基于知識工程的碼序集中智能評測研究

李達明 石寶峰 閆友為

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

李達明，男，碩士畢業(yè)于清華大學電子工程系，助理工程師，主要從事鐵路通信信號方面的工作。曾參與武廣、滬寧、滬杭以及京滬高鐵的CTCS-3室內(nèi)功能測試以及十一五國家支撐計劃。

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，保證列車的安全行車已經(jīng)成為重中之重，而軌道電路碼序作為客運專線中列車行車的重要依據(jù)，其正確性就顯得尤為重要。

針對軌道電路碼序正確性的評測，僅僅作為列控系統(tǒng)功能測試的一部分，在國內(nèi)還停留在設備單元測試、現(xiàn)有線路功能測試以及人工仿真測試階段[1-8]，缺少線路級的完整碼序測試，即便是針對碼序的生成邏輯，也更多的依賴于特定線路[9]，缺少一種通用的方法。

結(jié)合目前碼序評測的現(xiàn)狀，本文提出了一種集中對客運專線碼序進行動態(tài)實時評測的方法，其根據(jù)測試執(zhí)行過程的操作條件和應用數(shù)據(jù)，對測試執(zhí)行的狀態(tài)、過程和結(jié)果進行評判，發(fā)現(xiàn)故障，能夠更加高效地發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，保證列車的安全行車。碼序的生成邏輯難以用簡單的數(shù)學模型來表達，因此就需要通過經(jīng)驗知識給出正確的判斷。為此需要獲取這些知識，加以表示和運用，這就是知識工程的概念，其最早由美國人工智能專家E.A.費根鮑姆提出，他認為“知識工程是人工智能的原理和方法，對那些需要專家知識才能解決的應用難題提供求解的手段。恰當運用專家知識的獲取、表達和推理過程的構(gòu)成與解釋，是設計基于知識的系統(tǒng)的重要技術問題。”[10]其特點是基于人類對各學科專業(yè)知識的積累，能夠迅速的對事物做出分析和判斷。知識工程中基于規(guī)則的知識表示，將大量專業(yè)的知識進行分類解釋，給出相應的結(jié)果，本文將知識工程應用于碼序評測中, 將數(shù)據(jù)和邏輯抽象出來，避免兩者之間相互影響，提高整個評測過程的穩(wěn)定性、準確性以及效率。

1 概述

知識工程是設計和實現(xiàn)知識庫系統(tǒng)的理論、方法和技術，是研究知識表示、知識獲取、知識管理和利用的一門學科[11]。其中知識表示可以通過產(chǎn)生式系統(tǒng)實現(xiàn)。

產(chǎn)生式系統(tǒng)是根據(jù)產(chǎn)生式規(guī)則來表述知識的知識庫系統(tǒng)，其基本形式為：“IF P THEN Q”，其含義：如果前提條件P滿足，則可推出Q成立或執(zhí)行Q操作，并且稱“IF P THEN Q”這個表達式為一條規(guī)則。

采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法描述碼序邏輯這類知識，總結(jié)有以下3個優(yōu)點。

1) 自然性好，產(chǎn)生式表示法用“IF-THEN”的形式表示知識，這種表示形式與人類的判斷性知識基本一致，直觀、自然、便于推理；

2) 除了對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各部分相互作用的方式及規(guī)則的表示形式有明確規(guī)定以外，對系統(tǒng)的其他實現(xiàn)細節(jié)都沒有具體規(guī)定，這使設計者們在開發(fā)實用系統(tǒng)時具有較大靈活性，可以根據(jù)需要采用適當?shù)膶崿F(xiàn)技術，特別是可以把對求解問題有意義的各種啟發(fā)式知識引入到系統(tǒng)中；

3) 表示的格式固定，形式單一，規(guī)則間相互獨立，整個過程只是前件匹配，后件動作。匹配提供的信息只有成功與失敗，沒有復雜的計算，所以系統(tǒng)容易建立。

由此可見，根據(jù)知識工程的概念，將碼序規(guī)范抽象為規(guī)則進行描述，能夠避免和數(shù)據(jù)的耦合，其適用性以及靈活性十分突出，以下將研究生成碼序規(guī)則以及集中實時評測的方法。

2 碼序集中評測研究

將抽象出的規(guī)則生成的碼序結(jié)果和實際結(jié)果進行實時對比，就是碼序集中評測的核心內(nèi)容，為完成這個目標，首先必須將技術規(guī)范所規(guī)定的碼序抽象為規(guī)則加以描述，然后將這些規(guī)則加以整合，構(gòu)成全線完整的碼序，和實際碼序?qū)崟r對比，給出評測結(jié)果。

