大數(shù)據(jù)分析在城市照明管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：城市照明監(jiān)控歷史運行數(shù)據(jù)往往蘊含著大量的潛在信息和知識，人們迫切需要對有價值的數(shù)據(jù)進行深度挖掘，并將獲得的成果應(yīng)用于運行狀況評估、異常預(yù)警和運營參數(shù)調(diào)優(yōu)中?；诔鞘姓彰鞅O(jiān)控歷史運行數(shù)據(jù)，提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用方法，對海量運行數(shù)據(jù)進行聚類分析，以及對場景模式進行劃分得到判別決策樹，并對實時監(jiān)測過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行離群點分析，從而判別當(dāng)前設(shè)備運行狀況。結(jié)合應(yīng)用實例對模型進行合理性驗證，證明了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)分析；聚類分析；判別決策樹；離群點分析

中圖分類號：TP301

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2015）005-0001-04

作者簡介：李今（1982-），男，上海人，碩士，上海五零盛同信息科技有限公司軟件部工程師，研究方向為軟件項目管理、軟件系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

0 引言

隨著社會的不斷進步和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，信息系統(tǒng)在各領(lǐng)域快速拓展，系統(tǒng)采集、累積和處理的數(shù)據(jù)越來越多，信息增速也不斷加快，這也預(yù)示著大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)到來。麥肯錫認為，“大數(shù)據(jù)”指所涉及的數(shù)據(jù)集規(guī)模超過了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件獲取、存儲、管理和分析的能力[1]。

雖然現(xiàn)實世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不斷增長，但其中可理解的比例卻不斷下降，人們迫切需要對大數(shù)據(jù)進行分析，以了解海量數(shù)據(jù)背后的重要信息和知識，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)運而生。大數(shù)據(jù)分析是基于IT技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析等多門學(xué)科的成果應(yīng)用，通過從海量數(shù)據(jù)中分析出有效模式，獲取存在的關(guān)系和規(guī)則并對發(fā)展趨勢作出預(yù)測，這也是大數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境中的最重要一環(huán)——使數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值。

經(jīng)過城市照明管理行業(yè)20多年的快速發(fā)展，路燈遠程自動化監(jiān)控技術(shù)有了很大提高。監(jiān)控系統(tǒng)每分鐘都會產(chǎn)生實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，運行至今的系統(tǒng)大都已經(jīng)存儲了龐大數(shù)據(jù)，它們記錄了照明監(jiān)控設(shè)備的運行狀況。但是人們更關(guān)心它們背后隱含著的知識和信息，這些“數(shù)據(jù)”中的“數(shù)據(jù)”可用于運行狀況評估、異常預(yù)警和后續(xù)運營參數(shù)調(diào)優(yōu)，對照明管理部門降本增效、不斷改善服務(wù)質(zhì)量具有積極指導(dǎo)意義。由此可見，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用于城市照明管理行業(yè)尤為迫切和必要。

1 大數(shù)據(jù)分析理論

大數(shù)據(jù)分析理論指從海量數(shù)據(jù)中分析和挖掘出知識的方法，本文主要采用聚類、分類等方法。

1.1 數(shù)據(jù)倉庫建立

進行大數(shù)據(jù)分析前必須收集待分析的數(shù)據(jù)資源，雖然數(shù)據(jù)挖掘可直接從操作數(shù)據(jù)源中挖掘信息，但建議從專用性和可靠性角度考慮，不采用原有的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是將待分析數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)倉庫中。

數(shù)據(jù)倉庫是一個集成、相對靜態(tài)、面向主題的數(shù)據(jù)集合，通過建立數(shù)據(jù)倉庫，可將異種數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)通過集成，從而構(gòu)成語義上一致的數(shù)據(jù)存儲體系結(jié)構(gòu)，它可按不同的主題劃分管理決策所需信息，為查詢、分析和決策打下基礎(chǔ)[2]。

1.2 特征提取

數(shù)據(jù)倉庫中的集合包含了大量特征，為了通過聚類分析發(fā)現(xiàn)潛在的運行模式，需要從序列數(shù)據(jù)中提取反映運行情況的重要特征向量。

這主要有兩方面的工作：一方面為了讓模型更容易理解，需要降低數(shù)據(jù)集的維度，刪除不相關(guān)的特征并降低噪聲，使大數(shù)據(jù)分析算法效果更好；另一方面通過創(chuàng)建新屬性，將一些舊屬性合并或創(chuàng)建新的屬性，這樣可更有效地捕獲數(shù)據(jù)集中的重要信息。

