Экспертная система поддержки расследования происшествий на железнодорожном транспорте

Полный текст

Введение. Российские железные дороги – один из важнейших компонентов транспортного комплекса Российской Федерации. Железная дорога оказывает огромное влияние на экономическое благополучие государства, оказывает воздействие на формирование его федерального и регионального бюджетов и также играет важное значение в транспортной логистике. Железная дорога считается главным межрегиональным видом транспорта в пределах экономически освоенной территории страны.

Вопросы эффективности функционирования транспортного комплекса и развития транспортной инфраструктуры играют важную роль в развитии российской экономики по причине обширной территории страны и больших расстояний между центрами производства и центрами потребления [1]. Повышение эффективности может, с одной стороны, привлечь дополнительные транзитные грузопотоки, а с другой – повысить конкурентоспособность российской экономики и потенциал для привлечения дополнительных инвестиций. Одним из препятствий к росту эффективности перевозок являются происшествия на железнодорожном транспорте, которые замедляют его работу и ведут к дополнительным потерям при перевозках. Последствия от происшествий можно ослабить, если повысить качество их расследования и сократить время его проведения.

Повышения качества и сокращения сроков расследования можно добиться привлечением компетентных специалистов и автоматизацией отдельных его этапов [2]. Одним из подходов здесь является технология экспертных систем (ЭС). Подобные системы содержат в себе высокопрофессиональные знания и позволяют принимать решения или, как минимум, выдвигать и проверять рабочие версии по соответствующему вопросу [3, 4].

Важным применением ЭС может стать обучение соответствующих специалистов [5, 6].

1. Описание предметной области. Железная дорога в широком смысле – это комплексное предприятие, располагающее всеми техническими средствами, обслуживаемыми специалистами, осуществляющими эксплуатацию этих средств и организующими перевозки пассажиров и грузов [1]. Железная дорога в узком смысле – это дорога с рельсовыми путями, предназначенная для передвижения железнодорожного подвижного состава. Сюда входит оборудованная рельсами полоса земли либо поверхности искусственного сооружения (тоннель, мост, эстакада), которые используются для движения рельсовых транспортных средств.

Железные дороги разделяются на магистральные, промышленные (подъездные пути предприятий и организаций) и городские (метрополитен, трамваи). По числу путей они делятся на одна-, двух- и многопутную. Прибытие подвижного состава на станцию или отправление со станции, контроль его передвижения, составление расписания подвижного состава, регулировка скорости поезда и т.д. требуют большой ответственности целой команды специалистов. Сложность этой системы приводит к тому, что, к сожалению, на железнодорожном транспорте иногда происходят чрезвычайные происшествия. Они обусловлены разными причинами и разделяются (классифицируются) на [7]:

• столкновения поездов или железнодорожного подвижного состава с другими поездами или подвижным составом;
• сходы поездов (на перегоне или железнодорожной станции);
• столкновения с автотракторной техникой;
• происшествия при перевозке опасных грузов;
• развал грузов;
• прием или отправление поезда по неготовому маршруту;
• проезд запрещающего сигнала светофора или предельного столбика;
• приём поезда на занятый путь или отправление на занятый перегон;
• разрушение конструкционных элементов вагона или состава (излом оси, осевой шейки или колеса, излом боковины или надрессорной балки тележки вагона, обрыв хребтовой балки подвижного состава);
• несанкционированное движение по железнодорожным путям транспортного средства или столкновение железнодорожного подвижного состава с транспортным средством вне установленного железнодорожного переезда;
• перевод стрелки под железнодорожным подвижным составом;
• ложное появление на светофоре разрешающего показания сигнала вместо запрещающего или появление более разрешающего показания сигнала вместо показания, требующего продолжения следования поезда с уменьшенной скоростью;
• и т.д.

Одним из наиболее распространённых происшествий является сход [8, 9]. Сходом железнодорожного подвижного состава называется событие, при котором хотя бы одно колесо сошло с головки рельса и для его постановки на рельс требуется применение подъемных средств и (или) приспособлений [10]. Сходы делятся (классифицируются) на следующие виды [8]:

