基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票智能防誤技術(shù)

桂前進,姚 昕,汪李來,邵竹星,楊賀鈞,郝振宇

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 安慶供電公司,安徽 安慶 246000; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

工作票是準(zhǔn)許在電氣設(shè)備及系統(tǒng)軟件上工作的書面命令,也是執(zhí)行保證安全技術(shù)措施的書面依據(jù),工作票制度是電力企業(yè)安全生產(chǎn)的基本保證制度[1]。人工編制工作票工作量大,工作內(nèi)容繁瑣而且對安全可靠性具有極高的要求。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、信息化程度的提高,越來越多的電力企業(yè)開始建立信息管理系統(tǒng)(management information system,MIS),為電力生產(chǎn)工作提供了便利[2-3]。目前國內(nèi)對工作票開票系統(tǒng)的研究與開發(fā)較多,文獻[4]提出基于變電檢修管理一體化運行的工作票思路,實現(xiàn)與變電檢修管理系統(tǒng)“無縫連接”;文獻[5]用開列標(biāo)準(zhǔn)票的知識與經(jīng)驗構(gòu)成規(guī)則庫,針對變電站各種設(shè)備參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫;文獻[6]采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),設(shè)計并開發(fā)了一套水電廠工作票辦理支持系統(tǒng);文獻[7]基于B/S架構(gòu)采用J2EE技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)對變電站電子工作票系統(tǒng)進行建設(shè),實現(xiàn)了工作票基礎(chǔ)信息管理、編制、流程管理、統(tǒng)計管理以及模板管理。但是目前工作票系統(tǒng)防誤環(huán)節(jié)智能化程度不高,防誤工作以人工審核為主,占用時間長,效率低,且長時間的工作也會消耗工作人員的精力,導(dǎo)致不能及時發(fā)現(xiàn)票中出現(xiàn)的錯誤,開出不合格的工作票。因此,提高工作票防誤效率,提升安全可靠性水平,是目前亟待解決的問題。

針對上述問題,本文提出一種基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票智能防誤技術(shù),首先為提高邏輯分析效率,根據(jù)有限狀態(tài)機理論和分層技術(shù)建立分層有限狀態(tài)模型;其次建立基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票防誤模型,其中外層為數(shù)據(jù)信息防誤層和安全邏輯分析層,內(nèi)層為有限狀態(tài)機流轉(zhuǎn)狀態(tài);然后為降低潛在的工作票誤填風(fēng)險,提出用以刻畫誤填狀態(tài)頻次的防誤狀態(tài)概率指標(biāo);最后通過設(shè)計的算例驗證本文所提模型的有效性和可行性。

1 分層有限狀態(tài)機原理

1.1 基本有限狀態(tài)機原理

有限狀態(tài)機(finite state machine,FSM),又稱有限狀態(tài)自動機,是表示系統(tǒng)中有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型[8]。因為有限狀態(tài)機可將模型的多狀態(tài)及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件解耦,能夠清晰地反映系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化,且易于設(shè)計與編程,所以廣泛應(yīng)用于計算機、自動控制等領(lǐng)域[9-11]。

有限狀態(tài)機一般可歸納為如下4個要素:① 現(xiàn)態(tài),即當(dāng)前系統(tǒng)所處狀態(tài)。② 條件或稱事件，當(dāng)條件被滿足時將觸發(fā)一個動作或進行一次狀態(tài)遷移。③ 動作，即條件滿足后所執(zhí)行的內(nèi)容,動作執(zhí)行完畢后,可以遷移到新的狀態(tài),也可以仍舊保持原狀態(tài);動作不是必需的,當(dāng)條件滿足后,也可以不執(zhí)行任何動作,直接遷移到新狀態(tài)。④ 次態(tài)，即相對于現(xiàn)態(tài)的下一個要遷往的狀態(tài)。