最常使用的特征集提取技術(shù)都是高度針對某一具體領(lǐng)域，一旦大數(shù)據(jù)分析用于其它領(lǐng)域，首要任務(wù)就是找到新的特征并進行特征提取。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于待分析數(shù)據(jù)可能存在數(shù)值區(qū)間范圍較大、且不同時間段內(nèi)變化快的問題，因此在大數(shù)據(jù)分析之前必須使用轉(zhuǎn)換方法進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換也是大數(shù)據(jù)分析中常見的轉(zhuǎn)換措施之一，它通過將數(shù)據(jù)按照比例進行縮小，使之歸入一個較小區(qū)間范圍內(nèi)，為數(shù)據(jù)分析建立相對平等的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)（Z-score）是一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的重要方法，能夠真實地反應(yīng)一個分數(shù)距離平均數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)距離，標(biāo)準(zhǔn)分數(shù)可由式（1）求出：

Z=X-μσ（1）

其中，X為被標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，μ為數(shù)據(jù)集的平均值，σ為數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差。Z值代表著原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集平均值之間的距離，它能表明原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)類集中的位置，方便在不同分布的數(shù)據(jù)之間進行比較[3]。

1.4 聚類算法

聚類就是將數(shù)據(jù)對象分為多個類，類內(nèi)數(shù)據(jù)點具有較高的相似度而距離近，類間數(shù)據(jù)對象差別大而距離點遠[4]。聚類技術(shù)可以將數(shù)據(jù)集劃分成不同的子集集合，它們在空間上都是一個稠密的區(qū)域，能方便實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析。

K-Means是最為經(jīng)典的一種基于劃分的聚類算法，它采用數(shù)據(jù)點之間的距離作為評價度量指標(biāo)，也即將距離比較相近的對象組成類，以得到緊湊而獨立的類作為最終目標(biāo)[5]。

K-Means算法的基本工作過程：首先隨機選擇k個數(shù)據(jù)作為初始質(zhì)心，將數(shù)據(jù)對象根據(jù)其與各個類的質(zhì)心距離進行劃分，之后重新計算各個類的質(zhì)心，循環(huán)執(zhí)行直到目標(biāo)函數(shù)最小為止[6]。

類的質(zhì)心為類內(nèi)所有點的算術(shù)平均值，對象到質(zhì)心的距離一般采用歐幾里得距離，可由式（2）求出：

1.5 分類算法

數(shù)據(jù)分類目的是通過構(gòu)建一個分類模型，將數(shù)據(jù)集中的所有項映射到給定類別中的某一項，用于歸納和描述重要數(shù)據(jù)的分類情況。判別決策樹是用于數(shù)據(jù)分類和預(yù)測未來的主要技術(shù)，它基于從一類無規(guī)則的數(shù)據(jù)中推理出規(guī)律性模型的分類規(guī)則[8]。它采用自頂向下方法，在樹的節(jié)點進行屬性值的比較，并根據(jù)不同值判斷向下分支，最后在樹末端的葉節(jié)點得到結(jié)論。該算法主要基于信息論中的熵理論，把信息增益率作為節(jié)點分支屬性選擇的度量標(biāo)準(zhǔn)，獲得最終的決策規(guī)則。

各屬性的信息增益率可由式（4）求出：

1.6 離群點檢測

離群點是數(shù)據(jù)集中與正常點有較大差異的那一類數(shù)據(jù)點，在數(shù)據(jù)點中找出異常點是離群點檢測的主要任務(wù)。離群點檢測在大數(shù)據(jù)分析中有重要應(yīng)用，它采用基于距離的異常點檢測算法，以歐式距離為衡量標(biāo)準(zhǔn)，找到脫離給定數(shù)據(jù)集的異常數(shù)據(jù)。

離群點檢測算法：根據(jù)分類結(jié)果選擇該數(shù)據(jù)對象的質(zhì)心，計算該數(shù)據(jù)對象到質(zhì)心的歐氏距離，根據(jù)區(qū)間范圍判斷是否為離散點[7]。

2 大數(shù)據(jù)分析方法

2.1 城市照明管理相關(guān)數(shù)據(jù)

城市照明運行管理數(shù)據(jù)具有非常重要的參考價值，可通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，挖掘其中有價值的信息，從而為故障報警、狀況預(yù)測和決策支持奠定基礎(chǔ)。

城市照明運行管理數(shù)據(jù)按邏輯分類，有動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)和靜態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)據(jù)分為照明實時數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分為資產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)每隔20min遠程采樣照明實時數(shù)據(jù)一次，故障數(shù)據(jù)由遠程監(jiān)控終端主報。城市照明管理中產(chǎn)生的運行數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 運行狀況評估