1. Сход из-за распора колеи. Это уширение колеи от её нормы (1520мм +8;-4). Если колея будет больше, а поезд поедет по установленной скорости равной 60-80 км/ч, то колеса подвижной состав могут сойти на середину пути.
2. Сход из-за выжимания экипажа. Экипаж – это нижняя часть вагона, локомотива, тележки и т.д., т.е. всего, что ниже кузова. Часто выжимание экипажа происходит из-за неправильно сформированного состава, когда груженные вагоны ставят в хвост, а порожние в голову.
3. Сход из-за недопустимого горизонтального поперечного искривления (сдвига) колеи колесами «шальной» тележки при торможении поезда или из-за ее температурного выброса. Этот сход характер для летнего сезона. Есть стыковой и бесстыковой путь и есть температурные рельсовые зазоры. Допустимая норма рельсовых зазоров 20-22 мм. Если в рельсовом стыке возник слепой зазор, т.е. нарушились допустимые нормы, происходит выброс рельса; соответственно, идет уширение колеи и дальнейший сход подвижного состава.
4. Сход из-за излома рельса. Излом рельса характерен для низких температур, когда зазор превышает 26-28 мм. В этом случае либо разрывает сам стык, либо рельс в любой его части.
5. Сход из-за накатывания на неприлегающее к рамному рельсу остриё остряка стрелочного перевода, подрезанного гребня «шальной» тележки и всползания гребня на рамный рельс и остряк. Если остряк стрелочного перевода, прилегание которого к рамному рельсу не должно превышать 4 мм, неплотно прилегает к рельсу, то может произойти сход. В холодное время года это может случится при налипании льда, летом – при попадании грязи, которая вовремя не убирается. Происшествие в основном характерно для т.н. «противошерстного» движения, когда колёса едут на остряк.
6. Сходы в кривых из-за избыточного возвышения наружного рельса. Кривая лежит под углом и имеет внутренний и наружный рельс. Если наружный рельс возвышается над внутренним более 75 мм, то может произойти два развития событий: либо колесная пара уйдет в сторону наружного колеса кривой, либо гребень колеса наткнется на головку рельса.

Сход железнодорожного подвижного состава также разделяется на:

1. Сход на перегонах: данный тип схода относят к авариям на железнодорожном транспорте, т.к. заваливается состав на перегоне, перекрываются пути и приходится восстанавливать их, что влечет за собой материальный ущерб. Это наиболее редкие сходы.
2. Сход на станциях: происходит, когда состав выезжает/въезжает на станцию, а также на самой станции, при маневровых работах. В данном случае состав не заваливается, а сходит тележка, которую необходимо затащить. Эти сходы наиболее часто встречаются там, где есть сортировочно-подгоночные парки.

К сходу железнодорожного подвижного состава приводят разные факторы: нарушения технологии загрузки/разгрузки вагона, особенности маршрута, несвоевременный перевод стрелки, сейсмические события и др. Но основные факторы, влияющие на сход, – это состояние пути и технические параметры вагона [9] (иные причины, вроде столкновения поездов, столкновения с автотракторной техникой, теракт, неуправляемое движение и т.д. здесь не рассматриваются, т.к. это отдельные виды происшествий, требующие своего расследования).

2. Экспертная система анализа происшествий на железнодорожном транспорте. Предназначение предлагаемой ЭС – консультирование по причинам возникновения схода; также она может способствовать повышению квалификации работников железнодорожного транспорта и иных лиц, привлекаемых к расследованию. Главным достоинством ЭС является возможность неограниченного накопления и хранения знаний в системе. В качестве экспертов, при помощи которых будут накапливаться знания в БЗ, выступает ревизорский аппарат, состоящий из ревизоров службы движения, электроснабжения, инфраструктуры, СЦБ и связи, а также ревизора локомотивной бригады. Могут привлекаться и иные лица, имеющие опыт расследований.

Основными функциональными возможностями ЭС являются:

• проверка гипотез о причине возникновения происшествий;
• прогнозирование возможности происшествий на основе имеющихся факторов;
• сохранение опыта специалистов путём занесения его в БЗ.

В связи с тем, что БЗ должна быть расширяемой (это позволит ЭС оставаться открытой для усовершенствования и обновления информации), целесообразно выбрать продукционную модель знаний, главным качеством которой является простота редактирования БЗ.

Функционировать ЭС должна как в режиме консультанта: помогать в поиске причин и факторов возникновения происшествия и формировать рабочие гипотезы, так и в режиме приобретения знания: пополнять свою БЗ за счет новых фактов и правил, полученных от экспертов и из специальной литературы.

3. Проектирование базы знаний. Необходимым компонентом ЭС является БЗ, которая содержит в себе модель предметной области. БЗ должна быть структурирована и специальным образом представлена [11]. Наиболее подходящей формой представления знаний для выбранной предметной области является продукционная, в основе которой лежит конструкция «Если…, то…». При этом левая часть правила продукции (антецедент) здесь может содержать связки И, ИЛИ, НЕ, а также скобки. С точки зрения авторов это облегчает восприятие БЗ и сокращает её объём.

