基于文本挖掘的軌道電路細(xì)粒度故障致因分析方法

侯 通，鄭啟明，姚新文，陳光武，王小敏

(1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756；2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

軌道電路作為信號(hào)設(shè)備的重要組成部分，在我國軌道交通運(yùn)營(yíng)線路中得到了廣泛應(yīng)用。由于軌道電路設(shè)備結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，分布范圍較廣等特點(diǎn)，其工作狀態(tài)容易受多部門作業(yè)檢修、設(shè)備器材質(zhì)量及天氣環(huán)境等因素影響，導(dǎo)致軌道電路故障原因復(fù)雜多樣，故障診斷處理耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)鐵路運(yùn)輸影響較大[1]。軌道電路故障文本記錄包含大量有價(jià)值故障信息，其中的故障原因直接反映了故障問題所在。目前，針對(duì)軌道電路故障文本數(shù)據(jù)主要依賴人工處理分析，容易受主觀因素影響，存在故障歸類不準(zhǔn)確、效率低等問題；此外，由于缺乏對(duì)故障類型的細(xì)粒度統(tǒng)計(jì)分析，造成大量有價(jià)值故障數(shù)據(jù)資源的浪費(fèi)。在大數(shù)據(jù)背景下，應(yīng)用故障文本智能挖掘分析，提高故障文本數(shù)據(jù)利用率，已成為亟待解決的問題。

文本挖掘主要包含文本分類、文本聚類、信息抽取等任務(wù)，關(guān)注于在非結(jié)構(gòu)化文本中通過模式發(fā)現(xiàn)來描述文本內(nèi)容[2]。文本數(shù)據(jù)在使用前須經(jīng)過文本預(yù)處理、特征提取及文本表示等工作，常用算法有信息增益[3]、詞頻(Term Frequency，TF)、詞頻-逆文檔頻率(Term Frequency-Inverse Document Frequency，TF-IDF)、隱含狄利克留分布(Latent Dirichlet Allocation，LDA)、Word2vec[4]等，其中TF-IDF、LDA及Word2vec在文本挖掘任務(wù)中應(yīng)用較為廣泛。

文獻(xiàn)[5]采用TF-IDF對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備故障文本進(jìn)行特征提取，結(jié)合多分類器集成學(xué)習(xí)方式，從信號(hào)設(shè)備類型角度提出不平衡故障文本數(shù)據(jù)分類模型。文獻(xiàn)[6]利用Word2vec訓(xùn)練詞向量，通過多池化層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)設(shè)備故障文本分類。由于鐵路信號(hào)設(shè)備故障原因復(fù)雜多樣，以上研究從系統(tǒng)設(shè)備類型角度劃分故障類型，無法直觀有效的分析故障原因。文本聚類是實(shí)現(xiàn)從大量文本信息中高效獲取有價(jià)值信息的一種重要方法，常用算法有基于距離的K-Means、無監(jiān)督學(xué)習(xí)主題模型等。文獻(xiàn)[7]針對(duì)地鐵信號(hào)設(shè)備故障記錄，融合了從詞項(xiàng)層和語義層聚類得到的特征詞，采用KNN算法實(shí)現(xiàn)故障文本自動(dòng)預(yù)處理，但由于兩種聚類均基于詞袋方法，丟失了詞序特征，對(duì)于文本特征的學(xué)習(xí)仍然不足。文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)列控車載設(shè)備日志數(shù)據(jù)，利用主題模型得到故障語義特征，并基于支持向量機(jī)建立了車載設(shè)備故障診斷模型。

目前，對(duì)于軌道電路故障的研究，多以信號(hào)系統(tǒng)電氣設(shè)備故障為研究對(duì)象，基于監(jiān)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)故障診斷[10]，基于歷史故障文本記錄的研究較少。隨著我國鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化體系的不斷推進(jìn)[11]，綜合考慮不同故障致因類型中的影響因素，有利于提高現(xiàn)場(chǎng)多部門綜合養(yǎng)護(hù)維修效率。軌道電路與電務(wù)、工務(wù)設(shè)備維護(hù)管理密切相關(guān)，因此參照相關(guān)規(guī)程，從故障致因類型角度劃分軌道電路故障，有助于現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行軌道電路故障統(tǒng)計(jì)分析和管理工作。此外，針對(duì)電務(wù)、工務(wù)致因類型故障文本進(jìn)一步聚類挖掘，獲取細(xì)粒度故障主題類型及故障致因，對(duì)后續(xù)軌道電路故障分析、制定工電綜合檢修措施等具有重要意義。

