陶漢卿 李文波

【摘 要】本文論述基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)設計，對城市軌道交通自動售檢票（AFC）系統(tǒng)的智能故障處理教學方面存在的問題進行研究，根據(jù)AFC系統(tǒng)的工作過程和檢修流程，對智能故障信息采集整理的故障樹進行分析，設計一套實現(xiàn)智能故障處理的教學系統(tǒng);以AFC系統(tǒng)的自動售票機（TVM）為例進行實踐應用，證明AFC的故障樹智能故障處理教學系統(tǒng)是可行的。

【關鍵詞】故障樹 ?AFC ?教學系統(tǒng) ?自動售票機 ?智能故障處理

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）07C-0187-03

一、研究背景

隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，城市軌道交通成為解決我國的城市化進程加快、城市規(guī)模擴大造成交通擁堵問題的首選。在城市軌道交通的運營管理中，AFC系統(tǒng)起著非常重要的作用，是體系結(jié)構復雜、技術含量高的設備之一，是集計算機技術、網(wǎng)絡通信、自動控制和機械自動化技術于一體的自動售檢票系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)的使用和維護涉及專業(yè)面廣，包括城市軌道交通運營管理、城市軌道交通通信信號技術和城市軌道交通機電技術等專業(yè)，設備維護復雜，還要根據(jù)城市軌道交通運營業(yè)務的需求，進行系統(tǒng)更新改造。

系統(tǒng)的復雜度和多功能集成增加了設備使用和維護人員的檢修和故障處理難度，對故障處理方面的技術與能力要求較高。城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障處理技能的學習和掌握以設備的認知為基礎，學習周期較長，在教學過程中，當出現(xiàn)故障時通常采用傳統(tǒng)的故障處理方法，時間長，難度較大，不利于學生快速準確地判斷故障位置與掌握故障查找處理的技巧。所以需要借鑒、普及與傳承具有豐富專業(yè)知識的技術人員故障處理的經(jīng)驗并不斷優(yōu)化，建立專家?guī)欤糜诔鞘熊壍澜煌ˋFC系統(tǒng)的教學過程中故障處理能力的訓練。

為搭建城市軌道交通AFC理實一體化實訓系統(tǒng)，采用互聯(lián)網(wǎng)+教學模式，實現(xiàn)教師與學生“教、學、做”一體，需要深入研究故障樹和智能化診斷技術，對城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障分析查找和處理過程進行智能分析，設計指導學生快速準確進行故障處理的教學系統(tǒng)，提供學生自主學習和個性化學習的機會，提高學習效率。

目前，城市軌道交通AFC系統(tǒng)教學過程中的故障分析查找處理的方法和經(jīng)驗信息傳授有以下三個方式：

一是城市軌道交通AFC設備的說明書。教師在學生對設備認知的基礎上，開發(fā)實驗實訓項目，指導學生根據(jù)設備說明書進行故障處理，教學效率不夠高。

二是教師講授。教學過程中，對于初學的學生來說，城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障處理方法是由教師“手把手”教學協(xié)助指導完成。由于班級人數(shù)多，供訓練的設備少，這樣的做法較難組織教學，不能實現(xiàn)“一對一”教學，不能全面監(jiān)督和驗證學生的學習效果，對于教學有一定的局限性，部分學生需要多次進行指導，當遇到教師傳授以外的故障時，需要花相對長的時間來處理。

三是經(jīng)驗積累。對于學生來說城市軌道交通AFC系統(tǒng)故障處理經(jīng)驗的積累必須是從量變到質(zhì)變的過程，但是在注重質(zhì)量與效率提升的時代，城市軌道交通企業(yè)急需員工具有良好的基礎和快速成長的能力，學生動手實踐機會不足等因素影響了故障處理經(jīng)驗的積累效果與職業(yè)成長的速度。

為了提高城市軌道交通AFC系統(tǒng)的教學效率及人才快速培養(yǎng)，以系統(tǒng)的故障處理的經(jīng)驗為基礎，總結(jié)關鍵知識與信息點，采用故障樹理論，設計了智能故障處理的教學系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有指導學生進行故障分析與處理的功能，并不斷進行優(yōu)化，可實現(xiàn)智能、快速和準確的故障處理。

