軌道交通多Agent監控診斷維護支持系統

龔曉妍，朱曉青，秦斌，王欣（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007）

軌道交通多Agent監控診斷維護支持系統

龔曉妍，朱曉青，秦斌，王欣
（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007）

摘要：針對城市軌道交通運行過程中設備監測、信息采集、故障診斷的數據不全面、反饋不及時等問題，提出基于MAS（multi-agent system）的軌道交通智能控制-故障診斷-維護支持系統方案。該方案通過Agent與Agent之間協調優化實現軌道交通的分布式、協調化、集成控制與管理。描述了該系統的總體框架、網絡結構，最終實現面向安全、維修、調度、管理等信息化業務的軌道交通信息采集、診斷和維護。

關鍵詞：城市軌道交通；維護支持系統；多Agent系統

本文引用格式：龔曉妍，朱曉青，秦斌，等.軌道交通多Agent監控診斷維護支持系統[J].新型工業化，2015，5（8）：11-16

Citation: GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, et al. Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 11-16.

0 引言

城市軌道交通維護支持系統是專為地鐵系統研發的具備設備監測、故障智能分析、維護管理等功能的綜合性維護管理系統，在綜合監控平臺ISCS（Integrated Supervision and Control System）基礎上，研究基于MAS（multi-agent system）智能控制-故障診斷-維護管理模型，為軌道交通設備的管理和維護提供更好的服務，能夠有效提高設備的維護質量和維護效率，保證城市軌道交通能夠安全、高效運行。

當前軌道交通設備的維護實施過程中，對正線設備的信息監測不全面，正線系統的主要子系統ATS（列車自動監控）、ATP（列車自動防護）和ATO（列車自動駕駛），正線計算機聯鎖系統及車輛段/停車場計算機聯鎖等各子系統能夠自診斷和監測報警，但存在著標準和界面不統一的問題；部分設備采集的數據及報警信息分散在不同的系統中，且數據難以在系統間實現共享[1]。

近年來，MAS的發展為軌道交通維護支持系統提供了新的解決方案。MAS是由多個具有不同或者類似功能的Agent集合而成，完成一個或多個功能目標[2]。通過綜合監控系統Agent全面監控和采集中心級設備（維護中心）、車站級設備（各設備集中站、車輛段、停車場、控制中心和沿線各信號工區）和網絡通信線路三個層面各子系統的運行信息，通過Agent的集成和協作與其它系統實現信息互換，最終對各相關設備實現集中監控和信息共享，提高城市軌道交通整體維護管理的水平。

城市軌道交通維護支持系統實現對信號系統、供電系統、監控系統、自動售檢票系統、門禁系統等設備的數據采集、維護維修，匯總各設備故障報警信息并進行分類，從而幫助維修工作更方便、高效地完成。

城市軌道交通綜合監控系統實時監測正線系統和車輛段/停車場各子系統的狀態。車輛段/停車場通過計算機監測設備，監測其范圍內所有設備故障狀況。正線系統的主要子系統ATS中包含了列車自動監控、自動防護、自動駕駛的設備故障自動報警功能。

系統目前存在一些問題，包括不能全面監測到所有設備的所有信息，設備采集到的數據及上傳的報警信息分散，且由于系統間難以實現數據共享，查詢、篩選這些數據都要花費維護人員很大的精力，這就使得故障搶修難度增大、故障處理時間延長。

本項目運用Agent理論設計了中央級綜合監控系統，并在各站及車輛段/停車場設立綜合監控系統，實現對車站各設備的監控功能。利用網絡通信接口將其集成，有效解決了監測信息不全、數據難以共享的問題，使得軌道交通設備能夠得到更及時、有效的維護管理。

1 基于MAS的智能控制-故障診斷-維護支持系統的邏輯結構

1.1 多Agent技術

近幾年來，計算機網絡和信息技術飛速發展，智能體技術已經發展成為人工智能中的前沿學科，在許多領域都廣泛應用，成為解決復雜系統中分布式問題的一種有效的方法。多Agent技術MAS是通過多個智能體（Agent）的相互通訊、協作，達到將復雜的系統（軟硬件系統）分解成彼此獨立且相互之間能夠實現通訊、協調的小系統的目的，并由相應的Agent（s）來完成子系統的任務，通過多個Agents的協作、協調解決復雜系統問題[3]。MAS中的一個Agent可由更細的Agents組成。可以將比較復雜的任務經過多次細分，直到每個子任務都能由一個Agent獨立或者和其它Agent（s）合作完成。

