現(xiàn)代建筑電氣設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究

【摘要】隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣設(shè)備在現(xiàn)代建筑中的重要性日益增加。然而，由于電氣設(shè)備本身的復(fù)雜性，其安全性問(wèn)題也愈發(fā)突出。文章探討了現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施策略。首先，詳細(xì)分析現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備的安全隱患，包括線路老化、過(guò)載與短路問(wèn)題，并概述電氣設(shè)備故障及產(chǎn)生原因。然后，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備安全檢測(cè)策略。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性和有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)策略不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的異常，還能在一定程度上有效預(yù)防事故的發(fā)生，提高電氣設(shè)備的安全性和可靠性。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代建筑；電氣設(shè)備；安全檢測(cè)技術(shù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU998.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0113-03

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，建筑作為人們生活、工作和學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所，扮演著至關(guān)重要的角色。電氣設(shè)備作為現(xiàn)代建筑中不可或缺的一部分，其安全性直接關(guān)系到建筑的正常運(yùn)行以及人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。然而，由于多種原因，現(xiàn)代建筑中的電氣設(shè)備存在一定的安全隱患和問(wèn)題，如線路老化、過(guò)載、短路等，這些問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、電擊等嚴(yán)重后果[1]。為了解決現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備的安全問(wèn)題，安全檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。通過(guò)定期對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行安全檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全隱患，保障建筑及人員的安全。因此，文章旨在研究現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施策略，探討如何利用先進(jìn)的技術(shù)手段提高電氣設(shè)備的安全水平，確保建筑運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備的安全隱患分析

1.1 線路老化

線路老化是現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備普遍存在的安全隱患之一。隨著建筑使用時(shí)間的增長(zhǎng)，電氣線路會(huì)逐漸積聚灰塵、油脂等污物，這種老化現(xiàn)象不僅影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱、漏電等問(wèn)題，嚴(yán)重的還可能造成火災(zāi)、電擊等安全事故。在實(shí)際檢測(cè)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)部分線路存在接觸不良、絕緣老化等問(wèn)題，需要及時(shí)維護(hù)和更換[2]。為了預(yù)防線路老化所帶來(lái)的安全隱患，建議建筑管理者定期進(jìn)行電氣設(shè)備安全檢測(cè)，及時(shí)清潔電氣線路和絕緣材料，確保電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，提高現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備的安全性和可靠性。

1.2 過(guò)載與短路問(wèn)題

過(guò)載和短路是現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備常見(jiàn)的安全隱患。過(guò)載通常是由于電路負(fù)載過(guò)大，超過(guò)了電氣設(shè)備的承載能力，導(dǎo)致電氣設(shè)備工作異常甚至損壞。短路則指電路中出現(xiàn)異常路徑，導(dǎo)致電流直接通過(guò)短路路徑流動(dòng)，造成設(shè)備過(guò)載、電氣設(shè)備放電等危險(xiǎn)情況。過(guò)載與短路問(wèn)題的存在主要源于建筑物電氣設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備選擇不當(dāng)、安裝維護(hù)不規(guī)范等原因。在設(shè)計(jì)階段，如果未充分考慮建筑的用電需求和設(shè)備的承載能力，容易導(dǎo)致電路過(guò)載，而不當(dāng)?shù)脑O(shè)備選擇和不規(guī)范的安裝維護(hù)也會(huì)增加電氣設(shè)備的短路風(fēng)險(xiǎn)[3]。

1.3 電氣設(shè)備故障及產(chǎn)生因素

在發(fā)展階段，設(shè)備出現(xiàn)明顯的異常發(fā)熱點(diǎn)，整體也開(kāi)始異常發(fā)熱。在故障階段，設(shè)備的異常發(fā)熱超出了設(shè)備的熱穩(wěn)定要求，設(shè)備不再能夠維持正常運(yùn)行。此時(shí)必須盡快采取措施切除設(shè)備，以保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電氣設(shè)備的熱故障主要分為外部熱故障和內(nèi)部熱故障兩大類(lèi)[4]。

1）外部熱故障。隨著電氣設(shè)備投入使用時(shí)間的增加，大氣條件對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期腐蝕和氧化作用會(huì)導(dǎo)致設(shè)備表面積累大量結(jié)垢，會(huì)產(chǎn)生很大的泄漏電流，并且在高電流的作用下，接觸部分的溫度會(huì)持續(xù)升高，觸頭接觸部分電阻不斷增大，這為未來(lái)的安全運(yùn)行留下了隱患[5]。外部泄漏電流發(fā)熱的數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

