基于知识工程的码序集中智能评测研究

李达明 石宝峰 闫友为

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

李达明，男，硕士毕业于清华大学电子工程系，助理工程师，主要从事铁路通信信号方面的工作。曾参与武广、沪宁、沪杭以及京沪高铁的CTCS-3室内功能测试以及十一五国家支撑计划。

随着我国高速铁路的快速发展，保证列车的安全行车已经成为重中之重，而轨道电路码序作为客运专线中列车行车的重要依据，其正确性就显得尤为重要。

针对轨道电路码序正确性的评测，仅仅作为列控系统功能测试的一部分，在国内还停留在设备单元测试、现有线路功能测试以及人工仿真测试阶段[1-8]，缺少线路级的完整码序测试，即便是针对码序的生成逻辑，也更多的依赖于特定线路[9]，缺少一种通用的方法。

结合目前码序评测的现状，本文提出了一种集中对客运专线码序进行动态实时评测的方法，其根据测试执行过程的操作条件和应用数据，对测试执行的状态、过程和结果进行评判，发现故障，能够更加高效地发现可能存在的安全隐患，保证列车的安全行车。码序的生成逻辑难以用简单的数学模型来表达，因此就需要通过经验知识给出正确的判断。为此需要获取这些知识，加以表示和运用，这就是知识工程的概念，其最早由美国人工智能专家E.A.费根鲍姆提出，他认为“知识工程是人工智能的原理和方法，对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识的系统的重要技术问题。”[10]其特点是基于人类对各学科专业知识的积累，能够迅速的对事物做出分析和判断。知识工程中基于规则的知识表示，将大量专业的知识进行分类解释，给出相应的结果，本文将知识工程应用于码序评测中, 将数据和逻辑抽象出来，避免两者之间相互影响，提高整个评测过程的稳定性、准确性以及效率。

1 概述

知识工程是设计和实现知识库系统的理论、方法和技术，是研究知识表示、知识获取、知识管理和利用的一门学科[11]。其中知识表示可以通过产生式系统实现。

产生式系统是根据产生式规则来表述知识的知识库系统，其基本形式为：“IF P THEN Q”，其含义：如果前提条件P满足，则可推出Q成立或执行Q操作，并且称“IF P THEN Q”这个表达式为一条规则。

采用产生式规则表示法描述码序逻辑这类知识，总结有以下3个优点。

1) 自然性好，产生式表示法用“IF-THEN”的形式表示知识，这种表示形式与人类的判断性知识基本一致，直观、自然、便于推理；

2) 除了对系统的总体结构、各部分相互作用的方式及规则的表示形式有明确规定以外，对系统的其他实现细节都没有具体规定，这使设计者们在开发实用系统时具有较大灵活性，可以根据需要采用适当的实现技术，特别是可以把对求解问题有意义的各种启发式知识引入到系统中；

3) 表示的格式固定，形式单一，规则间相互独立，整个过程只是前件匹配，后件动作。匹配提供的信息只有成功与失败，没有复杂的计算，所以系统容易建立。

由此可见，根据知识工程的概念，将码序规范抽象为规则进行描述，能够避免和数据的耦合，其适用性以及灵活性十分突出，以下将研究生成码序规则以及集中实时评测的方法。

2 码序集中评测研究

将抽象出的规则生成的码序结果和实际结果进行实时对比，就是码序集中评测的核心内容，为完成这个目标，首先必须将技术规范所规定的码序抽象为规则加以描述，然后将这些规则加以整合，构成全线完整的码序，和实际码序实时对比，给出评测结果。

2.1 码序规则抽象描述

依照《列控中心技术规范》[12]，轨道电路码序分为站内轨道电路码序与区间轨道电路码序，站内轨道电路码序根据本站进路状态、前方进路信号以及轨道电路状态等生成。区间轨道电路根据区间方向按照轨道电路升序生成，其顺序如下。

HU→HB→UU→UUS→U→U2→ U2S→LU→L→L2→L3→L4→L5

由于轨道电路码序为升序生成，因而前方区段编码会影响本区段编码的生成。基于这个特点，从线路末端依次递归对各区段编码，就可完整地生成整条线路的码序，基于上述规范可以形成基本的规则集，并在此基础上增加一些特殊站场的规则集。简单的条件如灾害状态，包括设置灾害和未设置灾害两种状态，对于设置灾害防护的区段，在采集到灾害防护信息后，将控制相应的轨道区段发送H码防护。若本区段为区间，且与前方区段不处于同一闭塞分区，前方区段空闲而且也为区间，则本区段编码为前方区段编码按码序升序排列的下一个编码。综合考虑轨道电路码序的各种可能情况，最终总结出轨道电路发码是由11个条件决定。这11个条件如下。

1) 灾害状态；

2) 本区段类别，区段类别包括区间、股道以及咽喉区段3种区段类型；

3) 前方区段类别；

4) 与前方区段是否属于同一闭塞分区；

5) 前方区段占压状态，包括占用状态和非占用状态；

6) 前方区段发码；

7) 前方区段锁闭状态；

8) 进路最高码序，包括L5、UUS以及UU等码序；

9) 是否信号降级，包括室外点灯或者临时限速导致的信号降级；

10) 进路信号状态，包括无进路、信号未开放、信号正常关闭、引导信号、信号开放以及信号非正常关闭这6种状态；

11) 进路类型，包括正常进路以及跨线进路两种。

根据这11个条件，可以将码序规则完整地抽象描述出来，这些规则的建立是通过不断积累和总结这个领域的专家知识得出的，因此建立过程比较繁琐，耗费的时间也比较长，相较于采用复杂逻辑的实现方案，使用规则的方法在扩展性上独有优势，能够根据运营场景和实施方案的不同，经过添加和修改相应的规则达到适应不同场景的需求，无需改动程序逻辑本身，因此具有很好的可扩展性和适应性。

