摘要：針對我國動車組維修的特點(diǎn)，為動車組維修人員能夠及時、快速地對動車組發(fā)生的故障進(jìn)行分析和處理，運(yùn)用人工智能的思想，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套知識表示和知識庫管理系統(tǒng)，對動車組故障信息及其原因信息、處理措施信息進(jìn)行維護(hù)，處理了知識的正確性、完備性、冗余性、一致性檢驗(yàn)，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了知識處理的自動化，對我國高速鐵路動車組維修工作起到輔助支持作用，有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：故障診斷；知識庫；知識庫管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP182文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)16-21243-03

Fault Diagnosis Knowledge Base Management System Designed for EMUs

LI Ting， LIU Feng， ZHANG Chun

(School of Computer， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Abstract: Aimed at the feature of EMUs maintenance in China， the EMUs Fault Diagnosis Knowledge Base Management System (FDKBMS) Design bases on database technology and artificial intelligence， it can realize knowledge management and check validity， completeness， redundancy， consistency of knowledge. Besides， it can also achieve knowledge's automatization， it plays a supporting role and has very strong practical significance for Chinese railway's maintenance.

Key words: Fault Diagnosis; Knowledge Base; Knowledge Base Management System

1 引言

動車組作為一種全新的鐵路客運(yùn)運(yùn)載設(shè)施，它具有快速、安全、高標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)功能，在運(yùn)營的同時難免會發(fā)生故障，檢修段所會根據(jù)動車發(fā)生的故障進(jìn)行原因分析，并采取相應(yīng)的解決措施。鐵路動車組故障診斷知識庫管理系統(tǒng)(Fault Diagnosis Knowledge Base Management System，以下簡稱FDKBMS)，作為動車組故障專家系統(tǒng)的重要組成部分，為動車組維修人員能夠及時、快速地對動車組發(fā)生的故障進(jìn)行分析和處理提供了輔助支持。該系統(tǒng)的研究對我國高速鐵路動車組快速維修具有重要的實(shí)際意義。

2 知識表示與故障知識庫的建立

為了使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有智能，使它能模擬人類的智能行為，就必須使它具有知識，知識是智能的基礎(chǔ)。但知識需要用適當(dāng)?shù)哪Ｊ奖硎境鰜聿拍艽鎯Φ接?jì)算機(jī)中去。因此，知識的表示成為人工智能中一個十分重要的研究課題。

常用的知識表示方法主要有一階謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法。結(jié)合鐵路動車組檢修業(yè)務(wù)，本文采用產(chǎn)生式表示法進(jìn)行故障知識的表示。

產(chǎn)生式表示法通常用于表示事實(shí)、規(guī)則以及它們之間的不確定性度量，適合于表示事實(shí)性知識和規(guī)則性知識?；诖?，我們將知識庫中的知識按其結(jié)構(gòu)劃分為事實(shí)性知識和規(guī)則性知識，它們分別組成了事實(shí)庫和規(guī)則庫。

事實(shí)庫：以事實(shí)表表示，由基本事實(shí)所組成。故障知識庫關(guān)心的主要是對于已發(fā)生的故障，對應(yīng)的故障原因以及處理措施，因此，事實(shí)庫中的基本事實(shí)應(yīng)分為三類，即故障信息（Failure，以下簡稱F）、原因信息（Cause，以下簡稱C）、處理措施信息（Resolution，以下簡稱R）。事實(shí)表的索引定義為事實(shí)的編號，其余字段是有關(guān)事實(shí)的說明信息，以及事實(shí)的分類信息，因此事實(shí)表可以看成是一個數(shù)據(jù)字典。

規(guī)則庫：是知識庫的主要部分，用規(guī)則表來表示，用來建立故障信息(F)、原因信息(C)、處理措施信息(R)三類事實(shí)之間的關(guān)系。規(guī)則的表達(dá)套用if…then…形式，當(dāng)一條規(guī)則的前提是F時，其結(jié)論為C，當(dāng)前提是C時，結(jié)論為R。通過設(shè)置這三種事實(shí)代碼來建立F-C-R（故障-原因-處理措施）關(guān)系，可以一對多形成樹形結(jié)構(gòu)。

我們定義事實(shí)表和規(guī)則表的存儲形式如表1、表2所示。

其中，規(guī)則的條件和結(jié)論在添加到知識庫之前可以是or、and的組合，但添加到知識庫后要經(jīng)過轉(zhuǎn)化，條件和結(jié)論都轉(zhuǎn)化為只含and的形式。如：規(guī)則if a or b then c and d；轉(zhuǎn)化后變成兩條規(guī)則儲存在規(guī)則庫中：

Rule1：if a then c and d；

Rule2：if b then c and d。

3 FDKBMS功能介紹

FDKBMS的主要功能是實(shí)現(xiàn)對動車組故障診斷知識的維護(hù)，包括瀏覽、添加、修改、刪除等操作。在一定的知識積累后會有自動擴(kuò)充知識庫的功能，操作人員可以通過參考以往故障的解決辦法，方便地為新發(fā)生的故障提供合理的解決方案。其功能設(shè)計(jì)如下：

