模式匹配算法基礎(chǔ)上的機(jī)車信號(hào)故障診斷

摘要：機(jī)車信號(hào)的碼序提供了機(jī)車信號(hào)是否發(fā)生故障和發(fā)生何種故障的信息。本文分析了機(jī)車信號(hào)的故障碼序，通過總結(jié)其規(guī)律與特點(diǎn)，將機(jī)車信號(hào)的故障診斷問題歸類為模式匹配問題。并在此基礎(chǔ)上將模式匹配問題與機(jī)車信號(hào)的故障診斷問題相結(jié)合，提出了基于多模式匹配算法DFSA（Deterministic Finite State Automata）的機(jī)車信號(hào)故障診斷模型。

關(guān)鍵詞：機(jī)車信號(hào)；故障診斷；模式匹配

一、綜述

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，無絕緣軌道電路成為當(dāng)前的主要運(yùn)用設(shè)備。該種軌道電路利用在軌道上分段加裝補(bǔ)償電容的方式來平衡軌道的高感抗，使軌道的整體傳輸特性趨于阻性。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，補(bǔ)償電容容易受到牽引區(qū)段浪涌電壓以及雷電和軌道電流趨膚效應(yīng)等因素的影響，主要表現(xiàn)為補(bǔ)償電容斷線或容值下降等故障模式，且對(duì)于一段軌道電路來說，絕大多數(shù)故障為單一補(bǔ)償電容故障，很少出現(xiàn)多個(gè)補(bǔ)償電容同時(shí)故障的情況。補(bǔ)償電容故障會(huì)使軌道的傳輸特性惡化，信號(hào)有效傳輸距離縮短，直接影響軌道電路和車載機(jī)車信號(hào)設(shè)備的正常工作給行車安全帶來隱患。

當(dāng)前，在機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)對(duì)補(bǔ)償電容的檢測(cè)主要采用電務(wù)檢測(cè)車的方式。在檢測(cè)車運(yùn)行過程中，利用相應(yīng)的硬件設(shè)備不斷向軌道發(fā)送一定頻率的測(cè)試信號(hào)，并同時(shí)接收來自軌道的反射信號(hào)，通過測(cè)量?jī)煞N信號(hào)的變化幅度來檢測(cè)補(bǔ)償電容的狀態(tài) 。此檢測(cè)方法雖然準(zhǔn)確性較高，但由于檢測(cè)過程需要加掛專用的電務(wù)檢測(cè)車，由專業(yè)人員利用特定的軟、硬件設(shè)備來完成，使得其在檢測(cè)成本和檢測(cè)及時(shí)性等方面存在不足。

機(jī)車信號(hào)在機(jī)車運(yùn)輸?shù)陌踩c效率方面起著非常重要的作用。但機(jī)車信號(hào)卻經(jīng)常出現(xiàn)掉碼、串碼和誤碼等故障，如何有效的診斷或提取出機(jī)車信號(hào)的故障是解決問題的關(guān)鍵步驟之一。為此，本文通過對(duì)機(jī)車信號(hào)故障碼序的分析與討論，將模式匹配算法應(yīng)用于機(jī)車信號(hào)的故障診斷中，建立相應(yīng)的診斷模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。DFSA模型通過建立轉(zhuǎn)向（goto）函數(shù)、失效（failure）函數(shù)和輸出（output）函數(shù)，利用樹型有限自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車信號(hào)快速準(zhǔn)確的故障診斷。通過對(duì)實(shí)際的機(jī)車信號(hào)檢測(cè)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷實(shí)驗(yàn)，表明該模型在機(jī)車信號(hào)故障診斷中的有效性。

模式匹配操作是輸入兩個(gè)模式，找出其相關(guān)元素間的匹配關(guān)系，然后輸出兩個(gè)模式元素間的映射關(guān)系。模式匹配廣泛用于面向網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集成、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及網(wǎng)站的建設(shè)和管理等方面，但其在基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息集成等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用還較少。進(jìn)行空間信息集成需要把不同用戶定義的關(guān)于相同的地理實(shí)體和特征的異構(gòu)模式轉(zhuǎn)換成一致的、能夠同時(shí)為各個(gè)不同用戶和計(jì)算機(jī)共同識(shí)別的規(guī)范模式，這需要用到模式匹配算法對(duì)兩個(gè)輸入模式間的相關(guān)聯(lián)的元素進(jìn)行識(shí)別和匹配。

