基于多維數(shù)據(jù)迭代的智慧化數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

張冠杰，臧衛(wèi)杰

（黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

人工智能的發(fā)展是在計(jì)數(shù)機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制理論充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，經(jīng)多學(xué)科互相滲透而發(fā)展起來的現(xiàn)代綜合性科學(xué)理論。隨著人工智能的發(fā)展，大量數(shù)據(jù)的采集、輸入、存儲、分析、處理必然地成為人工智能分析現(xiàn)實(shí)而產(chǎn)生動(dòng)作后果的一個(gè)重要的前提。其中，借助于各種物理量傳感器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，通過多種數(shù)據(jù)傳輸和通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)輸入，按照數(shù)據(jù)的類型和特點(diǎn)以及在系統(tǒng)中作用進(jìn)行不同類別的存儲，以上三個(gè)環(huán)節(jié)在計(jì)數(shù)機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制理論中已發(fā)展極為成熟，并未體現(xiàn)在人工智能方面的任何突出特點(diǎn)。而在如何使用這些數(shù)據(jù)建立多維數(shù)組，并對數(shù)組進(jìn)行分析、計(jì)算、迭代后實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)輸出并進(jìn)入邏輯處理環(huán)節(jié)，最終為人工智能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和產(chǎn)生后果提供條件，這才是人工智能在數(shù)據(jù)流各環(huán)節(jié)中的技術(shù)核心。本項(xiàng)研究方向主要是在分析不同類型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究如何建立多維特征數(shù)組；研究如何對數(shù)組進(jìn)行合并、拆分、運(yùn)算和迭代；研究如何提取有效數(shù)據(jù)產(chǎn)生有效輸出。

1 數(shù)據(jù)類型的簡要介紹

數(shù)據(jù)類型按照物理量的特征，主要可以分為模擬量和數(shù)字量。模擬量反應(yīng)物理量的一個(gè)連續(xù)變化的數(shù)值，例如水池水位、發(fā)電機(jī)軸瓦溫度、水泵出口壓力、起重機(jī)的起吊高度等都是模擬量；模擬量一般是通過傳感器將物理量轉(zhuǎn)換成4～20 mA或0～5 V的電信號傳給系統(tǒng)輸入端，由輸入端處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可識別的數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用。數(shù)字量（也叫開關(guān)量）反應(yīng)物理量的一種狀態(tài)，例如開關(guān)的在斷開或關(guān)閉的位置，都可以用數(shù)字量表示；開關(guān)量可通過高低電平被系統(tǒng)直接識別。數(shù)據(jù)類型的選擇的關(guān)鍵還是取決于系統(tǒng)功能對物理量的需求。

例如一個(gè)開關(guān)可以通過一個(gè)數(shù)字量顯示其狀態(tài)，數(shù)字量為“1”表示開關(guān)閉合，數(shù)字量為“0”表示其斷開。一個(gè)水池的水位通過數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)使得傳感器輸出的4 mA、12 mA、20 mA分別對應(yīng)不同的水位；實(shí)際運(yùn)用中通過線性計(jì)算，系統(tǒng)即可識別實(shí)時(shí)采集回來的數(shù)據(jù)反應(yīng)了水池的實(shí)際水位。

2 多維特征數(shù)組的建立

2.1 數(shù)組的建立

先從舉例開始，還是上面說的開關(guān)，數(shù)字量為“1”表示開關(guān)閉合，數(shù)字量為“0”表示其斷開。這時(shí)候我們會提出一個(gè)問題，當(dāng)這個(gè)開關(guān)既沒有閉合，也沒有斷開是個(gè)什么狀態(tài)？顯然這是用這種單一的數(shù)字量無法展現(xiàn)這種工況。如果這種工況在現(xiàn)實(shí)中真實(shí)存在，就需要增加數(shù)據(jù)的維度。可以通過兩個(gè)或多個(gè)數(shù)字量組成的數(shù)組來反應(yīng)其多種不同狀態(tài)，

例如：數(shù)組D[a][b]

