直升機電力巡檢過程效能評估方法

邢志偉，宋俊達，文 濤，凡麗明

(1.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300；2.中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；3.國網通用航空有限公司運行控制與調度中心，北京 102209)

1 引言

近些年來，隨著我國電力工業的發展，輸電線路的長度得到快速增長，由于輸電線路所處自然環境大多較為惡劣，容易發生斷股、磨損、腐蝕等損傷，對輸電線的正常工作產生一定影響[1]。為提高直升機電力巡檢的效率和能力，根據直升機電力巡檢作業的特點，提出一種根據其歷史作業數據的效能評估方法。

在電力巡檢作業過程方面，文獻[2]基于離散事件系統建模理論，將直升機森林單機滅火訓練任務分解成若干個事件與活動，為指標的選取提供了基礎；文獻[3]使用主成分分析法對中壓配電網供電可靠性評估的標準化指標矩陣進行主成分提取，并確定了各主成分指標的權重大小。參照以上理論方法，建立直升機電力巡檢作業的事件活動流，提取并定義其主成分指標，建立評價指標體系。

在電力巡檢作業效能評估方面，文獻[4]使用熵權法和層次分析法相結合的方法對農村屋頂光伏電能質量進行評估，目的是減少主觀因素的影響；文獻[5]利用廣義馬氏距離計算方法消除了汛期水庫防洪調度決策指標間的相關性以及量綱的影響，并考慮到指標間的重要性差異，為決策起到了科學性的指導；文獻[6]以西北寒旱地區鐵路綠色施工等級評價為例，運用雷達圖法對各指標的相對優劣情況進行縱向和橫向的對比展示，不僅可以實現對綠色等級的判定，還便于展找出研究對象綠色施工措施存在的主要問題。綜合以上指標評估方法，提出基于廣義馬氏距離結合雷達圖法(GMD-RCA)的直升機電力巡檢過程效能評估方法。

本文將綜合評價方法、廣義馬氏距離和雷達圖法相結合，對作業指標數據進行全面、科學地分析以及直觀地展示，解決了指標間相關性較強、評估缺乏客觀性導致準確性不足的問題，為更好地提高直升機電力巡檢作業能力提供科學依據。

2 直升機電力巡檢過程效能指標體系

2.1 電力巡檢流程圖

在處理多指標綜合評價問題時，為使評價更加具有科學性和全面性，最有效的方法是建立指標體系模型，這也是進行評價的關鍵問題之一。

根據我國電力行業標準《架空輸電線路直升機巡視技術導則》并查閱相關文獻資料，將直升機電力巡視作業流程歸納為航前準備、線路巡視和航后處理。其中，線路巡視階段是電力巡檢過程效能評估的主要階段，這一階段具有明顯的過程性特征[7]，由若干個具有時序性的流程組成，可分解成若干個“事件—活動—事件”結構的基本單元，線路巡視階段各事件和活動內容如表1所示。

表1 各事件和活動內容

根據直升機電力巡檢的基本環節以及各事件和活動內容的時序性要求，建立事件活動流形態的直升機電力巡檢流程圖如圖1所示。

圖1 直升機電力巡檢作業流程圖

根據直升機電路巡檢作業流程圖，進一步分析描述影響直升機電力巡檢過程效能的有關因素，各因素定義如下：

x1=T(E8)-T(E2)

(1)

x2=T(E5)-T(E4)

(2)

(3)

x4=N(A4)

(4)

x5=S(E5)-S(E4)

(5)

(6)

(7)

式中：x1為總飛行時長；x2為巡線時長；x3為線上時間占比；x4為巡視塔基數；x5為巡視里程；x6為飛行速度；x7為巡視速度；T、S分別表示事件中的時間、路程參數；N表示活動中已完成檢查的塔基數量。

2.2 建立指標體系

由于直升機巡線作業包含指標數量較多，不對指標進行篩選和整理，會增加指標體系的復雜度，最終影響評價結果的準確性。在建立巡線作業能力評價指標體系時，首先對指標進行分析，盡可能使用最少的指標數的同時，全面地描述直升機巡線能力，主成分分析法是處理指標降維的典型方法。