3.1 知識的查詢

對故障知識的查詢操作包括查詢故障信息、原因代碼、處理措施以及瀏覽規(guī)則。用戶可以根據(jù)知識的編號進(jìn)行單條知識的查詢。也可根據(jù)事實(shí)編號，依據(jù)規(guī)則，查詢對應(yīng)的原因信息或處理措施，為維修人員進(jìn)行維修提供參考依據(jù)。

3.2 知識的添加、修改、刪除

知識的添加、修改、刪除包括對規(guī)則和事實(shí)的分別處理。以添加一條故障信息F及其規(guī)則操作為例，其流程如圖1所示。

圖1 知識添加流程圖

情況一：當(dāng)F為新知識時，需要為其添加新原因知識C，以及處理措施知識R，并對它們進(jìn)行知識檢驗(yàn)，符合要求的知識方可入事實(shí)庫。然后添加對應(yīng)的規(guī)則，同樣也要進(jìn)行知識檢驗(yàn)，通過后將新規(guī)則入庫。流程結(jié)束。

情況二：當(dāng)F在知識庫中已存在時，根據(jù)已有規(guī)則，查出對應(yīng)的原因知識C（可能為多條）。

若C中有符合的原因，根據(jù)規(guī)則查詢該原因?qū)?yīng)的處理措施R（可能為多條），若R中有最適合的方案，流程結(jié)束；否則，需要添加新的R，進(jìn)行知識檢驗(yàn)，通過后進(jìn)入事實(shí)庫。

若C中無符合的原因，則需要添加新的C與R，進(jìn)行知識檢驗(yàn)，通過后進(jìn)入事實(shí)庫。

然后添加對應(yīng)的規(guī)則，同樣也要進(jìn)行知識檢驗(yàn)，通過后將新規(guī)則入庫。流程結(jié)束。

3.3 知識的檢驗(yàn)管理

知識的檢驗(yàn)是FDKBMS中，對知識進(jìn)行維護(hù)的一個重要的環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中比較重要的一部分。對知識的任何操作都需要進(jìn)行檢驗(yàn)，即冗余性、完備性、一致性、正確性檢驗(yàn)。

(1)知識的冗余性檢驗(yàn)

冗余檢驗(yàn)主要是檢查知識庫中是否存在相同的記錄。事實(shí)庫和規(guī)則庫在添加或修改一條事實(shí)或規(guī)則時都會進(jìn)行檢驗(yàn)，若表中存在相同的記錄，系統(tǒng)應(yīng)提示“該事實(shí)（規(guī)則）已存在！”，讓用戶重新編輯。

(2)知識的完備性檢驗(yàn)

刪除知識時尤其要進(jìn)行完備性檢驗(yàn)，目的是防止用戶不小心刪除了有用的信息。例如當(dāng)刪除事實(shí)庫中一條原因分析的記錄時，由于有故障信息或處理措施信息與其關(guān)聯(lián)，這樣當(dāng)該記錄刪除時，相應(yīng)的規(guī)則就會作為錯誤的記錄存在。為此，當(dāng)刪除原因分析記錄時系統(tǒng)應(yīng)該提示在刪除該記錄同時，將規(guī)則表中與之有關(guān)的所有規(guī)則刪除。

(3)知識的一致性檢驗(yàn)

在FDKBMS中，一條故障知識，產(chǎn)生的原因具有多樣性，同樣，一條原因知識，對應(yīng)的處理措施也是多樣的，這樣維修人員檢測到故障后，輸入故障信息，即可查出對應(yīng)的相關(guān)可能原因及處理措施，這樣為故障的維修提供了強(qiáng)有力的實(shí)踐參考，也是建立本系統(tǒng)的首要原因。故在知識的一致性檢驗(yàn)方面，本系統(tǒng)的要求適當(dāng)放松，對于矛盾的規(guī)則，主要依靠人工判斷是否該修改、刪除。

(4)知識的正確性檢驗(yàn)

正確性檢驗(yàn)以對規(guī)則的正確性檢驗(yàn)為核心。對于一條規(guī)則，前提的事實(shí)一定是故障信息或者是原因信息，結(jié)論的事實(shí)一定是原因信息或是處理措施信息。在對規(guī)則進(jìn)行添加、刪除、修改時，以下四種情況系統(tǒng)均要提示錯誤信息：

前提知識為R；

前提知識為F，結(jié)論知識為R；

前提知識為C，結(jié)論知識為F；

結(jié)論知識為F。

4 結(jié)束語

本文的動車組故障診斷知識庫管理系統(tǒng)（FDKBMS）是以JDeveloper作為開發(fā)工具， 采用ORACLE 10g作為后臺數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，界面友好，功能完備，較好的表達(dá)了動車組故障診斷的知識模式并處理了知識的正確性、完備性、冗余性、一致性檢驗(yàn)，通過設(shè)置大量的選擇添加功能，一定程度上實(shí)現(xiàn)了知識處理的自動化。

參考文獻(xiàn)：

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。