D[0][1]表示開關(guān)在斷開位置，D[1][0]表示開關(guān)在閉合位置，D[0][0]表示開關(guān)在操作過程中（數(shù)組的這種狀態(tài)在某些類型開關(guān)上時(shí)間很短，但它真實(shí)存在。），即使這個(gè)時(shí)間在某些開關(guān)類型上時(shí)間很短，但它真實(shí)存在；而D[1][1]則反應(yīng)開關(guān)出現(xiàn)異?；驍?shù)據(jù)量質(zhì)量出現(xiàn)異常。數(shù)組的這種狀態(tài)在工程應(yīng)用中也是非常有價(jià)值的，這種狀態(tài)針對設(shè)備本身不具有意義，但是它可以反應(yīng)設(shè)備的位置開關(guān)、數(shù)據(jù)采集模件、數(shù)據(jù)傳輸和通信環(huán)節(jié)出現(xiàn)了異常。顯然二維數(shù)組比一維的數(shù)據(jù)能展現(xiàn)多一倍的信息。

2.2 數(shù)組維數(shù)的擴(kuò)展

如果將上面的二維數(shù)組再將時(shí)間擴(kuò)展進(jìn)來組成三維數(shù)組，例如：D[a][b][T]

這樣的三維數(shù)組就能展現(xiàn)出設(shè)備全生命周期的狀態(tài)，就能夠給人工智能提供非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)。當(dāng)然這需要對數(shù)組進(jìn)行一定的科學(xué)計(jì)算。比如我們可以計(jì)算出在某個(gè)時(shí)間段，開關(guān)累計(jì)開合次數(shù)，可以計(jì)算開關(guān)壽命和下一個(gè)檢修周期。根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)的需要，不斷增加的數(shù)組維數(shù)展現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息就會更多。

從上面的舉例我們能夠看出，對物理量的需求辨識是數(shù)組建立的基礎(chǔ)，我們需要該物理量給我們提供哪些信息，我們應(yīng)用這些信息想干什么？這決定我們會建立一個(gè)什么樣的數(shù)組。我們在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)中就已經(jīng)開始考慮多維特征數(shù)組的建立了。目前標(biāo)準(zhǔn)系列中并未對該項(xiàng)設(shè)計(jì)提出特別明確要求，深入到具體數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)還要求熟悉物理量的特點(diǎn)和清晰的系統(tǒng)需求。

3 多維數(shù)組的運(yùn)算和迭代

3.1 多維數(shù)組的重要意義

數(shù)組的價(jià)值不僅僅在于存儲和人機(jī)界面的顯示，更重要的是在于應(yīng)用的計(jì)算，產(chǎn)生新的更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。因此數(shù)組的合并、拆分、運(yùn)算和迭代都是圍繞提取更有價(jià)值的數(shù)據(jù)而展開的。實(shí)質(zhì)上運(yùn)算和迭代都是在運(yùn)算過程產(chǎn)生的，為什么要把迭代單獨(dú)拿出來說呢？是因?yàn)樗層?jì)算不僅僅是理論上的準(zhǔn)確，還有切合實(shí)際的帶有人工智能的優(yōu)化調(diào)整，更符合不斷變化的外部環(huán)境對設(shè)備適應(yīng)性的要求。

3.2 數(shù)組的合并

在數(shù)組中通過增加不同類型的數(shù)據(jù)，可以提高數(shù)組維度來滿足不同的工程應(yīng)用和大數(shù)據(jù)應(yīng)用。工程應(yīng)用中也涉及到兩個(gè)數(shù)組或多個(gè)數(shù)組的合并，基于大數(shù)據(jù)理論多個(gè)數(shù)組的合并可以在更高的維度和工程應(yīng)用的更廣闊的意義上發(fā)揮重要作用。

例如：數(shù)組D1[a1][b1][T]；D2[a2][b2][T]

如果數(shù)組D1和數(shù)組D2不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)可以反應(yīng)兩個(gè)在順序控制和邏輯閉鎖相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，進(jìn)而可以決定一個(gè)單元設(shè)備和一臺套設(shè)備的工作狀態(tài)時(shí)，數(shù)組的合并就變得更具有實(shí)際工程意義了。合并后的數(shù)組D12[a1][b1][a2][b2][T]不僅能夠反應(yīng)一個(gè)區(qū)域或一套設(shè)備的工作狀況，重要的是可以記錄不同工況下的工作時(shí)常，這在生產(chǎn)管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用中會發(fā)揮重要作用。結(jié)合工程實(shí)際我們來分析一下數(shù)組合并的工程意義：