Основным достоинством продукционной модели знаний является простота модификации БЗ, построенной на её основе. Единицы знаний таких БЗ интуитивно понятны, легко дополняются новыми, могут удаляться, переписываться, и все это - не затрагивая других единиц знаний. Важное условие здесь – сохранение непротиворечивости системы знаний. Противоречие может сделать систему неработоспособной в соответствующих ситуациях или ослабит доказательную силу знаний (при правдоподобном выводе). Существуют и другие сложности [12-15]. Однако это не снижает общий интерес к подобным моделям. Вопросы, связанные с поиском и устранением противоречий БЗ в рамках используемой далее семантики достаточно подробно изложены в [16, 17].

Одним из практичных способов, с помощью которого в БЗ могут формироваться единицы знаний, взаимосвязи предметной области, является диаграмма Исикавы. Это графический метод отображения и анализа причинно-следственных связей, который позволяет систематизировать причины тех или иных событий в виде специального графического представления, называемого «рыбья кость» [18]. Диаграмма наглядно отражает основные причинно-следственные связи предметной области и легко преобразуется в набор продукций. И диаграммы, и БЗ потом можно дополнять, развивая систему. Их использование здесь позволило визуализировать и систематизировать БЗ, облегчив её наполнение.

Для того, чтобы при помощи диаграммы Исикавы сформировать БЗ, необходимо сгруппировать транспортные происшествия на железной дороге. В [8] причины схода были разбиты на 5 групп, представленных на рисунке 1. Это:

• путь;
• вагоны;
• станция;
• локомотивная бригада;
• электрика.

Эти группы, в свою очередь, разбиваются на подгруппы для более детального анализа ситуации, что способствует наполнению БЗ новыми правилами. Для примера, разобьем на подгруппы группу причин «Путь». На рисунке 2 представлена относительно детализированная диаграмма «Сход состава с рельсов из-за неисправностей пути» [19].

Видно, что группа причин «Путь» разбивается на такие подгруппы, как [20-22]:

• шпалы (рисунок 3);
• изломы рельса (фрагмент ветви представлен на рисунке 4);
• стрелочный перевод и другие.

 

Рис.1. Диаграмма Исикавы «Причины схода состава с рельсов»

 

Рис. 2. Диаграмма Исикавы «Сход состава с рельсов из-за пути»

 

Рис. 3. Диаграмма Исикавы «Сход состава с рельсов из-за шпал»

 

Рис. 4. Диаграмма Исикавы «Сход из-за излома рельса»

 

Аналогичным образом детализируются также такие причины, как «Сход состава с рельсов из-за неисправностей вагона», «Сход по вине локомотивной бригады», и так далее [19, 23, 24]. Например, группа причин «Вагоны» разбивается на такие подгруппы, как [25-29]:

• колесная пара;
• колесо;
• ось колесной пары;
• тележка вагона;
• кузов или рама полувагона;
• тормозное оборудование.

Источниками знаний для построения диаграмм выступают эксперты и документы. Например, для вагонов это РД 32 ЦВ 062-99 «Типовой технологический процесс работы пункта технической передачи вагонов в составе ПТО станции и контроля за сохранностью вагонного парка» [30] и 808-2017 ПКБ ЦВ «Инструкция по техническому обслуживанию вагонов в эксплуатации (Инструкция осмотрщику вагонов)» [31]. В этих документах описаны организация работ по контролю за сохранностью вагонов предприятия, правила технического обслуживания вагонов, перечень неисправностей элементов вагона, а также приведены показатели контролируемых величин элементов вагона, показывающих, в каких приделах допустимы дефекты элементов вагона.

Пример диаграммы «Сход из-за колесной пары» представлен на рисунке 5.

 

Рис. 5. Диаграмма Исикавы «Сход из-за колесной пары»

 

Хорошим вариантом для первоначального заполнения БЗ будет разбиение каждой группы причин как минимум на 3-5 подгруппы и формирование диаграммы для каждой подгруппы. Таким образом, получается до 5 групп причин, которые, в свою очередь, разбиваются на 4-6 подгрупп, каждая из которых содержит как минимум 3-4 категории факторов, состоящих из 2-6 факторов схода. В результате получаем минимальное число правил для БЗ, которых будет достаточно для первоначального функционирования ЭС. Всего при разработке ЭС использовались восемнадцать диаграмм, каждая из которых при необходимости может быть развита и дополнена. Соответственно расширяется и БЗ. На данный момент ЭС содержит 684 факта и 431 правило.