二、城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)設計

（一）故障樹及特點

故障樹是一種采用直觀圖示的方法描繪事件發(fā)生原因及邏輯因果關系的有向邏輯樹圖。故障樹分為頂事件、中間事件和底事件，頂事件是分析目標，即系統(tǒng)故障狀態(tài)，中間事件是導致頂事件發(fā)生的所有可能原因，需要向下一層追蹤，到最底層時為底事件，也稱基本事件。故障樹就是將這些事件的相互關系用相應的邏輯符號進行連接而成的樹形結(jié)構圖。

故障樹能把系統(tǒng)中不同的故障之間的關系用圖形化的方式清晰表示出來，知識結(jié)構簡潔直觀，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用故障樹從上而下，逐層查找頂事件發(fā)生的直接和間接原因，這為智能故障處理教學系統(tǒng)提供了很好的表述方式。

故障樹模型可以進行定性、定量分析，由于城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理教學系統(tǒng)是根據(jù)故障樹分析查找故障，然后進行實際測量判斷故障，最后找到故障點進行處理，不需要對系統(tǒng)進行可靠性評價，所以對故障樹進行定性分析即可。主要任務是縮小故障范圍，可以通過查找出故障最小割集的方式，也就是找出導致頂事件發(fā)生的所有可能中間事件和底事件的集合，這些事件發(fā)生或同時發(fā)生，必然會導致頂事件的發(fā)生。

城市軌道交通AFC系統(tǒng)按照故障樹的樹形結(jié)構規(guī)范化、統(tǒng)一化的表達，直觀明了地描述各種事件，不容易出錯，如此使得學生使用故障樹結(jié)構進行快速推理，降低知識的冗余性，同時使得故障樹的維護和升級優(yōu)化更加方便簡單。

（二）教學系統(tǒng)的故障樹模型設計

城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)的核心是故障樹，而故障樹的事件原因來源于城市軌道交通AFC系統(tǒng)檢修和故障處理實踐中的分析查找經(jīng)驗。因此，知識獲取和整合是該教學系統(tǒng)設計的重點和難點。城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理教學系統(tǒng)故障樹模型設計步驟如下：

1.事件的獲取，如圖1所示，深入了解系統(tǒng)的正常狀態(tài)、異常狀態(tài)和故障狀態(tài)以及各種參數(shù)，與現(xiàn)場系統(tǒng)使用和維護人員、技術骨干和專家對接，收集積累相關專業(yè)知識和故障案例，取得教學系統(tǒng)詳細的頂事件、中間事件和底事件。

2.將這些事件進行全面分析、統(tǒng)計和整合，保證故障樹建立的完整性與準確性，以一定的規(guī)則編制成故障數(shù)據(jù)庫。

3.調(diào)查分析與故障有關的所有原因事件和各種因素，并進行排列，劃分最小割集。

4.從系統(tǒng)頂上事件開始，從數(shù)據(jù)庫中找出每級直接原因的事件和最小割集，直至所要分析的級別深度，利用規(guī)范的故障樹邏輯符號，按城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)的邏輯關系，畫出故障樹。

通過采集豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗，建立故障樹模型，有效地利用知識數(shù)據(jù)庫，高效、準確地實現(xiàn)城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)的教學功能。

三、城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)設計實例

城市軌道交通AFC系統(tǒng)一般具有五層架構，分別為清算系統(tǒng)、中央計算機層、車站計算機層、車站終端設備層、車票層。自動售票機是車站終端設備層的站級設備之一，安裝在非付費區(qū)，提供單程票發(fā)售和儲值票充值等功能。乘客能夠按照設備操作提示，使用紙幣或硬幣完成購票或儲值票充值操作。自動售票機能夠向乘客發(fā)售指定購買面值和數(shù)量的單程車票或?qū)⒅付ń痤~充值到乘客的儲值票中，交易結(jié)果上傳到車站計算機，自動售票機能夠通過中央計算機和車站計算機進行管理。自動售票機主要由運營狀態(tài)顯示屏、乘客操作觸摸屏、硬幣投入口、紙幣投入口、儲值票充值模塊、出票、找零口、主控制器、紙幣處理模塊、硬幣處理模塊、紙幣模塊、硬幣模塊、紙幣錢箱、SJT模塊、MCU單程票發(fā)售模塊、點陣打印機、廢票箱、電源、電池和維修面板組成。