對(duì)此，提出一種基于文本挖掘的軌道電路細(xì)粒度故障致因分析方法。首先，利用改進(jìn)的TF-IDF算法對(duì)不同致因類型故障文本進(jìn)行特征提取及向量表示，引入合成少數(shù)類過采樣技術(shù)(Synthetic Minority Oversampling Technique，SMOTE)算法對(duì)少數(shù)類數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)生成，采用SVM算法實(shí)現(xiàn)均衡后的故障文本數(shù)據(jù)自動(dòng)分類，并對(duì)不同分詞模式下的分類模型效果進(jìn)行分析；其次，采用K-means聚類算法對(duì)基于Word2vec向量表示的電務(wù)、工務(wù)致因故障文本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類挖掘分析，基于聚類結(jié)果通過統(tǒng)計(jì)分析獲取細(xì)粒度故障主題類型及易發(fā)多發(fā)性故障致因，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度軌道電路故障致因分析?？紤]故障文本記錄的敘述共性，本文提出的方法對(duì)于其他信號(hào)設(shè)備同樣具有借鑒意義。選取某鐵路局集團(tuán)公司2015—2018年軌道電路故障文本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法的有效性，對(duì)設(shè)備維護(hù)具有較好的輔助指導(dǎo)作用。

1 軌道電路故障文本特點(diǎn)

在鐵路現(xiàn)場(chǎng)工作中積累的大量軌道電路故障文本數(shù)據(jù)，主要通過現(xiàn)場(chǎng)工作人員以自然語言形式記錄。根據(jù)不同故障致因，軌道電路故障可分為6類故障，即電務(wù)致因C0、工務(wù)致因C1、供電致因C2、設(shè)備器材質(zhì)量C3、自然災(zāi)害C4及其他外部致因C5。故障文本記錄中通常包含故障現(xiàn)象、故障原因、處置過程、設(shè)備信息等內(nèi)容，部分故障記錄如表1所示。

表1 軌道電路故障文本記錄(部分)

作為專業(yè)領(lǐng)域文本數(shù)據(jù)，軌道電路故障文本存在以下特點(diǎn)：

(1)不同故障致因類型間故障文本數(shù)據(jù)不均衡。故障文本記錄存在口語化、不規(guī)范化問題；并且故障文本記錄長(zhǎng)度不一，故障現(xiàn)象描述較短，故障原因描述詳細(xì)程度不同。

(2)軌道電路故障文本含有大量鐵路信號(hào)專業(yè)詞匯，但由于不同人員記錄方式不同，存在多詞一義的現(xiàn)象。例如“451AG冗余衰耗器材質(zhì)不好”“11331G室內(nèi)衰耗盤不良”“中繼3站22039G室內(nèi)衰耗盒底座接觸不良”，故障原因都涉及衰耗冗余控制器同一種設(shè)備，但記錄形式完全不同。

(3)故障記錄文本為短文本，且特征詞匯在不同故障類型文本中的分布情況具有差異性，存在一些特征詞可作為具有類別特征的關(guān)鍵詞，但在特定類別中出現(xiàn)頻次較高，而在其他類別出現(xiàn)頻次較低。

(4)故障文本中包含有時(shí)間、車次號(hào)、區(qū)段名稱、器材編號(hào)等內(nèi)容，作為噪聲數(shù)據(jù)不利于后續(xù)提取有效文本特征，因此需要對(duì)故障文本數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

由于不同人員對(duì)故障的理解和敘述習(xí)慣不同，對(duì)故障管理規(guī)程認(rèn)識(shí)水平不一，存在人工處理故障文本歸類不準(zhǔn)確、效率低的問題；此外，對(duì)不同故障致因類型缺乏細(xì)粒度故障分析，有價(jià)值的故障數(shù)據(jù)信息尚未在現(xiàn)場(chǎng)綜合檢修工作中得到充分利用。

2 軌道電路故障文本挖掘總體方案

針對(duì)軌道電路故障日志的特殊性，提出軌道電路故障文本的細(xì)粒度故障致因挖掘方案見圖1，用于提取軌道電路的細(xì)粒度故障主題類型及故障致因，為現(xiàn)場(chǎng)故障分析及預(yù)防提供決策支持。

