基于专家系统的轨道故障监测系统设计与实现

何伟 常赛

摘  要： 为了提高轨道交通故障监测的智能化程度，设计了基于专家系统的轨道故障监测系统。该系统分为数据采集层、传输层及数据处理层等三层。数据采集层利用超声波探伤技术对轨道状态进行检测，检测数据通过传输层发送到数据处理层。数据处理层的监测管理平台利用专家系统模块进行故障信息判断，并根据故障类型给出故障处理建议，最终将故障信息及处理建议发送给维修人员。该系统利用物联网技术远程监测轨道故障信息，可提高轨道故障维修效率，保障广大旅客的财产及生命安全。

关键词： 专家系统; 物联网; 轨道故障; 远程监测; 管理平台

中图分类号：TP315          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）01-46-03

Abstract： In order to improve the intelligence of rail transit fault detection， this paper designs a track fault monitoring system based on expert system. The system is divided into three layers： data acquisition layer， transport layer and data processing layer. The data acquisition layer uses the ultrasonic flaw detection technology to detect the track state， and the detection data is sent to the data processing layer through the transport layer. The monitoring and management platform of the data processing layer uses the expert system module to judge the fault information， and provides fault handling suggestions according to the fault type， and finally sends the fault information and processing suggestions to the maintenance personnel. The system can improve the maintenance efficiency of track fault and ensure the property and life safety of the vast passengers.

Key words： expert system; Internet of Things; track fault; remote monitoring; management platform

0 引言

在信息技術革命的推动下，以计算机、网络通信等信息通信技术为动力的信息化浪潮席卷全球。经过近10年的信息化建设，城市的经济、文化、交通、娱乐等方面都已经和信息化的数字空间紧密融合[1-2]。铁路车辆运行过程中，钢轨受到摩擦，挤压，冲击等会产生内部损伤，钢轨内部损伤会引起许多断轨事故，及时发现轨道疲劳损伤、微小裂痕等隐患是铁路安全运行的重要保障。早期轨道状态采用人工检测，十九世纪七十年代出现了用人力推行小车和机动的检测小车进行检测。随着技术的发展，轨道检测小车技术也得到了迅速的发展，但多数的检测小车的工作原理都是采集数据后将现场的环境数据经初步分析后发送给技术人员，由技术人员分析判断故障情况，或需要有技术人员干预小车的检测过程，这样智能程度不足，故障排除效率不高。针对现有技术的不足，为了提高轨道检测效率，本文利用物联网技术设计了一种基于专家系统的轨道故障监测系统，采集现场数据，利用专家系统模块，分析故障类型并给出维修建议，降低了维修人员的技术要求，提高了故障报警速度及维修效率，保障了广大旅客的人身财产安全。

1 系统设计

基于专家系统的轨道故障监测系统包括：故障检测小车及故障监测管理平台，系统结构如图1所示。故障检测小车中配有数据采集模块，数据定位模块、数据分析模块及通信模块。其中数据采集模块通过超声波探头进行轨道裂纹探伤。超声波探伤技术是一种运用超声波穿入金属材料的内部，并通过一个侧面进入另一个侧面，在界面边缘发生反射的特点来检查轨道是否存在缺陷的技术。超声波通过探头发射入轨道内部，遇到内部有缺陷与底面就分别产生多次反射波。数据分析模块通过采集的反射波来判断轨道的缺陷及分布情况[3-4]。数据通信模块将故障信息数据发送给故障监测管理平台的。专家系统模块对上传故障信息进行故障分析，并给出故障解决建议。报警模块将故障信息及预处理方法发送到维修人员手机，维修人员获取信息后可根据定位信息及时赶赴现场进行故障处理。该系统利用专家系统进行故障预处理，并给出解决方案，解决了维修实施人员技术参差不齐而无法及时排除故障的问题。维修人员在收到故障信息时即可根据故障解决方法的难易程度派出合适维修人员进行及时故障处理[5-6]。

2 轨道故障监测管理平台

2.1 平台功能

基于专家系统的轨道故障监测管理平台主要包括：数据接收模块，专家系统模块，数据管理模块，数据显示模块四个模块。平台功能结构如图2所示。数据采集模块获取采集层的数据可以分为手动和自动两种采集模式。专家系统模块对采集到的数据进行推理判断，根据故障类型得出故障解决方案。数据管理模块管理系统中的各类数据，并通过数据显示模块利用短信报警及数据报表的形式展示数据[7-8]。

2.2 专家系统

专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。

专家系统基本结构如图3所示，专家系统由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成[9]。

人机交互界面是指专家系统与用户之间的界面，由一组程序和相应的硬件组成，用于完成专家系统的输入输出工作。通过专家系统的人机交互接口，领域专家输入知识，更新和完善知识库。系统将轨道采集数据输入，系统则通过知识库的规则对比，通过人机接口输出运行结果。

知识获取系统是专家系统中获取知识的机构，同样是由一组程序组成，基本任务是把知识输入到知识库中检测并修改知识库中的错误对知识库进行扩充和调试等。其目的是建立起性能良好的知识库。

知识库是整个诊断平台中最重要的组成部分。知识库与推理机实现专家系統的推理机制。知识库存储着从领域专家处获取的有关领域的专业知识，主要包括诊断规则、决策模型，专家经验。推理机是构成专家系统的核心部分，其任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。根据现场采集的实时数据，利用知识库中的知识，按照系统设计的推理方法和控制策略进行诊断推理，诊断出相应的结果[10]。

根据专家系统的运行机制，轨道故障监测平台通过将现场采集的数据结合行业专家经验，利用推理机制获取故障指导意见。

3 结论

基于专家系统的轨道故障监测系统的可实现对轨道故障进行检测监测，并通过专家系统模块，对采集的数据进行分析，利用专家库进行推理，给出故障处理建议，并将故障信息和处理建议发送给维修人员，减少维修人员先出处理的难度，提高故障处理效率。经过多次试验，证明该系统具有良好的稳定性，对现场故障信息利用专家系统可实现智能处理，系统具有一定的社会推广价值。

参考文献（References）：

[1] 王静远，李超，熊璋，单志广.以数据为中心的智慧城市研究综述[J].计算机研究与发展，2014.51（2）：239-259

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[3] 戴杰霖，吴世凯，刘展眉.超声波探伤技术在钢材检测上的应用[J].声学与震动，2017.5（3）：52-60

[4] 林强.钢结构焊缝无损探伤质量检测技术研究[J].江西建材，2017.8：260-261

[5] 郑可锋，姚旭国，祝利莉等.基于专家系统的农业远程诊断软件平台的设计与实现[J].浙江农业科学，2008.3：253-255

[6] 邬芝权，翟旭，靳桅.基于故障检测的城市轨道交通仿真平台控制系统设计[J].实验技术与管理，2015.32（6）.

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[8] 张小伟.基于物联网技术的农业大棚监控系统研究[D].陕西科技大学，2014.

[9] 彭华亮.基于故障树的故障诊断专家系统软件平台设计[D].南京理工大学，2017.

[10] 吴坤，蔡金燕，韩春辉.基于专家系统的交互式故障诊断软件研究[J].计算机测量与控制，2011.19（6）：1502-1503