一種基于故障推理的輔助決策功能的設計與實現

李 冰 ，方 俊 ，石 琦

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），210003南京；2.國電南瑞科技股份有限公司，210061南京）

近年來，隨著監控自動化技術的發展和應用，監控系統的信息量越來越大。但隨之而來也暴露出越來越多的問題，現場設備的模擬量、開關量信息由監控系統采集上來后，全部按時間順序顯示，未作進一步的分層或判斷處理。一旦發生事故，動作的事件記錄很多，調度員眼花繚亂，很難抓住重點，影響事故的正確處理。因此，需要在監控系統實現輔助決策功能，減輕調度員的工作量、提高事故異常處理的準確性及快速性。本文提出一種基于故障處理輔助決策功能，可以對故障報警信息進行甄別、分類、判斷、排序，進行綜合推理和分析。實現對短時間內連續發生、有內在關聯的一組故障報警信息進行綜合推理判斷，給出原因及處理方案，輔助調度員應急處理事故。

1 故障推理輔助決策功能的設計方案

為提高調度員對事故異常判斷及處理的準確性，系統必須能對設備出現的每個報警信息實時提供準確判斷及處理方案，對迅速處理事故及異常情況、保障設備的安全運行發揮作用。

故障推理輔助決策功能必須包含監控系統領域專家的大量知識，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能用這些知識來解決實際問題。系統須在較短的時間內收集所有與事故異常相關的重要信號，并推理出該異常事故情況的處理方法，協助調度員及時進行準確分析、處理，削弱事故對系統的影響，減少異常的危害性。故障推理輔助決策功能提供的事故異常處理方案可作為調度員良好的技術指導教材，與現場設備緊密結合，方便調度員熟悉設備、熟悉回路、熟悉事故及異常處理[1-3]。

1.1 推理方案

故障推理輔助決策功能采用人工智能的推理機技術[4]。推理機針對當前問題的條件或已知信息，反復匹配知識庫中的規則，獲得新的結論，以得到問題求解結果。推理方式可以有正向和反向兩種，正向推理從條件匹配到結論，反向推理則先假設一個結論成立，看它的條件有沒有得到滿足。推理機類似專家解決問題的思維方式，知識庫通過推理機來實現其價值。另外，系統還具備較強的知識獲取能力，通過知識獲取，進一步擴充和修改知識庫中的內容，實現自動學習功能。推理組態描述如圖1所示。

圖1 多事件推理組態示意Fig.1 Multi-event reasoning configuration diagram

故障推理輔助決策功能中的推理包括3類[5]：單報警推理、關聯多報警推理及故障智能推理。

1.1.1 單報警推理

在報警事件發生后，可以根據每條報警信息作出推理，給出報警信息的描述、發生原因、處理措施以及圖解。通過將監控系統采集的每個報警信號與知識庫中歸納的報警信號種類建立起關聯關系，即定義好每個信號所屬的報警信號種類，形成逐一事件推理判斷關系。推理判斷可以人工靈活干預，關聯關系可以逐條定義，也可以通過快速定義軟件批量實現，提高關聯效率。

1.1.2 關聯多報警推理

基于多個關聯報警綜合判斷的判別邏輯。在一個“短時間”內，某一間隔設備連續發生多個事故或報警信號，這些連續發生信號是一個存在關聯的有機整體，稱為一個“綜合事件”。這個綜合事件中必然是由某個事故或異常引起，綜合事件推理邏輯要根據發生的“綜合事件”推理出該間隔設備究竟發生了何種異常和事故，給出一個綜合的判斷和處理方案。

系統設定一個時間窗是考慮現場信號經監控系統傳送到故障推理輔助決策功能模塊存在時間上的偏差，即現場同時發生的幾個信號在故障推理輔助決策功能模塊中接收的時序上是存在一定偏差的，這個“時間窗”就是解決躲過監控系統信息處理時間，但又不能太長，否則沒有關聯的信號也會被并入這一 “綜合事件”。一般可以整定為如3～10 s，并可以根據現場時間運行情況靈活調整。

“綜合事件”邏輯推理方法至少包括2種：一種是窮舉法，即某種事件的組合推理出一個異常事件；另一種是模糊推理法，只要在某間隔設備上找到某個或多個事件，不管還有沒有其他事件就推理出一個異常事件。

“窮舉法”推理精確度高，能有效排除誤遙信的影響，但適應性略差，因為現場設備多、構造復雜，報警信號不可能完全一致；“模糊推理法”推理精確度不如“窮舉法”，偶爾會受誤遙信的干擾，但適應性很好，能應對不同型號、構造的設備，而且推理精確度也足以滿足現場運行的需要。因此，故障推理輔助決策功能需具備綜合利用2種方法根據現場實際情況靈活調整的能力。