2.1 碼序規(guī)則抽象描述

依照《列控中心技術規(guī)范》[12]，軌道電路碼序分為站內(nèi)軌道電路碼序與區(qū)間軌道電路碼序，站內(nèi)軌道電路碼序根據(jù)本站進路狀態(tài)、前方進路信號以及軌道電路狀態(tài)等生成。區(qū)間軌道電路根據(jù)區(qū)間方向按照軌道電路升序生成，其順序如下。

HU→HB→UU→UUS→U→U2→ U2S→LU→L→L2→L3→L4→L5

由于軌道電路碼序為升序生成，因而前方區(qū)段編碼會影響本區(qū)段編碼的生成。基于這個特點，從線路末端依次遞歸對各區(qū)段編碼，就可完整地生成整條線路的碼序，基于上述規(guī)范可以形成基本的規(guī)則集，并在此基礎上增加一些特殊站場的規(guī)則集。簡單的條件如災害狀態(tài)，包括設置災害和未設置災害兩種狀態(tài)，對于設置災害防護的區(qū)段，在采集到災害防護信息后，將控制相應的軌道區(qū)段發(fā)送H碼防護。若本區(qū)段為區(qū)間，且與前方區(qū)段不處于同一閉塞分區(qū)，前方區(qū)段空閑而且也為區(qū)間，則本區(qū)段編碼為前方區(qū)段編碼按碼序升序排列的下一個編碼。綜合考慮軌道電路碼序的各種可能情況，最終總結(jié)出軌道電路發(fā)碼是由11個條件決定。這11個條件如下。

1) 災害狀態(tài)；

2) 本區(qū)段類別，區(qū)段類別包括區(qū)間、股道以及咽喉區(qū)段3種區(qū)段類型；

3) 前方區(qū)段類別；

4) 與前方區(qū)段是否屬于同一閉塞分區(qū)；

5) 前方區(qū)段占壓狀態(tài)，包括占用狀態(tài)和非占用狀態(tài)；

6) 前方區(qū)段發(fā)碼；

7) 前方區(qū)段鎖閉狀態(tài)；

8) 進路最高碼序，包括L5、UUS以及UU等碼序；

9) 是否信號降級，包括室外點燈或者臨時限速導致的信號降級；

10) 進路信號狀態(tài)，包括無進路、信號未開放、信號正常關閉、引導信號、信號開放以及信號非正常關閉這6種狀態(tài)；

11) 進路類型，包括正常進路以及跨線進路兩種。

根據(jù)這11個條件，可以將碼序規(guī)則完整地抽象描述出來，這些規(guī)則的建立是通過不斷積累和總結(jié)這個領域的專家知識得出的，因此建立過程比較繁瑣，耗費的時間也比較長，相較于采用復雜邏輯的實現(xiàn)方案，使用規(guī)則的方法在擴展性上獨有優(yōu)勢，能夠根據(jù)運營場景和實施方案的不同，經(jīng)過添加和修改相應的規(guī)則達到適應不同場景的需求，無需改動程序邏輯本身，因此具有很好的可擴展性和適應性。

2.2 規(guī)則篩選及集中評測

碼序集中評測的關鍵就在于一次性生成全線碼序，難點首先在于如何根據(jù)輸入條件篩選出需要的規(guī)則，從而確定碼序結(jié)果，其次是如何一次性生成全線碼序。

對于有n個條件，K條規(guī)則的規(guī)則集，通過對n個條件狀態(tài)的判斷在這K條規(guī)則中找到滿足條件的結(jié)果。由于所有的規(guī)則都是基于產(chǎn)生式系統(tǒng)構(gòu)成，因此邏輯比較簡單，所有節(jié)點分層固定，使用寬度優(yōu)先搜索，對下一層進行搜索前，先搜索本層所有節(jié)點，搜索過程如圖1所示。搜索算法采用堆棧結(jié)構(gòu)，首先對于第一個條件輸入，遍歷1到K這K條規(guī)則的第一個條件，對于滿足條件的規(guī)則進行入棧，若未找到滿足條件的規(guī)則，則退出搜索，對于第二個條件的輸入，將之前入棧的規(guī)則出棧，遍歷這出棧的規(guī)則的第二個條件，對于滿足條件的規(guī)則入棧，若未找到則退出搜索，依次類推，進行深度為n的遍歷搜索，對所有的輸入條件進行查找，在輸入第n個條件時，若找到滿足條件規(guī)則且唯一，則輸出規(guī)則對應結(jié)果。否則則退出搜索。其時間復雜度為O(n)。對于上述搜索算法，其輸入每次都需要進行n層搜索，考慮到在實際評測中兩次狀態(tài)輸入之間，并非所有條件都發(fā)生改變，而只是一部分條件的變化，因此可以在輸入條件時對當前狀態(tài)和上次狀態(tài)的條件進行模式匹配，從第一個不同的條件開始輸入，假設第m個條件開始不同，如果前次狀態(tài)保留“學習”了m-1次的規(guī)則集合，則直接從m層開始搜索。否則，重新開始“學習”，并重構(gòu)這n層各層的規(guī)則集合，實現(xiàn)智能評測。