圖1 軌道電路細(xì)粒度故障致因挖掘方案

首先，對(duì)故障文本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)合構(gòu)建的鐵路信號(hào)專業(yè)詞典，通過分詞初步去除無意義詞項(xiàng)，得到分詞后的故障文本數(shù)據(jù)。其次，對(duì)不同分詞模式下的故障文本數(shù)據(jù)，基于改進(jìn)TF-IDF算法進(jìn)行文本特征提取，轉(zhuǎn)換為詞項(xiàng)文本矩陣；利用SMOTE[12]算法對(duì)少數(shù)類故障數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)生成，基于SVM分類器模型實(shí)現(xiàn)均衡后故障樣本數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類。最后，選取分類結(jié)果中與電務(wù)、工務(wù)部門維檢工作密切相關(guān)且包含故障因素較多的C0及C1致因類型故障文本數(shù)據(jù)，采用Word2vec模型獲取故障文本向量表示，基于K-Means算法分別進(jìn)行聚類挖掘分析，獲取細(xì)粒度故障主題類型及故障致因。

2.1 故障文本預(yù)處理

針對(duì)軌道電路故障文本特點(diǎn)，主要進(jìn)行以下預(yù)處理工作：

(1)文本清洗。通過分析故障文本中包含的故障時(shí)間、車次號(hào)、區(qū)段名稱、數(shù)字編號(hào)等文本記錄形式，人工編寫正則表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行清理，例如車次號(hào)的提取范式如下

[KZTXGDC]d{1,5}[次]‖d{1,5}[次]

(2) 文本分詞及去停用詞。考慮到故障文本包含大量鐵路專業(yè)詞匯，為實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)詞匯的準(zhǔn)確切分，減小文本噪聲項(xiàng)對(duì)后續(xù)文本特征提取干擾，構(gòu)建鐵路專業(yè)詞庫及停用詞詞庫見圖2，其中鐵路專業(yè)詞庫主要包含各專業(yè)部門設(shè)備名稱及專業(yè)術(shù)語。利用Jieba分詞工具獲取詞項(xiàng)級(jí)分詞結(jié)果，并過濾文本中標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和無實(shí)際意義的詞匯。字符級(jí)分詞基于詞項(xiàng)級(jí)分詞結(jié)果對(duì)詞匯進(jìn)一步切分為單字。

圖2 鐵路專業(yè)詞庫構(gòu)建

2.2 基于改進(jìn)TF-IDF算法的文本特征表示及分類模型

傳統(tǒng)TF-IDF是一種加權(quán)的詞頻統(tǒng)計(jì)方法，用于表征文本中每個(gè)詞的重要程度，TF-IDF值越大，說明詞項(xiàng)攜帶的信息量越大，對(duì)于所在文本可認(rèn)為此詞越關(guān)鍵。TF-IDF包含兩部分，即

tf-idf(i,j)=tf(i,j)×idf(i)

( 1 )

式中：tf為詞頻；tf(i,j)為文本j中第i個(gè)詞的詞頻；逆文檔頻率idf(i)表示經(jīng)平滑處理后第i個(gè)詞的idf權(quán)值，即

( 2 )

其中，n為文本集中文本總數(shù)；df(i)為文本集中包含詞i的文本數(shù)。

傳統(tǒng)TF-IDF應(yīng)用于短文本數(shù)據(jù)時(shí)，由于每條文本中詞匯出現(xiàn)頻次均較少，其詞頻特征接近于One-hot特征表示，并且忽略了特征詞在類別間的分布情況，對(duì)于短文本中高頻詞特征提取效果不佳。而軌道電路故障文本數(shù)據(jù)中，由于不同故障致因類型區(qū)別，類別特征的特征詞在相應(yīng)類別中出現(xiàn)頻次較高。因此，提出一種改進(jìn)的TF-IDF算法，考慮類別間特征詞分布情況，將tf表示為詞i在不同類別中的詞頻，結(jié)合idf權(quán)值，提升類別間關(guān)鍵詞特征提取效果，改進(jìn)后TF-IDF表達(dá)式為

tf-idf(ik,Ck)={tf(ik,Ck):ik∈Ck}×idf(i)

( 3 )