2.2 规则筛选及集中评测

码序集中评测的关键就在于一次性生成全线码序，难点首先在于如何根据输入条件筛选出需要的规则，从而确定码序结果，其次是如何一次性生成全线码序。

对于有n个条件，K条规则的规则集，通过对n个条件状态的判断在这K条规则中找到满足条件的结果。由于所有的规则都是基于产生式系统构成，因此逻辑比较简单，所有节点分层固定，使用宽度优先搜索，对下一层进行搜索前，先搜索本层所有节点，搜索过程如图1所示。搜索算法采用堆栈结构，首先对于第一个条件输入，遍历1到K这K条规则的第一个条件，对于满足条件的规则进行入栈，若未找到满足条件的规则，则退出搜索，对于第二个条件的输入，将之前入栈的规则出栈，遍历这出栈的规则的第二个条件，对于满足条件的规则入栈，若未找到则退出搜索，依次类推，进行深度为n的遍历搜索，对所有的输入条件进行查找，在输入第n个条件时，若找到满足条件规则且唯一，则输出规则对应结果。否则则退出搜索。其时间复杂度为O(n)。对于上述搜索算法，其输入每次都需要进行n层搜索，考虑到在实际评测中两次状态输入之间，并非所有条件都发生改变，而只是一部分条件的变化，因此可以在输入条件时对当前状态和上次状态的条件进行模式匹配，从第一个不同的条件开始输入，假设第m个条件开始不同，如果前次状态保留“学习”了m-1次的规则集合，则直接从m层开始搜索。否则，重新开始“学习”，并重构这n层各层的规则集合，实现智能评测。

这样在实际的评测中，可以减少不必要条件的搜索，减小搜索的深度，从而进一步减小运算复杂度和时间复杂度。

根据技术规范，每个区段有一个默认的初始化编码，根据边界条件 (进路状态和边界状态) 以及占压条件的区段开始递归应用规则，可以生成全线的码序。

整个线路分为上下行，包括区间线路码序以及进路码序的生成。根据线路中始端方向继电器以及终端方向继电器的属性判断区间线路是正向还是反向，码序生成是依照递归的方式实现的，因为判断条件中包括前向编码、前向闭塞分区状态等因素，因此编码从线路的最后一个轨道区段开始，依次往前递归进行编码。进路码序需要考虑降级以及最高码序等带来的影响，同时需要考虑接近区段的影响。

2.3 实时评测方法研究

实时评测就是在给定输入的同时，直接将应用规则产生的码序和给定的原始码序作对比。需要保证的是规则产生的码序是实时可靠的，实时就是需要在给定时间内做出评测；可靠就是保证进行评测的输入和激励产生原始输出的输入数据是一致的。影响评测实时性的因素主要有3点：第一点是采集数据的来源不同；第二点是通信延时；第三点是评测处理耗费的时间。通过图2所示的实时评测的结构图，来说明各个因素之间的关系以及影响程度。

对于轨道电路，定义它的外部输入为RA(t1)，对外输出为YA(t4)，其中的t1表示在t1时刻产生的外部输入，下标A表示输入和输出都是针对A事件产生的，那么YA(t4)则表示针对A事件在t4时刻仿真子系统给出了输出。

经过一定通信延时在t2时刻，对于码序评测，从轨道电路和外部接口中采集到RA(t1)的数据，定义这些数据输入为RA(t2)和YB(t2)。显然RA(t1)=RA(t2)，YB(t2)则是针对A事件之前的B事件所做出的输出响应经过数据采集后输入至码序评测，YB(t2)并不一定等于YA(t4)，码序评测经过处理在t3时刻给出码序的输出YA(t3)，根据评测的定义，需要比对的就是YA(t4)和YA(t3)这两个值，判断其是否一致，但在t3时刻，能够进行比较的是YA(t3)和YB(t2)，由于YB(t2)和YA(t4)之间的关系，导致比较的结果出现偏差。对于 t2=t1+t通信延时以及 t3=t2+t码序评测这两个时刻和 t1之间的时间差异，由于 t通信延时以及 t评判处理其时间跨度小，而且比较稳定，数据的输入周期远远大于t通信延时以及t码序评测带来的延时，其影响可忽略不计。对于t4和t1的时间差异，由于影响轨道电路码序的数据其来源很多，受到各个设备之间通信关联的影响，延时较大，且无法预知，导致码序评测的输出结果要早于真实输出的结果。为解决这一问题，在根据规则生成码序时加入延时，保证码序输出和原始输出的一致性，从而达到比对YA(t4)和YA(t3)的目的。

3 结论及展望

轨道电路码序作为客运专线中列车行车的重要依据，以往针对码序的测试都是基于模块和具体线路，缺乏一个整体综合考虑的方法，本文提出的基于知识工程对码序进行集中实时评测的方法，能够提高码序测试的效率，减少人工和时间成本，并且能发现人工测试时可能忽略的问题。本文主要针对两部分内容进行研究，第一部分主要研究将知识工程的概念引入码序生成中，将码序的生成逻辑抽象为规则，第二部分主要研究规则的选取以及实时评测的方法，提出了一种集中式全线码序实时评测的方法。下一步的工作可以按照相同的方式对《列控中心技术规范》[12]中提及的其他部分，例如对有源应答器报文进行实时的评测，随着规则增多，针对运营场景的改变，相应的对规则增加修改以及删除都需要一个有效的管理方法。如何建立一个有效地针对规则的管理方法也是需要考虑的问题。

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