銀星茜 盛健 彭曼 王亞?wèn)|

摘 要：整流器作為軌道交通供電系統(tǒng)的一部分，可將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，其運(yùn)行狀態(tài)與供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接相關(guān)。為提高整流器的安全運(yùn)行及整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)其溫度進(jìn)行建模，能實(shí)時(shí)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及其變化趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備的異常運(yùn)行狀態(tài)給出有效預(yù)警。

關(guān)鍵詞：整流器；軌道交通；機(jī)器學(xué)習(xí)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0013-02

整流器（Rectifier）是一個(gè)整流裝置，可將交流（AC）轉(zhuǎn)化為直流（DC）。作為軌道交通供電系統(tǒng)的一部分，整流器的運(yùn)行狀態(tài)與供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接相關(guān)。傳統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)需求，但該方式僅能獨(dú)立展示設(shè)備特征的變化情況，無(wú)法描述特征間的相互影響關(guān)系。與此同時(shí)，該方式必須在設(shè)備狀態(tài)評(píng)判指標(biāo)超過(guò)閾值后才能判別設(shè)備狀態(tài)的好壞。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的整流器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法以設(shè)備真實(shí)溫度值為狀態(tài)評(píng)判指標(biāo)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建設(shè)備溫度模型，并使用該模型對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)分析與建模

在對(duì)整流器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前需要對(duì)設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，建立設(shè)備電流、功率、環(huán)境變量等屬性特征與設(shè)備真實(shí)溫度間的模型。

1.1 設(shè)備數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析探索主要對(duì)設(shè)備的特征屬性進(jìn)行單變量分析與雙變量分析。通過(guò)計(jì)算變量的均數(shù)、分位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等以了解變量的分布特征。通過(guò)散點(diǎn)圖、折線(xiàn)圖與相關(guān)系數(shù)了解目標(biāo)變量與自變量、自變量與自變量之間的相關(guān)關(guān)系。

1.2 設(shè)備數(shù)據(jù)建模

本研究采用成熟度較高、應(yīng)用廣泛的方法，如Lasso regression、嶺回歸（Ridge regression）、隨機(jī)森林（Random Forest）、梯度提升決策樹(shù)（GBDT）等進(jìn)行建模。模型的選取標(biāo)準(zhǔn)以工程化應(yīng)用為目標(biāo)，最終選取設(shè)備溫度預(yù)測(cè)值與溫度真實(shí)的殘差絕對(duì)值在±2℃內(nèi)準(zhǔn)確率最高的模型。

2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

整流器的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程可分為三大流程。首先，從數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)提取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；其次，對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)傳遞給模型進(jìn)行預(yù)測(cè)；最后，對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)估設(shè)備狀態(tài)。

2.1 數(shù)據(jù)提取

在對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，從Hbase數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電流、有功功率、設(shè)備溫度、環(huán)境溫濕度等屬性數(shù)據(jù)。

2.2 溫度實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)

由于電流變化波動(dòng)較大，直接使用電流進(jìn)行預(yù)測(cè)會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果波動(dòng)較大。因此在進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)前需要對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，再通過(guò)特征工程構(gòu)造新特征。具體如下：

（1）采用非對(duì)稱(chēng)局部加權(quán)回歸散點(diǎn)平滑法（LOWESS）對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。該方法將需平滑數(shù)據(jù)區(qū)間[x1， x2]映射成[-1，1]區(qū)間內(nèi)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，并將計(jì)算結(jié)果帶入權(quán)值函數(shù)W（式（1）），再使用加權(quán)回歸模型（式（2））得出平滑后的電流值，其中I為電流實(shí)際值。

（1）

（2）

（2）構(gòu)造電流衍生變量。針對(duì)電流數(shù)據(jù)構(gòu)造其衍生變量，衍生變量類(lèi)型包含電流平方值、立方值、平滑電流平方值、平滑電流立方值，一段時(shí)間內(nèi)的電流平方、立方累計(jì)值等。

（3）采用z-score法對(duì)變量進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，消除數(shù)據(jù)量綱的影響。

2.3 狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

模型構(gòu)建以工程化應(yīng)用為目標(biāo)，需實(shí)時(shí)甄別設(shè)備溫度與電流是否按正常規(guī)律變化，為避免程序誤報(bào)，在模型預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上使用區(qū)間判斷法評(píng)估設(shè)備的整體狀態(tài)。具體流程與步驟如下：

（1）計(jì)算當(dāng)前設(shè)備預(yù)測(cè)溫度與真實(shí)溫度的殘差絕對(duì)值，當(dāng)殘差絕對(duì)值大于設(shè)定的閾值時(shí)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估程序開(kāi)始啟動(dòng)；

（2）對(duì)后續(xù)N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)其中n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差絕對(duì)值大于閾值時(shí)，設(shè)備狀態(tài)信息Tp加1；

（3）重復(fù)步驟（2），當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)p個(gè)區(qū)間均出現(xiàn)n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的殘差絕對(duì)值大于等于閾值（即Tp=p），則備預(yù)警信息Tw加1。若其中某一區(qū)間內(nèi)殘差絕對(duì)值不滿(mǎn)足條件時(shí)，則Tp與Tw數(shù)值清零。返回步驟（1），重新開(kāi)始監(jiān)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將本方法運(yùn)用于某軌道交通供電系統(tǒng)的整流器設(shè)備。首先，對(duì)歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析建模。其次，將模型部署到現(xiàn)場(chǎng)，提取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。最終進(jìn)行模型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的設(shè)計(jì)功能。數(shù)據(jù)集屬性，如表1所示。

3.1 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

整流器的三相電流相關(guān)系數(shù)在均在0.95以上，因此在做電流與其他變量間的相關(guān)性分析時(shí)僅選擇A相電流作為研究對(duì)象。對(duì)設(shè)備各觸點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中“觸點(diǎn)2實(shí)時(shí)值”出現(xiàn)最高溫度值的概率最大。電流、功率以及環(huán)境溫濕度與設(shè)備溫度的相關(guān)性均在0.6及以上。變量相關(guān)系數(shù)，如表2所示。

3.2 數(shù)據(jù)建模結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，模型最終以A相電流、有功功率、環(huán)境溫濕度及其衍生變量，共20個(gè)變量作為自變量，以設(shè)備溫度作為因變量進(jìn)行建模。各模型均取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，通過(guò)電流、有功功率、環(huán)境溫濕度及其衍生變量能較好的預(yù)測(cè)出設(shè)備溫度。

其中，嶺回歸模型的MSE最小，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與溫度真實(shí)值的差值在2℃內(nèi)的準(zhǔn)確度為100%。模型效果表，如表3所示。

3.3 模型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在理論模擬測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)模型開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖1所示。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，尚未進(jìn)行試驗(yàn)前整流器數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)溫度能較好的貼合實(shí)測(cè)溫度。開(kāi)展試驗(yàn)開(kāi)始后，模型預(yù)測(cè)溫度不隨測(cè)點(diǎn)受熱升高而升高，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度與預(yù)測(cè)溫度大于2℃并持續(xù)一定時(shí)間后，模型給出預(yù)警信息。實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了模型設(shè)計(jì)的功能性，即通過(guò)構(gòu)建設(shè)備溫度模型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，能有效判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的整流器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建溫度模型，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為設(shè)備狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。下一步工作重點(diǎn)將對(duì)該監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究與優(yōu)化，提升整流器溫度模型的精準(zhǔn)度。

參考文獻(xiàn)

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