式中：{tf(ik,Ck):ik∈Ck}為類別Ck中詞i的詞頻tf(ik,Ck)；k為文本類別個(gè)數(shù)。

通過式( 3 )計(jì)算得到文本j的結(jié)構(gòu)化向量表示，為提高泛化能力，對(duì)每一文本向量進(jìn)行規(guī)范化，向量維度與文本總詞匯量m大小一致，得到最終文本的稀疏向量表示，即

( 4 )

式中：wj為文本j的向量表示；q為文本j中特征詞的個(gè)數(shù)。

以C2供電致因故障類別為例，經(jīng)過改進(jìn)TF-IDF算法得到某文本分詞后的各詞項(xiàng)權(quán)值如表2所示，可以得知文本中與C2類別特征相關(guān)的外電網(wǎng)、電源等特征詞權(quán)值均有所提升。

表2 故障文本特征提取

由于軌道電路故障文本中存在多詞一義問題，不僅需要人工維護(hù)專業(yè)詞典，而且經(jīng)分詞后會(huì)造成詞袋總量增加。因此基于詞項(xiàng)級(jí)分詞結(jié)果進(jìn)一步按字切分，減少因故障文本記錄不規(guī)范及多詞一義現(xiàn)象對(duì)特征提取的影響，降低文本表示后的特征向量維度。

故障文本表示及分類模型流程見圖3。SVM算法在文本分類任務(wù)中應(yīng)用較為廣泛，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小理論構(gòu)建一個(gè)超平面，根據(jù)間隔最大化準(zhǔn)則使任何類之間最近的訓(xùn)練數(shù)據(jù)點(diǎn)有最大的距離。軌道電路故障文本分類為多分類問題，為解決類別間數(shù)據(jù)不均衡問題，采用SMOTE算法對(duì)改進(jìn)TF-IDF特征提取及向量表示的少數(shù)類故障文本向量進(jìn)行自動(dòng)生成，將均衡后的樣本數(shù)據(jù)輸入到SVM分類器模型中進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障文本致因類型自動(dòng)分類。

圖3 故障文本表示及分類模型流程

2.3 基于Word2vec的故障文本聚類模型

由于軌道電路故障多樣性，不同故障致因類型中又包含多種故障影響因素，因此在2.1節(jié)故障文本分類處理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選取與現(xiàn)場(chǎng)軌道電路設(shè)備維檢工作密切相關(guān)的C0及C1故障致因類型文本數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，提取相應(yīng)細(xì)粒度故障主題類型及故障致因。

因TF-IDF無法解釋文本詞匯間相似性[13]，而隨著數(shù)據(jù)及詞匯量的增加，其文本向量維度也隨之增加，存在維度災(zāi)難問題。Word2vec基于詞與詞之間的上下文關(guān)系，通過雙層淺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大量文本語料庫的學(xué)習(xí)，將每個(gè)詞映射為向量表示，依據(jù)相似位置的詞具有相似含義的分布假設(shè)推斷詞的含義。由于詞向量維度可以通過訓(xùn)練設(shè)定，相對(duì)于詞袋模型中的TF-IDF方法，Word2vec訓(xùn)練得到的詞向量維度更低。因此，本文在文本聚類中采用基于Word2vec 的文本分布式表示方法來挖掘更多的文本特征信息。

Word2vec采用Skip-gram詞向量訓(xùn)練模型，利用目標(biāo)詞預(yù)測(cè)上下文詞，其訓(xùn)練速度較慢但學(xué)習(xí)效果更好[14]，其模型結(jié)構(gòu)見圖4，圖4中的ω(i)表示第i個(gè)詞的向量表示。

圖4 Skip-gram網(wǎng)絡(luò)模型圖

以大量經(jīng)過文本預(yù)處理的軌道電路故障文本作為語料庫，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)隱含層中的權(quán)重系數(shù)，訓(xùn)練出每個(gè)詞的詞向量表示。將每條文本j中所有詞的平均詞向量vj作為此條文本向量表示，即

( 5 )

式中：ωij為經(jīng)過訓(xùn)練后文本j中第i個(gè)詞的詞向量。

聚類模型中K-means算法是一種典型的基于距離的聚類算法，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)快速且高效。采用歐式距離[15]作為故障文本向量距離dist(X,Y)。

( 6 )

