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【摘 要】本文论述基于故障树的城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统设计，对城市轨道交通自动售检票（AFC）系统的智能故障处理教学方面存在的问题进行研究，根据AFC系统的工作过程和检修流程，对智能故障信息采集整理的故障树进行分析，设计一套实现智能故障处理的教学系统;以AFC系统的自动售票机（TVM）为例进行实践应用，证明AFC的故障树智能故障处理教学系统是可行的。
【关键词】故障树 AFC 教学系统 自动售票机 智能故障处理
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2019）07C-0187-03
一、研究背景
随着社会经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，城市轨道交通成为解决我国的城市化进程加快、城市规模扩大造成交通拥堵问题的首选。在城市轨道交通的运营管理中，AFC系统起着非常重要的作用，是体系结构复杂、技术含量高的设备之一，是集计算机技术、网络通信、自动控制和机械自动化技术于一体的自动售检票系统。AFC系统的使用和维护涉及專业面广，包括城市轨道交通运营管理、城市轨道交通通信信号技术和城市轨道交通机电技术等专业，设备维护复杂，还要根据城市轨道交通运营业务的需求，进行系统更新改造。
系统的复杂度和多功能集成增加了设备使用和维护人员的检修和故障处理难度，对故障处理方面的技术与能力要求较高。城市轨道交通AFC系统的故障处理技能的学习和掌握以设备的认知为基础，学习周期较长，在教学过程中，当出现故障时通常采用传统的故障处理方法，时间长，难度较大，不利于学生快速准确地判断故障位置与掌握故障查找处理的技巧。所以需要借鉴、普及与传承具有丰富专业知识的技术人员故障处理的经验并不断优化，建立专家库，用于城市轨道交通AFC系统的教学过程中故障处理能力的训练。
为搭建城市轨道交通AFC理实一体化实训系统，采用互联网+教学模式，实现教师与学生“教、学、做”一体，需要深入研究故障树和智能化诊断技术，对城市轨道交通AFC系统的故障分析查找和处理过程进行智能分析，设计指导学生快速准确进行故障处理的教学系统，提供学生自主学习和个性化学习的机会，提高学习效率。
目前，城市轨道交通AFC系统教学过程中的故障分析查找处理的方法和经验信息传授有以下三个方式：
一是城市轨道交通AFC设备的说明书。教师在学生对设备认知的基础上，开发实验实训项目，指导学生根据设备说明书进行故障处理，教学效率不够高。
二是教师讲授。教学过程中，对于初学的学生来说，城市轨道交通AFC系统的故障处理方法是由教师“手把手”教学协助指导完成。由于班级人数多，供训练的设备少，这样的做法较难组织教学，不能实现“一对一”教学，不能全面监督和验证学生的学习效果，对于教学有一定的局限性，部分学生需要多次进行指导，当遇到教师传授以外的故障时，需要花相对长的时间来处理。
三是经验积累。对于学生来说城市轨道交通AFC系统故障处理经验的积累必须是从量变到质变的过程，但是在注重质量与效率提升的时代，城市轨道交通企业急需员工具有良好的基础和快速成长的能力，学生动手实践机会不足等因素影响了故障处理经验的积累效果与职业成长的速度。
为了提高城市轨道交通AFC系统的教学效率及人才快速培养，以系统的故障处理的经验为基础，总结关键知识与信息点，采用故障树理论，设计了智能故障处理的教学系统。该系统具有指导学生进行故障分析与处理的功能，并不断进行优化，可实现智能、快速和准确的故障处理。
二、城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统设计
（一）故障树及特点
故障树是一种采用直观图示的方法描绘事件发生原因及逻辑因果关系的有向逻辑树图。故障树分为顶事件、中间事件和底事件，顶事件是分析目标，即系统故障状态，中间事件是导致顶事件发生的所有可能原因，需要向下一层追踪，到最底层时为底事件，也称基本事件。故障树就是将这些事件的相互关系用相应的逻辑符号进行连接而成的树形结构图。
故障树能把系统中不同的故障之间的关系用图形化的方式清晰表示出来，知识结构简洁直观，当系统发生故障时，利用故障树从上而下，逐层查找顶事件发生的直接和间接原因，这为智能故障处理教学系统提供了很好的表述方式。
