基于大數(shù)據(jù)分析的城市軌道交通電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測方法

摘要：電氣設備作為軌道交通系統(tǒng)的核心組成部分，其運行狀態(tài)的穩(wěn)定性直接關系到整個系統(tǒng)的安全和效率。因此，提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的城市軌道交通電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)控方法。首先，概述了影響軌道交通運行安全的電氣設備因素，包括供電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、通信與信號系統(tǒng)等；其次，設計了電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體方案，構建了電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架，提出了基于大數(shù)據(jù)分析的電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測算法；最后，通過實驗分析驗證該方法的可靠性和有效性。結果表明，該方法能夠有效提高電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測的精度和準確性。

關鍵詞：大數(shù)據(jù)分析；城市軌道交通；電氣設備；運行狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號：TM506；U239.5 文獻標識碼：A

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市軌道交通系統(tǒng)已成為解決交通擁堵問題的重要手段，越來越多的城市正在加大對軌道交通的投資和建設。電氣設備在城市軌道交通中扮演著至關重要的角色，任何電氣設備出現(xiàn)故障都可能導致整個系統(tǒng)停運，其中，最主要的軌道交通電氣設備故障來源于熱故障。目前，電氣設備的運行狀態(tài)、歷史故障記錄和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)的交叉融合，給傳統(tǒng)的監(jiān)測及分析方法帶來了巨大挑戰(zhàn)[1]。為此，亟須探索一種有效的電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測方法。目前，大數(shù)據(jù)技術的出現(xiàn)為電氣設備的狀態(tài)監(jiān)控提供了新的機遇?；诖?，本文提出了基于大數(shù)據(jù)分析的城市軌道交通電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測方法。

1 影響軌道交通運行安全的電氣設備因素

城市軌道交通電氣設備運行系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)，在運營過程中存在諸多不確定性因素，容易引發(fā)安全風險[2]。在影響軌道交通運行安全的眾多因素中，電氣設備是其中一個重要因素。目前，我國軌道交通系統(tǒng)采用了許多高品質機械設備，如電梯、采暖設備、電力系統(tǒng)和通風空調等，但是由于設備保養(yǎng)不規(guī)范，這些設備在運行過程中很容易出現(xiàn)故障，從而導致交通事故。城市軌道交通系統(tǒng)的電氣設備主要包括供電系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、通信與信號系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)和基建設施[3]，如圖1所示。

（1）供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)能夠提供軌道交通正常運行所需的電能。在國內外的城市軌道交通事故中，斷電事件時常發(fā)生，所以供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性顯得尤為重要。

（2）機電系統(tǒng)。機電系統(tǒng)主要包括電梯、自動扶梯、給排水系統(tǒng)、屏蔽門與防淹門、通風與空調設備、消防系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)和自動售檢票系統(tǒng)。機電系統(tǒng)是城市軌道交通的重要基礎設施，一旦出現(xiàn)故障，將導致人員和財產(chǎn)的巨大損失。

（3）通信與信號系統(tǒng)。通信與信號系統(tǒng)是保障列車正常行駛、避免追尾和超速的重要設備。該系統(tǒng)分為通信系統(tǒng)和信號系統(tǒng)兩個部分。

（4）車輛系統(tǒng)。車輛在城市軌道交通系統(tǒng)中是不可或缺的運輸工具，它們能夠將乘客快速、安全地運送到目的地。車輛系統(tǒng)主要由走行裝置、轉向架、車體、輔助電源系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)等關鍵設施組成。

（5）基建設施?；ㄔO施之間的依存關系可以增強系統(tǒng)應對緊急狀況的能力，但這種相互依賴性會導致系統(tǒng)面對不可抗拒的風險時，出現(xiàn)更為嚴重的后果[4]。

2 電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

針對城市軌道交通電氣設備特點及其存在的問題，對電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能進行設計：①實時數(shù)據(jù)采集。對電氣設備的狀態(tài)、加工信息等數(shù)據(jù)進行實時采集，能夠使工作人員掌握更具時效性的信息，提高對生產(chǎn)過程的管理能力。②故障診斷。為了按時完成訂單，加工設備需要保持長時間的運轉狀態(tài)，導致其易出現(xiàn)故障，影響加工進度。因此，為確保設備的安全穩(wěn)定運行，系統(tǒng)必須具備故障診斷功能。③用戶管理。通過分配不同權限并對其注冊信息進行管理，為用戶提供注冊、登錄等服務[5]。

