壓縮感知理論中的建筑電氣系統故障診斷分析

周迪

中國銀行股份有限公司安徽省分行基建辦公室 安徽 合肥 230001

引言

傳統的電氣故障診斷方法是以人工判斷為主，最終的恢復時間主要取決于工作人員的技術水平。傳統的故障診斷方法效率低，人工誤差大，已經不能滿足電氣行業的發展，因此技術人員要努力學習和研發新的技術，將現代化技術應用于建筑電氣系統的故障診斷中，不僅能提高診斷效率，還能保證故障診斷的準確性，甚至可以提出相關的故障解決措施。本文主要介紹的是壓縮感知理論和該理論在電氣系統故障診斷中的應用，希望對相關的工作人員有所幫助。

1 壓縮感知理論概述

1.1 壓縮感知理論的介紹

壓縮感知理論又被稱為壓縮采樣或者稀疏采樣，主要是利用訊號稀疏的特性，通過較少的計算還原出想要得到的信號。壓縮感知理論是在2004年被科學家提出，但是在很早以前，就已經被應用于多個領域當中，例如信號處理、應用數學和醫學成像等方面。壓縮感知的前提是信號具有可壓縮性，工作人員通過各種技術手段實現高維信號的感知，優化了信號恢復的措施，是數學理論和工程應用的完美結合。

目前而言，壓縮感知理論在無線通信、陣列信號處理、雷達成像、模擬信息轉換和生物傳感方面都有一定的應用，并都取得了一定成績，例如在雷達成像中，壓縮感知理論的應用減少了數據的存儲量，改善了成像質量。在未來的發展過程中，科研人員會用壓縮感知來解決非線性函數參數的問題、量化誤差問題等。

1.2 壓縮感知理論的原理

圖1 壓縮感知理論原理圖

該圖是壓縮感知理論文章中最常見的一幅圖，本文也利用此圖片來介紹該理論的原理。在此圖片中技術人員需要收集的信號是S，按照傳統的處理方式技術人員需要知道一個矩陣Ψ，然后經過反復的計算，最終找出信號S。但是壓縮感知理論不需要進行高強度的計算，采用高斯隨機矩陣作為采樣矩陣，再用對應的計算公式就能算出采樣信號y，y的長度為M，y的長度遠遠小于S的長度，但是卻可以表達信號S，這就是壓縮感知理論的原理。

使用壓縮感知理論是需要具備一定前提條件的，首先是該信號在頻域具有稀疏性，如果信號在該區域的非零點小于信號總點數，說明它是稀疏的，只有這樣才具有可壓縮性。其次是不相關性，只有隨機采樣才能符合信號的恢復要求。

2 電氣設備故障的診斷原理和診斷方法

2.1 電氣系統故障的診斷原理

電氣系統的故障診斷主要是故障集的映射模式，技術人員根據故障集系統提取分析，準確地判斷出故障的所在[1]。電氣系統故障的原因比較復雜，而且故障現象都不一樣，還可能會出現同一故障現象但是造成故障的原因不同。技術人員要將傳感器安裝在系統的回路中，收集系統的故障信號并提取相應的特征，然后判斷故障的種類和位置，發出警報，給出相應的解決措施。技術人員根據這一流程，結合專業知識和工作經驗，準確地判斷出故障原因，采取相應的解決措施。

2.2 電氣系統故障的診斷方法

2.2.1 建模法。建模法是電氣設備故障判斷中比較常用的方法之一，是以數學理論為基礎，根據設備的故障信息建立相應的數學模型，技術人員通過對模型的分析判斷出設備的故障原因，根據實際原因采取相應的解決措施，使電氣設備恢復正常使用。建模法應用的基礎是設備的故障問題符合數學建模的條件，而且在數學建模前，技術人員首先要檢測出位置故障的敏感性，才能通過建模實現故障判斷。建模法非常容易受到數學模型構建的限制，因此要求技術人員在實際判斷中必須確保其判斷的合理性。

