信号继电器故障诊断专家系统的设计与实现

张婉

摘要：文章介绍了故障树分析法和基于规则的专家系统的基本原理。为了提高工作效率和故障识别可靠度，提出将故障树分析法和基于规则的专家诊断系统相融合。以故障树的形式系统地、全面地呈现专家知识，由故障树生成诊断专家知识库，设计了具有友好人机交互界面的信号继电器智能故障诊断专家系统。并且以JWXC型无极型继电器故障诊断为例，印证了该故障诊断专家系统的良好应用前景和通用性。

关键词：故障诊断;故障树;专家系统;信号继电器

中图分类号：TP182 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0127-04

0 引言

随着人工智能技术的快速发展，智能故障诊断已广泛应用于诸多领域。目前，智能故障诊断主要包括基于人工神经网络的故障诊断、基于数据挖掘的故障诊断、机器学习、专家诊断等。其中，专家诊断是具有人类专家水平的故障诊断的计算机程序，是应用最广泛的智能故障诊断方法，已经应用于军工[1]、航天[2]、汽车[3]、医疗等领域。专家诊断拥有大量该领域的专业知识，能够实现对用户的自动问诊。同时，还能够模仿人类专家用知识进行估值诊断推理，逐步缩小故障范围，找到引发故障的原因并给出解决方案[4]。

高速铁路的出现让很多从前的“长途跋涉”变成一日可往返的“通途”。据统计，中国目前拥有全球最大规模的高速铁路网。我国高速铁路网始建于2004年，到2019年营业总里程已达3.5万公里，预计到2025年将达3.8万公里[5]。如此大规模的高速铁路交通网络，对通信系统和信号设备特别是基础的信号元件的性能提出了更高要求。继电器是一种可以控制断开、闭合信号电路的多路开关，广泛应用于铁路信号系统的远程控制中，是非常重要的安全基础元件[6]。它在工作中的稳定性和安全性关系到铁路通信、轨道控制、信号灯指示等诸多方面。为了确保其可靠性、一致性和准确性，加强检修工作十分必要。当铁路信号继电器出现故障时，检修人员需要根据自身的经验进行判断，但是这种故障诊断的方式易受检修人员的主观因素的影响，存在对故障误判的可能性。为了更好保证铁路信号系统的稳定性，使得信号继电器检修过程更智能化，减少检修人员主观因素的影响，本文设计了信号继电器故障诊断专家系统，以专家系统的故障诊断来代替人工经验判断，提高故障诊断的准确性与稳定性。

1 系统设计

铁路信号继电器的种类较多，其中，直流24V继电器系列的重弹力式直流继电器是信号设备中的主流继电器。胡耀华[6]研究指出，安全型继电器的典型结构为无极继电器，其他各型继电器均由无极继电器衍生而来，且大部分零件可以通用。由于安全型无极继电器具有经典性和代表性，因此，本文选取JWXC型无极继电器为研究对象，结合基于规则的专家系统和故障树分析，设计了信号继电器智能故障诊断专家系统。

基于故障树的信号继电器故障诊断专家系统由人机交互界面、知识处理模块、诊断知识库和诊断推理模块组成，如图1所示。其中，診断知识库和诊断推理模块是影响故障诊断专家系统性能的重要部分。

1.1 人机交互界面

人机交互界面的作用是将用户的输入信息转化为故障诊断系统能识别的形式，并传输至相应的程序。同时，也能将故障诊断系统的输出信息转化为自然语言显示给用户。基于故障树的信号继电器故障诊断专家系统的人机交互界面采用选择方式的人机接口，即系统把故障现象用选择对话框的形式进行罗列供用户选择，在用户做出选择后，执行相应的操作并显示出下一级选择对话框。

1.2 知识处理模块

知识获取是收集和整合信号继电器领域专家关于故障诊断的经验积累和相关技术资料，再借助编辑软件输入系统知识库中。知识校验对重复或者冲突的条件进行校验，进而保证了知识库中知识的完备性和一致性。知识查询是查询知识库的辅助性功能。

1.3 诊断知识库

继电器的故障中包含着一些矛盾因素，如工作值与释放值、释放值与缓放时间、电气特性与机械特性等。如果调整不当会导致一种特性已达到标准而另一种特性却超出规定的要求。通过对大量JWXC型无极型继电器电气特性故障的汇总和分析发现，其电气特性故障可以分为：工作值大但释放值标准、工作值大且释放值大、释放值小、缓放时间不够、接点电阻大。故障树由最高层的顶事件、多层的中间事件和最后一层的底事件构成，是图形化的模型、标准化的结构。通过故障树生成故障知识库，可以比较直观地反映故障现象及其原因间的逻辑关系，各节点间的层次感强，便于查询且能够大幅提高知识获取的效率[3]。

