基于知識(shí)工程的碼序集中智能評(píng)測(cè)研究

李達(dá)明 石寶峰 閆友為

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

李達(dá)明，男，碩士畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系，助理工程師，主要從事鐵路通信信號(hào)方面的工作。曾參與武廣、滬寧、滬杭以及京滬高鐵的CTCS-3室內(nèi)功能測(cè)試以及十一五國(guó)家支撐計(jì)劃。

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，保證列車(chē)的安全行車(chē)已經(jīng)成為重中之重，而軌道電路碼序作為客運(yùn)專線中列車(chē)行車(chē)的重要依據(jù)，其正確性就顯得尤為重要。

針對(duì)軌道電路碼序正確性的評(píng)測(cè)，僅僅作為列控系統(tǒng)功能測(cè)試的一部分，在國(guó)內(nèi)還停留在設(shè)備單元測(cè)試、現(xiàn)有線路功能測(cè)試以及人工仿真測(cè)試階段[1-8]，缺少線路級(jí)的完整碼序測(cè)試，即便是針對(duì)碼序的生成邏輯，也更多的依賴于特定線路[9]，缺少一種通用的方法。

結(jié)合目前碼序評(píng)測(cè)的現(xiàn)狀，本文提出了一種集中對(duì)客運(yùn)專線碼序進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的方法，其根據(jù)測(cè)試執(zhí)行過(guò)程的操作條件和應(yīng)用數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試執(zhí)行的狀態(tài)、過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，發(fā)現(xiàn)故障，能夠更加高效地發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患，保證列車(chē)的安全行車(chē)。碼序的生成邏輯難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)，因此就需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)給出正確的判斷。為此需要獲取這些知識(shí)，加以表示和運(yùn)用，這就是知識(shí)工程的概念，其最早由美國(guó)人工智能專家E.A.費(fèi)根鮑姆提出，他認(rèn)為“知識(shí)工程是人工智能的原理和方法，對(duì)那些需要專家知識(shí)才能解決的應(yīng)用難題提供求解的手段。恰當(dāng)運(yùn)用專家知識(shí)的獲取、表達(dá)和推理過(guò)程的構(gòu)成與解釋，是設(shè)計(jì)基于知識(shí)的系統(tǒng)的重要技術(shù)問(wèn)題?！盵10]其特點(diǎn)是基于人類對(duì)各學(xué)科專業(yè)知識(shí)的積累，能夠迅速的對(duì)事物做出分析和判斷。知識(shí)工程中基于規(guī)則的知識(shí)表示，將大量專業(yè)的知識(shí)進(jìn)行分類解釋，給出相應(yīng)的結(jié)果，本文將知識(shí)工程應(yīng)用于碼序評(píng)測(cè)中, 將數(shù)據(jù)和邏輯抽象出來(lái)，避免兩者之間相互影響，提高整個(gè)評(píng)測(cè)過(guò)程的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及效率。

1 概述

知識(shí)工程是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)的理論、方法和技術(shù)，是研究知識(shí)表示、知識(shí)獲取、知識(shí)管理和利用的一門(mén)學(xué)科[11]。其中知識(shí)表示可以通過(guò)產(chǎn)生式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

產(chǎn)生式系統(tǒng)是根據(jù)產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)表述知識(shí)的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，其基本形式為：“IF P THEN Q”，其含義：如果前提條件P滿足，則可推出Q成立或執(zhí)行Q操作，并且稱“IF P THEN Q”這個(gè)表達(dá)式為一條規(guī)則。

采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法描述碼序邏輯這類知識(shí)，總結(jié)有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1) 自然性好，產(chǎn)生式表示法用“IF-THEN”的形式表示知識(shí)，這種表示形式與人類的判斷性知識(shí)基本一致，直觀、自然、便于推理；

2) 除了對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各部分相互作用的方式及規(guī)則的表示形式有明確規(guī)定以外，對(duì)系統(tǒng)的其他實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都沒(méi)有具體規(guī)定，這使設(shè)計(jì)者們?cè)陂_(kāi)發(fā)實(shí)用系統(tǒng)時(shí)具有較大靈活性，可以根據(jù)需要采用適當(dāng)?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)，特別是可以把對(duì)求解問(wèn)題有意義的各種啟發(fā)式知識(shí)引入到系統(tǒng)中；

3) 表示的格式固定，形式單一，規(guī)則間相互獨(dú)立，整個(gè)過(guò)程只是前件匹配，后件動(dòng)作。匹配提供的信息只有成功與失敗，沒(méi)有復(fù)雜的計(jì)算，所以系統(tǒng)容易建立。