故障树模型可以进行定性、定量分析，由于城市轨道交通AFC系统智能故障处理教学系统是根据故障树分析查找故障，然后进行实际测量判断故障，最后找到故障点进行处理，不需要对系统进行可靠性评价，所以对故障树进行定性分析即可。主要任务是缩小故障范围，可以通过查找出故障最小割集的方式，也就是找出导致顶事件发生的所有可能中间事件和底事件的集合，这些事件发生或同时发生，必然会导致顶事件的发生。
城市轨道交通AFC系统按照故障树的树形结构规范化、统一化的表达，直观明了地描述各种事件，不容易出错，如此使得学生使用故障树结构进行快速推理，降低知识的冗余性，同时使得故障树的维护和升级优化更加方便简单。
（二）教学系统的故障树模型设计
城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的核心是故障树，而故障树的事件原因来源于城市轨道交通AFC系统检修和故障处理实践中的分析查找经验。因此，知识获取和整合是该教学系统设计的重点和难点。城市轨道交通AFC系统智能故障处理教学系统故障树模型设计步骤如下：
1.事件的获取，如图1所示，深入了解系统的正常状态、异常状态和故障状态以及各种参数，与现场系统使用和维护人员、技术骨干和专家对接，收集积累相关专业知识和故障案例，取得教学系统详细的顶事件、中间事件和底事件。
2.将这些事件进行全面分析、统计和整合，保证故障树建立的完整性与准确性，以一定的规则编制成故障数据库。 3.调查分析与故障有关的所有原因事件和各种因素，并进行排列，划分最小割集。
4.从系统顶上事件开始，从数据库中找出每级直接原因的事件和最小割集，直至所要分析的级别深度，利用规范的故障树逻辑符号，按城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的逻辑关系，画出故障树。
通过采集丰富的现场经验，建立故障树模型，有效地利用知识数据库，高效、准确地实现城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的教学功能。
三、城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统设计实例
城市轨道交通AFC系统一般具有五层架构，分别为清算系统、中央计算机层、车站计算机层、车站终端设备层、车票层。自动售票机是车站终端设备层的站级设备之一，安装在非付费区，提供单程票发售和储值票充值等功能。乘客能够按照设备操作提示，使用纸币或硬币完成购票或储值票充值操作。自动售票机能够向乘客发售指定购买面值和数量的单程车票或将指定金额充值到乘客的储值票中，交易结果上传到车站计算机，自动售票机能够通过中央计算机和车站计算机进行管理。自动售票机主要由运营状态显示屏、乘客操作触摸屏、硬幣投入口、纸币投入口、储值票充值模块、出票、找零口、主控制器、纸币处理模块、硬币处理模块、纸币模块、硬币模块、纸币钱箱、SJT模块、MCU单程票发售模块、点阵打印机、废票箱、电源、电池和维修面板组成。
下面以自动售票机为实际案例，进行基于故障树的城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的设计。
（一）实例故障树建立方法
对自动售票机的故障信息进行全面采集，获取故障处理知识并整理，分析自动售票机可能存在的故障，模拟现场故障处理的流程，从上至下逐层进行追踪，绘制故障树，然后划分最小割集（即缩小故障范围）。自动售票机故障树的建立具体步骤：
1.确定顶事件。以自动售票机系统故障作为顶事件，模块故障、运行故障和通讯故障作为第二层子节点。对于就是所表现的故障现象，如卡纸币、卡硬币、卡票等作为模块故障事件的第三层子节点，依次类推。
2.对顶事件，即故障现象进行分析。模拟现场故障处理的流程，从上到下逐层寻找产生故障现象可能的直接和必要原因，从而找出中间事件和底事件，划分最小割集。然后将所有直接原因进行优化组合作为输入，以故障现象作为输出，用适当的常用规范逻辑符号表示事件的相互逻辑关系。
3.接着对每一个与顶事件直接关联的输入事件进行分析，判断能否进一步分解成下一级输出事件，重复步骤2对顶事件处理的方法。
4.使用逆向演绎推理的方法。根据已知的输出事件，采用相互关联的逻辑关系，找出问题的输入事件，从而形成故障树。
（二）自动检票机系统故障信息采集
