摘要：随着高速公路监控系统的发展,系统逐渐趋向于高集成化,以减少人力的配置,然而由于高速公路监控系统的设备繁多而复杂,在移交后的管养人员并非各个专业系统人员,因而造成故障解决困难,专家系统可以很好的帮助后期维护人员定位问题所在,并提示错误原因,帮助管养人员确定问题与维修,使系统在最短的时间内恢复正常运行。
关键词：高速公路监控系统; 专家系统; 故障诊断
随着高速公路的发展, 其监控系统所要顾及的方向要求越来越广泛化且高集成度,以最大限度的减少人力的投入,但是由于高速公路尤其隧道内设备繁多并复杂,监控人员及管养人员非专业的系统集成人员, 往往不能及时的发现故障及确定故障原因, 从而延误了维修而影响高速公路系统的正常有效的运营。因此本文引入人工智能的分支——专家系统来辅助进行故障诊断,对缩短维修响应时间、尽快恢复高速公路的通行能力, 对高速公路的发展有着极为重要的意义。
1 高速公路监控系统
高速公路监控系统负责高速公路、 隧道、设备室所有设备的监控及控制,是整个高速公路运营系统的核心。通常的系统中包括系统如图1 所示。
由于高速公路运营的特殊性, 系统维修需要封路等措施,如果不能准确的定位故障发生位置与原因, 将极大的浪费人力物力,并严重影响高速公路的正常运营。而运营人员并非专业的系统集成人员, 对整个系统的了解并不深入, 对系统的故障并不能迅速判断出问题的出处, 从而延误维修。因此,系统故障诊断的决策是高速公路监控系统维修的关键问题。
高速公路系统故障通常分为三类: 上层软件故障, 链路故障, 设备端故障。通常设备端故障会通过设备本身的故障报警获得, 链路问题与软件问题需要通过经验来进行判断。
2 专家系统
专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部包含某领域专家水平的知识和经验，具有解决专门问题的能力。通常的专家系统的构成如图2所示。
(1)知识库。
知识库是存储和管理所获取的专家的经验和知识的软、硬件系统。知识库中存储的知识有三种类型:基于专家经验的判断性规则用于推理问题求解的控制性规则用于说明问题的状态、事实和概念及当前的条件和常识等的数据。
(2)推理机。
推理机是专家系统的“思维”。协调控制整个专家系统根据规则对知识库中的知识及存入推理机的“事实”进行启发推理,算法推理,对用户提供的证据进行推理．并最终进行解答。其推理方式主要有正向推理、反向推理和双向推理。专家系统中的知识录入, 是将专家的知识运用计算机的语言, 将经验转换为计算机中的规则,只有经过正确的表达,计算机才能进行推理得出响应的结论, 常用的计算机语言包括C语言,以及人工智能开发语言如Prolog,Lisp等,随着计算机语言的发展,现在大量的高级面向对象语言如C++,C#,JAVA等也运用于专家系统中。
3 专家系统在高速公路系统故障诊断中的应用
系统的故障诊断应该包括: 现场数据采集,数据分析,结论。在此基础上扩功能,引入专家系统的概念, 创建故障分析专家决策系统。在高速公路系统故障诊断中引入专家系统,是将专家的诊断经验,以知识库的形式存储于计算机中。当故障发生后,利用专家知识,迅速定位故障出处,及时准确的指导故障的维修, 提高故障处理的效率．为高速公路的正常运营提供保障。
(1)引入分析。系统故障发生后, 在调查过程中往往见到的是一些表征现象, 这就需要有经验的维修人员去根据现象进行推理。建立故障统计数据库．对事故发生的原因进行归纳和演绎, 从海量的数据中提取重要的规律信息．对故障处理的有效性和及时性有着很大的帮助。依据上面提出的人工智能的重要分支——专家系统的相关知识,我们将其应用到故障分析中。
(2)知识库的设计。
知识库中的知识必须是从专家那里得到的,然后以一定的形式存储在知识库中。知识在计算机系统中的表示采用最流行的产生式表达方式:
IF E THEN H WITH CF(E,H)
式中．E表示规则的前提条件,即证据:H表示规则的结论,即假设:CF(Certainty
Factor)为规则的强度,表示前提为真时，规则对结论的影响程度，即可信度。
(3)推理机的设计。
推理机依据规则或存入的知识, 进行启发推理和算法推理, 分析出故障处理的决策。选择推理方式即选择从原始数据和已知条件得到结论(正向推理)的推理方式,采用置信度方法进行不确定性的推理。系统的冲突解决策略一般情况下按照规则的置信度从大到小依次选取, 对于规则置信度相同的规则, 按规则在知识库中的排序进行选取。置信度的算法如下。
①单个前提的规则, 即E 是单独命题:
规则:IF E THEN H WITH CF (E．H )
CF(H)=CF(E,H)*CF(E) 公式(1)
②多个前提的规则, 即E 是复合命题:
规则:IF E1∩E2∩⋯∩En THEN H WITH CF(E,H)
CF(E)=CF(E1∩E2∩⋯∩En)=min{CF(E1),CF(E2)⋯CF (En)}
规则:IF E1∪E2∪⋯∪En THEN H WITH CF(E．H)
CF(E)= CF(E1∪E2∪••∪En)=max{CF(E1),CF(E2)⋯,CF (En)}
将上两式中的CF(E)带入公式(1),即可得到结论的置信度C(F)。
(4)人机界面的设计。
人机交互接口实现系统相关功能的操作。通过界面可以实现知识的获取并将其存其知识库, 推理机提取知识库里的知识进行故障分析推理。同时通过界面实现数据库的管理实现数据的维护。操作人员也可以通过简单的操作, 实现专家系统在过程中的有效应用。计算机根据数据采集,规则匹配,通过交互界面输出诊断结果,帮助维修人员判断。
综上所述， 本文将专家系统融入到高速公路监控系统的故障诊断中,解决了目前高速公路由于系统繁多复杂而造成的养护人员专业性不全面,故障原因分析慢等问题,为高速公路运营高效解决问题提供了一条可以实现的思路。随着高速公路监控系统的发展,人工智能的方法越来越得到重视, 对高速公路技术的发展有着重要的意义。
参考文献：
[1] 尹朝庆, 尹皓. 人工智能与专家系统[M].北京:中国水利水电出版社,2001,134.
[2] 敖志刚.人工智能与专家系统导论[M].合肥:中国科技大学出版社,2002,165.
论文作者:金宇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：专家系统论文; 高速公路论文; 规则论文; 知识论文; 系统论文; 故障论文; 监控系统论文; 《基层建设》2018年第21期论文;