有限狀態(tài)機可以分為有限接收器和有限轉(zhuǎn)換器2種類型,兩者最主要的區(qū)別在于有限接收器只完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換而不產(chǎn)生輸出,有限轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換狀態(tài)的同時還會產(chǎn)生輸出。其中有限轉(zhuǎn)換器又分為Moore型和Mealy型2類。Moore型有限狀態(tài)機的輸出信號僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān);Mealy型有限狀態(tài)機的輸出信號則取決于現(xiàn)態(tài)和輸入信號[12]。本文主要應(yīng)用Mealy型有限轉(zhuǎn)換器模型進行檢修工作票的防誤,一個有限轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)模型可由一個六元組表示[13],即

M=(S,I,O,F,G,S0)

(1)

其中:S為狀態(tài)的有限集合;I={l1,l2, …，ln}為有限輸入集合;F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù),F:S×F→S;G:S→O為輸出函數(shù);S0為初始狀態(tài)。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)是表述一個有限狀態(tài)機邏輯關(guān)系的重要部分,有多種表達形式,常用的有狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣[14]。其中狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖以直觀簡便的優(yōu)點被廣泛使用,如圖1所示。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

此外,應(yīng)用有限狀態(tài)機模型需滿足如下幾個特征[11]:① 系統(tǒng)狀態(tài)總數(shù)是有限的;② 任一時刻,只處在一種狀態(tài)之中;③ 某種條件下,會從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種狀態(tài);④ 同一種行為,可以將事物從多種狀態(tài)變成同種狀態(tài),但是不能從同種狀態(tài)變成多種狀態(tài)。

1.2 分層有限狀態(tài)機

分層有限狀態(tài)機(hierarchical finite state machine, HFSM)是傳統(tǒng)有限狀態(tài)機的一種擴展模型[15-16]。當(dāng)系統(tǒng)中的狀態(tài)很多時,傳統(tǒng)有限狀態(tài)機可能會存在很多種狀態(tài)轉(zhuǎn)換,復(fù)雜度大幅提升,還會出現(xiàn)可維護性差、可擴展性差和復(fù)用性差等問題。此時可以使用分層有限狀態(tài)機來解決問題。分層有限狀態(tài)機的主要思想是將同一類型的一組狀態(tài)歸為一個集合,此時由于類與類之間存在轉(zhuǎn)移邏輯,HFSM就不需要為每一個狀態(tài)和其他所有狀態(tài)建立轉(zhuǎn)移邏輯,從而將復(fù)雜問題簡單化[17-18]。分層有限狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖如圖2所示。圖2中:State A、State B和State C為有限狀態(tài)機的外層狀態(tài);以State A為例,State A1、State A2和State A3分別為有限狀態(tài)機的內(nèi)層狀態(tài)。

2 基于HFSM的工作票智能防誤技術(shù)

電力系統(tǒng)的安全運行始終是電力企業(yè)需要考慮的重中之重,對輸變電設(shè)備的檢修工作則是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。對工作票的防誤、批復(fù)和執(zhí)行一直都是工作票系統(tǒng)的核心工作,目前關(guān)于工作票防誤相關(guān)工作依然采用人工核查的方法,占用大量人力及時間,且人工防誤不僅效率低也容易出現(xiàn)錯誤。本文提出一種基于分層有限狀態(tài)機的工作票智能防誤方法,針對票面內(nèi)容防誤和安全邏輯分析防誤2個方向建立HFSM模型進行防誤,可以有效避免由人為因素導(dǎo)致的錯誤判斷,從而提高防誤效率。

