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【摘 要】 铁路信号设备在保证列车运行，提高运输效率，保证铁路运行秩序等方面起到重要作用，同时也成为保障铁路运输安全的关键所在。当前，对铁路信号设备故障的分析处理大多依赖于设备维护人员的经验，由于铁路大发展所造成的专业人员数量相对缺乏，有必要建造一个专家系统，作为铁路信号设备故障诊断的有效辅助工具。通过研究专家系统的一般原理，设计出一种适合铁路信号设备故障诊断的专家系统。本文对铁路信号设备故障进行了分析，并对专家系统的应用前景进行了展望。
【关键词】 铁路信号；故障；专家系统
随着我国铁路运输的发展，电务部门的技术装备水平和设备数量有了大幅度的提高。因此，如何确保铁路车站信号设备无故障地运用，如何改进故障诊断技术，缩短故障诊断时间便成为工作的重点。目前，我国信号设备的故障诊断和维修均依靠维修人员的技能和经验。然而，由于控制设备本身，尤其是控制电路的复杂性，以及受设备使用和环境等因素的影响，实际造成设备故障的原因具有多样性和模糊性。因此，有必要通过开发铁路信号设障诊断专家系统，为铁路信号技术人员根据故障状态及时分析排查故障原因，迅速处理设备故障，提供辅助决策。
一、关于信号故障诊断专家系统的特点
专家系统能够对微机监测的数据资源进行整合分析，替代人工分析，总结规律，在发生故障后能够给出处理建议，发挥指导作用，将其应用于信号设备故障诊断领域，可以极大地提高信号故障诊断的技术水平，也有助于推进铁路信号设备维修体制改革的深人开展。它主要具有以下几个特点。一是权威性，由于是众多专家专业知识和生产经验的集合，具备集团优势，而且可以连续工作，其决策具有权威性和可信度。二是实时性，专家系统可以替代人工数据分析，确保各种微机监测数据得到实时、有效的处理。三是透明性，专家系统能够解释自身的推理过程，回答使用者提出的问题，以便让设备维护人员了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。四是快速反应，凭借所应用的软件和硬件，专家系统能够比人反应更快、更有效，可以在较短时间内实现设备维护人员对系统和设备性能的检测、故障定位、提供检测维护信息等，有助于提高信号设备检修质量，压缩故障件数和延时。五是灵活性，专家系统能够不断增长知识，修改和完善原有的知识，不断更新、优化，具有广泛的应崩领域。六是教育能力，专家系统可以让设备维护人员运行实例程序，并解释其推理过程，实现系统教育功能。
二、关于信号设备故障多样性和复杂性
信号设备是铁路运输生产的重要组成部分，对确保铁路运输安全起着至关重要的作用。由于信号设备种类多、数量大、分布范围广、运用环境复杂，故障类别、原因和表现多种多样，一旦发生故障，往往给正常的运输秩序带来很大影响。
1.按照故障发生的时间历程，分为突发性故障和渐进性故障。突发性故障是指发生故障前，不能提前测试与预测，表现出明显的随机性；渐进性故障是由系统性能、参数的逐步劣化而产生的，是信号故障诊断专家系统分析的基本内容。
2.按照故障的显现程度，分为潜在故障和功能故障。潜在故障是系统参数变化并未超过允许范围，但其参数已有明显的变化，发生了偏移或波动，或超过允许范围但还未导致系统功能失效；功能故障则是系统参数的变化已经超过了规定范围，并导致系统功能失效。
3.按照故障原因，分为内在故障和环境故障。内在故障是系統设计不当或内部器件变化引起的故障；环境故障是系统外部环境变化导致的故障，如其他行车部门的设备和作业对信号设备产生干扰而导致的故障，雨雪风沙等恶劣天气导致的故障等。
4.按照故障将会导致结果的性质，分为险性故障和一般故障。在专家系统中，能够导致严重后果的故障称作险性故障，其他故障称作一般故障。要强调的是：不是每一类故障都会导致严重的后果，即使是能够导致严重后果的故障类，也不是每一个故障都会导致严重的后果；同样，不能够直接导致严重后果的故障，也不表示不会与其他因素一起构成严重后果，如调车信号机蓝灯熄灭导致机车误闯信号，轨道电路分路不良导致道岔提前解锁等。