式中：X，Y為廣義上兩個(gè)多維向量(x1x2x3…xn),(y1y2y3…yn)，此處X，Y表示兩個(gè)128維的文本向量，即n=128。

由于故障類型數(shù)K不確定，本文采用輪廓系數(shù)評(píng)估聚類效果并確定最優(yōu)K值。輪廓系數(shù)[7]綜合考慮了聚類的緊密性和分離程度，輪廓系數(shù)值處于[-1,1]之間，值越接近1表示聚類效果越好，計(jì)算式為

( 7 )

對(duì)聚類結(jié)果中每一類故障文本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，基于提取的關(guān)鍵詞信息歸納細(xì)粒度故障主題類型描述，同時(shí)根據(jù)專家人工標(biāo)記的類別信息評(píng)估聚類方法有效性，對(duì)每一故障主題類型中故障原因詞項(xiàng)進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)及排序，獲取每種故障主題類型中的多發(fā)性故障致因。并根據(jù)故障主題類型占比及故障致因的頻次排序，將故障占比高的故障主題類型及多發(fā)性故障致因作為輔助軌道電路維護(hù)及故障分析的有效信息，作為現(xiàn)場(chǎng)檢修及維護(hù)工作中的檢查重點(diǎn)，采取相應(yīng)預(yù)防措施，提高軌道電路工作穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取某鐵路局集團(tuán)有限公司2015—2018年軌道電路故障文本，去除文本字符長(zhǎng)度過少的故障文本記錄，共計(jì)1 988條，各類別樣本分布如表3所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎肞ython3.6語言及Scikit-learn庫實(shí)現(xiàn)。

表3 軌道電路故障類別分布情況

由表3可知軌道電路故障文本數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短，屬于短文本數(shù)據(jù)，且各故障類型數(shù)據(jù)不均衡，大類別故障數(shù)據(jù)反映出軌道電路故障的主要致因來源。

3.1 故障文本分類實(shí)驗(yàn)

選取傳統(tǒng)TF-IDF和改進(jìn)TF-IDF文本特征提取方法，分別基于原始文本數(shù)據(jù)及經(jīng)SMOTE算法生成的數(shù)據(jù)，通過SVM分類器模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)不同分詞級(jí)別模式下的分類模型效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。在故障文本分類實(shí)驗(yàn)中，從隨機(jī)打亂的樣本數(shù)據(jù)中選取75%作為訓(xùn)練集，25%作為測(cè)試集。

3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于多分類問題，常采用混淆矩陣評(píng)估每個(gè)類別的分類效果，矩陣中每行表示樣本真實(shí)類別，每列表示樣本預(yù)測(cè)類別，從而表示出真實(shí)類別被正確分類及錯(cuò)誤劃分到其他類別的樣本數(shù)量。因原始文本數(shù)據(jù)存在不均衡特征，本文采用精確率Precision、召回率Recall及F1值作為故障文本分類模型的評(píng)估指標(biāo)，計(jì)算式分別為

( 8 )

( 9 )

(10)

式中：TPi為類別之真實(shí)正類被預(yù)測(cè)為正類的個(gè)數(shù)；FPi為類別之真實(shí)負(fù)類被預(yù)測(cè)為正類的個(gè)數(shù)；FNi為類別之真實(shí)正類被預(yù)測(cè)為負(fù)類的個(gè)數(shù)；Pi、Ri及F1i分別為類別i的精確率、召回率及F1值；K為類別總數(shù)，此處K取值為6。

3.1.2 故障文本數(shù)據(jù)均衡處理分類實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文引入SMOTE算法對(duì)軌道電路故障文本分類效果，選取傳統(tǒng)TF-IDF算法分別對(duì)故障文本數(shù)據(jù)均衡處理前后進(jìn)行SVM故障文本分類對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖5和圖6為兩種分類模型混淆矩陣。

圖5 TF-IDF+SVM分類模型混淆矩陣

圖6 TF-IDF+SMOTE+SVM分類模型混淆矩陣

由圖5及圖6可以看出，分類模型傾向于將少數(shù)類別C3及C4樣本預(yù)測(cè)為多數(shù)類別，經(jīng)過SMOTE處理后少數(shù)類別C3及C4樣本被正確分類的比率得到大幅提升，驗(yàn)證了文中引入SMOTE算法處理不均衡樣本數(shù)據(jù)的有效性。

