產生式系統原理在聯鎖軟件開發中的應用

南京鐵信科技股份有限公司 湯連橋

計算機聯鎖軟件中的邏輯關系是使用規則進行描述的。產生式系統是一種基于規則的推理技術，聯鎖軟件可采用產生式系統的技術進行開發。描述了產生式系統中三個部分（規則庫定義、總數據庫設計、控制策略設計）在開發聯鎖軟件過程中的實現，其中在定義規則庫時提出了一些新的概念和實施細則。本文以聯鎖軟件中的排列進路功能為例，闡述了方法的執行流程。

計算機聯鎖系統由冗余配置的安全計算機和聯鎖軟件構成，其中聯鎖軟件執行聯鎖邏輯，是整個系統的主要組成部分。傳統的軟件開發以功能為單位進行模塊劃分進行設計，聯鎖軟件中各關聯元素的邏輯關系是一個整體，無法簡單地按照“功能、模塊”的方式將其拆分。鑒于這個特點，可以分析功能梳理出內部邏輯關系，然后對邏輯關系進行整體設計和實現，即使用規則來描述邏輯關系。規則的形式為A→B，A為條件，B為動作，當條件A滿足時，觸發動作B。

將聯鎖軟件中的所有邏輯關系定義成一個規則庫，聯鎖功能就可以通過規則的執行來實現。采用產生式系統（production system）技術并結合形式化語言開發聯鎖軟件是一次新的嘗試和探索。

1 產生式系統的概念

產生式系統是一種基于規則的推理技術，屬于人工智能的范疇。由三部分組成：總數據庫、產生式規則和控制策略?？倲祿煊脕泶娣攀聦崱．a生式規則是一個規則庫。當總數據庫中的某些事實和某條規則的條件相匹配時，該規則將被激活執行，并把其結論作為新的事實存入總數據庫中?？刂撇呗詾橐粋€推理機構，由一組程序組成，用來決定問題求解過程的推理線路，實現問題的求解。

問題求解過程分為3步：匹配、沖突解決和操作。該過程也稱為推理過程，按照搜索方向可分為正向推理、逆向推理和雙向推理。正向推理又稱為事實（或數據）驅動推理，逆向推理又稱為目標驅動推理。其中正向推理的策略是：先提供一批事實（或數據）到總數據庫中，系統將這些事實（或數據）與規則的條件進行匹配，如果匹配成功則觸發規則，并把結果作為新的事實（或數據）添加到總數據庫中。繼續上述過程，直到沒有可匹配的新規則為止。當有多條規則的條件和總數據庫的事實（或數據）相匹配時，控制策略決定優先使用哪一條規則，這稱為沖突解決。

2 根據產生式系統原理開發聯鎖軟件

按照產生式系統的原理，聯鎖軟件的開發分為3個部分：定義規則庫、設計總數據庫和設計控制策略。

2.1 定義規則庫

聯鎖軟件中的元素包括進路、信號機、軌道區段和道岔等。每種元素定義了不同用途的屬性，如進路有方向屬性，鎖閉屬性等。在定義規則庫時將規則中的條件定義為“對一組元素屬性值的預期”，將規則中的動作定義為“改變一組元素屬性值的行為集合”。有些元素屬性值可以立即改變，有些元素屬性值需要等待一定時間后才能改變，故將行為分為“馬上改變”和“稍后改變”兩種。

規則中的動作分為主要動作和輔助動作：主要動作指完成某個具體功能，該動作執行成功意味著功能完成，也就是一個功能最多只能由一個主要動作來實現；輔助動作是主要動作中部分行為的補充。先定義主要動作，然后根據主要動作中的行為確定是否需要定義輔助動作。定義輔助動作遵循下面的原則：

（1）主要動作中的行為如果存在先后關系，則需要將這些行為提取出來作為輔助動作，直到行為之間沒有先后關系。如排列進路時必須先征用進路中元素，然后才能調整進路中位置不正確的道岔，因此把“設置元素的狀態屬性為征用”的行為定義為輔助動作。

（2）主要動作中如果存在“稍后改變”的行為，也定義為輔助動作。如排列進路時需要將進路中位置不符合的道岔轉換到正確位置，道岔的轉換需要一定時間，因此將“將道岔的位置屬性設為正確位置”的行為定義為輔助動作。

2.2 設計總數據庫

聯鎖軟件的總數據庫要包含所有元素的屬性信息。有些元素的屬性是靜態的，稱為“靜態數據”，如進路編號、進路方向；有些是動態的，稱為“動態數據”，如進路的狀態?！办o態數據”因為沒法修改，只能出現在規則的條件中。為了便于查找，可以按關鍵字建索引，例如進路元素可按進路ID號建立索引，這樣就可以通過進路ID號查找某條進路元素的相關信息。“動態數據”存在修改和查找的操作，為了提高查找效率，可以借用前面的索引。

