基于大數(shù)據(jù)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

馮建云

（山西工程科技職業(yè)大學(xué) 山西省晉中市 030619）

電子設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與其運(yùn)行效果有重要關(guān)聯(lián)，一旦其運(yùn)行失穩(wěn)[1-2]，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的控制問題，造成不可估量的損失，因此，為了提高電子設(shè)備運(yùn)行可靠性，需要進(jìn)行電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警[3]。常規(guī)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要使用相關(guān)的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，完成預(yù)警反饋，但受傳感器自身敏感性的影響，其經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)信息采集異常問題，導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)延時(shí)過高，還未監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)[4]，電子設(shè)備就發(fā)生了嚴(yán)重的故障，不滿足目前電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，因此需要設(shè)計(jì)一種新的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

隨著信息化發(fā)展，我國智能變電站的數(shù)量越來越多，內(nèi)部的電子設(shè)備組成越來越復(fù)雜[5]，一旦變電站開始運(yùn)行，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生非常多的電子設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，僅靠單一的傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)難度較高，無法有效地識(shí)別處理電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息[6]。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效地進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析，針對(duì)數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行處理、分類，完成數(shù)據(jù)的管理和分析，能有效地提高電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的識(shí)別速度，提高運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的實(shí)時(shí)性，因此，本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，降低監(jiān)測(cè)預(yù)警延時(shí)。

1 電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法設(shè)計(jì)

1.1 基于大數(shù)據(jù)識(shí)別電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息

要想準(zhǔn)確地判斷電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成監(jiān)測(cè)和預(yù)警，必須有效地進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)信息識(shí)別，處理電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息。在運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過程中，往往會(huì)生成大量的運(yùn)行狀態(tài)圖像，為了提高圖像信息的識(shí)別效果，必須進(jìn)行樣本訓(xùn)練，在樣本信息中添加少量的噪聲數(shù)據(jù)，提高運(yùn)行狀態(tài)信息的魯棒性。

本文使用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)圖像信息進(jìn)行統(tǒng)一增強(qiáng)處理，再進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，完成數(shù)據(jù)的加工，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備運(yùn)行信息的高效識(shí)別。首先，將采集到的電子設(shè)備運(yùn)行圖片進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、平移處理，提高模型的泛化效果，再進(jìn)行數(shù)據(jù)集擴(kuò)充，獲取增強(qiáng)的batch數(shù)據(jù)，并將擴(kuò)充后的數(shù)據(jù)樣本重新輸入到數(shù)據(jù)庫中。

經(jīng)過上述步驟識(shí)別的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息內(nèi)部存在少部分模糊邊緣，為了進(jìn)一步提高運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)精度，本文結(jié)合電子設(shè)備的運(yùn)行特征，對(duì)其進(jìn)行了有效的定位。全部運(yùn)行狀態(tài)信息圖像中都能分解出多個(gè)灰度閾值，此時(shí)可以進(jìn)行單閾值分割。假設(shè)輸入的識(shí)別狀態(tài)信息圖像中僅存在一個(gè)識(shí)別目標(biāo)，且該識(shí)別目標(biāo)與全部閾值點(diǎn)比較結(jié)果相同，此時(shí)可以對(duì)該圖像進(jìn)行灰度化處理，將采集到的狀態(tài)信息圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，如下（1）～（3）所示。

圖像進(jìn)行灰度化處理后，各個(gè)像素的像素閾值都發(fā)生了不同程度的改變，此時(shí)可以進(jìn)行閾值對(duì)比，確定電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息圖像通道全局閾值變化范圍，手動(dòng)設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的閾值，分析此時(shí)的狀態(tài)信息分割效果。

經(jīng)過多次識(shí)別發(fā)現(xiàn)，上述電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息融合后會(huì)受隨機(jī)性影響，無法判斷某些特定狀態(tài)下的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，針對(duì)該問題，本文使用大數(shù)據(jù)OTSU技術(shù)，選取一個(gè)閾值重點(diǎn)，設(shè)計(jì)像素點(diǎn)之間的關(guān)系式m，如下（4）所示。

公式（4）中，m0代表運(yùn)行狀態(tài)圖像信息的像素平均值，n0代表全部狀態(tài)信息像素點(diǎn)，m1代表處理后的像素平均值，n1代表處理后的狀態(tài)信息像素點(diǎn)，n代表全部圖像狀態(tài)信息像素點(diǎn)，p0代表像素占比，p1代表圖像像素個(gè)數(shù)比例。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的關(guān)系式可以成功提取電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)閾值，計(jì)算閾值的最佳值，進(jìn)行有效的OTSU大數(shù)據(jù)分割，得到合理的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)雙峰圖像。如果一個(gè)圖像中存在多個(gè)電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，僅使用上述的單閾值分割技術(shù)會(huì)造成狀態(tài)信息圖像處理粘連，降低運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)背景的區(qū)分度，因此，面對(duì)這種情況，需要使用多閾值分割法進(jìn)行定位處理。首先，需要判斷不同狀態(tài)目標(biāo)處于同一灰度范圍的概率，判斷此時(shí)存在的閾值背景，其次需要比較區(qū)域內(nèi)閾值的大小關(guān)系，確定像素點(diǎn)的分類狀態(tài)，逐一進(jìn)行狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)調(diào)整，得出狀態(tài)圖像像素的平均值，避免出現(xiàn)圖像粘連現(xiàn)象。