數(shù)組D1[a1][b1][T]反應(yīng)了一條線路隔離開關(guān)（或稱隔離刀閘）不同時(shí)段的狀態(tài)；數(shù)組D2[a2][b2][T]反應(yīng)了一條線路斷路器不同時(shí)段的狀態(tài)。

當(dāng)a1=1，b1=0，T=t1時(shí)；反應(yīng)了數(shù)組D1[a1][b1][T]在t1時(shí)刻的狀態(tài)，是線路的隔離開關(guān)在閉合的狀態(tài)。當(dāng)a1=0；b1=1時(shí)；是線路的隔離開關(guān)在斷開的狀態(tài)。相應(yīng)斷路器也有不同的狀態(tài)。

那么數(shù)組D12[a1][b1][a2][b2][T]在不同時(shí)刻的不同狀態(tài)可以被定義成不同的工作狀態(tài)。如下：

D12[1][0][1][0][t1] 定義為工作狀態(tài)1

隔離開關(guān)和斷路器都閉合的狀態(tài)，一般該狀態(tài)認(rèn)為該條線路正在運(yùn)用的工作狀態(tài)。

D12[1][0][0][1][t2]定義為工作狀態(tài)2

隔離開關(guān)閉合，而斷路器在斷開的狀態(tài)，一般該狀態(tài)認(rèn)為該條線路退出運(yùn)用狀態(tài)，在備用的工作狀態(tài)。

D12[0][1][0][1][t3] 定義為工作狀態(tài)3

隔離開關(guān)和斷路器都在斷開的狀態(tài)，此狀態(tài)認(rèn)為該條線路退出備用狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行維護(hù)或檢修時(shí)的狀態(tài)。

D12[0][1][1][0][t4]定義為工作狀態(tài)4

該狀態(tài)很少出現(xiàn)，但是在檢修或維護(hù)過程中，做設(shè)備試驗(yàn)時(shí)會出現(xiàn)該種工況，可以定義設(shè)備試驗(yàn)工作狀態(tài)。

在合并數(shù)組中非正常工作狀態(tài)的其它數(shù)組狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際的工程意義可以定義為設(shè)備操作過程中的一種狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、傳感器故障狀態(tài)或通信異常狀態(tài)等。不具備實(shí)際的工程意義將會被定義成非法狀態(tài)。

從上面合并的新數(shù)組的不同狀態(tài)上，我們可以通過數(shù)組運(yùn)算很容易掌握這條線路在各種工作狀態(tài)及該狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，以及在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的操作頻次。

以上講述了簡單的數(shù)字量組成的數(shù)組和數(shù)組的合并。如果將該條線路的模擬量電流和功率合并到該數(shù)組中，那么能夠反應(yīng)的工程數(shù)據(jù)就更多，或者說數(shù)組的工程意義就更大了。

3.3 數(shù)組的運(yùn)算和迭代

數(shù)組運(yùn)算需要根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際進(jìn)行有針對性運(yùn)算。我們還是用工程實(shí)例來闡述數(shù)組運(yùn)算和迭代的應(yīng)用。這次我們用一個(gè)典型的溫度量來舉例。例如機(jī)組軸承的測溫電阻或油槽中的測溫電阻。

設(shè)備投運(yùn)后，初始數(shù)據(jù)采集后會建立數(shù)組D0[R0][t0]。測溫電阻會持續(xù)測溫不斷記錄溫度量的值，數(shù)組進(jìn)入數(shù)據(jù)運(yùn)算環(huán)節(jié)，并將有效數(shù)據(jù)或有價(jià)值的工程實(shí)用數(shù)據(jù)通過計(jì)算后迭代到初始數(shù)組中，不斷擴(kuò)大數(shù)組維數(shù)，讓數(shù)據(jù)能夠充分反饋設(shè)備實(shí)際工況。