2.1 檢修工作票的防誤

工作票票面部分所需填寫內(nèi)容如下:① 工作單位名稱及其對應(yīng)編號;② 工作負責(zé)人(監(jiān)護人)和工作班全部成員;③ 工作地點和工作內(nèi)容,應(yīng)詳細填寫工作地點和對應(yīng)工作內(nèi)容,寫明設(shè)備名稱和設(shè)備編號;④ 計劃工作期限,填寫檢修計劃開始和完結(jié)日期、時間;⑤ 安全措施,依次填寫應(yīng)拉斷路器(開關(guān))、隔離開關(guān)(刀閘)、應(yīng)裝接地線和應(yīng)裝設(shè)遮欄、應(yīng)掛安全標(biāo)志牌及防止二次回路誤碰等措施。上述填票內(nèi)容需按票面依次填寫,因此防誤工作也將按此順序流轉(zhuǎn)。分析上述5點填票內(nèi)容,可將防誤工作前4點劃為數(shù)據(jù)檢測型防誤,第5點作為安全邏輯分析型防誤。

數(shù)據(jù)檢測型防誤工作的原理即構(gòu)建工作票填票的規(guī)范專業(yè)用語、工作人員信息等的數(shù)據(jù)庫,基于有限狀態(tài)機進行建模,將每一個防誤流程作為一個有限狀態(tài)機的狀態(tài),當(dāng)流轉(zhuǎn)到單位信息防誤、人員信息防誤和工作地點防誤狀態(tài)時將填票信息與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)用語作對比;在工作時間防誤狀態(tài)檢測所填寫的計劃工作時長是否超出批準(zhǔn)的檢修期;進行安全邏輯分析型防誤時,即在安全措施防誤狀態(tài),要讀取票中所填工作內(nèi)容和安全措施中具體各個斷路器、刀閘和接地刀閘的開合狀態(tài),并以“0” 表示分,“1”表示合,根據(jù)所填動作、相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和狀態(tài)邏輯表分析工作涉及到的設(shè)備狀態(tài)[19],避免開關(guān)、刀閘和接地刀閘動作誤填,見表1所列。

表1 設(shè)備狀態(tài)邏輯

2.2 基于HFSM的檢修工作票防誤模型

根據(jù)有限狀態(tài)機原理,結(jié)合檢修工作票防誤信息,將整個防誤系統(tǒng)分為外層State A(數(shù)據(jù)信息防誤)和State B(安全邏輯分析),根據(jù)(1)式將其轉(zhuǎn)化為分層有限狀態(tài)機數(shù)學(xué)模型[20]。

2.2.1 數(shù)據(jù)信息防誤內(nèi)層狀態(tài)機模型

State A為數(shù)據(jù)信息防誤狀態(tài),其內(nèi)層有限狀態(tài)機模型可描述如下:

MA=(SA,IA,OA,FA,GA,S0)

(2)

(1)SA為State A內(nèi)層有限狀態(tài)機的狀態(tài)集合,即SA={S0,S1,…,Si,…,St}。根據(jù)工作票填寫順序,具體狀態(tài)可描述如下:初始狀態(tài)S0為單位信息防誤;狀態(tài)S1為人員信息防誤;狀態(tài)S2為設(shè)備狀態(tài)防誤;狀態(tài)S3為工作地點防誤;狀態(tài)S4為工作時間防誤;狀態(tài)Si為任一中間狀態(tài);狀態(tài)St為錯誤狀態(tài)。

(2)IA為State A內(nèi)層有限狀態(tài)機防誤模型的輸入集合,即IA={a,bi} (i=0,1, 2, …),a表示輸入“檢測”的信號,bi表示輸入“有誤”的信號。

(3) 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)FA。函數(shù)如下:

FA(S0,a)=S1,FA(S1,a)=S2,

FA(S2,a)=S3,FA(S3,a)=S4,

FA(S4,a)=State B;

FA(S0,b0)=St,

FA(S1,b1)=St,FA(S2,b2)=St,

FA(S3,b3)=St,FA(S4,b4)=St。

(4) 輸出函數(shù)GA。此模型僅在終結(jié)狀態(tài)存在輸出,GA(St,bi)=“Si中存在工作票誤填”,并記錄各狀態(tài)出錯次數(shù)NSi。