由此可見(jiàn)，根據(jù)知識(shí)工程的概念，將碼序規(guī)范抽象為規(guī)則進(jìn)行描述，能夠避免和數(shù)據(jù)的耦合，其適用性以及靈活性十分突出，以下將研究生成碼序規(guī)則以及集中實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的方法。

2 碼序集中評(píng)測(cè)研究

將抽象出的規(guī)則生成的碼序結(jié)果和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，就是碼序集中評(píng)測(cè)的核心內(nèi)容，為完成這個(gè)目標(biāo)，首先必須將技術(shù)規(guī)范所規(guī)定的碼序抽象為規(guī)則加以描述，然后將這些規(guī)則加以整合，構(gòu)成全線完整的碼序，和實(shí)際碼序?qū)崟r(shí)對(duì)比，給出評(píng)測(cè)結(jié)果。

2.1 碼序規(guī)則抽象描述

依照《列控中心技術(shù)規(guī)范》[12]，軌道電路碼序分為站內(nèi)軌道電路碼序與區(qū)間軌道電路碼序，站內(nèi)軌道電路碼序根據(jù)本站進(jìn)路狀態(tài)、前方進(jìn)路信號(hào)以及軌道電路狀態(tài)等生成。區(qū)間軌道電路根據(jù)區(qū)間方向按照軌道電路升序生成，其順序如下。

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

由于軌道電路碼序?yàn)樯蛏?，因而前方區(qū)段編碼會(huì)影響本區(qū)段編碼的生成?；谶@個(gè)特點(diǎn)，從線路末端依次遞歸對(duì)各區(qū)段編碼，就可完整地生成整條線路的碼序，基于上述規(guī)范可以形成基本的規(guī)則集，并在此基礎(chǔ)上增加一些特殊站場(chǎng)的規(guī)則集。簡(jiǎn)單的條件如災(zāi)害狀態(tài)，包括設(shè)置災(zāi)害和未設(shè)置災(zāi)害兩種狀態(tài)，對(duì)于設(shè)置災(zāi)害防護(hù)的區(qū)段，在采集到災(zāi)害防護(hù)信息后，將控制相應(yīng)的軌道區(qū)段發(fā)送H碼防護(hù)。若本區(qū)段為區(qū)間，且與前方區(qū)段不處于同一閉塞分區(qū)，前方區(qū)段空閑而且也為區(qū)間，則本區(qū)段編碼為前方區(qū)段編碼按碼序升序排列的下一個(gè)編碼。綜合考慮軌道電路碼序的各種可能情況，最終總結(jié)出軌道電路發(fā)碼是由11個(gè)條件決定。這11個(gè)條件如下。

1) 災(zāi)害狀態(tài)；

2) 本區(qū)段類別，區(qū)段類別包括區(qū)間、股道以及咽喉區(qū)段3種區(qū)段類型；

3) 前方區(qū)段類別；

4) 與前方區(qū)段是否屬于同一閉塞分區(qū)；

5) 前方區(qū)段占?jí)籂顟B(tài)，包括占用狀態(tài)和非占用狀態(tài)；

6) 前方區(qū)段發(fā)碼；

7) 前方區(qū)段鎖閉狀態(tài)；

8) 進(jìn)路最高碼序，包括L5、UUS以及UU等碼序；

9) 是否信號(hào)降級(jí)，包括室外點(diǎn)燈或者臨時(shí)限速導(dǎo)致的信號(hào)降級(jí)；

10) 進(jìn)路信號(hào)狀態(tài)，包括無(wú)進(jìn)路、信號(hào)未開(kāi)放、信號(hào)正常關(guān)閉、引導(dǎo)信號(hào)、信號(hào)開(kāi)放以及信號(hào)非正常關(guān)閉這6種狀態(tài)；

11) 進(jìn)路類型，包括正常進(jìn)路以及跨線進(jìn)路兩種。

根據(jù)這11個(gè)條件，可以將碼序規(guī)則完整地抽象描述出來(lái)，這些規(guī)則的建立是通過(guò)不斷積累和總結(jié)這個(gè)領(lǐng)域的專家知識(shí)得出的，因此建立過(guò)程比較繁瑣，耗費(fèi)的時(shí)間也比較長(zhǎng)，相較于采用復(fù)雜邏輯的實(shí)現(xiàn)方案，使用規(guī)則的方法在擴(kuò)展性上獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，能夠根據(jù)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和實(shí)施方案的不同，經(jīng)過(guò)添加和修改相應(yīng)的規(guī)則達(dá)到適應(yīng)不同場(chǎng)景的需求，無(wú)需改動(dòng)程序邏輯本身，因此具有很好的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。

