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基于報警評分的氣象雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)測方法

2022-02-18 10:12:54王一萌王大林劉興忠代雅茹
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年3期
關(guān)鍵詞:報警信號關(guān)聯(lián)報警

李 巍,周 薇,王一萌,王大林,沈 超,劉興忠,代雅茹

(1.中國氣象局氣象探測中心,北京 100000;2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 工業(yè)工程系,北京 100084;3.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心,四川 成都 610000)

氣象雷達(dá)的健康狀態(tài)監(jiān)測對改善雷達(dá)的壽期管理、提高設(shè)備的可靠性和維護(hù)效率具有積極意義[1]。因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障模式多樣等原因,僅依靠歷史數(shù)據(jù)難以建立完善的氣象雷達(dá)健康評估模型[2]。一種解決方法是引入設(shè)備運行和故障的相關(guān)機(jī)理與專家經(jīng)驗,以補(bǔ)償數(shù)據(jù)在故障相關(guān)信息方面的不足。通過建立機(jī)理與經(jīng)驗?zāi)P?,將知識和經(jīng)驗中的相關(guān)信息導(dǎo)入健康評估模型中。與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相比,機(jī)理與經(jīng)驗?zāi)P偷闹饕獌?yōu)勢在于可突破訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對模型信息的限制,從更廣的范圍內(nèi)收集設(shè)備健康狀態(tài)的相關(guān)信息,從而可實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)覆蓋范圍外的運行和故障狀態(tài)的評估與量化。

本文采用報警評分模型,基于氣象雷達(dá)的報警信號對雷達(dá)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。通過設(shè)置評分準(zhǔn)則的方式將相關(guān)經(jīng)驗融入模型中,由綜合評分結(jié)果得到對設(shè)備健康狀態(tài)的評估。

1 模型構(gòu)建

報警評分模型是一種基于報警信號的健康評估模型。由于報警信號一般由狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)超出其預(yù)設(shè)的閾值范圍觸發(fā),因此可看作是一種狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征,故通過對報警信號的分析也可對設(shè)備的健康狀態(tài)做出一定程度上的判斷。

當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)中大部分報警信號是通過單參數(shù)的超限觸發(fā)的,并不直接反應(yīng)設(shè)備或系統(tǒng)的運行狀態(tài),在報警信號觸發(fā)時,運行管理人員通常需要結(jié)合對狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其他報警信號的分析來判斷設(shè)備或系統(tǒng)的實際狀態(tài),進(jìn)而作出適當(dāng)?shù)母深A(yù)決策[3]。對某些報警信號頻繁觸發(fā)的系統(tǒng)和設(shè)備,過多觸發(fā)的報警信號往往易使運行管理人員感到困惑,難以判定系統(tǒng)或設(shè)備的實際健康狀態(tài)。報警評分模型主要用于應(yīng)對這種情況,通過對報警信號和設(shè)備故障記錄的統(tǒng)計分析,結(jié)合專家的經(jīng)驗和判斷,對所有報警信號的重要程度進(jìn)行評分,為運行管理人員提供參考[4]。高評分報警往往與設(shè)備的故障有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián),觸發(fā)時應(yīng)引起重視,低評分報警則可能與設(shè)備故障無直接關(guān)聯(lián)[5]。進(jìn)一步根據(jù)近一段時間內(nèi)觸發(fā)報警的評分情況,對設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行大致的判斷。

報警評分模型的建模流程如圖1 所示。

圖1 報警評分模型的建模流程

報警評分主要包括以下5 個步驟:

(1)訓(xùn)練數(shù)據(jù)收集

從設(shè)備的歷史報警數(shù)據(jù)庫和運行記錄中分別提取一定時間范圍內(nèi)的報警記錄和故障記錄,作為進(jìn)行報警評分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)報警統(tǒng)計分析

結(jié)合設(shè)備的故障記錄,選定一個故障報警關(guān)聯(lián)時間窗口長度T1,統(tǒng)計每種報警Ai的若干統(tǒng)計特征以表征該報警的重要程度,具體包括:

Ni,數(shù)據(jù)中該報警出現(xiàn)的總次數(shù);