2.2.2 安全邏輯分析內(nèi)層狀態(tài)機模型

安全邏輯分析內(nèi)層狀態(tài)機模型是基于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)建立的,并對檢修工作中的安全措施進行邏輯分析。State B內(nèi)層有限狀態(tài)機模型可描述如下:

MB=(SB,IB,OB,FB,GB,S5)

(3)

(1)SB為State B內(nèi)層有限狀態(tài)機的狀態(tài)集合。初始狀態(tài)S5根據(jù)輸入的設(shè)備初始狀態(tài)信息確定，其內(nèi)層狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)之間的映射關(guān)系見表2所列。

表2 State B內(nèi)層狀態(tài)與設(shè)備狀態(tài)之間的映射關(guān)系

(2)IB為State B內(nèi)層有限狀態(tài)機防誤模型的輸入集合,即IB=(x,y,z,b5,g),x表示改變斷路器狀態(tài);y表示改變刀閘狀態(tài);z表示改變地刀狀態(tài);b5表示輸入錯誤動作信息;g表示輸入信息“檢查無誤”。

(3) 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)FB。函數(shù)如下:

FB(S5a,x)=S5b,

FB(S5b,y)=S5c,

FB(S5c,z)=S5d,

FB(SB,b5)=St,

FB(SB,g)=Sf。

(4) 輸出函數(shù)GB,此模型僅在終結(jié)狀態(tài)存在輸出,GB(St,b5)=“State B中存在工作票誤填”,并記錄出錯次數(shù)NS5;GB(Sf,g)=“無誤”。

將上述檢修工作票的防誤HFSM模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,如圖3所示。

圖3 工作票防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 防誤工作步驟

工作票防誤的分層有限狀態(tài)機模型求解思路為:輸入“開始”信號后從State A初始狀態(tài)開始運行,根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移,當(dāng)轉(zhuǎn)移到終止?fàn)顟B(tài)時模型求解完成。具體步驟如下:

(1) 輸入“開始”信號,進入數(shù)據(jù)信息防誤狀態(tài)(State A),有限狀態(tài)機開始運行。① 進入內(nèi)層狀態(tài)S0、S1、S2、S3時,讀取票中所填單位名稱及編號、工作人員姓名、工作地點名稱及編號和設(shè)備名稱及編號,與所建數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)信息校核,檢測是否一致,當(dāng)檢測無誤時,系統(tǒng)輸入信號IA=a,根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)移到次態(tài);當(dāng)出現(xiàn)錯誤時,系統(tǒng)輸入信號IA=bi(i=0, 1, 2, 3), 由轉(zhuǎn)移函數(shù)可知轉(zhuǎn)移到錯誤提醒狀態(tài),并統(tǒng)計錯誤狀態(tài)的次數(shù)。② 進入狀態(tài)S4時,讀取票中所填時間信息,計算所用時長并與被批準(zhǔn)的檢修期比較,當(dāng)計劃工作時間超出檢修期時系統(tǒng)輸入IA=b4, 提示出現(xiàn)錯誤信息,進入報錯狀態(tài),并統(tǒng)計導(dǎo)致進入錯誤狀態(tài)的次數(shù);否則輸入信號IA=a, 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)移到State B。

(2) 進入State B,讀取工作內(nèi)容輸入初始設(shè)備狀態(tài)信息,依據(jù)安全措施中斷路器、刀閘和接地刀閘的狀態(tài)輸入IB。

(3) 當(dāng)出現(xiàn)與工作內(nèi)容要求不符的設(shè)備狀態(tài)或者異常狀態(tài),輸入IB=b5, 提示出現(xiàn)錯誤信息,進入報錯狀態(tài),并統(tǒng)計導(dǎo)致進入錯誤狀態(tài)的次數(shù);否則輸入IB=g, 轉(zhuǎn)入狀態(tài)Sf, 防誤程序完成,提示填票無誤。

2.4 防誤狀態(tài)概率指標(biāo)

