張威

摘要：該文通過(guò)研究知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)建方法，提出了一種以三維模型作為知識(shí)庫(kù)的基本概念庫(kù)、以模型的行為屬性變量作為事實(shí)庫(kù)的事實(shí)方法、以函數(shù)形式形成規(guī)則庫(kù)調(diào)用方式的新型知識(shí)庫(kù)。

關(guān)鍵詞：知識(shí)庫(kù)；高速鐵路；交互控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）25-0180-02

Research on High-Speed Railway Electrical Simulation Knowledge Base

ZHANG Wei

（Hohhot Railway Bureau Research Institute， Hohhot 010020， China）

Abstract ：In this thesis， through researching the structure of the Knowledge Base and the construction of the methods puts forward a 3D model as the basic concept of Knowledge Base， behavioral property variables of the model functional form as the fact of the Fact Base， using the function to form the way of Rule Base called new Knowledge Base.

Key words： knowledge base； high-speed railway train； interactive control

1 概述

鐵路行業(yè)涉及機(jī)、車(chē)、工、電、輛等一系列專(zhuān)業(yè)，每一個(gè)專(zhuān)業(yè)都擁有海量的業(yè)務(wù)知識(shí)，隨著高速鐵路的發(fā)展和鐵路三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的大面積普及和應(yīng)用，如何將大量的高速鐵路專(zhuān)業(yè)知識(shí)以三維數(shù)據(jù)的形式存貯起來(lái)，并滿(mǎn)足低帶寬網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?，形成覆蓋全路的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。傳統(tǒng)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容結(jié)構(gòu)很難滿(mǎn)足高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的要求，因此本論文提出了一種知識(shí)庫(kù)內(nèi)容結(jié)構(gòu)的新嘗試。以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作出的場(chǎng)景和模型作為知識(shí)庫(kù)的概念知識(shí)，采用變量構(gòu)建事實(shí)知識(shí)庫(kù)，采用函數(shù)構(gòu)建規(guī)則知識(shí)庫(kù)。

高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)所需要的知識(shí)庫(kù)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下要求[1]：

1） 以三維模型為基礎(chǔ)，能表達(dá)高鐵電務(wù)知識(shí)點(diǎn)與三維模型狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2） 提供便捷高效的知識(shí)管理手段，按照模塊化思想組織知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)。

3） 可以表達(dá)三維模型之間的關(guān)系以及描述和記錄模型事實(shí)狀態(tài)。

4） 后續(xù)推理機(jī)構(gòu)可以方便地進(jìn)行知識(shí)的調(diào)用[2]。

2 知識(shí)庫(kù)構(gòu)建原則

知識(shí)庫(kù)應(yīng)按照如下原則進(jìn)行構(gòu)建：

1） 層次化：知識(shí)庫(kù)應(yīng)按照三級(jí)層次知識(shí)表示體系進(jìn)行構(gòu)建。底層是“概念知識(shí)”，它應(yīng)當(dāng)包括可操作的基礎(chǔ)知識(shí)元素。中間層是“事實(shí)知識(shí)”，是提供操作概念知識(shí)的方法的知識(shí)，通常用變量、過(guò)程等內(nèi)容來(lái)表示。上層是“規(guī)則知識(shí)”，是何時(shí)達(dá)到何種條件時(shí)控制中間層執(zhí)行某種操作的知識(shí)。三級(jí)層次相互聯(lián)系，共同存在形成一個(gè)完整的知識(shí)庫(kù)體系，是知識(shí)庫(kù)本身結(jié)構(gòu)的基本要求。

2） 可擴(kuò)充性：知識(shí)庫(kù)應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式以及存取標(biāo)準(zhǔn)。使知識(shí)庫(kù)文件可以單獨(dú)存在，與后續(xù)推理機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，即知識(shí)庫(kù)不包括推理知識(shí)，推理機(jī)構(gòu)中也不存在基礎(chǔ)知識(shí)的內(nèi)容，同時(shí)要求知識(shí)庫(kù)是以模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊都可獨(dú)立使用。這樣就可以提供知識(shí)庫(kù)依靠添加新的模塊來(lái)不斷擴(kuò)充容量的可能性，也為知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)提供了開(kāi)放性的功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不斷成長(zhǎng)。

3） 明確性：知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)表示方法應(yīng)能準(zhǔn)確的表達(dá)知識(shí)庫(kù)中的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，只有知識(shí)內(nèi)容定義準(zhǔn)確才可以快速的提供使用與維護(hù)的各項(xiàng)功能，提高系統(tǒng)的工作效率。

4） 清晰性：知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)表示方法應(yīng)當(dāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于理解和實(shí)現(xiàn)，這樣有利于將基礎(chǔ)知識(shí)清晰的編寫(xiě)為事實(shí)和規(guī)則進(jìn)行存儲(chǔ)和檢索，也有利于后續(xù)推理機(jī)構(gòu)識(shí)別和控制[3]。

