孫 晨 吳視東 汪會(huì)志

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，中國 上海201620）

由于現(xiàn)今國內(nèi)地鐵運(yùn)營負(fù)荷普遍較大，高峰期列車嚴(yán)重過載，車門由于擠壓震動(dòng)等原因，工作環(huán)境惡劣，使得地鐵列車車門成為整個(gè)車輛中故障頻發(fā)的部分。地鐵車門故障診斷專家系統(tǒng)是為了保證地鐵列車車門系統(tǒng)在地鐵列車運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，能快速準(zhǔn)確的診斷所發(fā)生故障的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。將地鐵車門故障相關(guān)診斷專家通過長期實(shí)踐積累出的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，從而形成對(duì)地鐵車門系統(tǒng)故障信息管理、危害度分析、故障定位、故障診斷及故障預(yù)測于一體的地鐵車門故障診斷系統(tǒng)，對(duì)車門系統(tǒng)故障維修提供良好的決策支持，提高車門系統(tǒng)故障檢修效率。

1 系統(tǒng)需求分析和功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

（1）總結(jié)積累專家診斷思維，分析故障診斷相關(guān)知識(shí)，建立地鐵車輛車門系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)的故障征兆庫、故障模式庫和故障樹模型等專家系統(tǒng)知識(shí)庫；

（2）針對(duì)某些特殊故障鏈存在的多種不確定性，建立故障診斷模型；

（3）通過上述研究并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)[1]建立地鐵車輛車門系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序的開發(fā)包括系統(tǒng)登錄及權(quán)限管理、車輛基本信息管理、車輛運(yùn)營信息管理、故障及檢修管理、檢修建議模塊、用戶管理6個(gè)功能子模塊。知識(shí)庫主要建立在檢修建議模塊，包括對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 故障診斷原理及方法

對(duì)比測試法[2]是故障診斷的常用方法，即通過將實(shí)際系統(tǒng)的輸出量與參考模型的輸出量進(jìn)行比較，來判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。并對(duì)已檢測到故障的系統(tǒng)進(jìn)行分析，分離故障征兆，識(shí)別故障原因，定位故障源。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，由于其故障的多樣性，故障與征兆之間不存在簡單的單項(xiàng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，其故障診斷往往是一種探索的過程。原理如圖1。

圖1 故障診斷過程流程圖

專家系統(tǒng)的功能模塊大致由6個(gè)部分組成：知識(shí)獲取模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、推理機(jī)模塊、解釋機(jī)模塊、人機(jī)交互模塊以及學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)。地鐵車門系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中車門系統(tǒng)的知識(shí)主要從以下幾個(gè)方面獲得，包括現(xiàn)場維修技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，產(chǎn)品使用說明書，車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖、門控電路圖，對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析時(shí)所形成的FMECA表單、故障樹等結(jié)果，以及車門系統(tǒng)運(yùn)營故障數(shù)據(jù)，并通過對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出易發(fā)故障，從而對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)診斷。

3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫模塊主要包含5個(gè)部分：列車基本信息、運(yùn)營信息管理設(shè)計(jì)，列車故障、檢修信息管理設(shè)計(jì)，列車故障樹節(jié)點(diǎn)，列車檢修建議查詢。數(shù)據(jù)庫部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，是系統(tǒng)最重要的組成部分之一。

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表及其之間的相互關(guān)系，只對(duì)其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，結(jié)構(gòu)見表1。

表1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

4 主要功能模塊及界面設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)管理與用戶權(quán)限管理模塊

根據(jù)現(xiàn)今地鐵車輛的維修管理體系，由于系統(tǒng)使用對(duì)象的多樣性，從而對(duì)應(yīng)不同的用戶權(quán)限。主要分為以下三種：管理員、高級(jí)用戶與普通用戶。如司機(jī)為普通用戶，權(quán)限較低；車輛段的維修人員為高級(jí)用戶；系統(tǒng)管理員則具有有最高使用權(quán)限，不僅可以查詢知識(shí)庫中的內(nèi)容，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)新獲得的知識(shí)增刪修減，還可以制定其他用戶的權(quán)限。而普通用戶則僅僅可以瀏覽，進(jìn)行相應(yīng)的診斷操作，并不能對(duì)知識(shí)庫做任何改動(dòng)。

4．2 車輛基本信息管理模塊

基本信息管理包括車輛基本信息的錄入與查詢兩個(gè)模塊。其中，車輛基本信息查詢模塊對(duì)所有用戶均開放，錄入模塊僅對(duì)高級(jí)用戶及管理員開放。錄入模塊包括對(duì)信息的增添、修改及刪除三種功能，具有相應(yīng)權(quán)限的用戶通過這三種功能對(duì)其中的信息進(jìn)行編輯。普通用戶只能進(jìn)入查詢模塊，對(duì)其進(jìn)行檢索、查詢及瀏覽，而不能對(duì)其中的內(nèi)容進(jìn)行任何修改。通過信息管理模塊，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的地鐵列車的車輛編號(hào)、車輛類型、所屬線路、所屬公司及起始運(yùn)營時(shí)間等列車基本信息的查詢，車輛基本信息輸入查詢界面如圖3。