5.按照故障存在的时间历程，分为间歇性故障和永久性故障。信号设备在运用过程中，发生故障后功能能够自然恢复、时有时无的故障叫做间歇性故障；故障现象持续、稳定存在的设备故障叫永久性故障。
6.信号故障具有多样性、复杂性和不确定性。目前的信号维护与故障处理工作，主要依靠微机监测系统组建联网进行实时监测，但微机监测系统侧重于结果管理，在过程管理方面存在明显不足，不能通过对监测数据的采集得出规律性的结论，而且尽管微机监测设备已经在现场广泛应用，但很多依然依靠人工来检查数据的变化，在数据量很大的情况下，人工对数据关联性分析以及对历史数据比较分析无法胜任。在这种情况下，有必要引入信号故障诊断专家系统。
三、关于信号故障诊断专家系统的要求
1.实时反应，系统的实时性是指系统在固定时问内及时做出响应的能力，这个同定时间预先并不知道。例如，在信号设备运用过程中的故障诊断大致有3种情况：第1种是当系统出现异常情况时，设备仍然能够保持原来的状态正常运行，在这种情况下，需要专家系统及时作出判断，是否提示设备维护人员进行处理；第2种是当系统出现异常情况时，系统转为在次优条件下运行（如单系工作或启用备用冗余设备），这必然会降低系统的可靠性，在一定时间内不及时处理可能会导致设备继续降级使用甚至停用，在这种情况下，需要专家系统在严重问题发生前，用最短的时间查明原因，使设备维护人员有足够的时问进行处理；第3种是故障发生后，专家系统能够立即制定出故障查找思路，甚至确定具体的故障位置和故障点，帮助设备维护人员快速处理故障、压缩延时。因此，信号故障诊断专家系统必须具有快速的推理能力和实时判断能力。
2.信息合理采集与快速处理，在信号故障诊断专家系统中，信息基本都是连续的和时变的，而且信息量很大。由于故障诊断专家系统的诊断结果依赖于故障征兆，而准确提取故障征兆的前提是监测系统无遗漏地捕捉到异常信号，并进行合理的系统处理，所以在动态情况下，需要随时监视对象的运用状态，按照一定的频率进行信息采集，或一旦有需要的信息出现就自动采集，即使在推理的过程中也是如此，始终不能间断。系统采集的设备信息大多是原始数据，而在推理过程中需要一些特征信息，因此需要对一些原始数据进行加工处理，这就需要在系统设计上能够适应这一变化，与相关的动态检测、数据采集、信号分析等系统有机结合，当信息量大而且需要处理的信息量多时，要充分利用有用信息，减少重复，通过提高处理器的速度或者多个处理器并行推理，提高系统的执行速度。
3.具备较完善的知识库，专家系统的知识库（数据库）是关键内容，有些问题是必须加以高度重视和避免的，如知识的不完整性、术语的不规范性、某些知识的不正确性等，这些都会影响知识库的质量和专家系统的应用效果。这就需要系统设计人员对信号专业知识和实践经验有比较详尽地了解，建立较完善的知识库，而且知识库的修改和维护性要强，不但具备检查库内知识是否正确、是否存在矛盾、是否存在冗余等问题的功能，而且要提供用户参与开发、管理数据库的手段，使工程师、领域专家和设备维护人员都能很方便地对知识库进行修改、扩充和完善。同时，必须形成一套有效的维护体制和服务体制，及时听取维护使用者的反馈意见，不断对系统进行优化，包括对数据进行修改、替换、更新、合并和删除，增减知识库的规则和条件，对推理策略和逻辑判断进行改进。
信号设备在铁路运输网中技术先进、结构复杂、关键部件多，保障信号设备的正常运用和及时维修尤为重要。信号故障诊断专家系统的应用，能够使设备维护人员快速反应和准确定位，减少维修频率和时间，降低维修成本，促进信号设备维修向状态修迈进，在信号维修保障领域具有广泛的研究和应用前景。
参考文献：
[1] 蒋呜雷.专家系统在汽车故障诊断中的应用fJ].中国新技术产品，2010（11）。
[2] 崔丽娜.铁路信号设备故障诊断专家系统知识获取与知识表示的研究[R].北京交通大学，2007，（05）。