針對(duì)某些特殊的電子設(shè)備運(yùn)行區(qū)域，可以使用區(qū)域定位法識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，即尋找恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)區(qū)域，進(jìn)行像素整合，確定合理的像素成長狀態(tài)，此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別流程如圖1所示。

圖1：運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別流程

由圖1可知，該識(shí)別流程使用了分水嶺算法，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行梯度圖像轉(zhuǎn)換，并將圖像看成一座高低不同的山峰來查找圖像分割的局部極值點(diǎn)，完成電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息識(shí)別，采集到有效的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警信息。

1.2 選取電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置

常規(guī)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)預(yù)警方法缺乏相關(guān)的監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置支持，無法保證運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的可靠性，因此本文設(shè)計(jì)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法選取了EMI虛擬檢測(cè)儀作為運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，進(jìn)行有效的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

EMI虛擬檢測(cè)儀屬于一種綜合化智能化檢測(cè)儀，其主要依據(jù)虛擬監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高該設(shè)備的監(jiān)測(cè)敏感性，其內(nèi)部添加了信號(hào)實(shí)時(shí)處理中心和數(shù)據(jù)采集中心，其可以利用數(shù)據(jù)儲(chǔ)存芯片及數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)采集到的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，再結(jié)合IO等數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)完成曲線擬合分析。在使用過程中用戶可以不斷地對(duì)EMI虛擬檢測(cè)儀進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合Visual C++、 Visual Basic.LabWindows/CVI等進(jìn)行二次開發(fā)，生成符合電子設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求的監(jiān)測(cè)代碼及監(jiān)測(cè)面板，生成的狀態(tài)監(jiān)測(cè)波動(dòng)圖像如圖2所示。

由圖2可知，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)波動(dòng)圖像中，存在多個(gè)波動(dòng)峰值，每一個(gè)波動(dòng)峰值均可能代表電子設(shè)備發(fā)生相應(yīng)的改變，EMI虛擬檢測(cè)儀可以使用數(shù)據(jù)分析程序統(tǒng)一進(jìn)行一體化處理，保證監(jiān)測(cè)的快速收斂性，有助于進(jìn)行集成控制。

圖2：狀態(tài)監(jiān)測(cè)波動(dòng)圖像

針對(duì)可能實(shí)時(shí)發(fā)生的環(huán)境噪聲，EMI虛擬檢測(cè)儀內(nèi)部額外設(shè)置了雙通道噪聲排除中心，該中心可以同時(shí)調(diào)度內(nèi)部的全部分析變換程序，計(jì)算設(shè)備運(yùn)行極值，一旦檢測(cè)到的指標(biāo)高于設(shè)備運(yùn)行極值，會(huì)立即進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)對(duì)運(yùn)行中的電子設(shè)備進(jìn)行維修處理。

在電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過程中，會(huì)生成、采集大量的運(yùn)行狀態(tài)信息，僅靠LabVIEW無法進(jìn)行存取調(diào)用，因此需要對(duì)EMI虛擬檢測(cè)儀進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置合理的監(jiān)測(cè)接口和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使其滿足電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警驅(qū)動(dòng)需求。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置的數(shù)據(jù)交換需求，需要利用VC++對(duì)EMI虛擬檢測(cè)儀內(nèi)部的程序進(jìn)行多次開發(fā)，并在Advanced功能板中重新進(jìn)行優(yōu)化配置，從而設(shè)置合理的儀器監(jiān)測(cè)參數(shù)，規(guī)定儀器預(yù)警觸發(fā)的范圍。

在復(fù)雜的監(jiān)測(cè)過程中，EMI虛擬檢測(cè)儀主要利用核心數(shù)據(jù)分析程序進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同運(yùn)算，內(nèi)部設(shè)置了大量的運(yùn)算矩陣降低監(jiān)測(cè)工作量，提高電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)效率，但在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，還需要剔除相應(yīng)的誤差節(jié)點(diǎn)，保證EMI虛擬檢測(cè)儀的預(yù)警可靠性，最大程度上降低電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)延時(shí)。

1.3 設(shè)計(jì)電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警算法

在實(shí)際進(jìn)行電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過程中，可能受監(jiān)測(cè)需求及電子設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)影響，出現(xiàn)難以控制的監(jiān)測(cè)誤差，降低監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效性，因此本文設(shè)計(jì)了有效的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警算法，有效地減少運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)誤差。首先，本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，設(shè)計(jì)了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的映射子集CA，如下（5）所示。

公式（5）中，U代表監(jiān)測(cè)閾值，該映射子集中每個(gè)元素都對(duì)應(yīng)著電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，存在運(yùn)行特征，此時(shí)設(shè)計(jì)電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征函數(shù)C(U)，如下（6）所示。

