一種光傳輸設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測算法?

吳海洋 繆巍巍 李 偉 呂順利 吳 昊 滕欣元

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 南京 210000）（2.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院） 南京 210000）（3.國網(wǎng)青海省電力有限公司信息通信分公司 西寧 810000）（4.長沙理工大學(xué) 長沙 410000）

1 引言

電力通信光傳輸網(wǎng)是電力系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，為業(yè)務(wù)網(wǎng)提供傳輸通道，用來確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行［1］。光傳輸設(shè)備是光傳輸網(wǎng)重要組成部分，為了使電力系統(tǒng)能快速響應(yīng)，光傳輸設(shè)備必須要求其高度的穩(wěn)定性［2］。對于電力通信運(yùn)維而言，傳輸設(shè)備使用壽命是未知的，隨著設(shè)備使用時(shí)間增長，設(shè)備穩(wěn)定性變差，因而需要對光傳輸設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對其使用壽命進(jìn)行預(yù)測，從而為電力通信設(shè)備全生命周期管理提供支撐。

設(shè)備狀態(tài)評價(jià)與壽命預(yù)測主要研究可以分為如下幾類:1）基于在線狀態(tài)監(jiān)測，以狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)為背景，應(yīng)用理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行設(shè)備壽命預(yù)測［3～5］。2）基于隱馬爾可夫模型，隱馬爾可夫模型作為一種統(tǒng)計(jì)分析算法，具有較強(qiáng)的模式分類能力，算法及其改進(jìn)可以應(yīng)用在設(shè)備退化狀態(tài)識別中剩余壽命預(yù)測［6～9］。3）基于健康指數(shù)，提出健康指數(shù)作為設(shè)備狀態(tài)的衡量，以狀態(tài)指數(shù)作為設(shè)備生命壽命預(yù)測的指標(biāo)值預(yù)測壽命［10～11］。4）基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，建立了基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)備剩余壽命預(yù)測框架模型［12～13］。5）其他算法，包括基于遺傳算法［14］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］、向量機(jī)［16］、灰色系統(tǒng)［17］。

就目前研究現(xiàn)狀來看，設(shè)備綜合評價(jià)和壽命預(yù)測研究存在以下問題:1）指標(biāo)選取范圍較窄，且指標(biāo)權(quán)重需要人工設(shè)定或通過模糊綜合評價(jià)的方法打分獲得；2）綜合評價(jià)的結(jié)果和壽命預(yù)測沒有很好地結(jié)合起來。

本文首先提出光傳輸設(shè)備指標(biāo)體系，根據(jù)模糊綜合評價(jià)方法得出設(shè)備健康度，將其歸一化后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立壽命預(yù)測模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的光傳輸設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測方法可以很好地應(yīng)用于實(shí)踐之中。

2 光傳輸設(shè)備指標(biāo)體系

通信設(shè)備壽命因素從本身可以分為運(yùn)維信息和設(shè)備屬性。運(yùn)維信息主要指電力通信設(shè)備在使用過程中的運(yùn)維狀態(tài)，包括告警和故障信息。設(shè)備屬性主要指的是通信設(shè)備的投運(yùn)時(shí)長和型號等信息。電力通信設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測研究的關(guān)鍵就在于制定一套實(shí)用、完整的測度指標(biāo)，并應(yīng)用這些指標(biāo)對電力通信設(shè)備進(jìn)行評估。本文從運(yùn)維信息和設(shè)備屬性兩個(gè)方面，分析電力通信設(shè)備使用壽命的影響因素，構(gòu)建相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系。

表1 風(fēng)險(xiǎn)度評價(jià)表

表1是設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)度評價(jià)表。每一個(gè)設(shè)備運(yùn)維指標(biāo)表征設(shè)備運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，指標(biāo)越大風(fēng)險(xiǎn)值r 越大。對其中一個(gè)設(shè)備D而言，其風(fēng)險(xiǎn)值可以量化為式（1）。

因設(shè)備的健康度與風(fēng)險(xiǎn)值成反比，假定設(shè)備健康度h 可以表示為風(fēng)險(xiǎn)值r的倒數(shù)。為了使健康度有意義，將值歸一化到0～1之間，越接近1代表設(shè)備狀態(tài)越好，越接近0 代表設(shè)備狀態(tài)越差，如表2 所示，壽命預(yù)測指標(biāo)表。

表2 壽命預(yù)測指標(biāo)表

3 光傳輸設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測方法

3.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法（FuzzyAHP）是AHP 在模糊條件下的擴(kuò)展，其核心是用三角模糊數(shù)表示比較判斷的方法構(gòu)造判斷矩陣，從而可以克服評價(jià)方法中人的主觀判斷、選擇、偏好對結(jié)果產(chǎn)生的影響，使得決策可以更加合理。