4. Реализация БЗ ЭС. Для разработки прототипа ЭС и его БЗ была выбрана система моделирования правдоподобных рассуждений «Гераклит 2.Х», которая предназначена для разработки и эксплуатации декларативных баз знаний в различных предметных областях [32]. В системе используется продукционная модель знаний. Левая часть продукций (антецедент) может содержать скобочные выражения со связками И, ИЛИ, НЕ. Правая (консеквент) бесскобочная; допускает связки И, НЕ, либо ИЛИ, НЕ (связка ИЛИ по известным причинам в консеквенте нежелательна и в разрабатываемом прототипе не используется, однако инструментальная система такие связки обрабатывает). БЗ в «Гераклит 2.Х» реализована как реляционная база данных, состоящая из набора взаимосвязанных таблиц. Система таблиц включает:

• таблицу фактов (facts);
• таблицу узлов продукций (rulatt);
• таблицу частей ЕСЛИ продукций (rulif), содержащую ссылки на соответствующие факты и узлы продукций;
• таблицу частей ТО продукций (rulthen), содержащую ссылки на соответствующие факты и узлы продукций;
• таблицу частей ИНАЧЕ продукций (rulelse), содержащую ссылки на соответствующие факты и узлы продукций.

В системе реализуется присоединённый вывод: каждый шаг вывода сопровождается расчетом истинности заключения на основе истинностей посылок. Это позволяет, как в диалоге с пользователем, так и в диалоге с экспертом, обрабатывать ситуацию неполной уверенности. Кроме того, в системе используется векторная модель истинности (векторная семантика), обеспечивающая работоспособность машины вывода в условиях неполноты и противоречивости данных: входных фактов и правил. Причём компоненты вектора истинности могут иметь интервальные значения:

$\left|\left|a\right|\right|=\left[a_{min}^{+},a_{max}^{+}\right];\left[a_{min}^{-},a_{max}^{-}\right]$

где: $a_{min}^{+},a_{max}^{+},a_{min}^{-},a_{max}^{-}\in \left[\mathrm{0,1}\right]$ (для удобства шкала [0, 1] преобразована в целочисленную шкалу 0÷100).

Подобное представление истинности позволяет, в частности, работать со связкой ИЛИ в правой части и выявлять противоречия в БЗ [16, 17, 32]. Частными случаями этой формализации являются строгое (классическое) и нечёткое (fuzzy) представления, что позволяет системе работать и с более привычными семантиками.

Продукции обрабатываются таким образом, чтобы обеспечить накопление истинности для антецедента продукции до того, как соответствующая продукция активизируется. Диалог при этом осуществляется за один проход БЗ (в этом смысле она похожа на миварные ЭС, описанные, к примеру, в [33-35]). Важным условием для этого является отсутствие в БЗ логических кругов.

Вывод в системе может быть пошаговый (гипотезы формируются по мере ответов на вопросы) и фронтальный (гипотезы формируются после ответов на все вопросы). Сама инструментальная система позволяет реализовывать прямой и обратный выводы, но по умолчанию предустановлен прямой пошаговый вывод. Для этого БЗ дополняется продукционными правилами выбора проверяемой гипотезы:

ЕСЛИ Проверяем гипотезу i, ТО Проверяемая гипотеза i.

Как следует из рисунка 1, гипотез здесь пять:

1. Возможная причина схода – путь (рисунки 2-4 и рисунок 6).
2. Возможная причина схода – вагоны.
3. Возможная причина схода – локомотивная бригада.
4. Возможная причина схода – станция.
5. Возможная причина схода – электрика.

 

Рис. 6. Первоначальный вопрос для рассмотрения группы вопросов

 

Внутри каждой гипотезы факты группируются в ветви. К примеру, гипотеза «Путь» состоит из ветвей (рисунок 2):

1. Стрелочный перевод.
2. Изломы.
3. Выброс пути.
4. Шпалы.
5. Сдвиг пути под воздействием боковых сил поезда.

Пример начала диалога приведён на рисунке 6.

По каждой из гипотез также можно проверять не все ветви, а лишь те, которые требуют внимания. Достигается это с помощью правил вида:

ЕСЛИ Проверяемая гипотеза i И Проверяем ветвь ij, ТО Проверяемая ветвь ij.

Точно так же обрабатываются и все под-ветви, если они имеются. На нижнем уровне находятся правила вида:

ЕСЛИ Проверяемая ветвь ij…k И (Признак1 ИЛИ … ИЛИ ПризнакN), ТО Результат.