2.2 系統(tǒng)架構

電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要由物理設備層、數(shù)據(jù)采集層、核心功能層、交互應用層和基礎支持層構成，各層功能如下：①物理設備層。該層主要由多種實體設備組成，是電氣設備監(jiān)測的基礎。②數(shù)據(jù)采集層。該層利用傳感器、數(shù)控系統(tǒng)以及可編程邏輯控制器（programmable logiccontroller，PLC） 對設備信息進行采集和傳輸。③核心功能層。該層主要通過算法實現(xiàn)設備監(jiān)測、故障診斷等核心功能。核心功能層將數(shù)據(jù)采集層從物理設備層采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌骱蛿?shù)據(jù)庫中，通過調用算法實現(xiàn)信號的預處理、特征提取和故障診斷等功能，為用戶進行電氣設備維護提供支持。④交互應用層。該層主要通過搭建可視化平臺完成系統(tǒng)與用戶的交互。⑤基礎支持層。該層由標準化接口、服務器和防火墻等組成，主要為系統(tǒng)提供運行環(huán)境[6]。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸技術

數(shù)據(jù)采集與傳輸技術是構建現(xiàn)代信息系統(tǒng)不可或缺的手段。該技術分為兩個核心部分：一是硬件層面的數(shù)據(jù)采集，主要使用傳感器、PLC 等設備和射頻識別技術來捕捉來自物理環(huán)境的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、位置、速度等參數(shù)；二是軟件層面的數(shù)據(jù)采集，主要使用軟件應用程序、云計算服務等技術，對存在于數(shù)字世界的數(shù)據(jù)進行搜集、整理和分析。

3 基于大數(shù)據(jù)分析的電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測算法

城市軌道交通電氣設備在運行過程中的異常主要是熱故障，因此，對熱信號進行數(shù)據(jù)處理與算法研究是重要的研究方向。在電氣設備作業(yè)時，需要對電氣設備的關鍵部件進行熱故障判斷。首先，根據(jù)該部件的歷史數(shù)據(jù)和某個時刻的熱信號初步判斷其是否需要故障分析，如果熱信號正常，電氣設備就可以繼續(xù)工作。當熱信號異常時，該時刻的熱信號數(shù)據(jù)就會傳入核心功能層的故障診斷算法中。本文采用隨機森林算法進行故障診斷，針對隨機森林算法中決策樹參數(shù)選取困難的情況，利用鯨魚優(yōu)化算法對其進行優(yōu)化，然后對傳入的故障數(shù)據(jù)進行分類，實現(xiàn)工業(yè)電氣設備關鍵零部件的故障診斷。當設備發(fā)生機械故障時，電腦屏幕會對發(fā)生的故障進行可視化展示，并發(fā)出報警，提醒工作人員對該電氣設備進行停機維修。通過對數(shù)據(jù)的實時分析、仿真模擬和人機交互，實現(xiàn)對電氣設備的快速故障診斷。

隨機森林算法的構建過程如下：

（1）從輸入的原始數(shù)據(jù)集M 中，有放回地隨機選出T 個樣本子集。

（2）假設樣本子集有D 個特征，從每個樣本子集中隨機選取d 個特征（D ＞ d），并按照信息增益最大的原則對其自上而下進行分裂，從而建立決策樹。

（3）重復上述步驟，生成多個決策樹。

（4）將所有決策樹測試得到的結果，按照投票方式進行集成，選出票數(shù)最多的分類作為最終結果。

4 實驗結果分析

在測得設備最高溫度后，按照判斷標準檢查設備是否存在故障并評估故障等級。表1 為電氣設備的熱故障判斷標準與結果。以相對溫差法為例，相對溫差δ 的計算公式如下：

當判定為一般缺陷時，巡檢人員需要對設備加強關注，并安排檢查；當判定為嚴重缺陷時，巡檢人員應立刻安排檢修；當判定為緊急缺陷時，此時應立刻關閉設備并對其進行檢修。由于檔案分析法還需要引入檔案數(shù)據(jù)，因此在熱故障的診斷環(huán)節(jié)加入了電氣設備的檔案數(shù)據(jù)用于對比。

從測試結果來看，電氣設備熱故障檢測算法能夠準確提取溫度范圍，計算相對溫差，進行定位并給出置信度，從而確定設備是否存在熱故障。

5 結論

基于大數(shù)據(jù)分析的電氣設備運行狀態(tài)監(jiān)測方法，為城市軌道交通領域的設備狀態(tài)管理提供了一種新的解決方案，具有重要的理論意義和實際應用價值。未來的研究將進一步完善監(jiān)控模型，探索更多的數(shù)據(jù)驅動決策方法，提升城市軌道交通的安全與運行水平，為構建智能交通系統(tǒng)奠定基礎。