李　鵬，范三龍（南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司，江蘇南京210032）

專論與綜述

基于分層推理架構(gòu)的牽引變電站智能報(bào)警專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鵬，范三龍
（南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司，江蘇南京210032）

針對(duì)當(dāng)前牽引變電站監(jiān)控系統(tǒng)在站域分析方面的不足，提出了一種基于分層推理架構(gòu)的牽引變電站智能報(bào)警專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)；闡述了該設(shè)計(jì)方案中的分層推理架構(gòu)、離散事件比對(duì)、規(guī)則條件延時(shí)觸發(fā)和返回、全景信息自動(dòng)收集等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；該設(shè)計(jì)方案在多個(gè)智能牽引變電站中的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性和高效性。

分層推理；專家系統(tǒng)；智能告警；智能牽引變電站

1　可編輯公式處理層與規(guī)則模式匹配層相結(jié)合的分層推理架構(gòu)

智能報(bào)警專家系統(tǒng)由在線分析主程序、知識(shí)（規(guī)則）數(shù)據(jù)庫(kù)及離線配置工具組成，其數(shù)據(jù)流程如圖1所示。當(dāng)牽引變電站監(jiān)控系統(tǒng)采集的遙信、遙測(cè)等實(shí)時(shí)量和保護(hù)動(dòng)作、裝置告警等離散事件信息作為輸入對(duì)象進(jìn)入專家系統(tǒng)的輸入對(duì)象隊(duì)列后，一方面可經(jīng)過智能告警模塊的篩選，根據(jù)對(duì)象的屬性和嚴(yán)重緊急程度，被劃分為普通提示、檢修、告警、事故與變位等類型信息，分別在系統(tǒng)報(bào)警界面上分視圖、分間隔顯示，可顯著降低運(yùn)行值班人員的工作強(qiáng)度［2，3］；另一方面，經(jīng)由可編輯公式處理層處理，根據(jù)計(jì)算結(jié)果觸發(fā)事實(shí)（中間）對(duì)象，后者可作為前提條件繼續(xù)經(jīng)由規(guī)則模式匹配層處理，最終完成規(guī)則匹配、得出診斷結(jié)論。

圖1　數(shù)據(jù)流程

可編輯公式處理層可通過編寫公式腳本的方式靈活地支持對(duì)各種輸入信息進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和函數(shù)運(yùn)算，允許組合、嵌套、條件選擇及遞歸處理，如支持以下運(yùn)算類型和處理：

（1）代數(shù)運(yùn)算，包括加（+）、減（-）、乘（*）、除（/）、冪（^）、取絕對(duì)值（abs）、取反（neg）和開方（sqrt）；

（2）按位運(yùn)算，包括與（&）、或（|）、非（～）；

（3）三角運(yùn)算，包括sin、cos、tg、ctg、acsin、accos、actg和acctg；

（4）邏輯運(yùn)算，包括與（&&）、或（||）、非（?。?、大于（>）、大于等于（≥）、小于（<）、小于等于（≤）、等于（=）、不等于（<>）；

（5）括號(hào)（），優(yōu)先級(jí)選擇；

（6）關(guān)鍵字if…then…else…，條件選擇。

1.1.4 穗頸瘟。該病是水稻比較常發(fā)的病害，主要發(fā)生在穗頸節(jié)上，俗稱鬼捏脖子，病斑呈灰黑色或淺褐色。一般受到氣候條件的影響，容易出現(xiàn)這種病害。通常穗頸節(jié)慢慢壞死，阻斷養(yǎng)分的輸送，后期形成白穗子或者癟穗。秧苗染病后，病菌不斷繁殖擴(kuò)散，造成很大程度的減產(chǎn)。

可編輯公式處理層具有極高執(zhí)行效率，所有編輯好的公式腳本只需在專家系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行一次編譯、校驗(yàn)并生成可執(zhí)行的代碼，不需要在每次公式計(jì)算時(shí)都進(jìn)行語法檢測(cè)；通過公式表、計(jì)算量表和計(jì)算量參數(shù)表等二維表的關(guān)聯(lián)映射，每個(gè)公式腳本都可以應(yīng)用于任意多項(xiàng)實(shí)際的運(yùn)算處理，不需要由于運(yùn)算對(duì)象的不同而重復(fù)定義；每次公式的運(yùn)算結(jié)果即可直接觸發(fā)事實(shí)（中間）對(duì)象進(jìn)入規(guī)則模式匹配層的處理，也可以作為中間結(jié)果參與下一個(gè)公式運(yùn)算。