3 知識(shí)的獲取

知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建前提是取得一定量的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，知識(shí)獲取就是把求解專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域問(wèn)題的知識(shí)從擁有這些知識(shí)的知識(shí)源中抽取出來(lái)，轉(zhuǎn)換為一種特定的計(jì)算機(jī)表示，并以某種形式在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)，滿(mǎn)足領(lǐng)域問(wèn)題求解的需求[4]。

在高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)中，知識(shí)庫(kù)用來(lái)存放各種設(shè)備模型的狀態(tài)以及控制規(guī)則（如技規(guī)、維規(guī)、行規(guī)等）、因果關(guān)系（設(shè)備間聯(lián)動(dòng)的相互配合關(guān)系）、維護(hù)人員（現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)職工）的經(jīng)驗(yàn)等各種知識(shí)。建立知識(shí)庫(kù)的第一步是獲取有關(guān)高速鐵路電務(wù)相關(guān)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、設(shè)備工作原理、標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)程序和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備調(diào)整維護(hù)方法以及故障處理方法的知識(shí)。知識(shí)獲取的途徑大致可以分為三種[5]：

1） 通過(guò)知識(shí)工程師獲取知識(shí)。知識(shí)工程師是一個(gè)計(jì)算機(jī)方面的工程師，他從專(zhuān)家那里獲取知識(shí)，并把它以正確的形式儲(chǔ)存到知識(shí)庫(kù)里去。

2） 通過(guò)直接向電務(wù)設(shè)備檢修維護(hù)領(lǐng)域?qū)＜姨釂?wèn)，以學(xué)生的身份獲取專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，并將其經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)范化。

3） 決策支持類(lèi)系統(tǒng)能對(duì)以往成功的經(jīng)驗(yàn)，錯(cuò)誤的和失敗的教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)，獲得新的知識(shí)，對(duì)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行修正和擴(kuò)充。

4 知識(shí)的表示

知識(shí)表示就是知識(shí)的符號(hào)化和形式化的過(guò)程，是研究用計(jì)算機(jī)表示知識(shí)的可行性、有效性的一般方法，是描述一些現(xiàn)實(shí)事物的規(guī)則格式，是把原始知識(shí)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在已發(fā)明出很多知識(shí)表示方法，比較常見(jiàn)的主要有以下幾種：一階謂詞邏輯表示、產(chǎn)生式表示（或稱(chēng)規(guī)則表示）、框架表示、面向?qū)ο蟊硎?、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示等。

從電務(wù)設(shè)備檢修維護(hù)領(lǐng)域?qū)＜姨帿@取的知識(shí)是使用自然語(yǔ)言描述的，為了使計(jì)算機(jī)能夠?qū)@些設(shè)備檢修維護(hù)知識(shí)進(jìn)行處理，選擇產(chǎn)生式規(guī)則表示方法構(gòu)建事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。

產(chǎn)生式系統(tǒng)是建立在產(chǎn)生式規(guī)則基礎(chǔ)之上的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。主要由三部分構(gòu)成，即規(guī)則庫(kù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)。

產(chǎn)生式知識(shí)表示法使用事實(shí)作為信息的存儲(chǔ)集合，用來(lái)表示問(wèn)題和問(wèn)題的環(huán)境條件，其中包括關(guān)于問(wèn)題的各類(lèi)臨時(shí)條件。產(chǎn)生式規(guī)則的表達(dá)形式為“符合某條件要求則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的行為”這種條件語(yǔ)句形式，一般形式是R# IF RLS THEN RRS，其中R#是規(guī)則序號(hào)，RLS是產(chǎn)生條件，RRS是滿(mǎn)足條件后需要執(zhí)行的行為操作。

5 事實(shí)庫(kù)的構(gòu)建

產(chǎn)生式知識(shí)庫(kù)包括事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)兩個(gè)部分。

產(chǎn)生式知識(shí)庫(kù)的事實(shí)庫(kù)表示形式為：

事實(shí)庫(kù)=（事實(shí)1 事實(shí)2… 事實(shí)m）。

事實(shí)（結(jié)論）=（<對(duì)象屬性值>）。

產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)庫(kù)將設(shè)備檢修維護(hù)知識(shí)分為兩部分：凡是靜態(tài)的知識(shí)，如設(shè)備的描述、設(shè)備的狀態(tài)、事件、以及它們之間的關(guān)系，以所謂的事實(shí)來(lái)描述；而把行為的過(guò)程知識(shí)以規(guī)則的形式來(lái)表達(dá)，對(duì)作業(yè)程序和故障處理方法的內(nèi)容敘述均屬于事實(shí)。