1）模糊判斷矩陣的建立

矩陣A( aij)n×n，若滿足:0 ≤aij≤1(i=1,2,…,n)，則A 是模糊矩陣。若滿足:

aij+aji=1(i =1,2,…,n;j=1,2,…,n )，則 A是模糊互補(bǔ)矩陣。當(dāng)i=j 時(shí)，aij=aji=0.5。

與AHP 的判斷矩陣相同，為了得到相對重要性的定量判斷，我們需要對任意兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較。在模糊互補(bǔ)判斷矩陣中是以“0.1～0.9 五標(biāo)度法”進(jìn)行兩兩指標(biāo)重要性判斷的?！?.1～0.9 五標(biāo)度法”如表3。

表3 0.1～0.9標(biāo)度法及其意義

2）模糊互補(bǔ)矩陣的權(quán)重計(jì)算

本文選用徐澤水（2001）［2］推導(dǎo)的一種計(jì)算公式，如下:

進(jìn)一步計(jì)算，如果 A 是模糊互補(bǔ)矩陣，ω=(ω1,ω2,…,ωn)是 A 的排序向量，則 w=( ωij)n×n為 A 的權(quán)重矩陣。其中，ωij=ωi+ωj+0.5,i=1,2,…,n; j=1,2,…,n。

3）模糊層次分析法的層次總排序

層次總排序權(quán)重值w 的計(jì)算公式如下:

其中，wj表示層次總排序權(quán)重值w 中的第 j 個(gè)元素，wi表示第i 個(gè)準(zhǔn)則對于目標(biāo)的權(quán)重，wij表示第j 個(gè)指標(biāo)對第i 個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP 算法的步驟如下:輸入訓(xùn)練樣本，包括樣本輸入 X 和期望輸出Y 。兩層權(quán)值分別為vij和vjk，隱含層規(guī)定的閾值a，輸出層規(guī)定的閾值b。輸入層的神經(jīng)元數(shù)n，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)m，確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，通常根據(jù)如下公式取得或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)確定。 l= m+n +d,1 ≤d ≤10 其中，i=1,2,…,n,j=1,2,…,l,k=1,2,…,m。

1）網(wǎng)絡(luò)初始化。為連接權(quán)值vij、vjk及閥值a、b 賦予[-1,+1]區(qū)vjk間的隨機(jī)值。

2）隱含層和輸出層輸出計(jì)算。連接各層的權(quán)值和閾值，由輸入層輸入信號計(jì)算隱含層Hj，再由隱 含 層 計(jì) 算 輸 出 層

3）誤差計(jì)算及權(quán)值、閾值的調(diào)整。根據(jù)預(yù)測輸出Ok和期望輸出Y 計(jì)算預(yù)測誤差ek，并不斷調(diào)整初始設(shè)定的權(quán)值和閾值。

4 光傳輸設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用來自江蘇電力系統(tǒng)從2016 年1 月1日至2017 年3 月1 日光傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)與運(yùn)維數(shù)據(jù)，在此數(shù)據(jù)上選擇指標(biāo)體系中各指標(biāo)考慮光傳輸設(shè)備綜合評價(jià)與壽命預(yù)測研究。

4.2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

本文首先通過模糊綜合評價(jià)法對運(yùn)維數(shù)據(jù)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)度評價(jià)，得到評價(jià)表格后，利用第三節(jié)中計(jì)算方法計(jì)算并取均值得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值r，從而計(jì)算歸一化后的健康度h。

已知設(shè)備的型號、投運(yùn)時(shí)長和設(shè)備的健康度，本文要建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光設(shè)備壽命預(yù)測模型，其中設(shè)備型號、投運(yùn)時(shí)長為輸入變量，設(shè)備健康度為輸出變量。如圖1 所示，對所有光傳輸設(shè)備進(jìn)行健康度預(yù)測，健康度預(yù)測結(jié)果與真實(shí)值接近，經(jīng)過全局計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度為90.5%，可以很好地滿足光傳輸設(shè)備生命周期管理。

圖1 光傳輸設(shè)備健康度預(yù)測折線圖

下面選取一個(gè)具有代表性的光傳輸設(shè)備，型號為OptiX OSN 3500，通過上文綜合評價(jià)法計(jì)算其健康度，再利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測其健康度的變化趨勢，最后得到該設(shè)備隨工作年限變化趨勢圖（橫坐標(biāo)為年份、縱坐標(biāo)為健康度）。

圖2 光傳輸設(shè)備健康度變化趨勢圖

由圖2 可以看出，該型號設(shè)備的健康度隨著工作年限變化趨勢，對于不同設(shè)備而言，通過健康度的表征可以形象地展示出其生命周期狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文基于光傳輸設(shè)備的指標(biāo)體系，提出了風(fēng)險(xiǎn)度和健康度的概念，建立綜合評價(jià)模型和壽命預(yù)測模型，最后使用真實(shí)的運(yùn)維數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可用性，實(shí)現(xiàn)了光傳輸設(shè)備生命周期管理的目標(biāo)，為電力通信運(yùn)維提供了管理模型支撐。