P=Ud" Ig" R" " " " " " " " "（1）

式中：Ig為外部泄漏電流；P為外部泄漏電流導(dǎo)致的發(fā)熱功率。

2）內(nèi)部熱故障。為了提高電氣設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全性，大部分電氣設(shè)備都采用金屬或具有較強(qiáng)絕緣性能的材料作為外殼，并進(jìn)行密封性處理。內(nèi)部介質(zhì)損耗發(fā)熱的數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式（2）。

P = U2ωC tanδ" " " " " " " "（2）

式中：ω為電源的角頻率；C為電介質(zhì)的等值電容； tanδ為介質(zhì)損耗正切值。

2 建筑電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集

文章研究的重點(diǎn)是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)充分學(xué)習(xí)電氣設(shè)備的信號(hào)特征，并基于這些設(shè)備特征對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行故障分類(lèi)。信號(hào)數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)電氣設(shè)備故障識(shí)別的精度與效果至關(guān)重要。電氣設(shè)備數(shù)據(jù)集應(yīng)盡可能多地包含不同種類(lèi)和不同場(chǎng)景下的電氣設(shè)備故障情況。在故障電氣設(shè)備信號(hào)采集試驗(yàn)中，建筑電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與電極間的電壓、拉弧速度、電氣設(shè)備間隙、銅棒的材料和直徑等多種因素都密切關(guān)系[6]。試驗(yàn)采集的電氣設(shè)備信號(hào)本質(zhì)上是采集磁環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。由于不同材質(zhì)的磁環(huán)具有不同的磁導(dǎo)率，這直接影響感應(yīng)電流的放大或衰減。試驗(yàn)選用了信噪比較高且磁導(dǎo)率為200的鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓范圍、拉弧速度和采集間隙，對(duì)電阻、電容、電感、逆變器等元件負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試方案見(jiàn)表1。

設(shè)置電氣設(shè)備采集器的采樣率為4 MSPS，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的采樣分辨率為16位，雙通道模式下每個(gè)電氣設(shè)備數(shù)據(jù)采集的大小為16 MB。由于使用高頻采樣，單條數(shù)據(jù)中存在大量信號(hào)信息。每條采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)可視化，被分為三個(gè)階段，分別是：（a）未起弧、（b）逐漸燃弧、（c）穩(wěn)定燃弧。

3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建筑電氣設(shè)備安全檢測(cè)策略

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要分為兩種架構(gòu)。一是基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)卷積架構(gòu)，二是以Transformer為代表的架構(gòu)。在后續(xù)小節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)闡述。電氣設(shè)備故障檢測(cè)數(shù)據(jù)集是通過(guò)在恒定電壓條件下對(duì)恒定時(shí)間間隔內(nèi)每一時(shí)刻的電流信號(hào)進(jìn)行密集采樣獲得。因此，從時(shí)域角度分析，采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息應(yīng)遵循時(shí)間序列的前后關(guān)系。以x軸表示時(shí)間，y軸表示當(dāng)前時(shí)刻電流大小，即得到了基于電流信息的二維平面信息表示。實(shí)際上，電氣設(shè)備數(shù)據(jù)可以歸類(lèi)為時(shí)序數(shù)據(jù)，電氣設(shè)備故障檢測(cè)即屬于時(shí)間序列分類(lèi)任務(wù)[7]。

長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory Network，LSTM）是一種更復(fù)雜的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）形式。它解決了RNN的長(zhǎng)期依賴(lài)問(wèn)題，并且內(nèi)部單元設(shè)計(jì)更符合人類(lèi)大腦識(shí)別時(shí)間序列的機(jī)制，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。例如，在理解句子含義時(shí)，人們通常按照順序從前向后閱讀，在閱讀過(guò)程中不斷獲取新的單詞內(nèi)容，同時(shí)會(huì)忽略前面內(nèi)容中不重要的部分，以此往復(fù)。最后，在句子讀完后根據(jù)大腦中保留的重要信息推斷出句子的含義。LSTM通過(guò)引入門(mén)控機(jī)制控制舊信息的流出以及新信息的流入，以避免產(chǎn)生長(zhǎng)期依賴(lài)的問(wèn)題。LSTM單元主要由遺忘門(mén)、輸入門(mén)、輸出門(mén)三部分組成。遺忘門(mén)負(fù)責(zé)選擇性地遺忘之前時(shí)刻狀態(tài)的信息；輸入門(mén)負(fù)責(zé)選擇性地將新時(shí)刻信息記錄到狀態(tài)信息中；輸出門(mén)負(fù)責(zé)選擇性地輸出部分當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)信息。LSTM在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)這三個(gè)門(mén)不斷遺忘不重要的信息，并加入新信息，從而防止記憶單元達(dá)到飽和并覆蓋掉之前的信息[8]。