二、故障碼序

機(jī)車信號(hào)碼（簡(jiǎn)稱信號(hào)碼）是被檢測(cè)機(jī)車信號(hào)所代表的燈位碼。碼序是檢測(cè)的不同信號(hào)碼的時(shí)間順序關(guān)系。當(dāng)機(jī)車信號(hào)存在故障時(shí)，機(jī)車信號(hào)的碼序規(guī)律就會(huì)發(fā)生變化，即與機(jī)車信號(hào)正常時(shí)的碼序規(guī)律不同。可見，機(jī)車信號(hào)的故障信息在機(jī)車信號(hào)的碼序上體現(xiàn)出來，因此通過判斷機(jī)車信號(hào)的碼序，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車信號(hào)的故障診斷。本文將以目前廣泛應(yīng)用的8燈位機(jī)車信號(hào)為例，討論機(jī)車信號(hào)的故障碼序。其中，8個(gè)燈位碼分別為“L”（綠）、“LU”（綠黃）、“U”（黃）、“U2”（黃2）、“UU”（雙黃）、“HU”（紅黃）、“B”（白）和“H”（紅）。機(jī)車信號(hào)的故障主要包括掉碼、串碼和誤碼3種，其產(chǎn)生的原因多種多樣，如設(shè)備的故障和各種干擾等。

（一）掉碼

掉碼為最常見的故障，它被定義為在有碼區(qū)段接收不到碼，顯示無碼信號(hào)。如果從“HU”（紅黃）到無碼，則顯示“H”（紅），其他情況顯示“B”（白）。在正常非掉碼情況下，如果通過“UU”進(jìn)行側(cè)線通過或停車時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“B”，這時(shí)的“B”（白）不應(yīng)被判斷為掉碼。半自動(dòng)閉塞區(qū)段，只在車站才可能發(fā)生掉碼現(xiàn)象，所以需要根據(jù)地面信號(hào)機(jī)的設(shè)置來判斷是否掉碼，只判斷車站內(nèi)的碼序。

（二）串碼

串碼故障分為側(cè)線串碼和正線串碼。側(cè)線串碼只發(fā)生在車站，區(qū)間沒有側(cè)線串碼現(xiàn)象，所以側(cè)線串碼的故障碼序應(yīng)該以“UU”（雙黃）開頭。正線串碼只發(fā)生在半自動(dòng)閉塞區(qū)段，且只發(fā)生在出發(fā)信號(hào)機(jī)外。為此也需要結(jié)合地面信號(hào)機(jī)的設(shè)置來判斷，只判斷車站內(nèi)碼序的側(cè)線串碼故障和出發(fā)信號(hào)機(jī)外碼序的正線串碼故障。在碼序不符合正常碼序（掉碼和串碼除外）時(shí)，應(yīng)被診斷為出現(xiàn)誤碼故障。例如當(dāng)前碼為“H”（紅），如果下一個(gè)碼出現(xiàn)“B”（白），則認(rèn)為是一次誤碼。

三、模式匹配及其算法

模式匹配問題是計(jì)算機(jī)科學(xué)中一個(gè)基本問題之一，其研究?jī)?nèi)容在信息檢索與壓縮、模式識(shí)別、計(jì)算理論和分子生物學(xué)中的DNA測(cè)序等諸多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)模式匹配問題的定義和描述如下。

給定一個(gè)特定長(zhǎng)度為m 的模式串P，在一個(gè)定義在有限字母表上長(zhǎng)度為n（ n>m）的文本t中進(jìn)行查找，確定P是否出現(xiàn)，若出現(xiàn)，確定其位置。這就是單模式匹配問題。從t中同時(shí)查找多個(gè)模式串P1，P2，…，Pn的過程叫做多模式匹配。