公式（6）中，D代表特征權(quán)重，F(xiàn)代表映射范圍，R代表每個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源。根據(jù)上述特征函數(shù)，可以確定各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)的偏離程度。

電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)衡量指標(biāo)較多，某些衡量指標(biāo)也并非可以定量識(shí)別，因此本文使用模糊語言來進(jìn)行隸屬度描述，設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)Akf(x)，如下（7）所示。

公式（7）中，x代表監(jiān)測(cè)系數(shù)，由于多次監(jiān)測(cè)的結(jié)果處于同一模糊集合里，因此為了避免監(jiān)測(cè)變量對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響，需要計(jì)算運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)幅值P，如下（8）所示。

公式（8）中，A(U)代表樣本集隸屬度，B(U)代表模糊判斷參數(shù)?？梢愿鶕?jù)監(jiān)測(cè)幅值計(jì)算結(jié)果估計(jì)電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，構(gòu)建一個(gè)退化模型。該退化模型內(nèi)需要含有不同狀態(tài)下的退化信息，需要結(jié)合監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行訓(xùn)練優(yōu)化，獲取狀態(tài)監(jiān)測(cè)全局最優(yōu)解。

在監(jiān)測(cè)的過程中，假設(shè)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)估參數(shù)最高，此時(shí)存在一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)f(x)，如下（9）所示。

公式（9）中，k代表監(jiān)測(cè)序列，P(O)代表適應(yīng)度參數(shù)，λ代表狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)，不斷使用上述適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行多次迭代，選取最優(yōu)迭代進(jìn)化代數(shù)，評(píng)估電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

為了真實(shí)反映電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)回溯狀態(tài)序列q，如下（10）所示。

不同類型的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)閾值存在較大差異，因此在進(jìn)行監(jiān)測(cè)閾值規(guī)劃時(shí)，要結(jié)合各個(gè)狀態(tài)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行針對(duì)化監(jiān)測(cè)，設(shè)置區(qū)段化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，還可以將監(jiān)測(cè)部分劃分成多個(gè)微小的監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一旦某個(gè)監(jiān)測(cè)單元內(nèi)的監(jiān)測(cè)參數(shù)高于設(shè)置閾值，需要立即引發(fā)報(bào)警裝置，完成預(yù)警處理，有效地降低電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警延時(shí)，提高監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了有效采集電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，本文選用IED數(shù)據(jù)采集處理器進(jìn)行電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，該數(shù)據(jù)采集處理器能實(shí)時(shí)保存監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)，有效判定電子設(shè)備的狀態(tài)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，提高實(shí)驗(yàn)的有效性，該數(shù)據(jù)采集處理器的參數(shù)如表1所示。

表1：數(shù)據(jù)采集處理器參數(shù)

由表1可知，該數(shù)據(jù)采集處理器的相關(guān)參數(shù)符合電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)需求。

在實(shí)驗(yàn)的過程，由實(shí)驗(yàn)?zāi)_本預(yù)先進(jìn)行格式解析，判斷采集到的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息變量，并進(jìn)行預(yù)期結(jié)果描述，再根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)完成運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)響應(yīng)。通過搭建的實(shí)驗(yàn)?zāi)M器、客戶端通信裝置、測(cè)試單元等可以布置電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如圖3所示。

圖3：電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

由圖3可知，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)部共包含兩臺(tái)PC機(jī)，本實(shí)驗(yàn)通過MMS、PDU生成10組不同的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，已知各個(gè)狀態(tài)的運(yùn)行常規(guī)參數(shù)為0.5，高于0.5證明設(shè)置的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)失穩(wěn)，會(huì)立即引發(fā)報(bào)警，設(shè)置的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及其運(yùn)行常規(guī)參數(shù)如表2所示。

表2：電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及常規(guī)參數(shù)

由表2可知，上述10組運(yùn)行狀態(tài)的常規(guī)參數(shù)存在一定差異，符合后續(xù)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)驗(yàn)需求，且部分運(yùn)行狀態(tài)能觸發(fā)監(jiān)測(cè)預(yù)警，可以以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及設(shè)置的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，可以進(jìn)行電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)驗(yàn)分析，即分別使用本文設(shè)計(jì)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及常規(guī)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，記錄不同電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下兩種方法的監(jiān)測(cè)延時(shí)和預(yù)警情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3：實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法在電子設(shè)備不同的運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行延時(shí)均較短，且能成功地進(jìn)行預(yù)警，而常規(guī)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法消耗的監(jiān)測(cè)延時(shí)較長，部分狀態(tài)下無法有效地進(jìn)行預(yù)警。

3 結(jié)束語

電子設(shè)備在運(yùn)行過程中經(jīng)常受運(yùn)行環(huán)境影響，改變自身的運(yùn)行狀態(tài)，造成嚴(yán)重的運(yùn)行故障，而常規(guī)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)方法的監(jiān)測(cè)延時(shí)較高，不滿足部件的監(jiān)測(cè)預(yù)警需求，因此本文設(shè)計(jì)了一種新的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電子設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)延時(shí)較短，具有實(shí)時(shí)性。