以電務(wù)道岔1DQJ故障點(diǎn)查找判斷為例，故障處理知識(shí)為：

觀察機(jī)械室內(nèi)故障道岔第一牽引點(diǎn)的1DQJ不勵(lì)磁。說(shuō)明是1DQJ勵(lì)磁電路故障。

1）聯(lián)系運(yùn)轉(zhuǎn)室操縱道岔轉(zhuǎn)動(dòng)到反位。

2）使用萬(wàn)用表直流25V檔。

3）一只正表筆插入側(cè)面端子06-1（KZ，控制電源正極），另一只負(fù)表筆測(cè)試以下可能故障點(diǎn)（萬(wàn)用表由24V變?yōu)?V之間的端子或配線即是故障點(diǎn)）。

第一種情況：側(cè)面端子01-2，更換配線。

第二種情況：2DQJ的142、141接點(diǎn)，則更換2DQJ。

第三種情況：1DQJ的4、3端子，則更換1DQJ。

第四種情況：側(cè)面端子01-3，更換配線。

可以將知識(shí)抽取歸納為事實(shí)狀態(tài)表1 所示。

表1 1DQJ故障點(diǎn)查找判斷事實(shí)狀態(tài)表

[道岔位置＼&操縱道

岔位置＼&萬(wàn)用表

檔 位＼&正表筆

測(cè)量點(diǎn)＼&負(fù)表筆

測(cè)量點(diǎn)＼&萬(wàn)用表測(cè)量值＼&故障點(diǎn)＼&定位＼&未操作＼&AC500V＼&＼&＼&0V＼&＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&側(cè)面端子01-2＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&2DQJ的142接點(diǎn)＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&2DQJ的141接點(diǎn)＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&1DQJ的4接點(diǎn)＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&1DQJ的3接點(diǎn)＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&定位

＼&反位

＼&DC25V

＼&側(cè)面端子06-1＼&側(cè)面端子01-3＼&0V或25V

＼&0V是故障點(diǎn)，25V非故障點(diǎn)＼&]

根據(jù)上述事實(shí)狀態(tài)表，按照知識(shí)的產(chǎn)生式規(guī)則表示方法即可得到如下事實(shí)表達(dá)式：

1DQJ故障點(diǎn)查找判斷（道岔位置，操縱道岔位置，萬(wàn)用表檔位，正表筆測(cè)量點(diǎn)，負(fù)表筆測(cè)量點(diǎn)，萬(wàn)用表測(cè)量值）=故障點(diǎn)。

將事實(shí)表達(dá)式中的每一個(gè)概念定義為相應(yīng)的變量，將表格具體內(nèi)容定義為變量值，則可得到如下變量形式的事實(shí)表達(dá)式：

Gz_1DQJ_Failure（Switch_position，Control_Switch，Multimeter_Shift，Pen_Positive，Pen_Negative，Multimeter）=Failure

根據(jù)設(shè)備狀態(tài)變量的事實(shí)表達(dá)形式分別建立靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)文件[6]。

靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)記錄場(chǎng)景中設(shè)備的初始狀態(tài)和最終用戶(hù)檢修維護(hù)以及故障處理的步驟完成程度等結(jié)果。在服務(wù)器端根據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)記錄可以統(tǒng)計(jì)使用者的學(xué)習(xí)日期、學(xué)習(xí)課時(shí)、已學(xué)習(xí)課時(shí)內(nèi)容等學(xué)習(xí)和練習(xí)數(shù)據(jù)，根據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)記錄可以完成遠(yuǎn)程在線考試功能，實(shí)現(xiàn)考試分?jǐn)?shù)的自動(dòng)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)和匯總。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)又稱(chēng)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，由推理機(jī)構(gòu)在場(chǎng)景開(kāi)始時(shí)讀取服務(wù)器端的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)備初始狀態(tài)值之后臨時(shí)創(chuàng)建，其結(jié)構(gòu)與靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)相同。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)在場(chǎng)景中主要負(fù)責(zé)記錄場(chǎng)景中設(shè)備在交互過(guò)程中的臨時(shí)狀態(tài)，為推理機(jī)構(gòu)提供相關(guān)控制依據(jù)，隨著場(chǎng)景的關(guān)閉，注銷(xiāo)創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。

使用簡(jiǎn)單變量構(gòu)成事實(shí)庫(kù)的表達(dá)形式所具備的優(yōu)勢(shì)在廣域網(wǎng)形式的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景系統(tǒng)中是十分巨大的。服務(wù)器端與客戶(hù)端之間的交互控制只需要交換場(chǎng)景設(shè)備的狀態(tài)變量和控制變量即可實(shí)現(xiàn)，這樣在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下就可以最大限度地保證通信質(zhì)量和通信速度，同時(shí)又可以完成必要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和管理功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化管理。