利用多智能系統實現的智能控制-維護-管理系統就是用MAS思想解決地鐵控制、維護、管理集成的問題。監控系統根據控制區域分為多個MAS部分，實現相互之間的合作，完成系統的優化和診斷。每個MAS內部可分為控制MAS、人機接口MAS和仿真優化MAS，每個MAS分為主管Agent和專業Agent，主管Agent主要是根據外界環境對自身的控制系統知識框架結構進行調整；專業Agent則負責信息采集、故障診斷和監控的任務[4]。

1.2 系統的結構組成

軌道交通維護支持系統的功能實現首先要解決信息來源的問題。列車信息的采集與記錄主要通過車載信息子系統實現；通過完善車載人機接口界面、車地無線通信接口分別實現信息與工作人員、與地面的交互；最后將這些數據進行處理和分析，根據分析結果對機車進行智能診斷和維護支持[5]。監控系統采用整體實時數據平臺，采集設備運行的現場數據并存儲、管理和分析，實現實時數據的統一管理與設備運行狀況的實時監控[6]。本文根據軌道交通運行特點，建立一個基于MAS的軌道交通智能控制管理系統，如圖1所示。

該系統分為決策層、優化執行層和控制層3層結構。經營決策層通過規劃Agent對需求信息做出反應，實現資源整體規劃。優化執行層主要負責生產管理和調度執行，包括監視Agent、控制Agent和診斷Agent在內的基本模塊。監視Agent主要收集各設備（包括信號設備、電力設備、機電設備等）數據并做出初步處理，完成狀態分析、預警和儲存，并在需要的時候將數據提供給其他Agent。控制Agent將第一層采集到的數據進行綜合分析和處理，得出設備運行狀態信息并進行隱患預警分析和故障綜合診斷。診斷Agent基于各種信號，進行故障診斷并作出診斷決策和維護建議，其結構如圖2所示。

圖1 控制與管理MAS單元結構Fig.1 The cell structure of control and management MAS

圖2 優化執行MAS系統的總體架構Fig.2 The overall architecture of optimization and execution MAS system

1.3 單個Agent的結構模型

單個Agent感知外部環境變化和要求，通過計算、推理等內部行為將計算結果返回，即“改變環境”。感知環境信息、接收外部Agent要求以及返回計算結果或改變環境參數這些行為均為Agent外部行為，Agent個體的內部計算、推理等行為是Agent的內部行為，Agent的心智（Thinker）包括體現Agent思考行為的知識庫、信念庫等。因此單個Agent的結構可分為三層：心智、內部行為和外部行為，其結構如圖3所示。

心智層是Agent的核心，相當于其大腦，包括信念、期望、意圖、承諾、規劃等，Agent以此為依據做出行為決策。信念是對內部和外部特征的描述；期望是系統目標，是下一步決策的根據；意圖是Agent預先計劃好自身在未來時間內將要執行的行為。

內部行為層是Agent的內部心智活動，主要功能包括心智管理、規劃及學習等，主要對心智進行維護，對外部的環境、其他Agent的通信信息及自身內部狀態進行分析推理并規劃其目標、意圖和行為，僅影響其內部狀態而不對外部環境產生作用[7]。

外部行為層主要實現Agent之間及其與環境的交互。

圖3 單個Agent的結構模型Fig.3 Structural model of a single Agent

2 軌道交通維護支持系統的具體實現

該系統的網絡結構主要由中心級設備（維護中心）、車站級設備（各設備集中站、車輛段、停車場、控制中心和沿線各信號工區）和網絡通信系統三部分組成，如圖4所示。

圖4 維護支持系統網絡結構圖Fig.4 Network structure diagram of Maintenance-support system

基于MAS的智能管理與控制系統是將現場各設備智能化，集成為可通訊的單個Agent模塊。這些設備根據其需要完成的具體任務實現不同程度的智能（知識）[8]。Agent根據其智能程度做出合理的反應。

2.1 控制中心

控制中心系統系統由綜合業務服務器、數據庫服務器、調度終端、維護及網管終端等部分組成，實現對所轄車站上送的設備故障信息的存儲、統計、重現，維修人員通過該系統獲取所轄車站設備的實時狀態，并根據系統給出的故障診斷建議排除故障[9]。

車站設備收集來自電源屏、外電網和環境溫濕度的信息。控制中心有與ATS、DCS中心服務器的數據接口，設有一臺維護終端。其連接如圖5所示。

2.2 車站級子系統

車站級子系統包括車站現場設備、控制網絡、控制設備、車站管理網絡和操作設備，是軌道交通維護支持系統最基礎的部分，如圖6所示。

現場智能采集設備采集現場信息并對其進行智能分析，實現故障分析和預警功能。

另外，車站主機實現與維修中心及其它上層設備的信息互換。上層接收到車站主機傳過來的實時數據和分析結果，讓車間、電務段調度及時了解故障情況及原因，以便采取措施對故障進行處理。