3.1.3 基于改進(jìn)TF-IDF算法的分類實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的改進(jìn)TF-IDF算法在軌道電路故障文本分類中的有效性，將其與傳統(tǒng)TF-IDF及Word2vec兩種文本特征提取表示方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析不同文本特征提取表示方法對(duì)于故障文本分類效果的影響。

圖7為不同特征提取算法下的軌道電路故障文本分類F1值，其中Word2vec文本向量維度設(shè)定為128維，訓(xùn)練參數(shù)窗口長(zhǎng)度為8。為實(shí)現(xiàn)同等條件下對(duì)比分析，采用奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)算法分別對(duì)傳統(tǒng)TF-IDF及改進(jìn)TF-IDF文本特征表示向量降維至128維。由圖7可知，在軌道電路故障短文本分類問題中，同一SVM分類器條件下，改進(jìn)TF-IDF文本特征提取后分類效果優(yōu)于傳統(tǒng)TF-IDF及Word2vec，說明改進(jìn)TF-IDF算法對(duì)不同故障致因類型文本特征提取效果最優(yōu)；從整體上看，基于改進(jìn)TF-IDF+SMOTE算法的分類模型對(duì)不同故障致因類型文本數(shù)據(jù)分類效果比其他組合模型更優(yōu)。

圖7 三種文本特征下的軌道電路故障文本分類F1值

3.1.4 不同分詞模式下分類模型實(shí)驗(yàn)

為分析不同分詞模式對(duì)故障文本分類模型的影響，本文在詞項(xiàng)級(jí)和字符級(jí)對(duì)Word2vec、傳統(tǒng)TF-IDF及改進(jìn)TF-IDF三種文本特征提取表示方法及經(jīng)SMOTE處理后的三種方法分別在SVM分類器下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，其中為驗(yàn)證專業(yè)詞庫對(duì)故障文本分類的影響，選取未使用專業(yè)詞庫分詞處理的傳統(tǒng)TF-IDF+SMOTE及改進(jìn)TF-IDF+SMOTE方法作對(duì)比分析。此外，采用文獻(xiàn)[5-6]中的文本分類模型方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其中文獻(xiàn)[5]在詞項(xiàng)級(jí)對(duì)TF-IDF文本表示向量進(jìn)行歸一化及SVM-SMOTE均衡化處理，采用Voting多分類器集成學(xué)習(xí)算法，其最優(yōu)分類器組合模型為Multinomial NB+Random Forest+SVM，需說明的是該方法未對(duì)TF-IDF文本表示向量進(jìn)行降維處理，因此本文在兩種分詞模式下采用該集成學(xué)習(xí)方法僅對(duì)文本特征表示向量進(jìn)行歸一化處理，而文本表示向量維度與詞袋總量一致；文獻(xiàn)[6]在詞項(xiàng)級(jí)采用Word2vec+MCNN文本分類模型，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)池化層采用兩個(gè)最大池化及平均池化的混合池化方法。

將Precision、Recall、F1及運(yùn)行時(shí)間Time作為評(píng)估指標(biāo)，不同分詞模式下故障文本分類模型的分類性能對(duì)比如表4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取10次實(shí)驗(yàn)平均值。

由表4可知，字符級(jí)分詞模式下，各分類方法分類效果相比詞項(xiàng)級(jí)分詞模式均有提升，改進(jìn)TF-IDF+SMOTE+SVM方法在三個(gè)指標(biāo)上均優(yōu)于其他方法模型，說明在降維前字符級(jí)分詞模式下故障文本特征表示向量維度縮減有利于分類性能的提升。

表4 不同分詞模式下軌道電路故障文本分類結(jié)果

詞項(xiàng)級(jí)分詞模式下，文獻(xiàn)[5]方法與本文采用改進(jìn)TF-IDF+SMOTE方法的分類效果接近，但由于文獻(xiàn)[5]方法未經(jīng)過降維處理，當(dāng)詞袋總量隨文本數(shù)據(jù)量增加時(shí)，詞向量維度增大導(dǎo)致分類模型運(yùn)算時(shí)間增加，而本文方法文本表示向量經(jīng)降維處理后維度更低，在文本分類模型計(jì)算過程中保證較高精確率的前提下速度更快。對(duì)比三種基于Word2vec向量表示的分類模型，在兩種分詞模式下文本分類效果均低于本文方法，其效果依賴于語料庫訓(xùn)練的Word2vec模型質(zhì)量且易受類別間數(shù)據(jù)不均衡影響，表明在軌道電路故障文本分類問題中，詞項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征較語義特征在分類模型中表現(xiàn)更優(yōu)。