6 規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建

產(chǎn)生式知識(shí)庫(kù)的規(guī)則庫(kù)表示形式為：

規(guī)則庫(kù)=（規(guī)則1 規(guī)則2… 規(guī)則n）。

規(guī)則=（<規(guī)則名>（IF<事實(shí)>）（THEN<結(jié)論>）。

在高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中，故障處理方法除了 需要記錄考評(píng)故障查找過(guò)程中的步驟完成情況以及記錄場(chǎng)景中各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)之外，更重要的是為故障位置的設(shè)定提供控制參數(shù)。在實(shí)際故障處理過(guò)程中，不同的故障位置可能造成出現(xiàn)同一種故障現(xiàn)象，因此，為了在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)故障位置的變化以及同時(shí)存在多個(gè)故障位置的功能，就必須為故障位置的設(shè)定提供控制參數(shù)和控制手段。在電氣類(lèi)設(shè)備故障中，多為電氣通道或電氣接點(diǎn)故障，測(cè)試點(diǎn)的萬(wàn)用表顯示值是判斷是否成為故障點(diǎn)的依據(jù)，因此設(shè)定萬(wàn)用表顯示值既可以為故障點(diǎn)提供記錄參數(shù)，又可為萬(wàn)用表模型的顯示提供數(shù)值參數(shù)。以1DQJ故障為例，當(dāng)設(shè)定故障點(diǎn)為其勵(lì)磁電路中的“側(cè)面端子01-2”時(shí)，則將變量Multimeter設(shè)為1，其余接點(diǎn)均設(shè)為0。如需改變故障點(diǎn)位置，則只需修改“側(cè)面端子01-2”點(diǎn)及新故障點(diǎn)規(guī)則中的變量Multimeter值即可，對(duì)于多點(diǎn)故障則需將多個(gè)故障點(diǎn)的Multimeter值設(shè)為1來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在規(guī)則的實(shí)際應(yīng)用方法上，采用了一個(gè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)一個(gè)規(guī)則函數(shù)的新型規(guī)則庫(kù)，充分體現(xiàn)出模塊化設(shè)計(jì)思想。經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)之后，推理機(jī)構(gòu)可以直接讀取事實(shí)知識(shí)庫(kù)中的變量數(shù)據(jù)作為規(guī)則函數(shù)的參數(shù)來(lái)調(diào)用規(guī)則函數(shù)，經(jīng)過(guò)規(guī)則函數(shù)的規(guī)則對(duì)比，符合規(guī)則后返回相應(yīng)值，如果返回正確值，則推理機(jī)構(gòu)可以根據(jù)規(guī)則函數(shù)的返回值繼續(xù)控制下一步的交互操作，如果返回空值、錯(cuò)誤值或沒(méi)有返回值，則推理機(jī)構(gòu)將限制當(dāng)前場(chǎng)景部分設(shè)備的交互功能，將場(chǎng)景停留在當(dāng)前進(jìn)度，讓使用者繼續(xù)完成場(chǎng)景交互內(nèi)容。

7 結(jié)論

通過(guò)研究得到以下結(jié)論：

1） 以文字或符號(hào)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造的三維場(chǎng)景和模型來(lái)代替，并且具有表達(dá)知識(shí)內(nèi)容清晰準(zhǔn)確、包含的知識(shí)信息量大、易于接受和理解，可以提供交互功能等優(yōu)點(diǎn)。

2） 采用變量表示靜態(tài)事實(shí)符合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)，便于記錄和存儲(chǔ)，而且可以為規(guī)則提供判斷依據(jù)。

3） 使用函數(shù)形式的產(chǎn)生式規(guī)則易于調(diào)用，可以判斷場(chǎng)景運(yùn)行程度，為后續(xù)推理機(jī)構(gòu)提供符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的模型交互控制依據(jù)，能按照安全標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)程序、故障處理步驟等現(xiàn)場(chǎng)規(guī)則輸出符合要求的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的電務(wù)仿真知識(shí)庫(kù)符合高速鐵路虛擬現(xiàn)實(shí)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的使用要求，現(xiàn)已正式應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)職工培訓(xùn)工作中，取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李林林. 高爐專(zhuān)家系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)， 2004：52-56.

[2] 董秀成. 高爐爐況檢測(cè)與診斷專(zhuān)家系統(tǒng)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置， 1994（3）：27-32.

[3] 苗艷榮. 發(fā)酵過(guò)程生物量軟測(cè)量專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)研究[D]. 北京：北京化工大學(xué)， 2008：21-22.

[4] 武波，馬玉祥. 專(zhuān)家系統(tǒng)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2 003：95-118.

[5] 王壯峰. 智能高速鐵路行車(chē)指揮仿真系統(tǒng)的研究[D]. 北京：鐵道科學(xué)研究院， 2003：52-60.

[6] 曹琦，何中市. 搶險(xiǎn)救災(zāi)物資保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]. 災(zāi)害學(xué)， 2012，27（1）：139-143.