規(guī)則模式匹配層的推理引擎設(shè)計(jì)采用類LEAPS（Lazy Evaluation Algorithm for Production Systems）算法［4］。通過將事實(shí)對(duì)象作為更新元素附加時(shí)間戳（timestamp）后壓入元素堆棧緩存，以棧頂元素作為主導(dǎo)對(duì)象，匹配所有相關(guān)規(guī)則中的條件，若滿足則激活該條規(guī)則，當(dāng)所有的相關(guān)規(guī)則被匹配一遍后，將該元素從堆棧中彈出，并將堆棧中下一個(gè)元素選作主導(dǎo)對(duì)象繼續(xù)執(zhí)行上述匹配過程，如此循環(huán)直至元素堆棧為空。LEAPS算法的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)規(guī)則元組的惰性計(jì)算，即僅當(dāng)必要時(shí)才進(jìn)行規(guī)則元組的實(shí)例化，這一改進(jìn)顯著地減少了規(guī)則前向推理引擎的時(shí)空復(fù)雜度，極大地提升了執(zhí)行速度，優(yōu)于規(guī)則匹配中常用的Rete［5］和Treat［6］算法。另外，規(guī)則模式匹配層對(duì)每個(gè)規(guī)則條件都可保存匹配過程中相關(guān)觸發(fā)對(duì)象的初始狀態(tài)信息和索引，當(dāng)規(guī)則激活給出分析結(jié)論的同時(shí)，可迅速收集、記錄相關(guān)的全景信息。

通過運(yùn)用“分層”思想，各種復(fù)雜的推理邏輯均可劃分為可通過公式腳本靈活表示的處理和需要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則模式匹配的處理兩部分，分別進(jìn)行推理，這樣做的好處是層次明確、邏輯清晰、易于理解，也降低了推理引擎的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度?？删庉嫻教幚韺优c規(guī)則模式匹配層相結(jié)合的分層推理架構(gòu)，為專家系統(tǒng)推理機(jī)制的擴(kuò)展也提供了極大的靈活性和便捷性，如可通過編寫公式腳本，依照不同的隸屬度模型，給輸入（中間）對(duì)象賦予相應(yīng)的權(quán)值，并通過閥值（匹配度）判斷規(guī)則是否滿足生效，即可實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則推理［7-9］。

2　帶有效時(shí)限的離散事件動(dòng)態(tài)比對(duì)方法

當(dāng)牽引變電站供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生事故或異常時(shí)，往往短時(shí)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)連續(xù)的、存在內(nèi)部關(guān)聯(lián)性的事件或狀態(tài)變化信號(hào)。準(zhǔn)確識(shí)別、綜合分析這些關(guān)聯(lián)事件和信號(hào)，是正確診斷供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生何種事故與異常的關(guān)鍵所在。而變電站監(jiān)控系統(tǒng)采集的突發(fā)保護(hù)動(dòng)作、裝置告警、刀閘狀態(tài)變化等離散事件信息很繁雜，其前后次序和時(shí)標(biāo)往往不一致，為了實(shí)現(xiàn)前后關(guān)聯(lián)事件的有效判斷，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并提供了一種可靈活配置、帶有效時(shí)限的離散事件動(dòng)態(tài)比對(duì)方法：對(duì)具體的突發(fā)離散事件可按類型或點(diǎn)號(hào)預(yù)設(shè)對(duì)應(yīng)的有效時(shí)限，從其發(fā)生時(shí)刻起開始計(jì)時(shí)，只有處在有效時(shí)限內(nèi)的事件才參與規(guī)則的匹配分析，如圖2所示，只要當(dāng)規(guī)則條件對(duì)應(yīng)的所有事件對(duì)象均在有效時(shí)限內(nèi)，即出現(xiàn)規(guī)則的“有效時(shí)間窗”時(shí)，規(guī)則才匹配成功。

通過采用可靈活配置、帶有效時(shí)限的離散事件動(dòng)態(tài)比對(duì)方法，可以對(duì)單個(gè)或特定類型離散事件的時(shí)域有效性進(jìn)行定制、精確處理，更有效地實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)分析，既正確識(shí)別出有效事件和信號(hào)信息及時(shí)關(guān)聯(lián)、匹配規(guī)則，又避免過時(shí)、無效事件和信號(hào)信息的干擾。

圖2　帶有效時(shí)限的離散事件動(dòng)態(tài)比對(duì)

3　規(guī)則條件延時(shí)觸發(fā)和延時(shí)返回機(jī)制

為了更好地處理牽引變電站監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)采集的大量過程暫態(tài)信息，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并提供了規(guī)則條件的延時(shí)觸發(fā)和延時(shí)返回處理機(jī)制：對(duì)代表過程暫態(tài)信息的每一個(gè)輸入對(duì)象以及中間對(duì)象，均可配置為帶有時(shí)限門檻的觸發(fā)和復(fù)位處理方式，可根據(jù)推理邏輯的需要改變其時(shí)域特性來參與規(guī)則匹配；延時(shí)復(fù)位機(jī)制有助于對(duì)有用的過程暫態(tài)信息進(jìn)行定性分析，而延時(shí)觸發(fā)機(jī)制則可有效過濾掉過程暫態(tài)信息可能帶來的不必要干擾。

