王華偉，史天運(yùn)*，閆永利

(1.中國鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083；2.中國鐵路總公司工電部，北京100844)

0 引 言

鐵路運(yùn)輸設(shè)備是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是鐵路運(yùn)輸安全有序的可靠保證，鐵路機(jī)務(wù)、車輛、供電、工務(wù)、電務(wù)各專業(yè)分別建設(shè)了設(shè)備管理相關(guān)系統(tǒng)，已部分實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸設(shè)備的專業(yè)化管理.然而對于運(yùn)輸設(shè)備的統(tǒng)一管理和綜合評價(jià)還存在很大困難.管理單元是鐵路運(yùn)輸設(shè)備監(jiān)控、維修、管理及分析決策的基礎(chǔ)對象和基本單位，因此運(yùn)輸設(shè)備單元劃分合理與否，不僅會影響設(shè)備管理及決策分析的準(zhǔn)確性，而且會影響設(shè)備的檢修和維護(hù)工作效率.

因此，需要結(jié)合運(yùn)輸設(shè)備特點(diǎn)和管理需要，將鐵路運(yùn)輸設(shè)備分成顆粒適度、便于管理、易于數(shù)據(jù)化的設(shè)備單元，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸設(shè)備的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，為設(shè)備管理及狀態(tài)綜合評價(jià)提供支撐.

單元化管理思想是來源于精益化管理，是成組技術(shù)理論的一個(gè)成功應(yīng)用.王祖錦等[1]把單元化管理思想運(yùn)用到物流管理行業(yè)，為精益物流管理提供了堅(jiān)實(shí)的管理基礎(chǔ)；邵敏華等[2]開展了公路管理單元動態(tài)劃分技術(shù)研究；何洋等[3]開展鐵路工務(wù)維修管理單元劃分方法研究，為鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元化管理提供了成功的借鑒.然而，目前對于鐵路運(yùn)輸設(shè)備統(tǒng)一的單元劃分方法尚無相關(guān)研究，因此開展鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分方法研究，對于運(yùn)輸設(shè)備綜合管理具有一定的創(chuàng)新性，具有非常重要的意義.

本文在分析鐵路運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成的基礎(chǔ)上，總結(jié)提出鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分原則，基于K-means聚類算法開展鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分方法研究，并經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證方法的科學(xué)性和合理行.

1 鐵路運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成

鐵路運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成按其應(yīng)用特點(diǎn)可分為固定設(shè)備設(shè)施、移動設(shè)備、安全監(jiān)測設(shè)備等幾大類[4].具體分類如表1所示.

表1 鐵路運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成Table 1 Railway transportation equipment constituent

2 運(yùn)輸設(shè)備單元劃分原則

充分考慮鐵路各專業(yè)運(yùn)輸設(shè)備管理需求，鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分要遵循以下6個(gè)原則.

(1)單元劃分的唯一性和獨(dú)立性.

每個(gè)單元的劃分明確區(qū)別于其他單元.保證運(yùn)輸設(shè)備單元劃分的唯一性是管理單元的基礎(chǔ)工作，每個(gè)獨(dú)立的單元標(biāo)識將是管理單元的“身份證”，直接影響到后續(xù)管理單元的管理及技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化.應(yīng)同時(shí)符合兩方面的要求：一方面，應(yīng)在運(yùn)輸設(shè)備綜合管理系統(tǒng)中能準(zhǔn)確、迅速地確定其單元身份；另一方面，符合用戶管理習(xí)慣，并能在現(xiàn)場應(yīng)用中準(zhǔn)確定位.

(2)單元劃分的完整性和簡化性.

按照運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)管理全壽命周期綜合管理及狀態(tài)評價(jià)的需要，各相關(guān)專業(yè)運(yùn)輸設(shè)備及組件都要包含在單元劃分范圍內(nèi)，避免漏項(xiàng)，力求所有單元劃分的完整性.同時(shí)，通過評價(jià)單元的劃分，能夠使運(yùn)輸設(shè)備管理及評價(jià)工作簡化便捷，方便運(yùn)用管理.

(3)生產(chǎn)組織及后期維護(hù)的便捷性.

鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)管理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，涉及到設(shè)備從投產(chǎn)應(yīng)用到報(bào)廢全壽命周期的監(jiān)測、檢修、維護(hù)等諸多環(huán)節(jié)，設(shè)備管理單元的劃分必須能夠有效定位到相關(guān)設(shè)備，反映出問題所在，并能夠把設(shè)備單元存在的問題與后期的維修養(yǎng)護(hù)進(jìn)行管理.所以說，設(shè)備單元的劃分不僅僅要考慮提高管理和分析的效率，而且要考慮到后期生產(chǎn)組織及后期維護(hù)的便捷性.

(4)技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集單元與理論分析模型的統(tǒng)一性.

運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)管理實(shí)質(zhì)上就是采集運(yùn)輸設(shè)備單元全壽命周期內(nèi)的履歷數(shù)據(jù)、檢測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、檢修維護(hù)數(shù)據(jù)等動靜態(tài)單元數(shù)據(jù)，構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)分析評價(jià)模型，對設(shè)備性能、健康狀態(tài)等進(jìn)行分析評價(jià).因此，為保證理論分析的連貫性、科學(xué)性與一致性，對于設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的管理單元的劃分，要與理論分析模型保持一致，保證技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集單元與理論分析模型的統(tǒng)一性.

(5)單元劃分粒度的適應(yīng)性.

指運(yùn)輸設(shè)備單元劃分粒度要適應(yīng)各專業(yè)不同的運(yùn)輸設(shè)備管理需要及分析需求，分析哪些技術(shù)狀態(tài)屬性成為單元劃分的依據(jù)，應(yīng)視系統(tǒng)目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)找出影響系統(tǒng)決策分析的主要屬性，對于不同性質(zhì)的單元，提供靈活的、適宜的、粒度不同的單元劃分標(biāo)準(zhǔn).

(6)與生產(chǎn)布局和管理決策的一致性.

管理單元的劃分要考慮數(shù)據(jù)分析后的利用價(jià)值，將為運(yùn)輸設(shè)備施工維修作業(yè)提供合理的方法和建議，優(yōu)化檢修作業(yè)流程，提高檢修作業(yè)效率.因此，運(yùn)輸設(shè)備管理單元的劃分要充分考慮生產(chǎn)布局及管理決策的需要，保持與生產(chǎn)力布局和管理決策的統(tǒng)一性，全面提升運(yùn)輸設(shè)備的管理及智能維修水平.

3 基于K-means的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分方法

3.1 K-means聚類算法理論

K-means算法是經(jīng)典的劃分聚類方法之一，算法效率較高，在大規(guī)格數(shù)據(jù)聚類時(shí)得到較為廣泛的應(yīng)用.K-means算法的基本原理是：首先設(shè)定k為參數(shù)，確定需要將含有n個(gè)對象的數(shù)據(jù)集劃分成k個(gè)類，隨機(jī)地選取k個(gè)對象作為初始聚類中心；然后，對于剩余的每個(gè)對象，根據(jù)距離公式計(jì)算該對象到每一個(gè)初始聚類中心的距離，將計(jì)算好的數(shù)據(jù)對象劃分到最近的類中；最后重新計(jì)算每個(gè)類中心，不斷重復(fù)這個(gè)過程，直到準(zhǔn)則函數(shù)收斂[5-6].K-means通常采用平方誤差準(zhǔn)則函數(shù)進(jìn)行收斂，其定義為

式中：E是數(shù)據(jù)集中所有對象的平方誤差的總和；p是數(shù)據(jù)集中的點(diǎn)；mi是類Ci的平均值.

K-means聚類算法流程如圖1所示.

圖1 聚類分析算法流程圖Fig.1 Flow chart of cluster analysis algorithm

3.2 運(yùn)輸設(shè)備單元劃分指標(biāo)

鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分的目的就是將各類運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施分成便于監(jiān)控管理、易于維護(hù)和量化分析的設(shè)備設(shè)施單元，滿足設(shè)備監(jiān)測、檢修、維護(hù)、管理分析的需要.因而對于運(yùn)輸設(shè)備單元的劃分要綜合考慮設(shè)備日常監(jiān)測、檢修維護(hù)和管理分析過程中的重點(diǎn)因素，選擇構(gòu)建完整、科學(xué)、客觀的設(shè)備單元劃分指標(biāo)，本文選擇的鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分指標(biāo)如表2所示.