2.2 規(guī)則篩選及集中評(píng)測(cè)

碼序集中評(píng)測(cè)的關(guān)鍵就在于一次性生成全線碼序，難點(diǎn)首先在于如何根據(jù)輸入條件篩選出需要的規(guī)則，從而確定碼序結(jié)果，其次是如何一次性生成全線碼序。

對(duì)于有n個(gè)條件，K條規(guī)則的規(guī)則集，通過(guò)對(duì)n個(gè)條件狀態(tài)的判斷在這K條規(guī)則中找到滿足條件的結(jié)果。由于所有的規(guī)則都是基于產(chǎn)生式系統(tǒng)構(gòu)成，因此邏輯比較簡(jiǎn)單，所有節(jié)點(diǎn)分層固定，使用寬度優(yōu)先搜索，對(duì)下一層進(jìn)行搜索前，先搜索本層所有節(jié)點(diǎn)，搜索過(guò)程如圖1所示。搜索算法采用堆棧結(jié)構(gòu)，首先對(duì)于第一個(gè)條件輸入，遍歷1到K這K條規(guī)則的第一個(gè)條件，對(duì)于滿足條件的規(guī)則進(jìn)行入棧，若未找到滿足條件的規(guī)則，則退出搜索，對(duì)于第二個(gè)條件的輸入，將之前入棧的規(guī)則出棧，遍歷這出棧的規(guī)則的第二個(gè)條件，對(duì)于滿足條件的規(guī)則入棧，若未找到則退出搜索，依次類推，進(jìn)行深度為n的遍歷搜索，對(duì)所有的輸入條件進(jìn)行查找，在輸入第n個(gè)條件時(shí)，若找到滿足條件規(guī)則且唯一，則輸出規(guī)則對(duì)應(yīng)結(jié)果。否則則退出搜索。其時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。對(duì)于上述搜索算法，其輸入每次都需要進(jìn)行n層搜索，考慮到在實(shí)際評(píng)測(cè)中兩次狀態(tài)輸入之間，并非所有條件都發(fā)生改變，而只是一部分條件的變化，因此可以在輸入條件時(shí)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)和上次狀態(tài)的條件進(jìn)行模式匹配，從第一個(gè)不同的條件開(kāi)始輸入，假設(shè)第m個(gè)條件開(kāi)始不同，如果前次狀態(tài)保留“學(xué)習(xí)”了m-1次的規(guī)則集合，則直接從m層開(kāi)始搜索。否則，重新開(kāi)始“學(xué)習(xí)”，并重構(gòu)這n層各層的規(guī)則集合，實(shí)現(xiàn)智能評(píng)測(cè)。

這樣在實(shí)際的評(píng)測(cè)中，可以減少不必要條件的搜索，減小搜索的深度，從而進(jìn)一步減小運(yùn)算復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度。

根據(jù)技術(shù)規(guī)范，每個(gè)區(qū)段有一個(gè)默認(rèn)的初始化編碼，根據(jù)邊界條件 (進(jìn)路狀態(tài)和邊界狀態(tài)) 以及占?jí)簵l件的區(qū)段開(kāi)始遞歸應(yīng)用規(guī)則，可以生成全線的碼序。

整個(gè)線路分為上下行，包括區(qū)間線路碼序以及進(jìn)路碼序的生成。根據(jù)線路中始端方向繼電器以及終端方向繼電器的屬性判斷區(qū)間線路是正向還是反向，碼序生成是依照遞歸的方式實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榕袛鄺l件中包括前向編碼、前向閉塞分區(qū)狀態(tài)等因素，因此編碼從線路的最后一個(gè)軌道區(qū)段開(kāi)始，依次往前遞歸進(jìn)行編碼。進(jìn)路碼序需要考慮降級(jí)以及最高碼序等帶來(lái)的影響，同時(shí)需要考慮接近區(qū)段的影響。