下面以自動售票機為實際案例，進行基于故障樹的城市軌道交通AFC智能故障處理教學系統(tǒng)的設計。

（一）實例故障樹建立方法

對自動售票機的故障信息進行全面采集，獲取故障處理知識并整理，分析自動售票機可能存在的故障，模擬現(xiàn)場故障處理的流程，從上至下逐層進行追蹤，繪制故障樹，然后劃分最小割集（即縮小故障范圍）。自動售票機故障樹的建立具體步驟：

1.確定頂事件。以自動售票機系統(tǒng)故障作為頂事件，模塊故障、運行故障和通訊故障作為第二層子節(jié)點。對于就是所表現(xiàn)的故障現(xiàn)象，如卡紙幣、卡硬幣、卡票等作為模塊故障事件的第三層子節(jié)點，依次類推。

2.對頂事件，即故障現(xiàn)象進行分析。模擬現(xiàn)場故障處理的流程，從上到下逐層尋找產(chǎn)生故障現(xiàn)象可能的直接和必要原因，從而找出中間事件和底事件，劃分最小割集。然后將所有直接原因進行優(yōu)化組合作為輸入，以故障現(xiàn)象作為輸出，用適當?shù)某Ｓ靡?guī)范邏輯符號表示事件的相互邏輯關系。

3.接著對每一個與頂事件直接關聯(lián)的輸入事件進行分析，判斷能否進一步分解成下一級輸出事件，重復步驟2對頂事件處理的方法。

4.使用逆向演繹推理的方法。根據(jù)已知的輸出事件，采用相互關聯(lián)的邏輯關系，找出問題的輸入事件，從而形成故障樹。

（二）自動檢票機系統(tǒng)故障信息采集

對城市軌道交通AFC系統(tǒng)自動售票機的功能模塊故障現(xiàn)場、故障分析、故障處理的全過程進行追蹤采集，詳細記錄且進行整合，制作故障信息集合表。記錄表格應對故障現(xiàn)象、模塊、事件描述準確，用語規(guī)范，對于級別較多的現(xiàn)場需要逐層詳細記錄、整合，確保集合表的完整和準確。故障現(xiàn)象的描述要準確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，以便于制作故障樹教學系統(tǒng)，給學生提供友好的操作界面，從而快速準確地使用故障樹進行故障分析。教學系統(tǒng)故障處理過程要詳細描述現(xiàn)場工作人員對整個故障處理的思路與方法，整合優(yōu)化最快速、準確的故障分析過程。故障底事件的原因同樣也要明確到某模塊、某接口、某板卡、某線纜，查找到故障點后，要給出故障處理的方法以及處理過程的注意事項等，如學生查找不到故障點，則給出正確的分析查找思路，引導學生快速準確地進行故障處理，使學生達到自學處理自動售票機故障的目的。

（三）自動檢票機系統(tǒng)故障樹建立

現(xiàn)場調(diào)研獲取大量的城市軌道交通AFC系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)和故障處理的知識，數(shù)據(jù)雜而散，經(jīng)過梳理、優(yōu)化和整合，提取出故障信息集合的三大故障：自動售票機卡紙、自動售票機卡硬幣、自動售票機卡票，逐層進行故障現(xiàn)象和故障原因分析，劃分故障最小割集，制作故障信息集合表，應用規(guī)范的邏輯符號繪制故障樹，學生采用故障樹進行逐層分析，自動售票機卡票故障樹示意圖如圖2所示。

本文從城市軌道交通AFC系統(tǒng)故障處理教學實際出發(fā)，深入研究了城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理系統(tǒng)故障樹模型，以自動售票機為例，對故障信息進行全面采集，模擬現(xiàn)場故障處理的流程，進行處理、整合和優(yōu)化，建立自動售票機故障樹，并應用于教學，提高了城市軌道交通AFC系統(tǒng)智能故障處理的教學質(zhì)量和效率。

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【基金項目】2017年度廣西職業(yè)教育教學改革研究項目（重點項目）“基于Moodle平臺的《鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)維護》混合教學模式改革與實踐”（GXGZJG2017A044）;2017年度廣西職業(yè)教育教學改革研究項目“基于‘城軌正線信號設備維護課程‘交互-自主教學模式改革研究”（GXGZJG2017B089）

【作者簡介】陶漢卿（1983— ），男，廣西欽州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院副教授，研究方向：智能交通系統(tǒng)。

（責編 丁 夢）