為降低字串查找的計(jì)算復(fù)雜度，人們提出了多種模式匹配算法。對(duì)于單模式匹配問題，3種經(jīng)典的算法分別是：KMP算法、BM 算法和QS算法。它們的計(jì)算復(fù)雜度分別為O（n +m）、O（n/m）和O（ n/（m+1））。對(duì)于多模式匹配問題，最經(jīng)典的算法是基于確定性有限自動(dòng)機(jī)的DFSA算法。該算法對(duì)待匹配模式串集合進(jìn)行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成樹型有限自動(dòng)機(jī)，然后再對(duì)t進(jìn)行一次掃描匹配，其計(jì)算復(fù)雜度為O（n）。

四、基于模式匹配算法的故障診斷模型

通過對(duì)機(jī)車信號(hào)故障碼序的分析和對(duì)模式匹配問題的描述，可以得知，機(jī)車信號(hào)故障診斷問題可以歸結(jié)為一種模式匹配問題。機(jī)車信號(hào)故障診斷的過程就是

在一串長(zhǎng)的碼序（例如一個(gè)運(yùn)行交路的所有碼序）中查找故障碼序并確定其位置。因?yàn)榇嬖诙鄠€(gè)故障碼序，所以機(jī)車信號(hào)故障診斷問題被分類為多模式匹配問題。因此，機(jī)車信號(hào)故障診斷得到了多模式匹配算法的支持。本文以多模式匹配DFSA算法 為基礎(chǔ)建立了機(jī)車信號(hào)故障診斷模型。下面僅以正線串碼故障的診斷為例說明模型的建立與應(yīng)用。

（一）建立模型

與DFSA的預(yù)處理過程相似，建立診斷模型的任務(wù)是計(jì)算3個(gè)函數(shù)：轉(zhuǎn)向（goto）函數(shù)、失效（failure）函數(shù)和輸出（output）函數(shù)。

轉(zhuǎn)向函數(shù)定義為g：（S，C）→S，其中S={0，1，2，…，n）為狀態(tài)集合，C為有限信號(hào)碼集合，本例中C={I ，LU，U，U2，UU，HU，B，H）。

定義P={P0，P1，…，Pk-1}為待查找的碼序集合，在本例中取P={L B HU H，LU B HU H，U BHU H ，U2 B HU H ，L HU H，LU HU H，U HUH，U2 HU H）。

逐個(gè)取出P中碼序的信號(hào)碼，從0狀態(tài)出發(fā)，根據(jù)所取出碼和當(dāng)前狀態(tài)決定下一個(gè)狀態(tài)，如果遇到1個(gè)由當(dāng)前狀態(tài)出發(fā)且標(biāo)有該碼的矢線時(shí)，將下一個(gè)狀態(tài)賦給當(dāng)前狀態(tài)，否則加上1條標(biāo)有該碼的矢線，并在矢線終點(diǎn)加上一個(gè)新狀態(tài)，狀態(tài)標(biāo)號(hào)比已有的最大標(biāo)號(hào)大1，并設(shè)此狀態(tài)為當(dāng)前狀態(tài)。

失效函數(shù)指明，當(dāng)某個(gè)信號(hào)碼與待匹配碼序匹配不成功時(shí)下一個(gè)應(yīng)處理的狀態(tài)。定義某狀態(tài)的層次為，從0狀態(tài)到該狀態(tài)的最短路徑中通過的矢線條數(shù)。失效函數(shù)的定義按照下述規(guī)則給出。

1、設(shè)狀態(tài)Sf為第一層中的狀態(tài)，失效函數(shù)定義為f（Sf）=0，

則f（1）=f（5）=f（9）=f（13）=0

2、設(shè)狀態(tài)Sm為非第一層的狀態(tài)（即存在a使g（r，a）=Sm 。其中r為Sm的父狀態(tài)，a為P中碼序的信號(hào)碼），其失效函數(shù)定義為f（Sm）=g（f（S*m），a），其中狀態(tài)S*m為追溯狀態(tài)Sm的祖先狀態(tài)所得到的最近一個(gè)使g（ f（S*m），a）存在的狀態(tài)。根據(jù)此規(guī)則，可得所有非第一層狀態(tài)的失效函數(shù)都為0，即當(dāng)任何不匹配情況下，處理狀態(tài)都返回到0狀態(tài)。