2.2.2 計算機診斷法。計算機診斷法主要是將現代化技術應用到電氣設備故障診斷中，能夠準確地判斷出設備在運行中存在的問題。技術人員將計算機與設備連接，設備的使用參數都記錄在計算機中，在計算機檢查設備的運行情況時，如果出現數據異常，就表明設備可能存在問題。技術人員根據計算機的提示再次進行設備檢查，排出故障信息后重新利用計算機再次檢查設備是否還存在數據異常。計算機診斷法能夠提高故障的診斷效率，提高故障診斷的準確性，判斷出故障的位置和原因，減少了工作人員的工作量。

2.2.3 知識診斷法。知識診斷法是對技術人員的專業水平要求極高的一種方法，不僅要求技術人員的專業知識過硬，還要求技術人員對專業知識的熟練應用程度。熟練掌握知識診斷法，是每個技術人員都要做到的，盡管現代化技術的應用已經大幅度地簡化了技術人員的工作量，但是專業知識是最基本的保證[2]。知識診斷法的優勢是準確性更高，更具有科學性，在沒有其他方法進行故障診斷時，知識診斷法是最好的選擇。為了使知識診斷法的應用更加準確，企業要加強技術人員專業知識的培訓，保證每個技術人員的專業水平都能符合要求。

2.2.4 信號診斷法。信號診斷法顧名思義是通過信號來判斷電氣設備的故障，主要數據包括頻率、頻數等，通過數據的計算與分析確定設備的故障問題。該方法主要是以技術人員的主觀判斷為主，因此要求工作人員的實際工作經驗豐富。技術人員在保證系統信息全面性的基礎上，分析信號所存在的問題，利用相關技術找出故障位置。該方法的弊端是故障判斷過于粗略，可能造成故障診斷不全面的現象，但是如果結合壓縮感知理論的應用，就能夠提高信號診斷法的精準度。

3 壓縮感知理論在電氣故障診斷中的應用

3.1 壓縮感知理論中的信號重構算法

技術人員在壓縮感知的過程中，如果信號本身就是稀疏信號，而且矩陣結構和稀疏基之間沒有任何關系，需要采用相關的模式將信號恢復，然后進行重建，使其滿足解壓縮處理的條件。重構算法主要分為三種，第一種是貪婪算法，是以整體結構的多次迭代計算模式為前提，獲取局部最優解為基礎，利用循環迭代處理使其與原始數據越來越逼近，在保證應用要求的前提下，確定計算結構的完整性。貪婪算法的優勢是效率快，測量的數據基數比較大，實際處理難度和效率相互平衡，最常見的貪婪算法是MP和OMP。第二種是凸優化算法，該算法可以根據極小化數值的處理模式與目標函數相逼近，并且能夠保證重建率，它的最大優勢就是需要觀測的次數不多，但是計算過程比較復雜，需要技術人員在計算過程中更加認真，保證數據的準確性。第三種是組合型算法，該算法是利用一些基礎測試模式完成相關內容的處理，使用原始信號重建機構，就能獲取采樣數據。

3.2 壓縮感知理論在故障診斷時的工作流程

壓縮感知理論的應用前提是信號是否存在稀疏性，因此技術人員在使用壓縮感知時，第一步要判斷該故障是否符合應用條件，確定信號存在稀疏性才能繼續進行操作。第二步是選擇合適的測量矩陣的處理方案，目前比較常見的矩陣是高斯矩陣和伯努利矩陣，高斯矩陣的隨機性很強，而且它與大部分的正交集或者正交字典不相關，所需要的測量數相對也比較少，因此在壓縮感知的過程中應用比較廣泛[3]。伯努利矩陣的優勢也很明顯，它的隨機性和高斯矩陣一樣強，而且在實際應用中更容易存儲和實現。最后是建立重構算法，重構算法是壓縮感知的核心部分，技術人員需要根據實際情況選擇合適的重構算法，保證壓縮感知過程的順利進行。