下面以一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例說明其運(yùn)用和實(shí)用價(jià)值：變電站內(nèi)一次斷路器若發(fā)生彈簧儲(chǔ)能故障將導(dǎo)致其控制回路斷線進(jìn)而嚴(yán)重影響運(yùn)行操作［10］，對(duì)此一種有效的監(jiān)視方法是，斷路器合閘后會(huì)有“彈簧未儲(chǔ)能”節(jié)點(diǎn)給出信號(hào)作為遙信上送監(jiān)控系統(tǒng)，正常工況下斷路器應(yīng)在20 s以內(nèi)儲(chǔ)能成功，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)信號(hào)也會(huì)自動(dòng)復(fù)位，但如果儲(chǔ)能異?；蚴。瑒t該節(jié)點(diǎn)信號(hào)會(huì)持續(xù)存在；針對(duì)此種情況，在該設(shè)計(jì)中可將“彈簧未儲(chǔ)能”節(jié)點(diǎn)遙信作為輸入對(duì)象，延時(shí)觸發(fā)一個(gè)名為“彈簧儲(chǔ)能故障或異常”的事實(shí)（中間）對(duì)象，時(shí)限門檻設(shè)為20 s，并添加對(duì)應(yīng)的規(guī)則處理；運(yùn)行時(shí)，正常合閘過程中“彈簧未儲(chǔ)能”信息不會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)報(bào)警界面里干擾值班人員的判斷，但當(dāng)出現(xiàn)故障或異常（“彈簧未儲(chǔ)能”節(jié)點(diǎn)信號(hào)持續(xù)超過20 s）時(shí)，“彈簧儲(chǔ)能故障或異?！笔录皩?duì)應(yīng)處理規(guī)則會(huì)立刻觸發(fā)激活，第一時(shí)間在系統(tǒng)報(bào)警界面里顯示并彈出，提醒值班人員注意和進(jìn)行相應(yīng)處理。

4　全景信息自動(dòng)收集機(jī)制

在牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的日常故障異常處理中，除了需要關(guān)注故障異常事件本身的參數(shù)信息以外，往往還需要收集事件反生前后的其他事件和狀態(tài)信息，甚至包括站內(nèi)不同設(shè)備、不同間隔的狀態(tài)信息，以利于整理故障分析報(bào)告和后續(xù)研究。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并提供了可配置的“事前”及“事后”相關(guān)全景信息的自動(dòng)收集整理功能：對(duì)于進(jìn)行故障異常分析的規(guī)則，除了規(guī)則結(jié)論中可通過格式化字符串形式來描述定性分析結(jié)果和專家處理建議之外，還可通過“規(guī)則關(guān)聯(lián)處理表”配置規(guī)則被激活時(shí)需要收集的信息清單，包括相關(guān)信息類別（事故變位、操作變位、事件順序記錄、遙控、遙測(cè)越限、遠(yuǎn)程終端通信狀態(tài)、裝置告警、保護(hù)事件、保護(hù)報(bào)告等）以及所屬裝置間隔的點(diǎn)號(hào)等，同時(shí)可指定關(guān)聯(lián)收集的起始時(shí)限（事前）和截至?xí)r限（事后）；當(dāng)運(yùn)行時(shí)規(guī)則匹配成功被激活后，專家系統(tǒng)在第一時(shí)間給出分析結(jié)果和建議的同時(shí)，會(huì)根據(jù)規(guī)則關(guān)聯(lián)收集配置從輸入對(duì)象列表中搜索從起始時(shí)限開始的相關(guān)信息條目，與規(guī)則分析結(jié)果一起，按時(shí)間的先后順序匯總為一份統(tǒng)一清單列表文檔，如在截至?xí)r限到來前還有新的相關(guān)信息出現(xiàn)，會(huì)陸續(xù)添加到該清單列表文檔中，最后在專家系統(tǒng)指定的歷史存檔目錄下保存為按“時(shí)標(biāo)_事件名稱.txt”命名的文檔；如若觸發(fā)規(guī)則的是保護(hù)裝置動(dòng)作事件，還將同時(shí)收集對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置的定值整定、保護(hù)壓板狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的錄波數(shù)據(jù)等一并保存。

5　工程應(yīng)用

基于該設(shè)計(jì)方案的智能報(bào)警專家系統(tǒng)，作為智能牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，已成功地在廣州鐵路（集團(tuán)）公司云溪變電所數(shù)字化項(xiàng)目、蘭州鐵路局蘭州北變電所數(shù)字化項(xiàng)目和福州地鐵一號(hào)線變電站項(xiàng)目等多個(gè)具體工程投入應(yīng)用。

