, 而开发出的具有全方位信息支持功能的集成化系统。编组站作业实际上是列车到达、解体、集结、编组、出发的流水作业过程。在这个过程中, 除了到发的车辆、机车等动态信息外, 有关作业人员还需要掌握和灵活运用大量的经验性知识和常识性知识, 以便根据上级要求和本站车流分布情况及时调整作业计划和进度. 如果将这些经验和常识加以提炼并形成为计算机所能够使用的知识, 用以辅助或取代相应人员繁杂的脑力劳动, 则其工作效率将会大大提高。根据适用对象的不同, 可把这些知识分别划归调度计划知识库和调车作业计划知识库. 此外, 系统维护中所使用的知识可提炼井归纳入系统监侧知识库。如图,IYMS主要由四个子系统组成, 即站调决策专家系统、智能化货车管理信息系统、车站工作分析系统和智能监侧系统(分别记为子系统l、2、3、4 。其中, 除车站工作分析系统之外的三个系统均为智能管理系统, 其特征是采用基于知识的专家系统来进行推理以解决问题。各专家系统均包括知识获取设备、知识库、数据库、知识库管理系统、推理机构和相应的用户接口。IYMS的各子系统之间并非相互独立, 而是存在着信息交换的. 其中, 站调决策专家系统和智能化货车管理信息系统之间主要交换运行图、调度计划以及车流分布等信息; 车站工作分析系统可通过定时地从站调决策专家系统和智能化货车管理信息系统的数据库中提取数据以掌握编组站作业计划与执行情况的实绩信息、并进行相应的统计分析: 而智能监侧系统则实时监测站调决策专家系统、智能化货车管理信息系统、车站工作分析系统的运行情况, 以保证整个IYMS的正常工作。除了各子系统之间存在信息交换之外,IYMS与外部环境也时刻交换着信息. 如智能化货车管理信息系统主要从车辆信息识别系统得到按车号顺序排列的车辆信息; 并与PCS之间实时相互传送解体作业计划及其溜放实绩; 而枢纽调度监督系统则从智能化货车管理信息系统处得到编组站各场现车分布情况并为站调决策提供依据. 由此可见, 智能化货车管理信息系统实际上是编组站综合自动化的核心和基础, 而IYMS则实现了编组站信息资源的集成管理。3.3 IYMS的效益将人工智能技术引入编组站信息管理后, 将会产生显著的经济效益与社会效益, 主要有:(1)实现了编组站综合自动化系统信息的集成化管理, 可以提高信息的利用率, 保证信息的正确性, 同时优化了信息流程。(2)使编组站信息处理的能力有所改善, 这祥可以更好地适应运输市场的复杂变化, 为用户提供多层次的更优良的服务。(3)可以进一步提高车站管理工作和作业过程的现代化水平, 提高劳动生产率, 降低编组站作业人员的劳动强度, 有利于实现文明生产和安全生产。(4)可利用较少投资, 取得较大的产出, 实现资源的优化配置。4 人工智能在铁路设备故障诊断中的应用4.1 基本概念铁路信号设备是组织指挥列车运行,提高运输效率,改善行车人员劳动条件的重要设施,同时也成为保障铁路运输安全的关键所在。所以在信号设备出现故障时,如何准确的、及时的判断故障部位,并快速、顺利的排除故障就成为一项重要的研究课题3。铁路行车安全是铁路运输追求的重要目标之一， 铁路车站信号设备是保证铁路行车安全的主要设施，因此，确保铁路车站信号设备无故障地良好工作，对铁路运输安全具有非常重要的意义。 根据我国铁路跨越式发展的战略要求， 铁路列车的运行速度与密度都在不断增加，这对铁路信号设备的安全性又提出了更高的要求。另外，面对信息技术特别是计算机网络技术的飞速发展，我国铁路信号控制系统正在由站控向线控和面控式的调度集中控制方式转型。因此，利用新技术设备和方法，实现铁路信号设备状态监测和故障诊断，是保障铁路运输安全中需亟待研究的重大课题之一。4.2 人工智能的应用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己经成为维修制度改革的方向。 状态修的重要手段是采用先进的故障监测诊断设备和方法，建立故障监测诊断系统(也就是通常所说的微机检测系统)。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，故障诊断决策支持系统(专家系统)处于亟待研究开发阶段。