对城市轨道交通AFC系统自动售票机的功能模块故障现场、故障分析、故障处理的全过程进行追踪采集，详细记录且进行整合，制作故障信息集合表。记录表格应对故障现象、模块、事件描述准确，用语规范，对于级别较多的现场需要逐层详细记录、整合，确保集合表的完整和准确。故障现象的描述要准确到某模块、某接口、某板卡、某线缆，以便于制作故障树教学系统，给学生提供友好的操作界面，从而快速准确地使用故障树进行故障分析。教学系统故障处理过程要详细描述现场工作人员对整个故障处理的思路与方法，整合优化最快速、准确的故障分析过程。故障底事件的原因同样也要明确到某模块、某接口、某板卡、某线缆，查找到故障点后，要给出故障处理的方法以及处理过程的注意事项等，如学生查找不到故障点，则给出正确的分析查找思路，引导学生快速准确地进行故障处理，使学生达到自学处理自动售票机故障的目的。
（三）自动检票机系统故障树建立
现场调研获取大量的城市轨道交通AFC系统的故障数据和故障处理的知识，数据杂而散，经过梳理、优化和整合，提取出故障信息集合的三大故障：自动售票机卡纸、自动售票机卡硬币、自动售票机卡票，逐层进行故障现象和故障原因分析，划分故障最小割集，制作故障信息集合表，应用规范的逻辑符号绘制故障树，学生采用故障树进行逐层分析，自动售票机卡票故障树示意图如图2所示。
本文从城市轨道交通AFC系统故障处理教学实际出发，深入研究了城市轨道交通AFC系统智能故障处理系统故障树模型，以自动售票机为例，对故障信息进行全面采集，模拟现场故障处理的流程，进行处理、整合和优化，建立自动售票机故障树，并应用于教学，提高了城市轨道交通AFC系统智能故障处理的教学质量和效率。
【参考文献】
[1]陈鹏辉.城市轨道交通自动售检票系统的现状与发展趋势[J].城市轨道交通研究，2009（5）
[2]鞠萍华，蒋德轩，冉琰.故障树和人工神经网络在可靠性再分配中的应用[J].重庆大学学报，2018（4）
[3]王敏.基于故障树分析法的城市轨道交通枢纽换乘系统运行可靠度计算[J].甘肃科技，2017（24）
[4]潘颖芳.城市轨道交通AFC系统体系结构分析与研究[J].信息技术，2012（2）
[5]王瑛.自动售检票系统检修工[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2017
【基金项目】2017年度广西职业教育教学改革研究项目（重点项目）“基于Moodle平台的《铁路信号集中监测系统维护》混合教学模式改革与实践”（GXGZJG2017A044）;2017年度广西职业教育教学改革研究项目“基于‘城轨正线信号设备维护’课程‘交互-自主’教学模式改革研究”（GXGZJG2017B089）
【作者简介】陶汉卿（1983— ），男，广西钦州人，硕士，柳州铁道职业技术学院副教授，研究方向：智能交通系统。
（责编 丁 梦）
【关键词】故障树 AFC 教学系统 自动售票机 智能故障处理
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2019）07C-0187-03
一、研究背景
随着社会经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，城市轨道交通成为解决我国的城市化进程加快、城市规模扩大造成交通拥堵问题的首选。在城市轨道交通的运营管理中，AFC系统起着非常重要的作用，是体系结构复杂、技术含量高的设备之一，是集计算机技术、网络通信、自动控制和机械自动化技术于一体的自动售检票系统。AFC系统的使用和维护涉及專业面广，包括城市轨道交通运营管理、城市轨道交通通信信号技术和城市轨道交通机电技术等专业，设备维护复杂，还要根据城市轨道交通运营业务的需求，进行系统更新改造。
系统的复杂度和多功能集成增加了设备使用和维护人员的检修和故障处理难度，对故障处理方面的技术与能力要求较高。城市轨道交通AFC系统的故障处理技能的学习和掌握以设备的认知为基础，学习周期较长，在教学过程中，当出现故障时通常采用传统的故障处理方法，时间长，难度较大，不利于学生快速准确地判断故障位置与掌握故障查找处理的技巧。所以需要借鉴、普及与传承具有丰富专业知识的技术人员故障处理的经验并不断优化，建立专家库，用于城市轨道交通AFC系统的教学过程中故障处理能力的训练。
为搭建城市轨道交通AFC理实一体化实训系统，采用互联网+教学模式，实现教师与学生“教、学、做”一体，需要深入研究故障树和智能化诊断技术，对城市轨道交通AFC系统的故障分析查找和处理过程进行智能分析，设计指导学生快速准确进行故障处理的教学系统，提供学生自主学习和个性化学习的机会，提高学习效率。
目前，城市轨道交通AFC系统教学过程中的故障分析查找处理的方法和经验信息传授有以下三个方式：
