一種基于動(dòng)態(tài)分析的突變和異常波動(dòng)預(yù)警方法

胡軼超，李添驕

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3．中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100075)

1 概述

2010 年，原中華人民共和國(guó)鐵道部運(yùn)輸局印發(fā)的《鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》（運(yùn)基信號(hào)[2010]709 號(hào)）以及之后補(bǔ)充完善的各個(gè)技術(shù)條件中，都提出新版集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備能夠?qū)Ω鞣N模擬量的突變和異常波動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模擬量報(bào)警或預(yù)警，一般都是針對(duì)每個(gè)模擬量設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)模擬量超過(guò)閾值時(shí)，則進(jìn)行報(bào)警或預(yù)警。而波動(dòng)和突變預(yù)警需要對(duì)模擬量進(jìn)行動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析，預(yù)警條件隨著模擬量數(shù)值改變而不斷改變。因此，本文提出一種針對(duì)各種模擬量統(tǒng)一的基于動(dòng)態(tài)分析的預(yù)警方法。

2 動(dòng)態(tài)分析方法

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的模擬量可以分為兩大類。一類是無(wú)狀態(tài)的模擬量，如電源屏電壓這種和站場(chǎng)過(guò)車狀態(tài)無(wú)關(guān)的模擬量，這種模擬量在正常情況下應(yīng)該保持穩(wěn)定。另一類是帶狀態(tài)的模擬量，如軌道電壓，在軌道分路狀態(tài)時(shí)和軌道調(diào)整狀態(tài)時(shí)的模擬量值差距極大，對(duì)于這一類模擬量，只能針對(duì)其在某一種狀態(tài)下的值進(jìn)行分析和預(yù)警，不同狀態(tài)互不相關(guān)。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)突變和異常波動(dòng)預(yù)警都可以歸結(jié)為對(duì)某一模擬量的指定狀態(tài)下（無(wú)狀態(tài)也可以視為一種狀態(tài)）的所有有效數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行異常檢測(cè)，從而將問(wèn)題進(jìn)行化簡(jiǎn)統(tǒng)一。

為便于說(shuō)明，本文進(jìn)行如下定義。

1) 點(diǎn)：每一個(gè)采集到的數(shù)值稱為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱“點(diǎn)”。

2) 過(guò)渡點(diǎn)：調(diào)整和分路兩個(gè)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化時(shí)，由于狀態(tài)采集和模擬量采集會(huì)有不同步的情形，這段不同步的時(shí)間范圍內(nèi)采集到的點(diǎn)被稱為過(guò)渡點(diǎn)。

3) 有效數(shù)據(jù)點(diǎn)：由于過(guò)渡點(diǎn)的數(shù)據(jù)并不是真實(shí)狀態(tài)的體現(xiàn)，因此一般都會(huì)將其濾除。而濾除過(guò)渡點(diǎn)之后的指定狀態(tài)下的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，即真正參與分析和預(yù)警的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

4) 平均值：從當(dāng)前時(shí)刻開(kāi)始向前取N 個(gè)最新采集的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，用這N 個(gè)點(diǎn)計(jì)算的算術(shù)平均值。其中，N 可配置，其數(shù)值應(yīng)根據(jù)模擬量的不同而不同，以保證平均值實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

5) 合理范圍：由于設(shè)備自身性能以及測(cè)量精度的不同，因此模擬量都會(huì)有一個(gè)合理的波動(dòng)范圍。因此平均值 K%(K 可配置)的范圍內(nèi)稱為合理范圍。

6) 異常變化：從合理范圍內(nèi)變化到合理范圍外，之后又從合理范圍外變化到合理范圍內(nèi)的整個(gè)過(guò)程，稱為一次異常變化。

報(bào)突變預(yù)警（可簡(jiǎn)稱突變）的條件如下。

1) 當(dāng)一次異常變化中已經(jīng)有超過(guò)M 個(gè)(M 可配置)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)不在合理范圍內(nèi)，則報(bào)突變預(yù)警。如圖1 所示。

圖1 第一種類型的突變預(yù)警圖示Fig.1 Early warning diagram of the first type of sudden change

2) 在未報(bào)過(guò)波動(dòng)預(yù)警之前，從任意一個(gè)異常變化的起始點(diǎn)開(kāi)始M 個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)，出現(xiàn)大于等于一個(gè)且少于V 個(gè)(V 可配置) 異常變化，則報(bào)突變預(yù)警。如圖2 所示。

圖2 第二種類型的突變預(yù)警圖示Fig.2 Early warning diagram of the second type of sudden change

3) 任意一個(gè)異常變化的起始點(diǎn)開(kāi)始M 個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)，存在大于等于V 個(gè)異常變化，則報(bào)異常波動(dòng)預(yù)警。如圖3 所示。為了不重復(fù)預(yù)警，同一模擬量在報(bào)出異常波動(dòng)預(yù)警后，不再報(bào)突變報(bào)警。

圖3 波動(dòng)預(yù)警圖示Fig.3 Early warning diagram of fluctuation

4) 當(dāng)持續(xù)R 個(gè)(R 可配置)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)均在合理范圍內(nèi)時(shí)，則預(yù)警恢復(fù)。

程序流程如圖4 所示。

3 結(jié)論

針對(duì)原中華人民共和國(guó)鐵道部運(yùn)輸局印發(fā)的《鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》中提出的“新版集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備能夠?qū)Ω鞣N模擬量的突變和異常波動(dòng)進(jìn)行預(yù)警”，給出一種針對(duì)各種模擬量統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)分析預(yù)警方法。該方法已被應(yīng)用于北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司的2010 版監(jiān)測(cè)程序和智能分析系統(tǒng)中，在多條線的700 余站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行7 年中，收到良好效果，得到用戶認(rèn)可。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flowchart