基于報警評分的氣象雷達狀態(tài)監(jiān)測方法

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 機械工程學院 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）

氣象雷達的健康狀態(tài)監(jiān)測對改善雷達的壽期管理、提高設(shè)備的可靠性和維護效率具有積極意義[1]。因結(jié)構(gòu)復雜，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)機理與專家經(jīng)驗，以補償數(shù)據(jù)在故障相關(guān)信息方面的不足。通過建立機理與經(jīng)驗模型，將知識和經(jīng)驗中的相關(guān)信息導入健康評估模型中。與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相比，機理與經(jīng)驗模型的主要優(yōu)勢在于可突破訓練數(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，基于氣象雷達的報警信號對雷達的健康狀態(tài)進行評估。通過設(shè)置評分準則的方式將相關(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)，進而作出適當?shù)母深A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)備當前的健康狀態(tài)進行大致的判斷。

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，由三項指標的得分加和得到報警Ai的總得分，進一步結(jié)合專家判斷，根據(jù)總得分值對各個報警進行分級。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)計量的取值對雷達在線運行狀態(tài)進行判別。

2 案例應(yīng)用

本節(jié)以我國氣象站的SA 型雷達建立的報警評分報警分析模型進行雷達健康狀態(tài)的評判和故障預警。SA 型雷達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致運行管理人員難以判斷雷達狀態(tài)的情況，因此對報警信號進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 型雷達在2014-2015 年的報警記錄和故障記錄進行統(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，然后根據(jù)各項統(tǒng)計指標計算結(jié)果的分布情況，結(jié)合氣象雷達專家的相關(guān)經(jīng)驗，根據(jù)各項指標的取值范圍對其進行評分，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，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)的較為嚴重的報警，與雷達的故障具有較強的相關(guān)關(guān)系。

進一步地，將關(guān)聯(lián)分析時間窗口T2取為12 小時，進行報警的伴隨關(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，則認定該報警預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，則認定該報警預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，則認定該報警預示著將有真實故障發(fā)生。

（4）其他情況，認為無真實故障發(fā)生。

2.2 結(jié)果驗證

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

（1）Z9558 雷達，故障前數(shù)據(jù)

提取Z9558 雷達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，這個序列預示著即將有真實故障發(fā)生，事實上該雷達于2017 年3 月27 日進行了一次維修，與事實相符。

（2）Z9010 雷達，故障前數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達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，認定后續(xù)即將有故障發(fā)生，實際Z9010 雷達在2017 年7月30 日進行了故障維修。

（3）Z9010 雷達，正常運行數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達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)進行評判。采用氣象雷達的報警序列案例對報警評分模型進行驗證，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。