專業(yè)詞庫的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)專業(yè)詞匯準(zhǔn)確切分，減少噪聲詞項(xiàng)的產(chǎn)生，表4在兩種分詞模式下，使用專業(yè)詞庫的分類模型效果較未使用專業(yè)詞庫有較明顯的提升。而字符級(jí)分詞模式下，由于字符級(jí)分詞本質(zhì)上以字為基本單位，最終均以字符切分，受專業(yè)詞庫的影響較小，因此對(duì)于分類模型效果影響較小。

3.2 基于Word2vec故障文本主題聚類實(shí)驗(yàn)

選取與現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)工作密切相關(guān)的故障致因類別C0及C1故障文本數(shù)據(jù)，進(jìn)一步聚類挖掘細(xì)粒度故障主題類型及故障致因。為獲取故障文本語義特征，采用Word2vec訓(xùn)練得到故障文本向量表示，訓(xùn)練參數(shù)如上節(jié)設(shè)定。通過式( 7 )對(duì)類別C0、C1分別計(jì)算輪廓系數(shù)與聚類數(shù)目K的關(guān)系以確定最優(yōu)聚類個(gè)數(shù)，見圖8。分別選取輪廓系數(shù)最大值時(shí)的聚類數(shù)目K0=5和K1=4，作為類別C0及C1的最優(yōu)聚類個(gè)數(shù)，采用K-means聚類算法進(jìn)行故障文本聚類。

圖8 不同K值下輪廓系數(shù)

針對(duì)聚類結(jié)果中每一類故障文本數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)TF-IDF算法進(jìn)行關(guān)鍵詞提取并排序，依據(jù)權(quán)重值由高到低排序的特征詞歸納故障主題類型描述。結(jié)合最優(yōu)K值由專家對(duì)故障文本類別信息進(jìn)行人工標(biāo)注，采用準(zhǔn)確率(Acc)[16]作為細(xì)粒度故障主題類型聚類結(jié)果的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。表5列舉出C0及C1聚類結(jié)果中故障主題類型的所占比例以及準(zhǔn)確率，通過10次聚類實(shí)驗(yàn)計(jì)算其平均值。

表5 C0和C1故障致因類別下的故障主題及準(zhǔn)確率 /%

由表5可知，基于Word2vec文本表示的兩種致因類型故障文本主題聚類性能較好。聚類結(jié)果具有不平衡特征，其中電務(wù)致因C0類型器材不良相關(guān)故障主題類型占比最高，工務(wù)致因C1類型鋼軌絕緣處相關(guān)故障主題類型占比最高，可作為電務(wù)及工務(wù)部門故障分析及維護(hù)檢修工作的重點(diǎn)方向。通過對(duì)聚類后故障文本數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于軌道電路故障文本記錄中對(duì)器材不良相關(guān)故障主題類型描述方式相近，基于Word2vec語義特征提取后，導(dǎo)致器材不良故障主題類型相似文本數(shù)據(jù)被聚類為同一簇，而聚類結(jié)果中仍包含了多種不同故障致因。

為進(jìn)一步獲取細(xì)粒度故障致因，將聚類得到的故障主題類型作為一級(jí)故障主題類型，采用詞頻統(tǒng)計(jì)方法，分別統(tǒng)計(jì)排序各故障主題類型文本中的故障原因詞項(xiàng)，作為二級(jí)故障致因并過濾其他類型詞項(xiàng)。詞頻信息可表征各故障主題類別中二級(jí)故障致因的發(fā)生概率，這些信息可以突出現(xiàn)場(chǎng)軌道電路運(yùn)行過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)及可能的故障致因，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行故障分析及預(yù)防，避免遺漏潛在故障風(fēng)險(xiǎn)因素，如故障器件及故障區(qū)域。表6中列出了C0及C1部分二級(jí)故障致因及其詞頻。

表6 不同故障主題下二級(jí)故障因素(部分)