表2 鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分指標(biāo)Table 2 Railway transportation equipment unit division index

3.3 運(yùn)輸設(shè)備單元劃分模型

基于K-means聚類算法的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分模型具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示.

圖2 基于K-means聚類算法的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分模型Fig.2 Unit division model of railway transportation equipment based on K-means clustering algorithm

4 運(yùn)輸設(shè)備單元劃分實(shí)例

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

按照運(yùn)輸設(shè)備單元劃分原則，結(jié)合設(shè)備技術(shù)狀態(tài)屬性信息，現(xiàn)以電務(wù)通信設(shè)備為例對設(shè)備單元劃分算法原理及實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行說明[7-8]，基于K-means的通信專業(yè)運(yùn)輸設(shè)備單元劃分步驟如下.

Step 1設(shè)所有要納入大數(shù)據(jù)平臺管理的通信設(shè)備設(shè)施及相關(guān)設(shè)備組件類別集合為S,S1,S2,…,Sn表示每類通信設(shè)備及組件，比如通信機(jī)房、通信鐵塔、通信光纜、通信電纜、分插復(fù)用設(shè)備、交流配電設(shè)備等，則有

Step 2準(zhǔn)備樣本數(shù)據(jù).

①選取通信設(shè)備或組件的m個(gè)特征指標(biāo)，若用P1,P2,P3,…,Pm表示，則

②根據(jù)管理需求及專家經(jīng)驗(yàn)，按照表2選取特征指標(biāo)，P1,P2,P3,…,P8，分別代表日常監(jiān)測信息來源、日常檢查周期、中修周期、大修周期、報(bào)廢周期、設(shè)備所屬類別、安裝位置、設(shè)備基礎(chǔ)信息來源等，從不同通信設(shè)備類別中按該類別設(shè)備所占總設(shè)備數(shù)量的比重選取48類通信設(shè)備單元劃分樣本建立矩陣S，如表3所示.

表3 鐵路通信設(shè)備單元劃分樣本Table 3 Railway communication equipment unit division sample

③由于通信設(shè)備單元劃分屬性參數(shù)中既有定性指標(biāo)，又有定量指標(biāo)，且各指標(biāo)數(shù)值的量綱不一致，因此特將樣本矩陣數(shù)據(jù)做統(tǒng)一的歸一化處理[9]，如表4所示.

表4 鐵路通信設(shè)備單元劃分歸一化樣本Table 4 Railway communication equipment unit division sample normalization

Step 3根據(jù)聚類需要，初始化聚類中相關(guān)參數(shù)，所選參數(shù)在計(jì)算迭代過程中可以調(diào)整優(yōu)化.

①確定數(shù)據(jù)集S需要劃分的聚類個(gè)數(shù)k；

②設(shè)定迭代次數(shù)為X，令X=1；

③在數(shù)據(jù)集S中，隨機(jī)選取k個(gè)數(shù)據(jù)對象，將這k個(gè)數(shù)據(jù)對象設(shè)定為初始聚類中心，即有C1(X),C2(X),C3(X),…,Ck(X)等k個(gè)初始聚類中心點(diǎn)；

④設(shè)定與聚類中心的距離參數(shù)ξ；

⑤選定數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)與聚類中心的距離計(jì)算公式，利用歐幾里得距離公式式(4)進(jìn)行計(jì)算.

式中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,k.

Step 4利用式(4)分別計(jì)算樣本點(diǎn)與聚類中心的距離，確定樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)歸屬的類.如果滿足，那么

式中：C(z)表示以Cz(X)為中心點(diǎn)的聚類，即數(shù)據(jù)點(diǎn)Si歸屬于C(z)類.

Step 5若計(jì)算完成后，某分類C(z)中的樣本數(shù)為零，則k=k-1，去掉該分類.

Step 6令X=X+1，計(jì)算新的k個(gè)聚類中心點(diǎn).

式中：Nj為C(j)類中的樣本個(gè)數(shù).