[3]舒刚.人工智能方法在车站信号故障诊断中的应用与研究[D].北京：北京交通大学，2008。
[4]刘建，张喜，冯丽萍.铁路车站信号设备故障诊断专家系统原型开发[J].工业控制计算，2005，（04）。
[5]袁成华.信号设备故障分析与处理[M].北京：中国铁道出版社，2003。
【关键词】 铁路信号；故障；专家系统
随着我国铁路运输的发展，电务部门的技术装备水平和设备数量有了大幅度的提高。因此，如何确保铁路车站信号设备无故障地运用，如何改进故障诊断技术，缩短故障诊断时间便成为工作的重点。目前，我国信号设备的故障诊断和维修均依靠维修人员的技能和经验。然而，由于控制设备本身，尤其是控制电路的复杂性，以及受设备使用和环境等因素的影响，实际造成设备故障的原因具有多样性和模糊性。因此，有必要通过开发铁路信号设障诊断专家系统，为铁路信号技术人员根据故障状态及时分析排查故障原因，迅速处理设备故障，提供辅助决策。
一、关于信号故障诊断专家系统的特点
专家系统能够对微机监测的数据资源进行整合分析，替代人工分析，总结规律，在发生故障后能够给出处理建议，发挥指导作用，将其应用于信号设备故障诊断领域，可以极大地提高信号故障诊断的技术水平，也有助于推进铁路信号设备维修体制改革的深人开展。它主要具有以下几个特点。一是权威性，由于是众多专家专业知识和生产经验的集合，具备集团优势，而且可以连续工作，其决策具有权威性和可信度。二是实时性，专家系统可以替代人工数据分析，确保各种微机监测数据得到实时、有效的处理。三是透明性，专家系统能够解释自身的推理过程，回答使用者提出的问题，以便让设备维护人员了解推理过程，提高对专家系统的信赖感。四是快速反应，凭借所应用的软件和硬件，专家系统能够比人反应更快、更有效，可以在较短时间内实现设备维护人员对系统和设备性能的检测、故障定位、提供检测维护信息等，有助于提高信号设备检修质量，压缩故障件数和延时。五是灵活性，专家系统能够不断增长知识，修改和完善原有的知识，不断更新、优化，具有广泛的应崩领域。六是教育能力，专家系统可以让设备维护人员运行实例程序，并解释其推理过程，实现系统教育功能。
二、关于信号设备故障多样性和复杂性
信号设备是铁路运输生产的重要组成部分，对确保铁路运输安全起着至关重要的作用。由于信号设备种类多、数量大、分布范围广、运用环境复杂，故障类别、原因和表现多种多样，一旦发生故障，往往给正常的运输秩序带来很大影响。
1.按照故障发生的时间历程，分为突发性故障和渐进性故障。突发性故障是指发生故障前，不能提前测试与预测，表现出明显的随机性；渐进性故障是由系统性能、参数的逐步劣化而产生的，是信号故障诊断专家系统分析的基本内容。
2.按照故障的显现程度，分为潜在故障和功能故障。潜在故障是系统参数变化并未超过允许范围，但其参数已有明显的变化，发生了偏移或波动，或超过允许范围但还未导致系统功能失效；功能故障则是系统参数的变化已经超过了规定范围，并导致系统功能失效。
3.按照故障原因，分为内在故障和环境故障。内在故障是系統设计不当或内部器件变化引起的故障；环境故障是系统外部环境变化导致的故障，如其他行车部门的设备和作业对信号设备产生干扰而导致的故障，雨雪风沙等恶劣天气导致的故障等。
4.按照故障将会导致结果的性质，分为险性故障和一般故障。在专家系统中，能够导致严重后果的故障称作险性故障，其他故障称作一般故障。要强调的是：不是每一类故障都会导致严重的后果，即使是能够导致严重后果的故障类，也不是每一个故障都会导致严重的后果；同样，不能够直接导致严重后果的故障，也不表示不会与其他因素一起构成严重后果，如调车信号机蓝灯熄灭导致机车误闯信号，轨道电路分路不良导致道岔提前解锁等。
5.按照故障存在的时间历程，分为间歇性故障和永久性故障。信号设备在运用过程中，发生故障后功能能够自然恢复、时有时无的故障叫做间歇性故障；故障现象持续、稳定存在的设备故障叫永久性故障。
