铁路动车组故障诊断知识库管理系统的设计
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摘要：针对我国动车组维修的特点，为动车组维修人员能够及时、快速地对动车组发生的故障进行分析和处理，运用人工智能的思想，结合数据库技术，设计了一套知识表示和知识库管理系统，对动车组故障信息及其原因信息、处理措施信息进行维护，处理了知识的正确性、完备性、冗余性、一致性检验，并在一定程度上实现了知识处理的自动化，对我国高速铁路动车组维修工作起到辅助支持作用，有很强的实际意义。
中图分类号：TP182文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)16-21243-03
Fault Diagnosis Knowledge Base Management System Designed for EMUs
LI Ting, LIU Feng, ZHANG Chun
(School of Computer, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: Aimed at the feature of EMUs maintenance in China, the EMUs Fault Diagnosis Knowledge Base Management System (FDKBMS) Design bases on database technology and artificial intelligence, it can realize knowledge management and check validity, completeness, redundancy, consistency of knowledge. Besides, it can also achieve knowledge's automatization, it plays a supporting role and has very strong practical significance for Chinese railway's maintenance.
Key words: Fault Diagnosis; Knowledge Base; Knowledge Base Management System
1 引言
动车组作为一种全新的铁路客运运载设施，它具有快速、安全、高标准的服务功能，在运营的同时难免会发生故障，检修段所会根据动车发生的故障进行原因分析，并采取相应的解决措施。铁路动车组故障诊断知识库管理系统(Fault Diagnosis Knowledge Base Management System,以下简称FDKBMS)，作为动车组故障专家系统的重要组成部分，为动车组维修人员能够及时、快速地对动车组发生的故障进行分析和处理提供了辅助支持。该系统的研究对我国高速铁路动车组快速维修具有重要的实际意义。
2 知识表示与故障知识库的建立
为了使计算机系统具有智能，使它能模拟人类的智能行为，就必须使它具有知识，知识是智能的基础。但知识需要用适当的模式表示出来才能存储到计算机中去。因此，知识的表示成为人工智能中一个十分重要的研究课题。
常用的知识表示方法主要有一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法。结合铁路动车组检修业务，本文采用产生式表示法进行故障知识的表示。
产生式表示法通常用于表示事实、规则以及它们之间的不确定性度量，适合于表示事实性知识和规则性知识。基于此，我们将知识库中的知识按其结构划分为事实性知识和规则性知识，它们分别组成了事实库和规则库。
事实库：以事实表表示，由基本事实所组成。故障知识库关心的主要是对于已发生的故障，对应的故障原因以及处理措施，因此，事实库中的基本事实应分为三类，即故障信息（Failure，以下简称F）、原因信息（Cause，以下简称C）、处理措施信息（Resolution，以下简称R）。事实表的索引定义为事实的编号，其余字段是有关事实的说明信息，以及事实的分类信息，因此事实表可以看成是一个数据字典。
规则库：是知识库的主要部分，用规则表来表示，用来建立故障信息(F)、原因信息(C)、处理措施信息(R)三类事实之间的关系。规则的表达套用if…then…形式，当一条规则的前提是F时，其结论为C，当前提是C时，结论为R。通过设置这三种事实代码来建立F-C-R（故障-原因-处理措施）关系，可以一对多形成树形结构。
我们定义事实表和规则表的存储形式如表1、表2所示。
其中，规则的条件和结论在添加到知识库之前可以是or、and的组合，但添加到知识库后要经过转化，条件和结论都转化为只含and的形式。如：规则if a or b then c and d；转化后变成两条规则储存在规则库中：
Rule1：if a then c and d；
Rule2：if b then c and d。
3 FDKBMS功能介绍
FDKBMS的主要功能是实现对动车组故障诊断知识的维护，包括浏览、添加、修改、删除等操作。在一定的知识积累后会有自动扩充知识库的功能，操作人员可以通过参考以往故障的解决办法，方便地为新发生的故障提供合理的解决方案。其功能设计如下：
3.1 知识的查询
对故障知识的查询操作包括查询故障信息、原因代码、处理措施以及浏览规则。用户可以根据知识的编号进行单条知识的查询。也可根据事实编号，依据规则，查询对应的原因信息或处理措施，为维修人员进行维修提供参考依据。
3.2 知识的添加、修改、删除
知识的添加、修改、删除包括对规则和事实的分别处理。以添加一条故障信息F及其规则操作为例，其流程如图1所示。
图1 知识添加流程图
情况一：当F为新知识时，需要为其添加新原因知识C，以及处理措施知识R，并对它们进行知识检验，符合要求的知识方可入事实库。然后添加对应的规则，同样也要进行知识检验，通过后将新规则入库。流程结束。
情况二：当F在知识库中已存在时，根据已有规则，查出对应的原因知识C（可能为多条）。
若C中有符合的原因，根据规则查询该原因对应的处理措施R（可能为多条），若R中有最适合的方案，流程结束；否则，需要添加新的R，进行知识检验，通过后进入事实库。
若C中无符合的原因，则需要添加新的C与R，进行知识检验，通过后进入事实库。
然后添加对应的规则，同样也要进行知识检验，通过后将新规则入库。流程结束。
3.3 知识的检验管理
知识的检验是FDKBMS中，对知识进行维护的一个重要的环节，也是系统中比较重要的一部分。对知识的任何操作都需要进行检验，即冗余性、完备性、一致性、正确性检验。
(1)知识的冗余性检验
冗余检验主要是检查知识库中是否存在相同的记录。事实库和规则库在添加或修改一条事实或规则时都会进行检验，若表中存在相同的记录，系统应提示“该事实（规则）已存在！”，让用户重新编辑。
(2)知识的完备性检验
删除知识时尤其要进行完备性检验，目的是防止用户不小心删除了有用的信息。例如当删除事实库中一条原因分析的记录时，由于有故障信息或处理措施信息与其关联，这样当该记录删除时，相应的规则就会作为错误的记录存在。为此，当删除原因分析记录时系统应该提示在删除该记录同时，将规则表中与之有关的所有规则删除。
(3)知识的一致性检验
在FDKBMS中，一条故障知识，产生的原因具有多样性，同样，一条原因知识，对应的处理措施也是多样的，这样维修人员检测到故障后，输入故障信息，即可查出对应的相关可能原因及处理措施，这样为故障的维修提供了强有力的实践参考，也是建立本系统的首要原因。故在知识的一致性检验方面，本系统的要求适当放松，对于矛盾的规则，主要依靠人工判断是否该修改、删除。
(4)知识的正确性检验
正确性检验以对规则的正确性检验为核心。对于一条规则，前提的事实一定是故障信息或者是原因信息，结论的事实一定是原因信息或是处理措施信息。在对规则进行添加、删除、修改时，以下四种情况系统均要提示错误信息：
前提知识为R；
前提知识为F，结论知识为R；
前提知识为C，结论知识为F；
结论知识为F。
4 结束语
本文的动车组故障诊断知识库管理系统（FDKBMS）是以JDeveloper作为开发工具， 采用ORACLE 10g作为后台数据库开发的，界面友好，功能完备，较好的表达了动车组故障诊断的知识模式并处理了知识的正确性、完备性、冗余性、一致性检验，通过设置大量的选择添加功能，一定程度上实现了知识处理的自动化。
参考文献：
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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。