圖3 車輛基本信息查詢界面

4．3 故障及檢修管理

故障及檢修管理模塊是專家系統(tǒng)軟件的核心數(shù)據(jù)庫，也是更新頻率最高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。包括故障信息輸入、故障信息查詢、列控系統(tǒng)故障輸入、檢修信息輸入、檢修信息查詢五個(gè)子模塊。與車輛基本信息及運(yùn)營信息管理模塊相似，這其中查詢相關(guān)的子模塊對(duì)所有用戶開放，輸入相關(guān)的子模塊僅對(duì)高級(jí)用戶及管理員開放。

當(dāng)車輛出現(xiàn)新的故障，車輛檢修人員完成每完成一次檢修工作，用戶應(yīng)將相應(yīng)的故障信息及檢修信息錄入，使該模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫得到豐富。在進(jìn)行添加新知識(shí)內(nèi)容時(shí)，用戶應(yīng)該對(duì)新知識(shí)與原有知識(shí)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以保證知識(shí)庫的一致性。通過對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行建立，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有可能發(fā)生的故障的所有信息進(jìn)行編輯，節(jié)點(diǎn)與故障信息則通過共同的器件編號(hào)(Component ID)進(jìn)行聯(lián)系。

用戶可以通過故障信息輸入模塊對(duì)故障信息進(jìn)行錄入更新，包括故障車輛編號(hào)、故障等級(jí)、所屬線路、修程、故障所屬系統(tǒng)、具體描述及檢修狀態(tài)等基本故障信息。從而完成診斷結(jié)果檔案的建立與維護(hù)、各種診斷分析報(bào)表的建立與維護(hù)。

根據(jù)維修檔案，用戶可以跟蹤了解設(shè)備運(yùn)行狀況，為制定設(shè)備的大修、中修、小修等維修計(jì)劃服務(wù)。

4．4 故障診斷及檢修建議查詢模塊

系統(tǒng)通過分析整個(gè)故障診斷專家系統(tǒng)的各個(gè)模塊，找出需要的中間結(jié)果數(shù)據(jù)，為專家知識(shí)庫靜態(tài)實(shí)例庫、動(dòng)態(tài)實(shí)例庫和規(guī)則庫的更新、設(shè)備趨勢分析、壽命預(yù)測和維修報(bào)表的生成等提供更直接的數(shù)據(jù)來源，最終故障診段。診斷模塊采用產(chǎn)生式規(guī)則[4]作為其知識(shí)表示模式，其基本表達(dá)結(jié)構(gòu)為：

IF故障現(xiàn)象THEN故障模式 CF可靠度

系統(tǒng)對(duì)已發(fā)生出現(xiàn)的故障征兆，進(jìn)行故障征兆信息挖掘，通過與數(shù)據(jù)庫中已有故障模式及相關(guān)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出基于一定可靠度的故障診斷結(jié)果。其中的可靠度由系統(tǒng)初始設(shè)置的置信度或人工設(shè)置所需結(jié)論的置信度進(jìn)行預(yù)設(shè)。規(guī)則是智能診斷系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)單元，它的正確與否直接關(guān)系到系統(tǒng)診斷的準(zhǔn)確程度。所建立的規(guī)則應(yīng)該能準(zhǔn)確反映領(lǐng)域?qū)＜以谔幚韺?shí)際問題的整個(gè)思維過程，正確的表達(dá)征兆與故障之間的因果關(guān)系，其次有些故障之間存在層次關(guān)系，所以某些結(jié)論的可信度可以在不影響診斷準(zhǔn)確性的情況下進(jìn)行繼承，以提高推理效率。故障診斷及檢修建議查詢界面如圖4所示。

圖4 故障診斷及檢修建議查詢界面

5 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境與開發(fā)工具

本系統(tǒng)是由Windows系統(tǒng)開發(fā)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)工具選擇SQL Server Management Studio 2012，系統(tǒng)的開發(fā)工具選擇Visual Studio 2013，Visual Studio是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境，是目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序，通過該軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)可以自動(dòng)設(shè)置開始頁，使設(shè)計(jì)更加簡便高效，同時(shí)兼容傳統(tǒng)的VB 6．0，使設(shè)計(jì)的界面更能滿足用戶的需要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，在實(shí)際操作中可以多人共同設(shè)計(jì)。在Visual studio 2013編寫界面時(shí)，根據(jù)不同模塊的作用進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，最后整合在一塊，這樣一方面可以提高設(shè)計(jì)的效率，另一方面便于調(diào)試，在進(jìn)行相似設(shè)計(jì)時(shí)可以直接利用，避免了重復(fù)工作。界面編好后進(jìn)行調(diào)試工作，沒有任何錯(cuò)誤后，形成可執(zhí)行的文件。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段把其他子系統(tǒng)包含在內(nèi)，在功能實(shí)現(xiàn)上只針對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行闡述，其他子系統(tǒng)為后續(xù)研究內(nèi)容。

［1］波爾頓．?dāng)?shù)據(jù)庫經(jīng)典譯叢：SQL Server 2012 深入解析與性能優(yōu)化[M]．3 版．北京：清華大學(xué)出版社,2013．

［2］時(shí)旭．地鐵車門系統(tǒng)故障診斷與維修策略的方法研究[D]．北京：北京交通大學(xué),2009．

［3］包旭，馬從兵．基于數(shù)據(jù)庫的汽車故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．公路與汽運(yùn)2007(5)．

［4］張乳燕．地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)及系統(tǒng)的研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2009．