Step 7計(jì)算平方誤差準(zhǔn)則函數(shù)E的值為

Step 8判斷是否滿足條件|E(I)-E(I-1) |＜ξ，若滿足，則算法結(jié)束；否則，返回Step4，繼續(xù)執(zhí)行迭代，直至結(jié)束.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Matlab的聚類函數(shù)按上述步驟對通信設(shè)備樣本進(jìn)行聚類劃分，設(shè)D為各類數(shù)據(jù)點(diǎn)到其對應(yīng)的聚類中心的距離平方和，利用D值作為聚類親和程度的衡量指標(biāo).隨著聚類數(shù)量k的變化，對應(yīng)的D值變化結(jié)果如圖3所示.結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)k=4時(shí)，D的變化趨于緩和，不再出現(xiàn)大幅的波動，因此最終聚類合適的分類個(gè)數(shù)為4，如果數(shù)量過少，劃分各類中單元關(guān)系不緊密，如果數(shù)量過多，資源分類過細(xì)，造成管理的繁瑣與不便.因此我們將最終的單元劃分?jǐn)?shù)目k值設(shè)定為4.當(dāng)k=4時(shí)，通信設(shè)備單元劃分結(jié)果如表5所示.

圖3 D-k關(guān)系對應(yīng)曲線Fig.3 D-krelation curve

表5 鐵路通信設(shè)備單元一級聚類結(jié)果Table 5 Railway communication equipment unit first level clustering result

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于K-means聚類的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分與傳統(tǒng)的按設(shè)備類別分類方式存在不同程度的差異：比如通信機(jī)房，按照傳統(tǒng)的設(shè)備分類方式，應(yīng)與通信接入點(diǎn)、通信鐵塔、通信桿柱等歸為一類，同屬于通信基礎(chǔ)設(shè)施；而利用本文提出的單元劃分方法，通信機(jī)房則與電源等動力設(shè)備等歸為一類，原因是電源設(shè)備幾乎都安裝在通信機(jī)房內(nèi)，且通信機(jī)房與電源等技術(shù)狀態(tài)參數(shù)都由動環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，技術(shù)狀態(tài)分析和管理有著密切的關(guān)聯(lián)關(guān)系，相比之下，通信機(jī)房與其他基礎(chǔ)設(shè)施在狀態(tài)監(jiān)測與分析評價(jià)方面基本沒有太多關(guān)聯(lián)關(guān)系.再如電源設(shè)備，在傳統(tǒng)的設(shè)備分類中，其與其他通信設(shè)備屬于同一類，而本文提出的方法則將電源設(shè)備與其他通信設(shè)備分開，原因是電源設(shè)備無論從狀態(tài)監(jiān)測、檢修維護(hù)還是管理分析，本質(zhì)上跟其他普通通信設(shè)備存在差異.

由此可見，本文提出的基于K-means聚類的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分比傳統(tǒng)的按設(shè)備類別分類，更符合設(shè)備技術(shù)狀態(tài)管理和分析的需求，其與傳統(tǒng)方式設(shè)備分類方式的具體對比如表6所示.

表6 本方法與傳統(tǒng)的人工設(shè)備劃分方法對比Table 6 The comparison between the proposed method and the traditional manual division method

總之，本文提出的基于K-means聚類的運(yùn)輸設(shè)備單元劃分結(jié)合了設(shè)備日常監(jiān)測、檢修維護(hù)和管理分析等各類因素，與傳統(tǒng)的單純根據(jù)設(shè)備類別進(jìn)行的設(shè)備分類方式相比較有明顯的優(yōu)勢，具有很好的實(shí)用價(jià)值，更適合于運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)組織、設(shè)備維護(hù)技術(shù)及狀態(tài)分析和管理.

5 結(jié)論

本文對鐵路運(yùn)輸設(shè)備構(gòu)成進(jìn)行了分析，明確了運(yùn)輸設(shè)備管理及單元劃分的范圍，總結(jié)分析了運(yùn)輸設(shè)備單元劃分原則，研究提出基于K-means聚類的鐵路運(yùn)輸設(shè)備單元劃分方法，并選取電務(wù)通信專業(yè)運(yùn)輸設(shè)備的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了方法驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)效果良好.今后，要考慮到專業(yè)管理的差異性，利用該方法更好地實(shí)現(xiàn)對其他專業(yè)設(shè)備管理單元的劃分.

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