P1i,該報警出現(xiàn)在真實故障前T1時間內(nèi)的頻度,即

其中Nfi為該報警在所有故障前T1時間內(nèi)出現(xiàn)的總次數(shù);

P2i,所有故障發(fā)生前T1時間內(nèi)出現(xiàn)該報警的故障頻度,即

其中NF是故障發(fā)生的總次數(shù),NFi為所有故障中前T1時間內(nèi)出現(xiàn)過該報警的故障次數(shù)。

(3)報警評分與分級

結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗和意見,分別建立以上三項統(tǒng)計特征的評分函數(shù),根據(jù)特征的取值計算相應(yīng)的得分,由三項指標(biāo)的得分加和得到報警Ai的總得分,進(jìn)一步結(jié)合專家判斷,根據(jù)總得分值對各個報警進(jìn)行分級。一般將總得分按從大到小劃分為四個區(qū)間,分別對應(yīng)的報警級別為:關(guān)鍵報警(KA)、高重要度報警(HI)、低重要度報警(LI)和無關(guān)報警(NA)。

(4)伴隨關(guān)系分析

對每個屬于KA 的報警信號,取一關(guān)聯(lián)分析時間窗口T2,統(tǒng)計時間窗口內(nèi)的所有報警,按發(fā)生次數(shù)排序,取發(fā)生次數(shù)最多的10 個報警作為KA 的伴隨報警。將所有KA 的伴隨報警整合在一起,構(gòu)建KA 關(guān)聯(lián)報警組。

(5)基于報警信號分析的雷達(dá)狀態(tài)判斷

在線運行中,取一報警統(tǒng)計時間窗口T3,獲取當(dāng)前時刻往前T3時間內(nèi)所有發(fā)生的報警信號及級別,對報警信號進(jìn)行分級統(tǒng)計,得到如下統(tǒng)計量:KA 級報警的發(fā)生次數(shù)、HI 級報警占總報警次數(shù)的比例、KA 關(guān)聯(lián)報警占總報警的比例等,建立判定邏輯,根據(jù)以上統(tǒng)計量的取值對雷達(dá)在線運行狀態(tài)進(jìn)行判別。

2 案例應(yīng)用

本節(jié)以我國氣象站的SA 型雷達(dá)建立的報警評分報警分析模型進(jìn)行雷達(dá)健康狀態(tài)的評判和故障預(yù)警。SA 型雷達(dá)是一種典型的多報警信號設(shè)備,共設(shè)有188 種報警信號,經(jīng)常出現(xiàn)多種報警頻繁跳出導(dǎo)致運行管理人員難以判斷雷達(dá)狀態(tài)的情況,因此對報警信號進(jìn)行重要度評分從而為相關(guān)人員提供參考信息,對提高氣象雷達(dá)的運行管理水平具有積極意義。

2.1 建模過程

選取所有SA 型雷達(dá)在2014-2015 年的報警記錄和故障記錄進(jìn)行統(tǒng)計分析與報警評分,將故障報警關(guān)聯(lián)時間窗口長度T1取為7 天,對每個報警信號Ai,分別統(tǒng)計Ni、P1i和P2i三項統(tǒng)計指標(biāo),然后根據(jù)各項統(tǒng)計指標(biāo)計算結(jié)果的分布情況,結(jié)合氣象雷達(dá)專家的相關(guān)經(jīng)驗,根據(jù)各項指標(biāo)的取值范圍對其進(jìn)行評分,評分矩陣如表1。

表1 對三項統(tǒng)計量的評分規(guī)則

針對每類報警,由其三項特征評分之和得到報警的總分,進(jìn)一步根據(jù)與相關(guān)專家交流的結(jié)果,將所有報警信號按總分分為四擋,分別為“1-6”“7-12”“13-18”“19-24”,對應(yīng)四種緊急程度由低到高的報警類型,即NA、LI、HI 和KA。