Например, как в данном случае:

ЕСЛИ

   Проверяем состояние стрелочного перевода

   .И.(На стрелочном переводе наблюдаются выплески

   .ИЛИ.На стрелочном переводе наблюдаются перекосы

   .ИЛИ.На стрелочном переводе наблюдаются просадки)

ТО

   Неисправен стрелочный перевод <[100, 100];[0, 0]>

Признаки здесь – это инструментально проверяемые обстоятельства схода. При необходимости признаки могут участвовать и в правилах верхних уровней.

Результатом диалога выступает гипотеза или любая из её ветвей/под-ветвей в зависимости от организации знаний. В рассматриваемой ЭС итоговыми заключениями выступают ветви (рисунок 7).

Следует обратить внимание, что высказывания, отвечающие невыбранным вариантам (гипотезам, ветвям/подветвям, признакам), в рамках модели (1) имеют интервальные значения истинности $\left|\left|a\right|\right|=\left[\mathrm{0,0}\right];\left[\mathrm{0,0}\right]$ – «неопределённость» и в выводе не участвуют (как не участвуют в нём высказывания с истинностью $\left|\left|a\right|\right|=\left[\mathrm{0,0}\right];\left[\mathrm{1,1}\right]$ – «строгая ложь») [32, 36].

Факты и правила в ЭС объединены в вычислительную сеть - двудольный граф – с двумя типами вершин: факты и продукции (гипотезы также рассматриваются как факты, но конечные, не входящие в левую часть ни одного из правил); вывод представляет собой вычисление на этой сети [32]. Это избавляет от необходимости использовать в машине вывода т.н. «рабочую память» для хранения активных фактов и правил и обеспечивает вывод за один проход БЗ (похожий приём используется и в упомянутом миварном подходе к разработке ЭС).

После того как пользователь ответит на все выбранные им вопросы, ЭС выведет полученные результаты (рисунок 7).

Выбор предпочтительной гипотезы осуществляется на основе лексикографического порядка: достоверность-определённость. Остальные показатели являются частью вывода системы и здесь носят вспомогательный характер.

Если выбранная версия не подтверждается, в окне с результатами диалога появляется соответствующее сообщение (рисунок 8). Подсистема объяснений («Почему?») предоставит ход рассуждений, приведших к результату.

Если на каких-то этапах пользователь неуверенно отвечал на вопросы или эксперт был не до конца уверен в тех или иных правилах, а также, возможно, поступали противоречивые сведения, ответ ЭС отразит это обстоятельство (рисунок 9).

Наконец, если эксперт хочет проверить другую гипотезу, рассуждения проводятся для неё аналогичным образом. Кроме того, как говорилось выше, можно проверять сразу несколько возможных гипотез и/или несколько ветвей в их составе; число задаваемых вопросов при этом возрастает.

 

Рис. 7. Заключение системы при положительном исходе диалога по ветке «Возможная причина схода – путь»

 

Рис. 8. Заключение системы при отсутствии подтверждающих фактов

 

Рис. 9. Пример заключения при неуверенных ответах на вопросы или небесспорных правилах

 

Заключение. В работе рассмотрен один из подходов к разработке продукционной экспертной системы по анализу происшествий на железнодорожном транспорте. Обсуждаются этапы и особенности разработки её базы знаний и организации диалога. Прототип ЭС разработан только для анализа сходов, но принятая в ней (продукционная) модель знаний позволяет относительно легко расширить БЗ и на другие причины происшествий.

Система реализована в среде Гераклит 2.Х, использующей вывод на основе логик с векторной семантикой, которые позволяют работать как с достоверной, так и с нечёткой, неопределённой и противоречивой информацией.

Об авторах

Елизавета Вячеславовна Подобедова

Иркутский государственный университет путей сообщения

Email: podobedova1998@mail.ru
SPIN-код: 9296-4330

магистрант кафедры Информационные системы и защита информации Иркутского государственного университета путей сообщения

Россия, Иркутск

Марина Сергеевна Жукова

Иркутский государственный университет путей сообщения

Email: marino_@mail.ru
SPIN-код: 6502-4350

старший преподаватель кафедры Информационные системы и защита информации Иркутского государственного университета путей сообщения

Россия, Иркутск

Леонид Вадимович Аршинский

Иркутский государственный университет путей сообщения

Автор, ответственный за переписку.
Email: larsh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5135-7921
SPIN-код: 9286-4084

д.т.н., доцент, профессор кафедры Информационные системы и защита информации Иркутского государственного университета путей сообщения

Россия, Иркутск

Список литературы

Дополнительные файлы