首先，确定故障树的顶事件为：JWXC无极型继电器电气特性故障。通过演绎分析法，从顶事件开始，每层事件依照输入（现象）和输出（结果）的逻辑关系，用逻辑门连接起来。再逐级往下寻找原因，直至最基本的故障点。因为JWXC型无极继电器的故障的逻辑关系是低一层的事件中只要有一个发生就会使上一级的事件也发生，事件之间是一种“或”的逻辑关系，因此，根据其逻辑关系编制的故障树如图2所示。

在故障树中，顶事件为E，中间事件为T，底事件为X，中间事件和底事件的内容如表1所示。

在基于规则的专家系统的诊断知识库中需要存储相关的规则。由图2可知，故障树的逻辑门为“或门”，则使用“if......，then......”的产生式规则来表示诊断知识库中的知识。用表格的集合，如表2、表3、表4构建关系数据库，使故障树和诊断知识库建立联系。

1.4 诊断推理模块

诊断推理模块是通过人机对话的形式采集信息进行推理，结合诊断知识库给出诊断建议。系统采用的推理策略如图3所示，具有如下特点为：其一，由故障现象推出故障原因和维修建议，更接近人类的思维方式，能够提高用户使用的便捷性;其二，速度快，实时性好。系统的推理模式先根据用户在人机界面的选择故障现象进行诊断，再判断该故障现象是否有子故障。如果为“否”，显示诊断解释和维修建议;如果为“是”，则根据诊断知识库中的子故障知识库进行下一项的故障现象选择，进行下一次循环，直到没有子故障，进入诊断解释模块。在解释模块中，故障原因及相应的维修建议如表5所示。

2 系统实现

操作系统：Windows10专业版，处理器：Intel（R）Core（TM）m3-6Y30，内存：4.00GB，64位操作系统。

2.1 故障诊断界面

在故障诊断界面，对话框中出现“请选择故障类型”的提示语及“工作值大，释放值标准”、“工作值大，释放值大”、“釋放值小”、“缓放时间不够”和“接点电阻大”的选项。用户根据信号继电器的故障现象选择故障类型，如选择“缓放时间不够”，在选择完成后，点击ok按钮开始诊断，如图4所示。

2.2 推理界面

在推理界面中，如图5所示，对话框标题已由“JWXC型无极继电器故障诊断系统”变为：“故障描述：缓放时间不够。”这种设计系统对诊断过程的记录，方便使用者查阅。对话框出现“请检查释放值、电磁系统”，提示用户检查这两项的状态。通过检查，用户发现释放值正常，故障属于电磁系统的问题，所以选择“释放值正常电磁系统问题”。

如图6所示，对话框标题内容更新为“故障描述：缓放时间不够，电磁系统故障”。对话框提示用户检查铁芯与轭铁间隙、止片与铁芯是否密贴，用户检查后发现JWXC无极型继电器属于铁芯不牢固，铁芯与轭铁间隙过大，所以选择第一个选项。

2.3 诊断结论界面

如图7所示，故障诊断的结果为：故障描述：缓放时间不够，铁芯不牢固;故障原因：铁芯与轭铁间隙过大;维修建议：紧固铁芯。

3 结语

为了提高信号继电器故障检修工作的效率，将故障树和基于规则的专家系统相结合，设计了信号继电器故障诊断专家系统。通过故障树生成诊断知识库，大大简化了知识库的构建过程，并引入关系数据模型使系统的逻辑关系更加清晰。以智能故障诊断专家系统代替原有的人工判断，帮助检修人员快速定位故障原因，同时提供维修建议，缩短了检修时间，提升了信号继电器检修工作的智能化水平。另外，该系统也适用于其他类型的信号继电器，只需要构建相应信号继电器的诊断知识库，便可实现对不同类型继电器的故障诊断，通用性良好，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 张敏芳，刘峰，阮博，等.基于专家系统的雷达远程故障诊断系统[J].火控雷达技术，2019，48（4）：29-32.

[2] 杨海涛，于杰克，曹俊彬.某型飞机电源故障诊断专家系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2013，30（4）：204-207.

[3] 许化东.基于故障树分析法的汽车故障诊断专家系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2002：4-13.

[4] 刘嵘，周鸣岐.故障诊断专家系统综述[J].测控技术，1994，13（2）：6-9.

[5] 陈家宏.高铁企业知识产权能力发展报告（1990-2016）[M].（第1版）北京：社会科学文献出版社，2018：1-2.

[6] 胡耀华.信号继电器及检修上册[M].（第1版）北京：中国铁道出版社，1999：1-2+8-9.