一是城市轨道交通AFC设备的说明书。教师在学生对设备认知的基础上，开发实验实训项目，指导学生根据设备说明书进行故障处理，教学效率不够高。
二是教师讲授。教学过程中，对于初学的学生来说，城市轨道交通AFC系统的故障处理方法是由教师“手把手”教学协助指导完成。由于班级人数多，供训练的设备少，这样的做法较难组织教学，不能实现“一对一”教学，不能全面监督和验证学生的学习效果，对于教学有一定的局限性，部分学生需要多次进行指导，当遇到教师传授以外的故障时，需要花相对长的时间来处理。
三是经验积累。对于学生来说城市轨道交通AFC系统故障处理经验的积累必须是从量变到质变的过程，但是在注重质量与效率提升的时代，城市轨道交通企业急需员工具有良好的基础和快速成长的能力，学生动手实践机会不足等因素影响了故障处理经验的积累效果与职业成长的速度。
为了提高城市轨道交通AFC系统的教学效率及人才快速培养，以系统的故障处理的经验为基础，总结关键知识与信息点，采用故障树理论，设计了智能故障处理的教学系统。该系统具有指导学生进行故障分析与处理的功能，并不断进行优化，可实现智能、快速和准确的故障处理。
二、城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统设计
（一）故障树及特点
故障树是一种采用直观图示的方法描绘事件发生原因及逻辑因果关系的有向逻辑树图。故障树分为顶事件、中间事件和底事件，顶事件是分析目标，即系统故障状态，中间事件是导致顶事件发生的所有可能原因，需要向下一层追踪，到最底层时为底事件，也称基本事件。故障树就是将这些事件的相互关系用相应的逻辑符号进行连接而成的树形结构图。
故障树能把系统中不同的故障之间的关系用图形化的方式清晰表示出来，知识结构简洁直观，当系统发生故障时，利用故障树从上而下，逐层查找顶事件发生的直接和间接原因，这为智能故障处理教学系统提供了很好的表述方式。
故障树模型可以进行定性、定量分析，由于城市轨道交通AFC系统智能故障处理教学系统是根据故障树分析查找故障，然后进行实际测量判断故障，最后找到故障点进行处理，不需要对系统进行可靠性评价，所以对故障树进行定性分析即可。主要任务是缩小故障范围，可以通过查找出故障最小割集的方式，也就是找出导致顶事件发生的所有可能中间事件和底事件的集合，这些事件发生或同时发生，必然会导致顶事件的发生。
城市轨道交通AFC系统按照故障树的树形结构规范化、统一化的表达，直观明了地描述各种事件，不容易出错，如此使得学生使用故障树结构进行快速推理，降低知识的冗余性，同时使得故障树的维护和升级优化更加方便简单。
（二）教学系统的故障树模型设计
城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的核心是故障树，而故障树的事件原因来源于城市轨道交通AFC系统检修和故障处理实践中的分析查找经验。因此，知识获取和整合是该教学系统设计的重点和难点。城市轨道交通AFC系统智能故障处理教学系统故障树模型设计步骤如下：
1.事件的获取，如图1所示，深入了解系统的正常状态、异常状态和故障状态以及各种参数，与现场系统使用和维护人员、技术骨干和专家对接，收集积累相关专业知识和故障案例，取得教学系统详细的顶事件、中间事件和底事件。
2.将这些事件进行全面分析、统计和整合，保证故障树建立的完整性与准确性，以一定的规则编制成故障数据库。 3.调查分析与故障有关的所有原因事件和各种因素，并进行排列，划分最小割集。
4.从系统顶上事件开始，从数据库中找出每级直接原因的事件和最小割集，直至所要分析的级别深度，利用规范的故障树逻辑符号，按城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的逻辑关系，画出故障树。
通过采集丰富的现场经验，建立故障树模型，有效地利用知识数据库，高效、准确地实现城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的教学功能。
三、城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统设计实例