3.3 壓縮感知理論的故障診斷方法

技術人員根據電氣設備診斷時的異常信號進行分析，提取故障信息，采用不同的算法判斷出設備的故障類型。例如技術人員在對某一類故障進行分類時，整理好每個故障樣本，組成所需要的樣本矩陣。然后根據相應的算法，算出矩陣，并求出稀疏向量，將其作為測試樣本的稀疏分類。最后技術人員只需要對測試樣本進行分類即可，分類時可以選擇利用分類函數，將已經有的數據進行帶入計算，求出分類結果，完成故障的診斷。

3.4 以壓縮感知理論為基礎的電氣故障診斷實驗簡介

在實驗進行前實驗人員要搭建符合要求的實驗平臺，該實驗的主要設備為低壓電器裝置，220V電壓，50Hz交流電，變壓器將其轉變成15V直流輸出，起到為弱電板供電的作用[4]。選用了22個開關進行故障模擬，斷開是正常情況，閉合則表示發生了故障。本實驗主要為5類故障，需要進行5組實驗，在實驗進行前，技術人員需要根據不同故障的種類進行實驗設計，保證實驗的順利進行。實驗過程中技術人員要做好數據的記錄，采取多次重復的實驗方法，保證實驗結果的準確性，計算出運行時間，最終根據實驗結果準確地判斷出故障類型。

4 提高壓縮感知理論在電氣故障診斷中的應用措施

4.1 提高技術人員的水平

由于壓縮感知理論是新興技術，很多的算法和應用還在研究階段，尤其是在實際故障診斷方面，應用并不是很多，因此很多技術人員對該理論的應用方法都不是很了解[5]。為了提高該理論在電氣設備故障診斷中的應用，企業需要加強技術人員的培養力度，組織技術人員學習新的技術，并進行考核，選擇考核成績優異的技術人員為壓縮感知理論的技術顧問，解決其他人員在應用該理論是遇到的問題。有相關電氣設備專業的高校可以將壓縮感知理論作為新知識加入到教學中，從學生開始逐漸滲透壓縮感知理論的應用，不僅適用于電氣設備故障方面，還適合其他行業，現代化知識的滲透與普及有利于我國科學技術的發展。

4.2 完善故障診斷管理措施

由于壓縮感知理論的應用主要是以信號為基礎，在電氣設備故障診斷中存在一定的局限性，當技術人員在學習該理論時，可能會出現習慣性思維，將該方法應用到實際診斷中，此時管理人員要做好管理工作，確定該理論是否符合實際需求，避免出現盲目應用的問題，造成故障診斷失誤[6]。在應用壓縮感知理論前，管理人員要進行初步判斷，判斷該故障采用哪種方式更加快捷，更加準確，避免出現影響工作效率的情況。在工作不忙的情況下，管理人員可以安排技術人員針對同一故障采用不同的工作方式進行處理，然后工作時間和故障診斷的準確性，提高技術人員的專業水平。

4.3 加強壓縮感知理論的實驗判斷

電氣設備能夠保證人們的正常用電，其重要性不言而喻，壓縮感知技術在設備故障診斷中的應用沒有完全普及，因此很少的企業將該理論應用于實際工作中。提高企業核心競爭力的主要措施是研發新技術，企業可以建立實驗室，在實驗室中反復進行設備故障診斷的實驗，將數據進行對比并總結經驗，將實驗過程和結論傳授給技術人員，保證壓縮感知理論的應用。

5 結束語

電氣設備故障診斷的重要性在于改善了傳統設備的維修制度，不再是設備出現問題后進行修理，而是預知維修，不僅提高了設備的維修效率，還節約了維修費用，提高了設備運行的穩定性。壓縮感知理論的提出，在很多方面都有了廣泛的應用，而且取得了不錯的成績，但是由于電氣設備的特殊性，在實際故障判斷中，壓縮感知理論的應用并不多，還需要在實驗室進行反復的實驗，保證故障判斷的效率。