本文對照明監(jiān)控設(shè)備運行狀況評估數(shù)據(jù)源是基于路燈監(jiān)控終端產(chǎn)生的照明實時數(shù)據(jù)，并且以輸出有功功率作為主要研究對象，對有功功率負荷變化情況進行分析。

有功功率指一個周期內(nèi)發(fā)出或負載消耗的瞬時功率的積分的平均值，傳統(tǒng)判斷有功功率是否出現(xiàn)異常的監(jiān)測方法是在系統(tǒng)中設(shè)定一個閾值，根據(jù)超出上下限報警，這完全沒有考慮時間和環(huán)境特征等因素，導(dǎo)致閾值難以確定，也不能動態(tài)適應(yīng)變化。

本文采用大數(shù)據(jù)分析方法，通過識別存在的有功功率運行模式，建立模式判定樹，然后對實時采樣的數(shù)據(jù)進行比較，判斷是否存在異常情況。

2.2.1 數(shù)據(jù)特征提取及標(biāo)準(zhǔn)化

試驗數(shù)據(jù)采用某地010#城市照明監(jiān)控終端，該監(jiān)控終端裝于迎賓大道路燈控制柜中，主臺系統(tǒng)每隔20分鐘對該終端運行數(shù)據(jù)采樣一次，將90天產(chǎn)生的1 080條亮燈有效數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)倉庫。010#終端部分輸出有功功率數(shù)據(jù)如圖1所示。

為了通過聚類分析發(fā)現(xiàn)潛在的運行狀況判斷模式，從有功功率序列數(shù)據(jù)中提取出反映運行情況的特征向量：

由于有功功率數(shù)據(jù)值較大且不同時間段變化快，因而對于特征向量使用Z-score規(guī)范化處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布于一定區(qū)間范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 K-means自然劃分K-means算法中必須選擇合適的K值，采用多次迭代的方式以同簇距離總長度來判斷K值的合理性。圖3是在不同K值下的類指標(biāo)圖，從圖中可以明顯看到，當(dāng)簇數(shù)目為3時，類指標(biāo)急劇下降，所以確定這次采用的K-means聚類算法的K值為3。

采用K值為3的K-means算法對該數(shù)據(jù)集進行聚類，完成如圖4所示的自然劃分結(jié)果。

完成聚類分析后，為方便分析有功功率運行模式判別條件，需要構(gòu)造4個新的屬性：質(zhì)心點X、質(zhì)心點Y、類簇標(biāo)識和前后半夜標(biāo)識。構(gòu)造新屬性之后的部分數(shù)據(jù)如表2所示。

在共1 080組數(shù)據(jù)中，使用810組數(shù)據(jù)構(gòu)成訓(xùn)練集，對構(gòu)造了新屬性的數(shù)據(jù)集進行分類，得到判定決策樹如圖5所示。使用270組數(shù)據(jù)作為檢驗集，分類誤差小于2%，完全可以采納。

2.2.3 運行狀況評估應(yīng)用

為論證該方法的實際監(jiān)測和評估效果，選取010#終端2014年8月25日23點數(shù)據(jù)進行檢驗。該采樣數(shù)值為Apmean=33.18KW，Apmax=33.25KW，根據(jù)模式判別決策樹判斷該點的模式為Cluster2。

特征向量P（33.18，3.25）與Cluster2模式的歷史數(shù)據(jù)一起使用歐氏距離算法進行離群點分析，離群點結(jié)果分析結(jié)果如圖6所示。其中原數(shù)據(jù)簇中歐氏距離極大值為0.5191，而該數(shù)據(jù)點歐氏值為0.746 2，因此判定為離群點。城市照明監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)判斷結(jié)果立即報警，推測現(xiàn)場發(fā)生異常滅燈情況，值班人員安排維修人員至現(xiàn)場進行查驗和檢修。

3 結(jié)語

通過對城市照明監(jiān)控信息進行大數(shù)據(jù)分析表明，新方法能夠?qū)γ總€采樣點的有功功率數(shù)據(jù)進行分析，并能及時發(fā)現(xiàn)和報告異常狀況。在實際運用中，由于采用的大數(shù)據(jù)算法具有良好抗噪聲干擾能力，可以幫助管理人員及時有效了解系統(tǒng)運行情況，為采取有效的管理措施提供決策支持。該方法還具有通用性，能夠廣泛應(yīng)用于城市市政設(shè)施行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析中。將研究成果用于高壓鈉燈運行壽命、光源全壽命成本、光亮成本費用和照明管理維護費用預(yù)測中，則有待進一步研究。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：孫 娟）