由表6可知，通過對(duì)軌道電路不同故障主題類型進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，得到了電務(wù)及工務(wù)致因類型下的細(xì)粒度故障致因。如器材不良相關(guān)故障類型中，最容易導(dǎo)致軌道電路故障的是接收盒；鋼軌絕緣處相關(guān)故障類型中，鐵屑是最可能影響軌道電路故障的致因。在軌道電路現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)將它們作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，有利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員掌握軌道電路在運(yùn)行過程中的薄弱點(diǎn)，并在日常檢修工作中將其作為重點(diǎn)檢查對(duì)象，可提高維護(hù)作業(yè)質(zhì)量；輔助現(xiàn)場(chǎng)人員制定預(yù)防性維護(hù)措施，消除潛在風(fēng)險(xiǎn)減少故障發(fā)生，提高軌道電路工作穩(wěn)定性。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)針對(duì)軌道電路故障文本數(shù)據(jù)不均衡問題，經(jīng)SMOTE算法對(duì)樣本數(shù)據(jù)均衡處理后，分類模型對(duì)小類別故障文本數(shù)據(jù)分類效果有較高提升，有利于分類模型對(duì)小類別樣本數(shù)據(jù)的識(shí)別。

(2)基于軌道電路故障文本數(shù)據(jù)量及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，在故障文本分類問題中，改進(jìn)TF-IDF文本特征表示方法優(yōu)于傳統(tǒng)TF-IDF及Word2vec；改進(jìn)TF-IDF算法對(duì)于不同故障類別中具有類別特征的高頻詞有較好的提取效果，結(jié)合數(shù)據(jù)均衡處理提升了故障文本分類模型效果。

(3)針對(duì)故障文本敘述不規(guī)范以及分詞處理問題，雖然詞項(xiàng)級(jí)分詞更有利于人們直觀理解，但采用字符級(jí)分詞模式，不僅有利于減少對(duì)專業(yè)詞典的人工維護(hù)，也有利于解決多詞一義現(xiàn)象造成分詞后特征向量維度增加問題。本文結(jié)合詞項(xiàng)級(jí)和字符級(jí)分詞獲得總詞頻特征，不涉及語義及詞序特征，因此在故障文本分類時(shí)不受人工記錄的語法結(jié)構(gòu)和語序表述的影響。

(4)由聚類結(jié)果可知，基于Word2vec的文本表示對(duì)相似詞匯以及故障文本語義特征有較好的學(xué)習(xí)效果，對(duì)于同義詞及相似語義文本識(shí)別效果較好。以最優(yōu)K值實(shí)現(xiàn)聚類能夠得到各軌道電路故障致因類別下的故障主題類型及發(fā)生比例，進(jìn)一步依據(jù)詞頻特征統(tǒng)計(jì)分析，可獲取每種故障主題類型中的易發(fā)高發(fā)性故障致因。但受故障文本記錄時(shí)專業(yè)用詞不規(guī)范化和筆誤影響，可導(dǎo)致故障致因的提取存在一定誤差。因此，現(xiàn)場(chǎng)工作人員應(yīng)盡可能按鐵路專業(yè)術(shù)語或縮略詞進(jìn)行記錄，減少筆誤，保證故障文本記錄的規(guī)范度便于挖掘利用。

4 結(jié)論

提出一種軌道電路細(xì)粒度故障致因文本挖掘分析方法，基于改進(jìn)TF-IDF實(shí)現(xiàn)故障文本向量表示，采用SVM算法實(shí)現(xiàn)SMOTE均衡后的不同故障致因類型文本數(shù)據(jù)自動(dòng)分類；針對(duì)電務(wù)及工務(wù)致因故障類型文本數(shù)據(jù)，基于Word2vec實(shí)現(xiàn)文本向量表示，采用K-means算法進(jìn)一步聚類挖掘分析，提取關(guān)鍵詞歸納細(xì)粒度故障主題類型，并通過詞頻統(tǒng)計(jì)獲取易發(fā)多發(fā)性二級(jí)故障致因。通過對(duì)某鐵路局集團(tuán)有限公司軌道電路故障文本記錄實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了故障文本分類模型的有效性及準(zhǔn)確性；故障文本聚類實(shí)現(xiàn)了軌道電路故障類型的進(jìn)一步細(xì)分挖掘，不同故障主題類型間具有較高區(qū)分度，借助文本挖掘分析方法，為現(xiàn)場(chǎng)細(xì)粒度統(tǒng)計(jì)分析軌道電路故障致因及制定預(yù)防性維護(hù)措施提供了新思路。