包云 李亞群 馬禎 陳中雷 白根亮

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計算技術(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

風(fēng)監(jiān)測報警是為了防御和降低大風(fēng)對列車運行安全造成的影響。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)通過在沿線大風(fēng)重點發(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)測設(shè)備，采集瞬時風(fēng)速和風(fēng)向信息。當(dāng)風(fēng)速監(jiān)測值超過報警閾值時進(jìn)行報警，調(diào)度員根據(jù)運營管理規(guī)則發(fā)出行車限速或停車指令。監(jiān)測設(shè)備一般采用超聲波式風(fēng)速風(fēng)向計。為保證風(fēng)監(jiān)測的連續(xù)性和穩(wěn)定性，在同一監(jiān)測點設(shè)置兩臺風(fēng)速風(fēng)向計，安裝于軌旁供電接觸網(wǎng)支柱上，風(fēng)速風(fēng)向計監(jiān)測面距軌面4 0000-100mm［1］。兩臺風(fēng)速風(fēng)向計同時采集風(fēng)速、風(fēng)向信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性除定期進(jìn)行風(fēng)洞檢定外，現(xiàn)場一般較難核查，因此本文研究通過風(fēng)速監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的判識提高報警數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的判識可借鑒氣象要素質(zhì)量控制相關(guān)方法。地面氣象資料質(zhì)量控制以人機(jī)交互辨別的實時檢查為主。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)的判識方法，以進(jìn)一步提高風(fēng)速報警的可靠性。

2 高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測數(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，見圖1。風(fēng)還具有季節(jié)性特點，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)性特點采用數(shù)據(jù)挖掘的方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識。

圖1 福平鐵路某監(jiān)測點風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)（2020年10月）

2.1 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計異常數(shù)據(jù)判識

現(xiàn)場監(jiān)測過程中存在兩臺風(fēng)速風(fēng)向計監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大的情況（圖2），需要對兩臺設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行判識，以排除異常數(shù)據(jù)。

圖2 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)

兩臺風(fēng)速風(fēng)向計安裝于同一接觸網(wǎng)支柱的同一高度處，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，因此采用相關(guān)性分析對兩臺風(fēng)速風(fēng)向計異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識。相關(guān)系數(shù)的計算公式為

其中：s1、s2分別為兩臺風(fēng)速風(fēng)向計監(jiān)測的風(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，認(rèn)為兩臺風(fēng)速風(fēng)向計監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，否則需要進(jìn)行單臺風(fēng)速風(fēng)向計異常數(shù)據(jù)判識。

2.2 單臺風(fēng)速風(fēng)向計異常數(shù)據(jù)判識

單臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)為秒級時間序列。采用孤立森林法、支持向量機(jī)法等機(jī)器學(xué)習(xí)算法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，結(jié)果見圖3。可以看出，孤立森林法將部分風(fēng)速的極大值判識為異常數(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)算法對風(fēng)速異常數(shù)據(jù)的判識存在誤判，因此，采用統(tǒng)計分析方法識別風(fēng)速異常數(shù)據(jù)。

圖3 兩種算法對正常風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)的判識結(jié)果

根據(jù)對高速鐵路風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，風(fēng)速一般不符合正態(tài)分布，但是瞬時風(fēng)速差分之后符合正態(tài)分布，見圖4。因此，采用動態(tài)自適應(yīng)差分閾值法［5-6］進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識。

圖4 瞬時風(fēng)速差分前后的分布

福平鐵路一監(jiān)測點風(fēng)速v監(jiān)測數(shù)據(jù)差分結(jié)果見圖5。可以看出：v＜10.8 m/s 時風(fēng)速差分值在-1.9～1.6 m/s；v≥ 10.8 m/s 時風(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，確定不同等級風(fēng)速下差分閾值。根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(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。

圖5 福平鐵路一監(jiān)測點風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)差分結(jié)果

根據(jù)風(fēng)速對列車運行和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，將風(fēng)速監(jiān)測數(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 個等級。對各等級風(fēng)速進(jìn)行差分得出每個等級風(fēng)速下的差分閾值。各線路不同等級風(fēng)速下的差分閾值根據(jù)歷史數(shù)據(jù)得出。當(dāng)前風(fēng)速差分值超過對應(yīng)等級風(fēng)速下的差分閾值時，標(biāo)記為可疑數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工判識。

