信號繼電器故障診斷專家系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張婉

摘要：文章介紹了故障樹分析法和基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的基本原理。為了提高工作效率和故障識別可靠度，提出將故障樹分析法和基于規(guī)則的專家診斷系統(tǒng)相融合。以故障樹的形式系統(tǒng)地、全面地呈現(xiàn)專家知識，由故障樹生成診斷專家知識庫，設計了具有友好人機交互界面的信號繼電器智能故障診斷專家系統(tǒng)。并且以JWXC型無極型繼電器故障診斷為例，印證了該故障診斷專家系統(tǒng)的良好應用前景和通用性。

關鍵詞：故障診斷;故障樹;專家系統(tǒng);信號繼電器

中圖分類號：TP182 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0127-04

0 引言

隨著人工智能技術的快速發(fā)展，智能故障診斷已廣泛應用于諸多領域。目前，智能故障診斷主要包括基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的故障診斷、基于數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷、機器學習、專家診斷等。其中，專家診斷是具有人類專家水平的故障診斷的計算機程序，是應用最廣泛的智能故障診斷方法，已經(jīng)應用于軍工[1]、航天[2]、汽車[3]、醫(yī)療等領域。專家診斷擁有大量該領域的專業(yè)知識，能夠實現(xiàn)對用戶的自動問診。同時，還能夠模仿人類專家用知識進行估值診斷推理，逐步縮小故障范圍，找到引發(fā)故障的原因并給出解決方案[4]。

高速鐵路的出現(xiàn)讓很多從前的“長途跋涉”變成一日可往返的“通途”。據(jù)統(tǒng)計，中國目前擁有全球最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)。我國高速鐵路網(wǎng)始建于2004年，到2019年營業(yè)總里程已達3.5萬公里，預計到2025年將達3.8萬公里[5]。如此大規(guī)模的高速鐵路交通網(wǎng)絡，對通信系統(tǒng)和信號設備特別是基礎的信號元件的性能提出了更高要求。繼電器是一種可以控制斷開、閉合信號電路的多路開關，廣泛應用于鐵路信號系統(tǒng)的遠程控制中，是非常重要的安全基礎元件[6]。它在工作中的穩(wěn)定性和安全性關系到鐵路通信、軌道控制、信號燈指示等諸多方面。為了確保其可靠性、一致性和準確性，加強檢修工作十分必要。當鐵路信號繼電器出現(xiàn)故障時，檢修人員需要根據(jù)自身的經(jīng)驗進行判斷，但是這種故障診斷的方式易受檢修人員的主觀因素的影響，存在對故障誤判的可能性。為了更好保證鐵路信號系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得信號繼電器檢修過程更智能化，減少檢修人員主觀因素的影響，本文設計了信號繼電器故障診斷專家系統(tǒng)，以專家系統(tǒng)的故障診斷來代替人工經(jīng)驗判斷，提高故障診斷的準確性與穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設計

鐵路信號繼電器的種類較多，其中，直流24V繼電器系列的重彈力式直流繼電器是信號設備中的主流繼電器。胡耀華[6]研究指出，安全型繼電器的典型結構為無極繼電器，其他各型繼電器均由無極繼電器衍生而來，且大部分零件可以通用。由于安全型無極繼電器具有經(jīng)典性和代表性，因此，本文選取JWXC型無極繼電器為研究對象，結合基于規(guī)則的專家系統(tǒng)和故障樹分析，設計了信號繼電器智能故障診斷專家系統(tǒng)。

基于故障樹的信號繼電器故障診斷專家系統(tǒng)由人機交互界面、知識處理模塊、診斷知識庫和診斷推理模塊組成，如圖1所示。其中，診斷知識庫和診斷推理模塊是影響故障診斷專家系統(tǒng)性能的重要部分。

1.1 人機交互界面

人機交互界面的作用是將用戶的輸入信息轉化為故障診斷系統(tǒng)能識別的形式，并傳輸至相應的程序。同時，也能將故障診斷系統(tǒng)的輸出信息轉化為自然語言顯示給用戶。基于故障樹的信號繼電器故障診斷專家系統(tǒng)的人機交互界面采用選擇方式的人機接口，即系統(tǒng)把故障現(xiàn)象用選擇對話框的形式進行羅列供用戶選擇，在用戶做出選擇后，執(zhí)行相應的操作并顯示出下一級選擇對話框。

1.2 知識處理模塊

知識獲取是收集和整合信號繼電器領域專家關于故障診斷的經(jīng)驗積累和相關技術資料，再借助編輯軟件輸入系統(tǒng)知識庫中。知識校驗對重復或者沖突的條件進行校驗，進而保證了知識庫中知識的完備性和一致性。知識查詢是查詢知識庫的輔助性功能。

1.3 診斷知識庫

繼電器的故障中包含著一些矛盾因素，如工作值與釋放值、釋放值與緩放時間、電氣特性與機械特性等。如果調整不當會導致一種特性已達到標準而另一種特性卻超出規(guī)定的要求。通過對大量JWXC型無極型繼電器電氣特性故障的匯總和分析發(fā)現(xiàn)，其電氣特性故障可以分為：工作值大但釋放值標準、工作值大且釋放值大、釋放值小、緩放時間不夠、接點電阻大。故障樹由最高層的頂事件、多層的中間事件和最后一層的底事件構成，是圖形化的模型、標準化的結構。通過故障樹生成故障知識庫，可以比較直觀地反映故障現(xiàn)象及其原因間的邏輯關系，各節(jié)點間的層次感強，便于查詢且能夠大幅提高知識獲取的效率[3]。