3.2 安全檢測(cè)策略流程

模型調(diào)優(yōu)試驗(yàn)分為三個(gè)層次 ：模型單元的最優(yōu)化、模型單層網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化以及整體網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化。這種分層次改進(jìn)有助于系統(tǒng)性地提升模型性能。

1）單個(gè)循環(huán)單元的門(mén)控調(diào)整。這個(gè)層次的試驗(yàn)旨在優(yōu)化單個(gè)模塊的性能和效率。通過(guò)調(diào)整剩余門(mén)控循環(huán)單元的參數(shù)和門(mén)控結(jié)構(gòu)，使其能夠很好地適應(yīng)電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提高模型單元的特征提取和記憶能力。

2）各層模型的設(shè)計(jì)最優(yōu)化。在這個(gè)層次的試驗(yàn)中，對(duì)模型的每一層進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，合理調(diào)整剩余門(mén)控循環(huán)單元的數(shù)量和門(mén)控結(jié)構(gòu)，以確保單個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的高效性。

3）整體網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。在這個(gè)層次的試驗(yàn)中，需要綜合考慮各層次的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行全面調(diào)整和優(yōu)化。包括調(diào)整模型的層數(shù)、每層的節(jié)點(diǎn)數(shù)等，以實(shí)現(xiàn)模型性能和效果的最優(yōu)化。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 訓(xùn)練過(guò)程分析

LSTM作為處理長(zhǎng)期依賴(lài)關(guān)系，解決序列建模任務(wù)的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)，在捕捉時(shí)間序列信號(hào)的模式和特征方面具有良好的針對(duì)性。但是，LSTM的循環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致時(shí)間步之間存在依賴(lài)關(guān)系，這使得訓(xùn)練過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)并行化。此外，當(dāng)序列長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，LSTM無(wú)法有效捕捉長(zhǎng)期依賴(lài)關(guān)系。故將 LSTM 引入故障檢測(cè)中，具體試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)中使用了具有128個(gè)節(jié)點(diǎn)的隱藏層和2層LSTM網(wǎng)絡(luò)。LSTM網(wǎng)絡(luò)隨著訓(xùn)練輪數(shù)的增加，訓(xùn)練準(zhǔn)確率呈現(xiàn)了增加態(tài)勢(shì)。在18輪后，模型訓(xùn)練準(zhǔn)確率出現(xiàn)了上下波動(dòng)情況，測(cè)試準(zhǔn)確率基本維持在86%。其原因可能在于LSTM模型容量較大，前期的LSTM單元學(xué)習(xí)到訓(xùn)練集中過(guò)多的噪聲或細(xì)微特征并傳遞給后續(xù)單元，這些特征可能對(duì)于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集比較重要，但對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)集無(wú)關(guān)緊要，從而在測(cè)試集上表現(xiàn)不佳。

4.2 故障檢測(cè)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中，考慮到試驗(yàn)旨在探究不同序列分割數(shù)的影響，在RTX 3060和GTX 1080Ti上同時(shí)進(jìn)行上文殘差連接試驗(yàn)。由于尚未得出最優(yōu)殘差數(shù)量的結(jié)論，因此選擇殘差數(shù)量為1作為試驗(yàn)的設(shè)置條件，殘差數(shù)量的選擇對(duì)于本試驗(yàn)最后的結(jié)果沒(méi)有影響。模型的相關(guān)配置參數(shù)和結(jié)果見(jiàn)表2。起初，兩個(gè)模型的性能表現(xiàn)居中，但在大約10輪訓(xùn)練后，它們的檢測(cè)性能超越了其他模型，并維持在較高檢測(cè)水準(zhǔn)。相較于單個(gè)和四個(gè)子序列模型，其性能提升了約1%。

5 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)研究現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施策略，為現(xiàn)代建筑中電氣設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施提供了新的思路和方法，也為提高建筑電氣設(shè)備安全性提供了重要的參考和借鑒，對(duì)提升建筑物的安全水平和居民生活質(zhì)量具有重要意義，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的發(fā)展，提升建筑設(shè)備的安全性和可靠性具有積極作用。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化安全檢測(cè)技術(shù)，增強(qiáng)其實(shí)用性和可靠性，為建筑行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。

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[作者簡(jiǎn)介]陳國(guó)偉（1998—），男，廣東陽(yáng)江人，本科，助理工程師，研究方向：建筑工程檢測(cè)。