由于铁路车站信号控制设备本身构成的复杂性，尤其是控制电路的复杂性，以及受设备使用和环境等因素的影响，实际造成设备故障的原因是很复杂的，具有明显的随机不确定性和模糊性。现场分析、判断和处理故障，往往需要依赖维修人员对设备故障机理的把握程度和经验。这就很难免由于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。 因此，有必要通过研制开发相应的专家系统进行解决，即与铁路车站微机检测系统相结合，通过铁路现代化设备(信号控制设备，计算机监测系统以及连锁系统等)，提供大量的设备信息，开发相应的应用分析支持软件，建立智能诊断专家系统。专家系统是计算机技术、人工智能技术和专业技术相结合的计算机系统。目前，我国关于铁路实际应用的专家系统还很少，尤其是关于铁路信号故障诊断的专家系统，处于堕待研究开发的阶段。然而此专家系统的核心又是知识库规则化和推理机制的智能化，因此有必要在框架模型和理论方法上进行探讨和研究。综上所述，为了适应铁路发展的新形势，利用现代新技术和方法，建立保障铁路运输安全的铁路信号故障诊断专家系统，具有重大的现实意义。通过建立和开发专家系统，实现为故障分析和诊断提供辅助决策，可提高预防和状态维修的水平，从而达到保障安全运输的目的。5 人工智能在列车运行管理的应用列车运行管理中的运行调整工作是铁路运输调度的重要工作之一。在日本已开发了许多实用化的列车运行管理系统, 例如已投人使用的COMTRAC系统(新干线列车运行管理系统) 。但是在这样的系统中仍有很大一部分工作要依赖于经验丰富的专家来完成。为了取代这些专家日本又开发了运行调整专家系统ESTRAC。在该系统中, 用产生式规则来描述专家的经验和思路, 在分析有经验的专家调整列车运行过程的基础上, 从中抽出所使用的搜索方,法, 力图达到能象专家那样解决运行调整向题, 此外, 对“ 知识获取” 问题进行了初步探讨, 开始进人了更深更复杂的人工智能应用研究阶段。对于现在的新干线运行管理系统中的运行调整功能, 由于运行方式、设备以及其它方面的变化等, 常常出现与以往的运行调整算法不适用的情况, 以致需要对原运行管理系统作修改。另外, 新的运行调整算法也要验证自身的正确性。这就迫切需要相应的模拟系统。以规则的形式将现行运行中Co MT R A c 系统所采用的列车运行上的各种限制知识和列车调度员的运行调整知识存储到数据库中, 以此构成相应的模式系统。列车运行图的编制是一项十分复杂的工作, 目标函数和约束条件多, 而且不明确, 难以用数学模式描述。在从很多约束条件中搜索符合条件的合适运行图时, 往往需要充分运用问题固有的知识和专家的经验, 才能尽可能推迟规划组合激增的发生, 巧妙地避免发生最坏的情况。在以往的列车自动停车控制中, 是根据距离或时间定出速度模式, 由其和实际列车速度的差来决定怎样制动。由于控制是固定的形式, 所以存在着许多问题。采用人工智能技术, 用规则表示熟练司机的有关制动控制的知识以及各仪器设备的特性知识, 就可以应用人和机械各自的优势来实现控制的目标。通过模拟还可确定停车位置的精度和制动操作等的最佳结果。在这样的规则型控制系统中, 由于易于增加和删除规则, 使得系统更灵活, 这是以往控制方式难以办到的。人工智能还可以用于铁路设备故障的诊断。由于铁线上的设备数量大、种类繁多, 对各种设备进行技术诊断的知识也千差万别, 设备维护又是确保铁路运输安全、正点的不可忽视的重要问题。另外, 由于新型设备的增加, 新型传感器和高性能的测试装置将使人们更容易获得检测数据, 但由于有经验的熟练诊断专家不多, 在技术上对设备状况进行确切的诊断也就越来越困难。因此迫切需要用专家系统来解决这方面的问题。6 总结智能化铁路编组站管理系统IYMS的研究不仅是要面对复杂的智能技术的应用, 而且也要适应复杂的编组站作业条件和环境. 把智能技术引人编组站信息管理, 以优化编组站作业, 实现信息资源的集成管理, 是编组站现代化发展的方向。构建故障诊断专家