首先，確定故障樹的頂事件為：JWXC無極型繼電器電氣特性故障。通過演繹分析法，從頂事件開始，每層事件依照輸入（現(xiàn)象）和輸出（結果）的邏輯關系，用邏輯門連接起來。再逐級往下尋找原因，直至最基本的故障點。因為JWXC型無極繼電器的故障的邏輯關系是低一層的事件中只要有一個發(fā)生就會使上一級的事件也發(fā)生，事件之間是一種“或”的邏輯關系，因此，根據(jù)其邏輯關系編制的故障樹如圖2所示。

在故障樹中，頂事件為E，中間事件為T，底事件為X，中間事件和底事件的內容如表1所示。

在基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的診斷知識庫中需要存儲相關的規(guī)則。由圖2可知，故障樹的邏輯門為“或門”，則使用“if......，then......”的產(chǎn)生式規(guī)則來表示診斷知識庫中的知識。用表格的集合，如表2、表3、表4構建關系數(shù)據(jù)庫，使故障樹和診斷知識庫建立聯(lián)系。

1.4 診斷推理模塊

診斷推理模塊是通過人機對話的形式采集信息進行推理，結合診斷知識庫給出診斷建議。系統(tǒng)采用的推理策略如圖3所示，具有如下特點為：其一，由故障現(xiàn)象推出故障原因和維修建議，更接近人類的思維方式，能夠提高用戶使用的便捷性;其二，速度快，實時性好。系統(tǒng)的推理模式先根據(jù)用戶在人機界面的選擇故障現(xiàn)象進行診斷，再判斷該故障現(xiàn)象是否有子故障。如果為“否”，顯示診斷解釋和維修建議;如果為“是”，則根據(jù)診斷知識庫中的子故障知識庫進行下一項的故障現(xiàn)象選擇，進行下一次循環(huán)，直到?jīng)]有子故障，進入診斷解釋模塊。在解釋模塊中，故障原因及相應的維修建議如表5所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

操作系統(tǒng)：Windows10專業(yè)版，處理器：Intel（R）Core（TM）m3-6Y30，內存：4.00GB，64位操作系統(tǒng)。

2.1 故障診斷界面

在故障診斷界面，對話框中出現(xiàn)“請選擇故障類型”的提示語及“工作值大，釋放值標準”、“工作值大，釋放值大”、“釋放值小”、“緩放時間不夠”和“接點電阻大”的選項。用戶根據(jù)信號繼電器的故障現(xiàn)象選擇故障類型，如選擇“緩放時間不夠”，在選擇完成后，點擊ok按鈕開始診斷，如圖4所示。

2.2 推理界面

在推理界面中，如圖5所示，對話框標題已由“JWXC型無極繼電器故障診斷系統(tǒng)”變?yōu)椋骸肮收厦枋觯壕彿艜r間不夠。”這種設計系統(tǒng)對診斷過程的記錄，方便使用者查閱。對話框出現(xiàn)“請檢查釋放值、電磁系統(tǒng)”，提示用戶檢查這兩項的狀態(tài)。通過檢查，用戶發(fā)現(xiàn)釋放值正常，故障屬于電磁系統(tǒng)的問題，所以選擇“釋放值正常電磁系統(tǒng)問題”。

如圖6所示，對話框標題內容更新為“故障描述：緩放時間不夠，電磁系統(tǒng)故障”。對話框提示用戶檢查鐵芯與軛鐵間隙、止片與鐵芯是否密貼，用戶檢查后發(fā)現(xiàn)JWXC無極型繼電器屬于鐵芯不牢固，鐵芯與軛鐵間隙過大，所以選擇第一個選項。

2.3 診斷結論界面

如圖7所示，故障診斷的結果為：故障描述：緩放時間不夠，鐵芯不牢固;故障原因：鐵芯與軛鐵間隙過大;維修建議：緊固鐵芯。

3 結語

為了提高信號繼電器故障檢修工作的效率，將故障樹和基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相結合，設計了信號繼電器故障診斷專家系統(tǒng)。通過故障樹生成診斷知識庫，大大簡化了知識庫的構建過程，并引入關系數(shù)據(jù)模型使系統(tǒng)的邏輯關系更加清晰。以智能故障診斷專家系統(tǒng)代替原有的人工判斷，幫助檢修人員快速定位故障原因，同時提供維修建議，縮短了檢修時間，提升了信號繼電器檢修工作的智能化水平。另外，該系統(tǒng)也適用于其他類型的信號繼電器，只需要構建相應信號繼電器的診斷知識庫，便可實現(xiàn)對不同類型繼電器的故障診斷，通用性良好，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張敏芳，劉峰，阮博，等.基于專家系統(tǒng)的雷達遠程故障診斷系統(tǒng)[J].火控雷達技術，2019，48（4）：29-32.

[2] 楊海濤，于杰克，曹俊彬.某型飛機電源故障診斷專家系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件，2013，30（4）：204-207.

[3] 許化東.基于故障樹分析法的汽車故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2002：4-13.

[4] 劉嶸，周鳴岐.故障診斷專家系統(tǒng)綜述[J].測控技術，1994，13（2）：6-9.

[5] 陳家宏.高鐵企業(yè)知識產(chǎn)權能力發(fā)展報告（1990-2016）[M].（第1版）北京：社會科學文獻出版社，2018：1-2.

[6] 胡耀華.信號繼電器及檢修上冊[M].（第1版）北京：中國鐵道出版社，1999：1-2+8-9.