城市轨道交通AFC系统一般具有五层架构，分别为清算系统、中央计算机层、车站计算机层、车站终端设备层、车票层。自动售票机是车站终端设备层的站级设备之一，安装在非付费区，提供单程票发售和储值票充值等功能。乘客能够按照设备操作提示，使用纸币或硬币完成购票或储值票充值操作。自动售票机能够向乘客发售指定购买面值和数量的单程车票或将指定金额充值到乘客的储值票中，交易结果上传到车站计算机，自动售票机能够通过中央计算机和车站计算机进行管理。自动售票机主要由运营状态显示屏、乘客操作触摸屏、硬幣投入口、纸币投入口、储值票充值模块、出票、找零口、主控制器、纸币处理模块、硬币处理模块、纸币模块、硬币模块、纸币钱箱、SJT模块、MCU单程票发售模块、点阵打印机、废票箱、电源、电池和维修面板组成。
下面以自动售票机为实际案例，进行基于故障树的城市轨道交通AFC智能故障处理教学系统的设计。
（一）实例故障树建立方法
对自动售票机的故障信息进行全面采集，获取故障处理知识并整理，分析自动售票机可能存在的故障，模拟现场故障处理的流程，从上至下逐层进行追踪，绘制故障树，然后划分最小割集（即缩小故障范围）。自动售票机故障树的建立具体步骤：
1.确定顶事件。以自动售票机系统故障作为顶事件，模块故障、运行故障和通讯故障作为第二层子节点。对于就是所表现的故障现象，如卡纸币、卡硬币、卡票等作为模块故障事件的第三层子节点，依次类推。
2.对顶事件，即故障现象进行分析。模拟现场故障处理的流程，从上到下逐层寻找产生故障现象可能的直接和必要原因，从而找出中间事件和底事件，划分最小割集。然后将所有直接原因进行优化组合作为输入，以故障现象作为输出，用适当的常用规范逻辑符号表示事件的相互逻辑关系。
3.接着对每一个与顶事件直接关联的输入事件进行分析，判断能否进一步分解成下一级输出事件，重复步骤2对顶事件处理的方法。
4.使用逆向演绎推理的方法。根据已知的输出事件，采用相互关联的逻辑关系，找出问题的输入事件，从而形成故障树。
（二）自动检票机系统故障信息采集
对城市轨道交通AFC系统自动售票机的功能模块故障现场、故障分析、故障处理的全过程进行追踪采集，详细记录且进行整合，制作故障信息集合表。记录表格应对故障现象、模块、事件描述准确，用语规范，对于级别较多的现场需要逐层详细记录、整合，确保集合表的完整和准确。故障现象的描述要准确到某模块、某接口、某板卡、某线缆，以便于制作故障树教学系统，给学生提供友好的操作界面，从而快速准确地使用故障树进行故障分析。教学系统故障处理过程要详细描述现场工作人员对整个故障处理的思路与方法，整合优化最快速、准确的故障分析过程。故障底事件的原因同样也要明确到某模块、某接口、某板卡、某线缆，查找到故障点后，要给出故障处理的方法以及处理过程的注意事项等，如学生查找不到故障点，则给出正确的分析查找思路，引导学生快速准确地进行故障处理，使学生达到自学处理自动售票机故障的目的。
（三）自动检票机系统故障树建立
现场调研获取大量的城市轨道交通AFC系统的故障数据和故障处理的知识，数据杂而散，经过梳理、优化和整合，提取出故障信息集合的三大故障：自动售票机卡纸、自动售票机卡硬币、自动售票机卡票，逐层进行故障现象和故障原因分析，划分故障最小割集，制作故障信息集合表，应用规范的逻辑符号绘制故障树，学生采用故障树进行逐层分析，自动售票机卡票故障树示意图如图2所示。
本文从城市轨道交通AFC系统故障处理教学实际出发，深入研究了城市轨道交通AFC系统智能故障处理系统故障树模型，以自动售票机为例，对故障信息进行全面采集，模拟现场故障处理的流程，进行处理、整合和优化，建立自动售票机故障树，并应用于教学，提高了城市轨道交通AFC系统智能故障处理的教学质量和效率。
【参考文献】
[1]陈鹏辉.城市轨道交通自动售检票系统的现状与发展趋势[J].城市轨道交通研究，2009（5）
[2]鞠萍华，蒋德轩，冉琰.故障树和人工神经网络在可靠性再分配中的应用[J].重庆大学学报，2018（4）
[3]王敏.基于故障树分析法的城市轨道交通枢纽换乘系统运行可靠度计算[J].甘肃科技，2017（24）
[4]潘颖芳.城市轨道交通AFC系统体系结构分析与研究[J].信息技术，2012（2）
[5]王瑛.自动售检票系统检修工[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2017
【基金项目】2017年度广西职业教育教学改革研究项目（重点项目）“基于Moodle平台的《铁路信号集中监测系统维护》混合教学模式改革与实践”（GXGZJG2017A044）;2017年度广西职业教育教学改革研究项目“基于‘城轨正线信号设备维护’课程‘交互-自主’教学模式改革研究”（GXGZJG2017B089）
【作者简介】陶汉卿（1983— ），男，广西钦州人，硕士，柳州铁道职业技术学院副教授，研究方向：智能交通系统。
（责编 丁 梦）