在實際問題的研究中[8]，為了全面、系統地分析問題，必須考慮眾多指標，因為每個指標都在不同程度上反映了研究問題的某些信息，指標之間也存在一定的相關性，因而所反映的信息有著一定程度上的重疊，并且指標數量過多會增加計算量以及分析問題的復雜程度。理想情況是分析問題時涉及到較少的指標、得到較多的信息，主成分分析法是適應這一情況產生的，也是解決這類問題的理想工具。在進行數據分析時，為消除各指標的量綱不同產生的影響，采用Z-score法對各指標的每組原始數據進行標準化處理

(8)

(9)

(10)

對于直升機電力巡視作業，包含信息較少的成分應棄去，同時為體現指標體系的全面性，提取的成分的累積百分比應不小于95%；在確定提取的主成分個數后，分析各主成分與各原始指標的相關性，確定主成分的性質與包含的信息。通過SPSS分析軟件對標準化的數據進行計算，得到總方差解釋表和成分矩陣表，如表2和表3所示。

表2 總方差解釋

表3 成分矩陣

表2中三個成分所占方差百分比為94.897%，四個成分占方差百分比為97.980%，比較接近，為保證巡線作業能力評價的全面性，將提取四個成分。表3中成分1與所有指標均呈正相關，且與巡視塔基數和巡視里程相關度最高，將成分1定義為作業進度指標，用z2表示；成分2與線上時間占比有較高的相關度，同時與總飛行時長有比較高的負相關度，將成分2定義為作業效率指標，用z3表示；成分3與巡視塔基數和巡視里程有一定的負相關性，將成分3定義為作業損耗指標，用z4表示；成分4與巡視速度相關度最高，且與巡視里程有一定的正相關度，將成分4定義為作業速度指標，用z5表示。主成分z2、z3、z4、z5如表4所示，并建立直升機電力巡檢過程效能評估指標體系，如圖2所示。

圖2 電力巡檢過程效能指標體系

表4 主成分命名表

其中，各主成分數據值為：

作業進度：

z2=0.828X1+0.904X2+0.727X3+0.962X4+0.963X5+0.838X6+0.325X7

作業效率：

z3=-0.5117X1+0.103X2+0.394X3+0.047X4+0.005X5+0.349X6+0.054X7

作業損耗：

z4=0.094X1+0.073X2+0.250X3-0.179X4-0.161X5-0.101X6+0.267X7

作業速度：

z5=-0.155X1-0.371X2-0.497X3+0.080X4+0.150X5+0.370X6+0.904X7

(Xi是xi的標準化)

3 基于GMD-RCA的評估方法

3.1 指標綜合權重的求解

指標的權重大小影響到最終評估結果的準確性，為增加指標權重的科學性與合理性，綜合專家經驗以及作業數據。首先，使用層次分析法[9-10](AHP)，求取基于專業人員經驗判斷的各指標權重大??；之后，利用上面得到的進過標準化處理的數據，通過熵權法求出除作業準備指標外的各指標權重大小；最后，建立合理的數學模型，求出各指標的綜合權重。

在使用層次分析法求解指標權重之前，要先建立專家系統，參照層次分析法的比例標度表，建立成對比較矩陣(判斷矩陣)，如表4所示。接下來進行一致性檢驗，計算得到一致性指標CI=0.0689，一致性比率CR=0.0615，均小于0.1，認為該判斷矩陣的一致性可以接受，通過Matlab軟件運算得出基于層次分析法的各指標權重，如表5所示。

表4 成對比較矩陣

表5 權重結果一

熵權法[11]是一種完全依賴于數據的客觀賦權方法，有很好的適應性，能夠根據實際情況結合其它權重求解方法一起使用。

直升機電力巡線作業中，作業準備指標采用分級打分，沒有具體的數據，但是可以得到其它四個指標的原始數據，因此在利用熵權法計算權重時，得到除作業準備指標的其余指標權重大小，如表6所示。

表6 權重結果二

最后進行綜合權重[12-13]的求解。指標的重要性表現為每個指標在決策中的重要程度各不相同，即權重的大小直接影響決策結果。一般來說權重可分為主觀權重、客觀權重和組合權重。組合權重[14]是一種綜合權重，綜合考慮了決策者的主觀偏好和指標的數據分布特征。綜上所述，綜合權重在描述指標間的重要性差異方面最優秀。

α1=σA1

(11)

(12)

