高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)判識(shí)方法研究

包云 李亞群 馬禎 陳中雷 白根亮

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京100081

1 高速鐵路風(fēng)監(jiān)測(cè)

風(fēng)監(jiān)測(cè)報(bào)警是為了防御和降低大風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行安全造成的影響。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在沿線大風(fēng)重點(diǎn)發(fā)生區(qū)段（如山區(qū)埡口、峽谷、河谷、橋梁、高路堤等區(qū)段）設(shè)置風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，采集瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向信息。當(dāng)風(fēng)速監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，調(diào)度員根據(jù)運(yùn)營(yíng)管理規(guī)則發(fā)出行車限速或停車指令。監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用超聲波式風(fēng)速風(fēng)向計(jì)。為保證風(fēng)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)，安裝于軌旁供電接觸網(wǎng)支柱上，風(fēng)速風(fēng)向計(jì)監(jiān)測(cè)面距軌面4 0000-100mm［1］。兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)同時(shí)采集風(fēng)速、風(fēng)向信息。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性除定期進(jìn)行風(fēng)洞檢定外，現(xiàn)場(chǎng)一般較難核查，因此本文研究通過(guò)風(fēng)速監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的判識(shí)提高報(bào)警數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的判識(shí)可借鑒氣象要素質(zhì)量控制相關(guān)方法。地面氣象資料質(zhì)量控制以人機(jī)交互辨別的實(shí)時(shí)檢查為主。檢查方法包括氣候?qū)W界限值檢查、內(nèi)部一致性檢查、時(shí)間一致性檢查、空間一致性檢查等［2-3］。這些傳統(tǒng)的質(zhì)量控制方法對(duì)要素的變化缺乏靈敏性，已經(jīng)不能滿足質(zhì)量控制需求。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，氣象部門也在探索基于數(shù)據(jù)挖掘的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，如支持向量機(jī)、粒子群、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［4］。本文以福平（福州—平潭）高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，研究異常數(shù)據(jù)的判識(shí)方法，以進(jìn)一步提高風(fēng)速報(bào)警的可靠性。

2 高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析

風(fēng)具有局部、突發(fā)等特性，除龍卷風(fēng)等極端情況外，風(fēng)速的變化一般具有連續(xù)性，見(jiàn)圖1。風(fēng)還具有季節(jié)性特點(diǎn)，一般春季（3—5 月）為大風(fēng)的高發(fā)期。因此，可根據(jù)風(fēng)速的連續(xù)性特點(diǎn)采用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識(shí)。

圖1 福平鐵路某監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2020年10月）

2.1 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)異常數(shù)據(jù)判識(shí)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大的情況（圖2），需要對(duì)兩臺(tái)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)，以排除異常數(shù)據(jù)。

圖2 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)安裝于同一接觸網(wǎng)支柱的同一高度處，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，因此采用相關(guān)性分析對(duì)兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

其中：s1、s2分別為兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速序列；Cov(s1，s2)為風(fēng)速序列s1，s2的協(xié)方差；Var[s1]、Var[s2]分別為風(fēng)速序列s1和s2的方差。

當(dāng)相關(guān)系數(shù)不小于0.95時(shí)，認(rèn)為兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，否則需要進(jìn)行單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)異常數(shù)據(jù)判識(shí)。

2.2 單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)異常數(shù)據(jù)判識(shí)

單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為秒級(jí)時(shí)間序列。采用孤立森林法、支持向量機(jī)法等機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，孤立森林法將部分風(fēng)速的極大值判識(shí)為異常數(shù)據(jù)，支持向量機(jī)法將部分風(fēng)速的極大值和極小值識(shí)別為異常數(shù)據(jù)。由于風(fēng)具有突發(fā)特性，這兩種機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)的判識(shí)存在誤判，因此，采用統(tǒng)計(jì)分析方法識(shí)別風(fēng)速異常數(shù)據(jù)。

圖3 兩種算法對(duì)正常風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的判識(shí)結(jié)果

根據(jù)對(duì)高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，風(fēng)速一般不符合正態(tài)分布，但是瞬時(shí)風(fēng)速差分之后符合正態(tài)分布，見(jiàn)圖4。因此，采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)差分閾值法［5-6］進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識(shí)。

圖4 瞬時(shí)風(fēng)速差分前后的分布

福平鐵路一監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速v監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差分結(jié)果見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯簐＜10.8 m/s 時(shí)風(fēng)速差分值在-1.9～1.6 m/s；v≥ 10.8 m/s 時(shí)風(fēng)速差分值在-3.4～3.5 m/s。因此，可將風(fēng)速分為不同等級(jí)，確定不同等級(jí)風(fēng)速下差分閾值。根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)選擇差分閾值的區(qū)間，進(jìn)行異常風(fēng)速的判識(shí)。

圖5 福平鐵路一監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差分結(jié)果

根據(jù)風(fēng)速對(duì)列車運(yùn)行和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，將風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為v ＜10.8 m/s、10.8 m/s≤v ＜15.0 m/s、15.0 m/s ≤v ＜20.0 m/s、20.0 m/s ≤v ＜25.0 m/s、25.0 m/s ≤v ＜30.0 m/s、v≥ 30.0 m/s 6 個(gè)等級(jí)。對(duì)各等級(jí)風(fēng)速進(jìn)行差分得出每個(gè)等級(jí)風(fēng)速下的差分閾值。各線路不同等級(jí)風(fēng)速下的差分閾值根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得出。當(dāng)前風(fēng)速差分值超過(guò)對(duì)應(yīng)等級(jí)風(fēng)速下的差分閾值時(shí)，標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工判識(shí)。