例如，溫度量采集進(jìn)系統(tǒng)，先與門限值（設(shè)定一個(gè)低于采樣精度，且高于工程設(shè)計(jì)精度的門限值Rset0，不同應(yīng)用環(huán)境門限值不同，工程經(jīng)驗(yàn)很重要。）進(jìn)行一個(gè)比較運(yùn)算，采集數(shù)據(jù)大于門限值迭代刷新當(dāng)前值和時(shí)標(biāo)；數(shù)組進(jìn)行迭代更新。不大于門限值對采樣值進(jìn)行積分運(yùn)算，累計(jì)達(dá)到門限值時(shí)數(shù)組進(jìn)行迭代更新當(dāng)前值和時(shí)標(biāo)。大于門限值，與梯度報(bào)警值Rset1進(jìn)行比較運(yùn)算，超過梯度報(bào)警值Rset1迭代輸出報(bào)警信息和時(shí)標(biāo)；不超過梯度報(bào)警值Rset1則進(jìn)行微分運(yùn)算，再與趨勢報(bào)警值Rset2進(jìn)行比較運(yùn)算，超過趨勢報(bào)警值Rset2迭代輸出趨勢報(bào)警信息和時(shí)標(biāo)；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，溫度量不會發(fā)生突變，微分運(yùn)算超過理論溫度量變化速率時(shí)，將作為傳感器異常或數(shù)據(jù)傳輸異常報(bào)警，數(shù)組將作為報(bào)警處理。數(shù)組運(yùn)算和迭代示意圖如圖1。

R=f(T)，正常溫度變化曲線。采集溫度傳感器數(shù)值，當(dāng)初始溫度R0變化的絕對值|ΔR0|＞Rset0時(shí)，數(shù)組迭代出新數(shù)組D1[R0，R1][t0，t1]；同時(shí)也對初始溫度R0進(jìn)行積分運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果超過Rset0時(shí)，數(shù)組迭代出新數(shù)組D1[R0，R1][t0，t1]。對新數(shù)組進(jìn)行比較運(yùn)算，當(dāng)R1＞Rset1數(shù)組迭代輸出新數(shù)組D1[R0，R1][t0，t1] [AL1]；同時(shí)對溫度變化曲線進(jìn)行微分運(yùn)算,計(jì)算結(jié)果大于Rset2時(shí)，數(shù)組迭代出新數(shù)組D1[R0，R1][t0，t1][ALW1]。AL是溫度量高或低報(bào)警，而ALW是溫度量變化趨勢預(yù)警。兩個(gè)比較條件常常會不同時(shí)出現(xiàn)，則會迭代出不同數(shù)組例如：D1[R0，R1，R2][t0，t1，t2] [AL1] [ALW2]或者是D1[R0，R1，R2][t0，t1，t2] [AL2] [ALW1]，在實(shí)際應(yīng)用中，例如發(fā)電機(jī)不同的軸瓦均設(shè)置有溫度傳感器，每只傳感器都會收集并形成不同數(shù)組，通過數(shù)組間的科學(xué)計(jì)算就能很容易掌握該軸承的工況。如果將機(jī)組所帶負(fù)荷合并到數(shù)組中就會掌握該機(jī)組運(yùn)行的不同工況下該軸承的溫度狀況，進(jìn)而對機(jī)組健康大數(shù)據(jù)進(jìn)一步掌握。

圖1 數(shù)組運(yùn)算和迭代示意圖

4 結(jié)語

簡單的幾個(gè)數(shù)據(jù)組成的數(shù)組就能夠看到它的作用和意義。在大數(shù)據(jù)時(shí)代中，面對人工智能理論不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)的智慧化處理會逐漸深入。多維數(shù)組運(yùn)算和處理，來源于對數(shù)據(jù)應(yīng)用的豐富經(jīng)驗(yàn)，起始于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過面向應(yīng)用的系統(tǒng)數(shù)組設(shè)計(jì)，才能讓這些數(shù)據(jù)變得會說話、會做事，變得智能。本項(xiàng)研究的目標(biāo)和方向是專家數(shù)據(jù)化，通過設(shè)計(jì)建立有效的多維數(shù)組，并對數(shù)組進(jìn)行科學(xué)的合并、計(jì)算和迭代提取出有效的輸出。將專家分析、解決問題的思路和方法通過數(shù)字化應(yīng)用的實(shí)踐中產(chǎn)生效益。