6.信号故障具有多样性、复杂性和不确定性。目前的信号维护与故障处理工作，主要依靠微机监测系统组建联网进行实时监测，但微机监测系统侧重于结果管理，在过程管理方面存在明显不足，不能通过对监测数据的采集得出规律性的结论，而且尽管微机监测设备已经在现场广泛应用，但很多依然依靠人工来检查数据的变化，在数据量很大的情况下，人工对数据关联性分析以及对历史数据比较分析无法胜任。在这种情况下，有必要引入信号故障诊断专家系统。
三、关于信号故障诊断专家系统的要求
1.实时反应，系统的实时性是指系统在固定时问内及时做出响应的能力，这个同定时间预先并不知道。例如，在信号设备运用过程中的故障诊断大致有3种情况：第1种是当系统出现异常情况时，设备仍然能够保持原来的状态正常运行，在这种情况下，需要专家系统及时作出判断，是否提示设备维护人员进行处理；第2种是当系统出现异常情况时，系统转为在次优条件下运行（如单系工作或启用备用冗余设备），这必然会降低系统的可靠性，在一定时间内不及时处理可能会导致设备继续降级使用甚至停用，在这种情况下，需要专家系统在严重问题发生前，用最短的时间查明原因，使设备维护人员有足够的时问进行处理；第3种是故障发生后，专家系统能够立即制定出故障查找思路，甚至确定具体的故障位置和故障点，帮助设备维护人员快速处理故障、压缩延时。因此，信号故障诊断专家系统必须具有快速的推理能力和实时判断能力。
2.信息合理采集与快速处理，在信号故障诊断专家系统中，信息基本都是连续的和时变的，而且信息量很大。由于故障诊断专家系统的诊断结果依赖于故障征兆，而准确提取故障征兆的前提是监测系统无遗漏地捕捉到异常信号，并进行合理的系统处理，所以在动态情况下，需要随时监视对象的运用状态，按照一定的频率进行信息采集，或一旦有需要的信息出现就自动采集，即使在推理的过程中也是如此，始终不能间断。系统采集的设备信息大多是原始数据，而在推理过程中需要一些特征信息，因此需要对一些原始数据进行加工处理，这就需要在系统设计上能够适应这一变化，与相关的动态检测、数据采集、信号分析等系统有机结合，当信息量大而且需要处理的信息量多时，要充分利用有用信息，减少重复，通过提高处理器的速度或者多个处理器并行推理，提高系统的执行速度。
3.具备较完善的知识库，专家系统的知识库（数据库）是关键内容，有些问题是必须加以高度重视和避免的，如知识的不完整性、术语的不规范性、某些知识的不正确性等，这些都会影响知识库的质量和专家系统的应用效果。这就需要系统设计人员对信号专业知识和实践经验有比较详尽地了解，建立较完善的知识库，而且知识库的修改和维护性要强，不但具备检查库内知识是否正确、是否存在矛盾、是否存在冗余等问题的功能，而且要提供用户参与开发、管理数据库的手段，使工程师、领域专家和设备维护人员都能很方便地对知识库进行修改、扩充和完善。同时，必须形成一套有效的维护体制和服务体制，及时听取维护使用者的反馈意见，不断对系统进行优化，包括对数据进行修改、替换、更新、合并和删除，增减知识库的规则和条件，对推理策略和逻辑判断进行改进。
信号设备在铁路运输网中技术先进、结构复杂、关键部件多，保障信号设备的正常运用和及时维修尤为重要。信号故障诊断专家系统的应用，能够使设备维护人员快速反应和准确定位，减少维修频率和时间，降低维修成本，促进信号设备维修向状态修迈进，在信号维修保障领域具有广泛的研究和应用前景。
参考文献：
[1] 蒋呜雷.专家系统在汽车故障诊断中的应用fJ].中国新技术产品，2010（11）。
[2] 崔丽娜.铁路信号设备故障诊断专家系统知识获取与知识表示的研究[R].北京交通大学，2007，（05）。
[3]舒刚.人工智能方法在车站信号故障诊断中的应用与研究[D].北京：北京交通大学，2008。
[4]刘建，张喜，冯丽萍.铁路车站信号设备故障诊断专家系统原型开发[J].工业控制计算，2005，（04）。
[5]袁成华.信号设备故障分析与处理[M].北京：中国铁道出版社，2003。