3 風(fēng)速異常數(shù)據(jù)原因分析

通過對兩臺和單臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的原因有風(fēng)速風(fēng)向計故障、隨機(jī)擾動和環(huán)境因素（如接觸網(wǎng)支柱遮擋、凍雨等）3種，見圖6。其中，紅色區(qū)數(shù)據(jù)異常。

圖6 風(fēng)速監(jiān)測異常數(shù)據(jù)

4 工程驗證

選取京張（北京—張家口）高速鐵路2021 年3 月—5 月一個風(fēng)季的風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。京張高速鐵路沿線共設(shè)置40個風(fēng)監(jiān)測點，對各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉無效數(shù)據(jù)。被去掉的數(shù)據(jù)不參與差分閾值計算。

4.1 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速異常數(shù)據(jù)判識

對同一監(jiān)測點兩臺風(fēng)速風(fēng)向計監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，以監(jiān)測點K149 + 906 和K24 + 408 部分?jǐn)?shù)據(jù)分析結(jié)果（圖7）為例，監(jiān)測點K149 + 906 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.976，r＞0.95，通過相關(guān)性檢驗，表明兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。監(jiān)測點K24 + 408 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速r為0.003，r＜0.95，未通過相關(guān)性檢驗，表明兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，需要進(jìn)一步對單臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識。

圖7 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速相關(guān)性判識結(jié)果

4.2 單臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速異常數(shù)據(jù)判識

采用動態(tài)自適應(yīng)差分閾值法分別對監(jiān)測點K24+408 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中一臺風(fēng)速風(fēng)向計差分閾值設(shè)置見表1，可以看出各風(fēng)速段閾值不同。20.0 m/s ≤v＜ 25.0 m/s 時閾值較小，是由于樣本較少，即一個風(fēng)季內(nèi)20.0 m/s 以上的大風(fēng)較少。該監(jiān)測點未監(jiān)測到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)向計風(fēng)速的判識結(jié)果見圖8。由表1 和圖8 可以看出，監(jiān)測數(shù)據(jù)在正常的閾值范圍內(nèi)。采用同樣的方法對另一臺風(fēng)速風(fēng)向計進(jìn)行異常數(shù)據(jù)判識，風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)也在閾值范圍內(nèi)。這說明現(xiàn)場兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大不是由于單臺風(fēng)速風(fēng)向計故障導(dǎo)致的。

圖8 單臺風(fēng)速計異常數(shù)據(jù)判識結(jié)果

對風(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)測數(shù)據(jù)分為4個風(fēng)向段（0°～ 90°、90°～ 180°、180°～ 270°、270°～ 360°），分析每個風(fēng)向段內(nèi)兩臺風(fēng)速風(fēng)向計同一時刻風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值（風(fēng)速風(fēng)向計2 監(jiān)測的風(fēng)速-風(fēng)速風(fēng)向計1 監(jiān)測的風(fēng)速）分布，結(jié)果見圖9?？梢姡猴L(fēng)向為180° ～360°時，兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大。當(dāng)風(fēng)向為180°～270°，風(fēng)速風(fēng)向計2 的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計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)向為270°～ 360°時，風(fēng)速風(fēng)向計2 的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)小于風(fēng)速風(fēng)向計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 兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速差在4個風(fēng)向段的分布

對風(fēng)向為180° ～360°的兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，結(jié)果見圖10。可見：導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向計2 的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計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1 的風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)大于風(fēng)速風(fēng)向計2 的風(fēng)主要為東南風(fēng)（風(fēng)向270°～315°）。因此，可以判斷該時段兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大與風(fēng)向有關(guān)，說明存在接觸網(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)性分析對兩臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識，采用自適應(yīng)差分閾值對單臺風(fēng)速風(fēng)向計風(fēng)速異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判識的方法。該方法不僅可以判識異常數(shù)據(jù)，結(jié)合風(fēng)向還可以進(jìn)一步對數(shù)據(jù)異常原因進(jìn)行分析。

2）按照風(fēng)速對列車運行和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，將風(fēng)速分為6 個等級，通過歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)得出各等級風(fēng)速下的差分閾值，將實時風(fēng)速差分值與各風(fēng)速段對應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的判識。

3）對京張高速鐵路風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，該方法可有效判識風(fēng)速異常數(shù)據(jù)，計算量小，快速便捷。