1.1.3 故障智能推理

對現場設備監控的主要故障類型能根據故障發生的關鍵條件，結合接線方式、運行方式、開關變位及開關狀態、遙測量、時序等綜合判斷，給出當前故障的故障類型、相關信息、故障結論及處理方式。運行方式通過拓撲技術獲得。現場設備的故障判斷條件復雜，要結合拓撲、邏輯和時序等綜合考慮，它難以用精確的數學模型來描述，不可以通過傳統的數學方法來求解或得到解決。因此，我們對常見的故障類型及其故障條件進行了歸納總結，制定了一個故障推理模型，如圖2所示。該模型針對每一種故障類型，使用單獨的故障處理模塊進行處理。

圖2 水循環系統報警推理邏輯Fig.2 Water cycle system alarm reasoning logic diagram

1.2 知識庫

知識庫用于存放專家提供的知識。多故障報警的問題求解過程通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式[6]。知識庫的一個核心組件是事件池，用戶根據經驗，對多種故障報警的一系列的事件做了總結，故障推理輔助決策功能程序是相互獨立的，可以通過改變、完善知識庫中的知識內容來提高系統的性能。水循環系統異常報警界面如圖3所示。

圖3 水循環系統異常報警Fig.3 Abnormal alarm of water cycle system

2 輔助決策功能

2.1 基本介紹

輔助決策功能是在一系列的控制過程或操作中，協助操作員決策完成處置緊急情況過程中的系統聯動功能的相對獨立的軟件模塊，是監控系統的有機組成部分，如圖4所示。

圖4 輔助決策功能結構Fig.4 Auxiliary decision-making function structure diagram

輔助決策功能場景編輯模塊由觸發條件邏輯定義以及規程操作步驟編輯兩部分組成。觸發條件邏輯定義部分支持多事件、多報警等信息的組合，在線功能模塊在運行時基于監控系統大量的實時數據使用實時值替換公式中的相應點進行計算得出觸發是否滿足。當滿足條件時，在線功能模塊通過傳遞相應的參數激活相應輔助決策控制界面；規程操作步驟編輯使用支持所見即所得的畫面編輯器實現，可以方便地實現跳轉、支持多種字體格式、表格顯示等。

2.2 決策組態及執行

決策組態功能采用數據訂閱的方式監視所有由場景編輯模塊定義的數據，如圖5所示。

圖5 輔助決策功能執行框圖Fig.5 Auxiliary decision-making function implementation block diagram

決策處理功能基于聯動功能實現。在場景編輯模塊做好相關配置后，當配置中的場景發生，執行聯動功能可以提醒操作員對于一個特定場景的反應步驟，以及聯動2個或更多的操作員來解決這個場景。一個聯動可以設置成啟動另外一個聯動功能，同樣的一個聯動可以同時被不同的用戶執行。同時有權限的用戶可以看見其它用戶的執行情況，可以中止一個聯動的執行。所有操作員選擇退出或者完成聯動功能的動作都將記錄在事件列表中。

例如，有3個電解槽車間A、B、C，在車間B有一個水循環系統故障。總調度操作員將看見1個按鈕閃爍，表示有事件發生。總調度操作員可以點擊按鈕來顯示他的指示來解決這個場景。系統配置了3個步驟：①車間B操作員因為安全預防，自動操作車間B中的特定設備；②總調度操作員授權后，自動執行一系列故障處理預案；③總調度操作員把事件告知車間A和車間C，做相應的操作。

這些被配置步驟完成后將進行下一步提示。所以對于這個例子，總調度操作員將執行后的步驟標記為完成。

3 結語

本文介紹并分析了一種多故障報警關聯、智能推理、快速適配的輔助決策功能的實現方法，應用該功能有效地提高了監控系統處理事故的能力。目前，運用此方案的輔助決策功能模塊，已經安全穩定地運行在中電投重慶天泰電解鋁監控系統中，此方案的實施，將大大提高電解鋁監控系統應對突發事件的能力，并有效地提升整個電解鋁加工生產環節的管理水平。

[1]許漫江，許濤，李冰.軌道交通綜合監控在線決策支持功能研究[J].自動化與儀表，2013，28（7）：35-38.

[2]劉孟覺，李冰，胡波.一種新型綜合監控聯動功能模型的設計與實現[J].自動化與儀表，2012，27（11）：33-34.

[3]張振山，李冰，陳莉莉.城軌交通指揮中心系統故障管理的研究[J].現代城市軌道交通，2014（5）：31-34.

[4]杜軍威，萬思軍，朱中，等.基于案例推理的綜合監控系統輔助決策功能研究[J].青島大學學報：工程技術版，2011，26（4）：39-42.

[5]徐田坤，梁青槐，任星辰.基于故障樹模型的地鐵750V牽引供電系統安全風險評估[J].北京交通大學學報，2012，36（6）：57-62.

[6]李江林，史志鴻，趙成功.一種基于FPN的變電站故障推理機制[J].電力系統保護與控制，2012，40（17）：13-18.