按以上報警等級劃分規(guī)則對所有188 個報警信號的劃分結(jié)果如表2 所示。

表2 報警等級劃分結(jié)果

其中劃入關(guān)鍵報警(KA 級)的11 個報警信號的具體評分信息列于表3 中。

表3 KA 級報警信號的評分信息

經(jīng)相關(guān)專家確認(rèn),通過評分篩選得到的11 種KA 級報警均為實際運行中出現(xiàn)的較為嚴(yán)重的報警,與雷達(dá)的故障具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步地,將關(guān)聯(lián)分析時間窗口T2取為12 小時,進(jìn)行報警的伴隨關(guān)系分析,得到各KA 級報警的伴隨報警如表4 所示。

表4 KA 級報警的伴隨報警

在此基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗和意見,根據(jù)報警序列對雷達(dá)實際健康狀態(tài)的評判規(guī)則如下:

(1)如果報警序列中KA 等級的報警出現(xiàn)了兩次,則認(rèn)定該報警預(yù)示著將有真實故障發(fā)生。

(2)如果報警序列中KA 等級的報警出現(xiàn)了1 次,其他報警中HI 等級占50%以上,或者其中至少有50%的報警屬于關(guān)鍵報警的關(guān)聯(lián)報警,則認(rèn)定該報警預(yù)示著將有真實故障發(fā)生。

(3)如果報警序列中KA 等級的報警出現(xiàn)了0 次,報警序列中HI 等級占80%以上,而且至少有80%的報警屬于關(guān)鍵報警的關(guān)聯(lián)報警,則認(rèn)定該報警預(yù)示著將有真實故障發(fā)生。

(4)其他情況,認(rèn)為無真實故障發(fā)生。

2.2 結(jié)果驗證

分別采用雷達(dá)故障發(fā)生前和正常運行過程中的報警序列數(shù)據(jù)對報警評分模型進(jìn)行驗證,結(jié)果如下:

(1)Z9558 雷達(dá),故障前數(shù)據(jù)

提取Z9558 雷達(dá)2016 年3 月23 日和24 日兩天的報警序列,根據(jù)前述報警評分策略,得到報警序列的評分及報警等級如表5。

表5 Z9558 雷達(dá)報警序列及評分結(jié)果

可以看出報警序列中KA 等級的報警共發(fā)生了兩次,按照設(shè)定的評判規(guī)則,這個序列預(yù)示著即將有真實故障發(fā)生,事實上該雷達(dá)于2017 年3 月27 日進(jìn)行了一次維修,與事實相符。

(2)Z9010 雷達(dá),故障前數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達(dá)2017 年7 月29 日的報警數(shù)據(jù),根據(jù)前述報警評分策略,得到報警序列的評分及報警等級如表6。

表6 Z9010 雷達(dá)報警序列及評分結(jié)果(故障前)

其中KA 級報警次數(shù)為0,HI 級報警占比100%,關(guān)鍵報警的關(guān)聯(lián)報警占比95%以上,滿足第三條評判邏輯,認(rèn)定后續(xù)即將有故障發(fā)生,實際Z9010 雷達(dá)在2017 年7月30 日進(jìn)行了故障維修。

(3)Z9010 雷達(dá),正常運行數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達(dá)2017 年5 月的報警數(shù)據(jù)序列,根據(jù)前述報警評分策略,得到報警序列的評分及報警等級如表7。

表7 Z9010 雷達(dá)報警序列及評分結(jié)果(正常運行狀態(tài))

報警序列中無KA 級別報警及其關(guān)聯(lián)報警,HI 級報警和LI 級報警的占比分別為22.2%和77.8%,按照設(shè)定的評判規(guī)則,這段時間的報警預(yù)示不會發(fā)生真實故障,與實際情況相符。

3 結(jié)論

報警評分模型是一種針對報警信號的健康評估方法,通過對報警記錄和故障記錄的統(tǒng)計分析,結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗和判斷對各報警信號進(jìn)行評分,并劃分報警等級,以區(qū)分不同報警的重要程度,為運行管理人員提供參考。進(jìn)一步基于報警等級設(shè)定評判規(guī)則,可根據(jù)報警序列對設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行評判。采用氣象雷達(dá)的報警序列案例對報警評分模型進(jìn)行驗證,結(jié)果表明利用報警分級和評判規(guī)則獲得的設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果與其實際狀態(tài)相符。

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