以云溪變電所數(shù)字化項(xiàng)目為例，通過遵守IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，對(duì)牽引變電站涉及的設(shè)備與通信服務(wù)進(jìn)行功能建模、數(shù)據(jù)建模，并滿足應(yīng)用開放互操作性要求；同時(shí)在站控層將智能告警專家系統(tǒng)與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)無縫集成、一體化部署運(yùn)行，如圖3所示。

除了智能篩選告警以外，該專家系統(tǒng)從站域分析角度已實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)誤動(dòng)、越級(jí)跳閘以及主變壓器、斷路器故障等關(guān)鍵問題的識(shí)別與監(jiān)測(cè)，并提供了二次開發(fā)、自主升級(jí)接口和工具。從用戶使用反饋上看，該智能報(bào)警專家系統(tǒng)確實(shí)有助于降低運(yùn)行值班人員的工作強(qiáng)度，提升其工作成效。

6　結(jié)束語

文中所提出的智能報(bào)警專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過采用可編輯公式處理層與規(guī)則模式匹配層相結(jié)合的分層推理架構(gòu)、帶有效時(shí)限的離散事件動(dòng)態(tài)比對(duì)方法、規(guī)則條件延時(shí)觸發(fā)和延時(shí)返回機(jī)制、全景信息自動(dòng)收集機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)電量、狀態(tài)信號(hào)、報(bào)警、事件等各類信息統(tǒng)一、綜合處理，專家知識(shí)庫(kù)能夠靈活修改和擴(kuò)充，通過專家系統(tǒng)的智能告警和實(shí)時(shí)在線分析，能更加準(zhǔn)確、及時(shí)地輔助牽引變電站運(yùn)行維護(hù)人員正確地判斷事故和異常并處理，提升工作成效。同時(shí)可作為一項(xiàng)高級(jí)應(yīng)用與既有的牽引變電站監(jiān)控系統(tǒng)相集成，統(tǒng)一平臺(tái)部署、一體化運(yùn)行，具有處理實(shí)時(shí)性高，通用、適應(yīng)性強(qiáng)，可靈活配置和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。工程實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)方案是可行和高效的。當(dāng)然應(yīng)該看到，一個(gè)成功、優(yōu)秀的專家系統(tǒng)，除具有靈活、高效的推理機(jī)制以外，還需要在其產(chǎn)品生命周期內(nèi)不斷對(duì)專家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行更新、完善和豐富，不僅包括設(shè)備、系統(tǒng)廠家的專業(yè)知識(shí)，也應(yīng)吸收相關(guān)設(shè)計(jì)院所的最新研究成果及用戶的長(zhǎng)期運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)；此外，當(dāng)今已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，面對(duì)牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)所采集的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析的方法和手段進(jìn)行充分挖掘分析，也可以是變電站專家分析輔助系統(tǒng)進(jìn)一步提升、研究的方向。

［1］高松，劉志剛，徐建芳，等.基于模型診斷和專家系統(tǒng)的牽引變壓器故障診斷研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（7）：42-49.

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［3］董勤偉.變電站集中監(jiān)控告警信號(hào)在線處理專家系統(tǒng)［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［4］BATORY D.The LEAPS Algorithms［D］.Austin：The University of Texas，1994.

［5］FORGY C L.Rete：A Fast Algorithm for the Many Pattern/many Object Pattern Match Problem［J］.Artificial Intelligence，1982，19（1）：17-37.

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［8］馬項(xiàng)宇，范躍華.基于模糊理論的專家系統(tǒng)推理模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23（1）：51-56.

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An Intelligent Alarm Expert System Design for Traction Substation Based on Hierarchy Reasoning

LI Peng，F(xiàn)AN Sanlong
（Nanjing SAC Railway&Track Traffic Engineering Co.Ltd.，Nanjing 210032，China）

To improve the analysis ability of traction substation monitor system，an intelligent alarm expert system design for traction substation based on the hierarchy reasoning method is proposed.The key processes of the scheme，such as hierarchy reasoning，discrete event comparison，delay trigger and reset of rule condition，and automatic collection of panoramic information are illuminated.The proposed scheme is validated by the practical applications in several smart traction substations.

hierarchy reasoning；expert system；intelligent alarm；smart traction substation

TM63，TM76

A

1009-0665（2015）05-0001-03

李鵬（1977），男，貴州貴陽(yáng)人，工程師，從事牽引變電站綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)及支撐軟件研發(fā)；

范三龍（1971），男，河南焦作人，高級(jí)工程師，從事牽引變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

2015-04-10；

2015-05-27