式中，αi表示指標綜合權重，σAk表示通過層次分析法得到的各指標權重，σEi表示通過熵權法得到的各指標權重。

根據得到的權重結果，在對直升機巡線作業能力進行評價時，作業質量和作業效率對評價結果影響較大，這兩個指標的權重之和達到了0.6，并且作業準備指標對評價結果的影響很小。因此在直升機巡線作業中，應更加重視具體巡線作業相關數據，同時也不要忽視作業準備過程，對以后的巡視作業起到了引導和規范的作用，綜合權重結果如表7所示。

表7 綜合權重

3.2 廣義距離的計算

馬氏距離[15-16]是由印度統計學家Mahalanobis與1936年提出的一種統計距離，不受坐標之間的量綱影響，通過引入兩個隨機變量的協方差來測量它們之間的聯系，消除了指標之間的相關性。將馬氏距離應用于直升機作業能力評價方法中能有效解決指標間的相關問題。

將直升機電力作業效能評估指標進行分類，分別是效益型指標和成本型指標，如表8所示。

表8 指標分類

單指標馬氏距離計算公式為

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

多指標的馬氏距離的計算公式為

(18)

(19)

加權廣義馬氏距離的計算公式如下所示

(20)

式中Ω=diag(a1，a2，a3，…)；(a1，a2，a3，…)分別為各指標的綜合權重值。

得到直升機電力巡檢作業多指標馬氏距離計算公式

(21)

(22)

Z+={(min(zij)|zi∈J+)，(max(zij)|zi∈J-)}

(23)

Z-={(max(zij)|zi∈J+)，(min(zij)|zi∈J-)}

(24)

(25)

(26)

式中Z+稱為正理想解，是由效益型指標的最小值和成本型指標的最大值組成的行矩陣；Z-稱為負理想解，是由是由效益型指標的最大值和成本型指標的最小值組成的行矩陣；D+表示直升機作業數據到正理想解的距離，該值越大，說明該次電力巡檢作業效能越高；D-表示直升機作業數據到負理想解的距離，該值越大，說明該次電力巡檢作業效能越低。

4 實例分析及評價

現隨機選取10次直升機電力作業單次起降過程中的作業數據，由此區域相同型號直升機的歷史作業數據，經過整理分析比較，分別得到單次起降過程的正理想解與負理想解，利用加權廣義馬氏距離計算各方案相對于理想解的貼近度，如表9所示。

表9 機組綜合得分表

各單次電力作業指標基于馬氏距離雷達圖表示[18]，如圖4所示。

圖4 效能雷達圖

圖中從左至右序號依次為(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)。各指標的貼近度取值范圍是0～1，越接近1，說明該單次起降電力作業過程中，直升機在該指標下的表現越優秀。

明顯的看出序號4的直升機電力作業過程中，在各指標下的表現都非常優秀，其中作業損耗指標的貼近度達到了1，說明該次電力作業的作業損耗是該機組在這一作業區域中的最理想情況，有利于機組人員深入分析這一情況發生的原因，對該機組電力作業效能的提升起了很大的幫助。

通過對該機組各單次起降電力作業指標數據的對比分析，能夠增加對直升機機組在該區域作業效能的了解，為其以后的電力作業任務規劃提供意見，具有很強的實用價值。直升機電力巡線能力評估指標體系的建立，為通用航空公司對機組作業能力的評價提供參考，能夠直觀的了解到某一機組的缺陷或者不足，從而對機組作業提供合理的建議，使其作業能力得到提高，為通用航空公司帶來巨大的經濟與社會效益。

5 結論

1)本文根據直升機電力巡檢作業事件活動流程圖，選取與作業效能相關的指標，建立直升機電力巡檢作業指標體系，其中數據指標7個，分級指標1個；

2)應用主成分分析法能夠減少指標數量的同時保證評價結果的全面性；層次分析法與熵權法相結合使指標權重的結果更加科學并且合理；

3)利用廣義馬氏距離來表示單個指標與理想解的距離，進行標準化處理，并在雷達圖上將各指標的值展示出來；利用廣義加權馬氏距離表示直升機機組多指標與理想解的距離，利用貼近度進行標準化處理，得到綜合得分；

4)通過對隨機的10組直升機電力巡檢作業數據進行評價處理，結合客觀情況，說明此方法能夠實現直升機電力巡檢作業效能的展示。