為保障填票準(zhǔn)確度,更好地進行檢修工作票的防誤工作,本文提出有限狀態(tài)機的狀態(tài)概率指標(biāo)，如年度狀態(tài)誤填率、各狀態(tài)誤填率等,用來刻畫各狀態(tài)誤填的頻次的高低,以提醒運檢人員在填票時多關(guān)注高頻率誤填狀態(tài)。具體指標(biāo)定義如下。

(1) 年度狀態(tài)誤填率δ0。計算公式為:

(4)

其中:NSi為狀態(tài)Si統(tǒng)計年度誤填次數(shù);NTall為年度工作票防誤總次數(shù)。

(2) 狀態(tài)誤填率δSi。計算公式為:

(5)

通過對歷史防誤狀態(tài)概率指標(biāo)的統(tǒng)計計算,在填票過程中對錯誤率較高的狀態(tài)加以提醒,從而在填票之前重點關(guān)注易錯狀態(tài),進一步提高防誤工作的成功率。

3 算 例

以斷路器檢修為例,采用本文提出的基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票防誤模型進行防誤工作。本文設(shè)計3種案例:① 方案1,State A中出現(xiàn)填報錯誤;② 方案2,State B中出現(xiàn)填報錯誤;③ 方案3,無誤工作票填報。斷路器的電氣接線圖如圖4所示。

圖4 斷路器電氣接線圖

3.1 方案1

按照工作票管理規(guī)定中標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確填寫工作票,填票信息如下:① 單位為電力公司A;② 工作負責(zé)人為Y;③ 工作班組成員為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5;④ 正確填寫設(shè)備狀態(tài)信息應(yīng)為“將斷路器011由熱備用轉(zhuǎn)檢修”,實際填寫“將斷路器由熱備用轉(zhuǎn)檢修”;⑤ 工作地點為35 kV某線斷路器;⑥ 計劃工作時間自2019年12月4日9時00分至2019年12月4日15時00分。

根據(jù)本文提出的基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票智能防誤技術(shù),啟動智能防誤程序,方案1的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示,圖5中紅色流程為狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程,由圖5可知,防誤系統(tǒng)提示工作票中設(shè)備狀態(tài)信息出現(xiàn)錯誤。

圖5 方案1的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2 方案2

補全斷路器編號信息,安全措施信息正確填寫方式應(yīng)為“拉斷刀閘0111、0112,合接地刀閘0110a、0110b”,實際填寫“合接地刀閘0110a、0110b”。其他信息與3.1節(jié)保持一致。

分析可知,熱備用狀態(tài)下直接合接地刀閘屬于帶電裝設(shè)地線,設(shè)備屬于異常狀態(tài)。方案2的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示,圖6中紅色流程為狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程,提示工作票中安全措施信息有誤。

圖6 方案2的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.3 方案3

按照變電工作票管理規(guī)定中標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確填寫工作票,啟動智能防誤程序,方案3的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖7所示。由圖7中紅色流程可知,工作票填報無誤。

圖7 方案3的防誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 結(jié) 論

本文提出基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票智能防誤技術(shù),首先基于分層技術(shù)建立分層有限狀態(tài),可有效提高狀態(tài)間的邏輯分析效率;其次深度分析檢修工作票特性,結(jié)合分層有限狀態(tài)機原理,建立基于分層有限狀態(tài)機的檢修工作票防誤模型。外層有限狀態(tài)機包括數(shù)據(jù)信息防誤層和安全邏輯分析層;內(nèi)層有限狀態(tài)機包括數(shù)據(jù)信息的有限狀態(tài)機流轉(zhuǎn)狀態(tài)和邏輯分析的有限狀態(tài)機流轉(zhuǎn)狀態(tài)。最后提出防誤狀態(tài)概率指標(biāo),從而降低潛在的工作票誤填風(fēng)險，并通過設(shè)計的算例驗證本文所提模型的有效性和可行性。