2.3 網絡通信系統

基于MAS的智能控制-維護-管理集成系統的特色就是它能將控制、維護和管理功能分解為分散的Agent，通過一個分布式的通訊網絡將各部分功能進行通訊，將控制、維護、管理三者連接起來，最終在各現場設備中實現其功能。

圖5 控制中心車站設備連接圖Fig.5 Station equipment connection diagram of control center

圖6 車站級子系統結構Fig.6 Structure of station level subsystem

網絡通信設備和傳輸通道構成網絡子系統的環形自愈網絡，為提高網絡可靠性，應采用遷回、環狀、抽頭等冗余方式[9]。采用數據壓縮技術管理網絡中流動的數據流，從而達到適應多種網絡拓撲結構的目的。

為實現與符合底層通信協議規定的任何信息源設備的互聯互通，車站現場總線數據通信平臺（控制網）應具備開放性和兼容性[10]。

軌道交通智能分析子系統采用智能化的故障診斷方法，根據用戶對開關量、模擬量等信息采集的要求，構建出一套適用于軌道交通的微機監測擴展系統。該系統能夠更快捷更方便地向工作人員提示軌道交通各設備的運行狀態，同時對各設備更易發的故障進行分析并給出維修建議。

智能分析子系統與監測系統及監控管理信息系統之間的整體架構如圖7所示。2.4 系統實現的功能

（1）監測及報警功能

該系統對城市軌道交通設備實現了完全監測，不僅可對非智能設備進行監測，如道岔、信號機、外電網、電纜、數字音頻軌道電路、移動閉塞環線、定位環線等，而且還可對包含ATC、CI、計軸、智能電源屏、智能燈絲、屏蔽門等在內的智能設備進行統一監測[11]。另外，該系統采用人工智能方法，對采集到的大量數據進行分析和處理，從而選出設備維護需要的數據，根據這些信息對設備進行維護和維修。

（2）監測及報警管理功能

該系統能夠自動分析和處理所監測到的數據并監測設備工作參數的變化趨勢，濾除一些意外和干擾后，找出參數的異常變化。當發現參數變化趨勢出現異常時，能夠及時發出警告，并給出相應的維護建議。對數據進行完善的統計分析，為設備的維護計劃提供科學依據。當有故障報警時，維護人員通過系統故障診斷分析故障原因，處理故障。

圖7 智能分析子系統框架Fig.7 Framework of intelligent analysis subsystem

3 結論

本文在MAS的理論基礎上，將城市軌道交通維護支持系統中的子系統分解成多個Agent模塊，通過Agent之間的通訊和協作，搭建基于MAS的軌道交通智能控制-故障診斷-維護支持系統集成系統平臺，從全新的角度研究了軌道交通運行過程中的一系列問題。維護支持系統為城市軌道交通設備的維護、維修和管理提供有力的支持和建議。對系統進行有針對性的設計和改進，可為設備排除故障提供支持，減少故障間隔時間，提高設備的維護、維修效率和質量。但由于系統對設備故障感知和診斷模型不能做到十分精確，還有一定的誤差存在，已有的車站設備維護系統也有各方面的不足，還需要進一步改進與升級以提高系統預警的準確性。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.03

*基金項目：國家自然科學基金項目（61074067），湖南省高校科技創新團隊資助。

作者簡介：龔曉妍（1988-），女，湖南工業大學電氣與信息工程學院碩士研究生，主要研究方向：復雜電氣系統的信息集成和協調控制；朱曉青（1958-），男，湖南工業大學電氣與信息工程學院教授，碩士生導師，主要從事工業過程控制、過程檢測、優化控制、現場總線系統應用等方面的研究；秦斌（1963-），男，教授，碩士生導師，主要研究領域為復雜系統建模與優化控制。

Multi-agent Maintenance Support System of the Rail Transit

GONG Xiao-yan, ZHU Xiao-qing, QIN Bin, WANG Xin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology , Zhuzhou Hunan , 412007)

ABSTRACT:In view of the problems such as the data’s feedback are not comprehensive or in time in the equipment monitoring, information collection and fault diagnosis of the process of urban rail transit operation, the Intelligent control-Fault diagnosis-Maintenance support system of rail transportation based on MAS （Multi-Agent System） is proposed. The scheme realizes the distributed, coordinated, integrated control and management of the rail transit through the coordination of Agent and Agent. By describing the framework and network structure of the system, ultimately achieved the information collection, diagnosis and maintenance of the rail transit which face to security, maintenance, scheduling, management and other information business.

KEYWORDS:Urban rail transit; Maintenance-support system; Multi-agent system