2.3 實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)方法研究

實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)就是在給定輸入的同時(shí)，直接將應(yīng)用規(guī)則產(chǎn)生的碼序和給定的原始碼序作對(duì)比。需要保證的是規(guī)則產(chǎn)生的碼序是實(shí)時(shí)可靠的，實(shí)時(shí)就是需要在給定時(shí)間內(nèi)做出評(píng)測(cè)；可靠就是保證進(jìn)行評(píng)測(cè)的輸入和激勵(lì)產(chǎn)生原始輸出的輸入數(shù)據(jù)是一致的。影響評(píng)測(cè)實(shí)時(shí)性的因素主要有3點(diǎn)：第一點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的來(lái)源不同；第二點(diǎn)是通信延時(shí)；第三點(diǎn)是評(píng)測(cè)處理耗費(fèi)的時(shí)間。通過(guò)圖2所示的實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的結(jié)構(gòu)圖，來(lái)說(shuō)明各個(gè)因素之間的關(guān)系以及影響程度。

對(duì)于軌道電路，定義它的外部輸入為RA(t1)，對(duì)外輸出為YA(t4)，其中的t1表示在t1時(shí)刻產(chǎn)生的外部輸入，下標(biāo)A表示輸入和輸出都是針對(duì)A事件產(chǎn)生的，那么YA(t4)則表示針對(duì)A事件在t4時(shí)刻仿真子系統(tǒng)給出了輸出。

經(jīng)過(guò)一定通信延時(shí)在t2時(shí)刻，對(duì)于碼序評(píng)測(cè)，從軌道電路和外部接口中采集到RA(t1)的數(shù)據(jù)，定義這些數(shù)據(jù)輸入為RA(t2)和YB(t2)。顯然RA(t1)=RA(t2)，YB(t2)則是針對(duì)A事件之前的B事件所做出的輸出響應(yīng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集后輸入至碼序評(píng)測(cè)，YB(t2)并不一定等于YA(t4)，碼序評(píng)測(cè)經(jīng)過(guò)處理在t3時(shí)刻給出碼序的輸出YA(t3)，根據(jù)評(píng)測(cè)的定義，需要比對(duì)的就是YA(t4)和YA(t3)這兩個(gè)值，判斷其是否一致，但在t3時(shí)刻，能夠進(jìn)行比較的是YA(t3)和YB(t2)，由于YB(t2)和YA(t4)之間的關(guān)系，導(dǎo)致比較的結(jié)果出現(xiàn)偏差。對(duì)于 t2=t1+t通信延時(shí)以及 t3=t2+t碼序評(píng)測(cè)這兩個(gè)時(shí)刻和 t1之間的時(shí)間差異，由于 t通信延時(shí)以及 t評(píng)判處理其時(shí)間跨度小，而且比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的輸入周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于t通信延時(shí)以及t碼序評(píng)測(cè)帶來(lái)的延時(shí)，其影響可忽略不計(jì)。對(duì)于t4和t1的時(shí)間差異，由于影響軌道電路碼序的數(shù)據(jù)其來(lái)源很多，受到各個(gè)設(shè)備之間通信關(guān)聯(lián)的影響，延時(shí)較大，且無(wú)法預(yù)知，導(dǎo)致碼序評(píng)測(cè)的輸出結(jié)果要早于真實(shí)輸出的結(jié)果。為解決這一問(wèn)題，在根據(jù)規(guī)則生成碼序時(shí)加入延時(shí)，保證碼序輸出和原始輸出的一致性，從而達(dá)到比對(duì)YA(t4)和YA(t3)的目的。

3 結(jié)論及展望

軌道電路碼序作為客運(yùn)專線中列車(chē)行車(chē)的重要依據(jù)，以往針對(duì)碼序的測(cè)試都是基于模塊和具體線路，缺乏一個(gè)整體綜合考慮的方法，本文提出的基于知識(shí)工程對(duì)碼序進(jìn)行集中實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的方法，能夠提高碼序測(cè)試的效率，減少人工和時(shí)間成本，并且能發(fā)現(xiàn)人工測(cè)試時(shí)可能忽略的問(wèn)題。本文主要針對(duì)兩部分內(nèi)容進(jìn)行研究，第一部分主要研究將知識(shí)工程的概念引入碼序生成中，將碼序的生成邏輯抽象為規(guī)則，第二部分主要研究規(guī)則的選取以及實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)的方法，提出了一種集中式全線碼序?qū)崟r(shí)評(píng)測(cè)的方法。下一步的工作可以按照相同的方式對(duì)《列控中心技術(shù)規(guī)范》[12]中提及的其他部分，例如對(duì)有源應(yīng)答器報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)測(cè)，隨著規(guī)則增多，針對(duì)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的改變，相應(yīng)的對(duì)規(guī)則增加修改以及刪除都需要一個(gè)有效的管理方法。如何建立一個(gè)有效地針對(duì)規(guī)則的管理方法也是需要考慮的問(wèn)題。

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