這樣在實際的評測中，可以減少不必要條件的搜索，減小搜索的深度，從而進一步減小運算復雜度和時間復雜度。

根據(jù)技術規(guī)范，每個區(qū)段有一個默認的初始化編碼，根據(jù)邊界條件 (進路狀態(tài)和邊界狀態(tài)) 以及占壓條件的區(qū)段開始遞歸應用規(guī)則，可以生成全線的碼序。

整個線路分為上下行，包括區(qū)間線路碼序以及進路碼序的生成。根據(jù)線路中始端方向繼電器以及終端方向繼電器的屬性判斷區(qū)間線路是正向還是反向，碼序生成是依照遞歸的方式實現(xiàn)的，因為判斷條件中包括前向編碼、前向閉塞分區(qū)狀態(tài)等因素，因此編碼從線路的最后一個軌道區(qū)段開始，依次往前遞歸進行編碼。進路碼序需要考慮降級以及最高碼序等帶來的影響，同時需要考慮接近區(qū)段的影響。

2.3 實時評測方法研究

實時評測就是在給定輸入的同時，直接將應用規(guī)則產(chǎn)生的碼序和給定的原始碼序作對比。需要保證的是規(guī)則產(chǎn)生的碼序是實時可靠的，實時就是需要在給定時間內(nèi)做出評測；可靠就是保證進行評測的輸入和激勵產(chǎn)生原始輸出的輸入數(shù)據(jù)是一致的。影響評測實時性的因素主要有3點：第一點是采集數(shù)據(jù)的來源不同；第二點是通信延時；第三點是評測處理耗費的時間。通過圖2所示的實時評測的結(jié)構(gòu)圖，來說明各個因素之間的關系以及影響程度。

對于軌道電路，定義它的外部輸入為RA(t1)，對外輸出為YA(t4)，其中的t1表示在t1時刻產(chǎn)生的外部輸入，下標A表示輸入和輸出都是針對A事件產(chǎn)生的，那么YA(t4)則表示針對A事件在t4時刻仿真子系統(tǒng)給出了輸出。

經(jīng)過一定通信延時在t2時刻，對于碼序評測，從軌道電路和外部接口中采集到RA(t1)的數(shù)據(jù)，定義這些數(shù)據(jù)輸入為RA(t2)和YB(t2)。顯然RA(t1)=RA(t2)，YB(t2)則是針對A事件之前的B事件所做出的輸出響應經(jīng)過數(shù)據(jù)采集后輸入至碼序評測，YB(t2)并不一定等于YA(t4)，碼序評測經(jīng)過處理在t3時刻給出碼序的輸出YA(t3)，根據(jù)評測的定義，需要比對的就是YA(t4)和YA(t3)這兩個值，判斷其是否一致，但在t3時刻，能夠進行比較的是YA(t3)和YB(t2)，由于YB(t2)和YA(t4)之間的關系，導致比較的結(jié)果出現(xiàn)偏差。對于 t2=t1+t通信延時以及 t3=t2+t碼序評測這兩個時刻和 t1之間的時間差異，由于 t通信延時以及 t評判處理其時間跨度小，而且比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的輸入周期遠遠大于t通信延時以及t碼序評測帶來的延時，其影響可忽略不計。對于t4和t1的時間差異，由于影響軌道電路碼序的數(shù)據(jù)其來源很多，受到各個設備之間通信關聯(lián)的影響，延時較大，且無法預知，導致碼序評測的輸出結(jié)果要早于真實輸出的結(jié)果。為解決這一問題，在根據(jù)規(guī)則生成碼序時加入延時，保證碼序輸出和原始輸出的一致性，從而達到比對YA(t4)和YA(t3)的目的。

3 結(jié)論及展望

軌道電路碼序作為客運專線中列車行車的重要依據(jù)，以往針對碼序的測試都是基于模塊和具體線路，缺乏一個整體綜合考慮的方法，本文提出的基于知識工程對碼序進行集中實時評測的方法，能夠提高碼序測試的效率，減少人工和時間成本，并且能發(fā)現(xiàn)人工測試時可能忽略的問題。本文主要針對兩部分內(nèi)容進行研究，第一部分主要研究將知識工程的概念引入碼序生成中，將碼序的生成邏輯抽象為規(guī)則，第二部分主要研究規(guī)則的選取以及實時評測的方法，提出了一種集中式全線碼序?qū)崟r評測的方法。下一步的工作可以按照相同的方式對《列控中心技術規(guī)范》[12]中提及的其他部分，例如對有源應答器報文進行實時的評測，隨著規(guī)則增多，針對運營場景的改變，相應的對規(guī)則增加修改以及刪除都需要一個有效的管理方法。如何建立一個有效地針對規(guī)則的管理方法也是需要考慮的問題。

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