聯鎖系統是故障安全系統，在定義“動態數據”的賦值范圍時除了正常值外，還要有故障值，可防止設備出現故障時不產生危及安全的錯誤邏輯。

聯鎖總數據庫采用“結構體+數組”的組織方式，“結構體”中存放每個元素的屬性信息，相同類別的元素用“數組”存放。總數據庫的信息都存放在內存中，因為不管是“靜態數據”還是“動態數據”，在程序運行期間都會被使用。

2.3 設計控制策略

需要設計相應的控制策略（即推理過程）來觸發和執行聯鎖規則庫中的規則。聯鎖軟件通過推理來不斷更新元素的屬性信息?；谶@個特點，在設計控制策略時通常采用正向推理。

外部設備對聯鎖系統的影響主要是控制命令的輸入和設備狀態的采集，例如ATS下發控制命令，聯鎖系統采集道岔、信號機設備的狀態等。這兩種外部接口均能觸發規則的執行，因此控制策略的程序分兩部分：功能執行監控和設備采集觸發規則。

（1）功能執行監控的流程為：某個新功能被要求執行時，將該功能放入執行列表，并開始對該功能的執行時間進行監控。聯鎖功能如果沒有在規定時間內完成，則其對應的動作中有些需要進行回退操作。這取決于該動作是否會對其他功能產生影響，例如對進路元素已經征用但進路因某種原因無法排列成功，可能會導致其他進路無法建立，此時則需要進行回退操作，取消進路元素的征用屬性。如圖1所示。

圖1 功能執行監控流程圖

（2）設備采集觸發規則的流程為：周期性采集設備狀態后，遍歷規則庫，將所有可以觸發的規則放入沖突集合中。根據沖突解決策略從沖突集合中取出一條規則執行，該規則執行后，重新遍歷一遍規則庫，將所有可以觸發的規則繼續放入沖突集合。如此往復，直至沒有可以觸發的規則。

圖2 設備采集觸發規則流程圖

其中沖突解決策略是根據規則中動作所屬的類別進行設計，優先執行主要動作其次執行輔助動作。當動作的類別相同時，根據放入沖突集合的先后順序執行。

3 聯鎖系統舉例

因總數據庫涉及到的信息較多，限于篇幅這里不描述。下面以排列進路為例，詳細介紹規則庫的定義和控制策略執行流程。

3.1 定義規則庫

首先，定義排列進路的主要動作，列出所有行為，如表1所示。

表1中將“稍后改變”的行為標注為，有先后關系的行為標注為。根據2.1節規則需要將部分行為定義成輔助動作，如表2所示。

表1 主要動作

表2 主要動作和輔助動作

在表2中標注（I）的為主要動作，標注①-④的為輔助動作。

3.2 控制策略說明

聯鎖軟件啟動，初始化聯鎖總數據庫中所有元素的屬性信息。

假設聯鎖系統收到排列進路號為R的排路命令，此時該進路的狀態屬性為空閑，進路中元素的狀態屬性為空閑，其中有一組道岔的位置不正確，側防元素的狀態為空閑，同樣有一組道岔位置不正確。

處理流程如下：

（1）收到排路命令，對排列進路R執行監控。

（2）設備狀態屬性的采集在不斷進行，每次采集后，檢查一遍規則庫。此時，發現“①進路征用”規則可以執行。將其放入沖突集合，因為此時沖突集合中只有一個規則，便將其取出執行。

（3）繼續檢查規則庫，發現“②進路道岔位置調整”、“③側防道岔位置調整”2個規則可以執行，便將它們放入沖突集合。從沖突集合中取出一個規則，根據放入的先后順序取出執行。一般控制策略設計成優先取出“②進路道岔位置調整”規則。

（4）該規則執行后，繼續檢查規則庫，沒找到可以執行的規則。從沖突集合中取出“③側防道岔位置調整”規則執行。

（5）經過一定時間后，進路中的道岔和側防中的道岔轉換到位。這時，設備狀態采集之后，檢查規則庫，發現“④進路鎖閉”規則可以繼續執行。

（6）接著執行“⑤開放信號機”規則。

（7）經過一定時間信號機被點亮，遍歷規則庫“（I）排列進路”規則被執行，此時結束對排列進路R的監控，返回執行結果。

產生式系統具有自然直觀，便于推理，格式清晰，設計和檢測方便等優點。采用該技術開發計算機聯鎖軟件，可以在開發前期將邏輯關系制定出來，便于早期評審確定，有利于問題早發現早解決；一旦邏輯關系確定，設計和開發聯鎖總數據庫和控制策略也會相對容易，從而提高了開發效率，縮短了開發周期。