3 風(fēng)速異常數(shù)據(jù)原因分析

通過(guò)對(duì)兩臺(tái)和單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的原因有風(fēng)速風(fēng)向計(jì)故障、隨機(jī)擾動(dòng)和環(huán)境因素（如接觸網(wǎng)支柱遮擋、凍雨等）3種，見(jiàn)圖6。其中，紅色區(qū)數(shù)據(jù)異常。

圖6 風(fēng)速監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)

4 工程驗(yàn)證

選取京張（北京—張家口）高速鐵路2021 年3 月—5 月一個(gè)風(fēng)季的風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。京張高速鐵路沿線共設(shè)置40個(gè)風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉無(wú)效數(shù)據(jù)。被去掉的數(shù)據(jù)不參與差分閾值計(jì)算。

4.1 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)判識(shí)

對(duì)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，以監(jiān)測(cè)點(diǎn)K149 + 906 和K24 + 408 部分?jǐn)?shù)據(jù)分析結(jié)果（圖7）為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)K149 + 906 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.976，r＞0.95，通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，表明兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。監(jiān)測(cè)點(diǎn)K24 + 408 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速r為0.003，r＜0.95，未通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，表明兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，需要進(jìn)一步對(duì)單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)。

圖7 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速相關(guān)性判識(shí)結(jié)果

4.2 單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)判識(shí)

采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)差分閾值法分別對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)K24+408 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中一臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)差分閾值設(shè)置見(jiàn)表1，可以看出各風(fēng)速段閾值不同。20.0 m/s ≤v＜ 25.0 m/s 時(shí)閾值較小，是由于樣本較少，即一個(gè)風(fēng)季內(nèi)20.0 m/s 以上的大風(fēng)較少。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到25.0 m/s以上大風(fēng)。

表1 差分閾值設(shè)置 m·s-1

該風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速的判識(shí)結(jié)果見(jiàn)圖8。由表1 和圖8 可以看出，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在正常的閾值范圍內(nèi)。采用同樣的方法對(duì)另一臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識(shí)，風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也在閾值范圍內(nèi)。這說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大不是由于單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)故障導(dǎo)致的。

圖8 單臺(tái)風(fēng)速計(jì)異常數(shù)據(jù)判識(shí)結(jié)果

對(duì)風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定異常數(shù)據(jù)是否由接觸網(wǎng)支柱遮擋所致。將風(fēng)向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分為4個(gè)風(fēng)向段（0°～ 90°、90°～ 180°、180°～ 270°、270°～ 360°），分析每個(gè)風(fēng)向段內(nèi)兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)同一時(shí)刻風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差值（風(fēng)速風(fēng)向計(jì)2 監(jiān)測(cè)的風(fēng)速-風(fēng)速風(fēng)向計(jì)1 監(jiān)測(cè)的風(fēng)速）分布，結(jié)果見(jiàn)圖9。可見(jiàn)：風(fēng)向?yàn)?80° ～360°時(shí)，兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大。當(dāng)風(fēng)向?yàn)?80°～270°，風(fēng)速風(fēng)向計(jì)2 的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計(jì)1的情況比較多，兩者之間的差值最大達(dá)15 m/s以上；當(dāng)風(fēng)向?yàn)?70°～ 360°時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向計(jì)2 的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于風(fēng)速風(fēng)向計(jì)1 的情況比較多，兩者之間的差值最大達(dá)-15 m/s以上。

圖9 兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速差在4個(gè)風(fēng)向段的分布

對(duì)風(fēng)向?yàn)?80° ～360°的兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢?jiàn)：導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向計(jì)2 的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計(jì)1 的風(fēng)主要為西南風(fēng)（風(fēng)向225°～ 270°）；導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向計(jì)1 的風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計(jì)2 的風(fēng)主要為東南風(fēng)（風(fēng)向270°～315°）。因此，可以判斷該時(shí)段兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異較大與風(fēng)向有關(guān)，說(shuō)明存在接觸網(wǎng)支柱擋風(fēng)的情況。

圖10 風(fēng)向段重新劃分后風(fēng)速差的分布

5 結(jié)論

1）提出采有相關(guān)性分析對(duì)兩臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)，采用自適應(yīng)差分閾值對(duì)單臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識(shí)的方法。該方法不僅可以判識(shí)異常數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)向還可以進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)異常原因進(jìn)行分析。

2）按照風(fēng)速對(duì)列車運(yùn)行和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，將風(fēng)速分為6 個(gè)等級(jí)，通過(guò)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出各等級(jí)風(fēng)速下的差分閾值，將實(shí)時(shí)風(fēng)速差分值與各風(fēng)速段對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的判識(shí)。

3）對(duì)京張高速鐵路風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明，該方法可有效判識(shí)風(fēng)速異常數(shù)據(jù)，計(jì)算量小，快速便捷。