DFSA算法的輸出函數(shù)提供匹配碼序的值，該值標(biāo)記在每個(gè)終止?fàn)顟B(tài)Se處。而且在構(gòu)造失效f（Se）=S*e 后，應(yīng)修改輸出函數(shù)output（Se）=output（Se）Uout-put（S*e ）。由于故障診斷中不需要得到匹配碼序的具體值，而只需要知道是否匹配的信息，因此在此故障診斷模型中把所有終止?fàn)顟B(tài)S 的輸出函數(shù)置1，4、18、8、2O、12、22、16和24的輸出函數(shù)為1。因?yàn)樗袪顟B(tài)的失效函數(shù)都為0，所以其他狀態(tài)的輸出函數(shù)都為0。

（二）診斷過程

上述模型建立完畢，便可以應(yīng)用此模型對(duì)一串長(zhǎng)的機(jī)車信號(hào)碼序進(jìn)行故障提取。這串長(zhǎng)機(jī)車信號(hào)碼序可以來自某個(gè)特定的運(yùn)行交路。

1、從樹型有限自動(dòng)機(jī)的0狀態(tài)出發(fā)，逐個(gè)取出碼序中的碼，并按照轉(zhuǎn)向函數(shù)的指引進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，如果匹配不成功則進(jìn)入失效函數(shù)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。需要注意的是本例中的正線串碼只發(fā)生在半自動(dòng)閉塞區(qū)段，且只發(fā)生在出發(fā)信號(hào)機(jī)外，當(dāng)這兩個(gè)條件不滿足時(shí)，即使匹配也將狀態(tài)轉(zhuǎn)回到0。2、當(dāng)某個(gè)狀態(tài)的輸出函數(shù)為1時(shí)，則診斷出存在故障，并記錄故障發(fā)生時(shí)刻。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下面將以部分實(shí)際的機(jī)車信號(hào)檢測(cè)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)上述模型的有效性。使用的數(shù)據(jù)來自機(jī)車信號(hào)記錄儀，數(shù)據(jù)以文件方式保存，每個(gè)文件中包含一個(gè)運(yùn)行交路的機(jī)車信號(hào)。因?yàn)橛涗泝x以時(shí)間順序進(jìn)行記錄，每秒記錄一幀數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由實(shí)際列車運(yùn)行時(shí)間決定。實(shí)驗(yàn)程序從文件中順序提取機(jī)車信號(hào)的信息，并使用上述方法進(jìn)行故障診斷。下表顯示了對(duì)部分運(yùn)行交路的機(jī)車信號(hào)進(jìn)行診斷的時(shí)間性能。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為PIV 2.0，256M RAM，WIN2000，C++。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/幀8 07839 31240 7828 52420 2307 180

時(shí)間性能/ms7.71337.0038.188.10020.496.919

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，算法的運(yùn)行時(shí)間隨著數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增加而增加，正如所述的算法計(jì)算復(fù)雜度為0（n）。而且運(yùn)行時(shí)間都為ms級(jí)，可以滿足實(shí)際需要。由于診斷模型是建立在對(duì)故障碼序的分析基礎(chǔ)上的，因此故障診斷的正確率依賴于故障碼序分析的正確性與完整性。本文提供的故障碼序是該領(lǐng)域?qū)＜覐膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的，具有一定的權(quán)威性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型可以正確的診斷出已知全部故障，但診斷模型還需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善。

五、結(jié)論

安全是機(jī)車運(yùn)行過程中永恒不變的主題，要以機(jī)車信號(hào)為主體信號(hào)，就必須保證機(jī)車信號(hào)的高度安全可靠性，雖然目前的機(jī)車信號(hào)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是由于錯(cuò)誤信號(hào)造成的冒進(jìn)、超速等事故時(shí)有發(fā)生。為了避免此類事故，消除故障隱患，本文在分析機(jī)車信號(hào)故障碼序特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了基于多模式匹配算法DFSA的機(jī)車信號(hào)故障診斷模型。并對(duì)該模型在診斷中的應(yīng)用過程與方法進(jìn)行了分析，對(duì)實(shí)際機(jī)車信號(hào)檢測(cè)記錄儀記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行了故障診斷的實(shí)驗(yàn)，表明模型是有效性，該方法能夠有效降低在機(jī)車運(yùn)行中出現(xiàn)信號(hào)報(bào)錯(cuò)的情況出現(xiàn)，因此基于模式匹配算法基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)車信號(hào)故障進(jìn)行診斷是可行的。

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