機場助航燈光接地故障的絕緣電阻序列研究

王欣宇方,李勝波,羅 盛

(陸軍勤務(wù)學(xué)院,重慶 401330)

1 引言

助航燈光對保障飛行起到重要作用,由于機場助航燈光線路長、范圍大、設(shè)備多,維護管理起來較為困難,數(shù)字化是解決該問題的必由之路,王丙元[1]指出助航燈監(jiān)控系統(tǒng)的使用,對提高機場維修工作效率和維修保障能力十分重要。丁芳[2]設(shè)計的助航燈光監(jiān)測系統(tǒng),可以檢測出助航燈光亮度異常、燈具斷芯和隔離變壓器二次側(cè)開路等故障。當(dāng)前,通過信息系統(tǒng)對助航燈光進行監(jiān)控的方式已經(jīng)大范圍推廣[3,4],但是這些信息系統(tǒng)大多是反應(yīng)性的控制,例如調(diào)節(jié)燈光光強、出現(xiàn)故障報警,進一步的對其內(nèi)在規(guī)律的研究目前還較少見,在收集數(shù)據(jù)時、收集數(shù)據(jù)后都缺少對數(shù)據(jù)進一步的應(yīng)用,還遠達不到維護管理數(shù)字化的要求。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)施運行規(guī)律,加強管理人員對設(shè)施狀態(tài)的理解,從而提升設(shè)施管理效率。數(shù)據(jù)挖掘已被用于發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)施之間的內(nèi)在信息關(guān)系、頻繁發(fā)生的操作失誤和重要事件的邏輯關(guān)系[5]。對于設(shè)施數(shù)據(jù)這個挖掘?qū)ο?半自動化或全自動化挖掘方法值得進行更深入的研究,以及應(yīng)當(dāng)從復(fù)雜結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)中提取有意義的知識[6]。設(shè)施的故障數(shù)據(jù)是挖掘的一個重要方面[7],最終得到的挖掘結(jié)論往往都可以形成系列知識庫[8],并且對故障進行有效預(yù)測,提升系統(tǒng)的有效性[9]。

供配電系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘,國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛的研究與實踐。例如電力網(wǎng)絡(luò)中的遠程儀表故障的頻繁序列模式發(fā)現(xiàn)[10],汽車生產(chǎn)設(shè)備故障的頻繁序列挖掘[11],工業(yè)系統(tǒng)警報和運轉(zhuǎn)事件日志數(shù)據(jù)的頻繁序列發(fā)現(xiàn)[12],此外一些學(xué)者對航站樓[13]、鐵路[14]供配電系統(tǒng)故障進行了頻繁規(guī)則提取,均取得了較好的效果。對于機場助航燈光系統(tǒng)來說,類似的研究還較少見。燈光回路的絕緣電阻過小是絕緣接地故障的表征,如果能發(fā)現(xiàn)絕緣電阻降低的頻繁模式,對于維護管理來說是非常有意義的。文章在研究了頻繁序列挖掘方法的基礎(chǔ)上,將燈光監(jiān)管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為接地故障時態(tài)事務(wù)數(shù)據(jù),建立了助航燈光接地故障絕緣電阻序列挖掘模型,并通過某機場的實例數(shù)據(jù)進行了效果分析。

2 絕緣接地故障頻繁序列挖掘模型

2.1 頻繁序列挖掘方法基礎(chǔ)

SPADE(垂直序列挖掘)算法是一種高效的,發(fā)現(xiàn)頻繁序列知識的算法。很多時候,需要進行頻繁序列挖掘,處理序列或時序數(shù)據(jù),該類型的數(shù)據(jù)挖掘方法,可以從給定的數(shù)據(jù)庫中,發(fā)現(xiàn)跨時間和位置的模式,幾個關(guān)鍵的概念如下:

1)序列,指一個完整的信息流,通常一個時序數(shù)據(jù)庫中有若干條序列。

2)項,指序列中最小組成單元的集合。

3)事件,標(biāo)明項之間的前后關(guān)系,常以時間來表示。

4)支持度,某序列X的支持度是指整個時序事務(wù)數(shù)據(jù)庫中,序列中包含X的頻次。此處的包含必須是保序的。當(dāng)這個頻次達到了規(guī)定的要求(最小支持度),則將序列X稱為頻繁序列。

5)k頻繁序列,頻繁序列項的個數(shù)即為k值,并稱之為k頻繁序列,用Fk表示。

頻繁序列挖掘的經(jīng)典算法包括GSP逐層挖掘算法、SPADE垂直序列挖掘算法、PrefixSpan基于投影的序列挖掘算法等,其中,SPADE是一種廣泛使用的頻繁序列挖掘算法,其主要思想是記錄每個字符在序列中的出現(xiàn)位置,對于一個符號s來說,令L(s)表示s的序列-位置元組的集合,一般稱之為poslist,所有的poslist構(gòu)成了時序事務(wù)數(shù)據(jù)庫的一個垂直表示。由于記錄了位置信息,SPADE可以通過聯(lián)合得到多項的poslist

L(rab)=L(ra)∩L(rb)

(1)

當(dāng)然如果ra或rb不滿足最小支持度而剪枝,將不再計算rab,SPADE算法的優(yōu)勢在于可以在序列搜索空間上采用深度和寬度優(yōu)先搜索策略。

2.2 助航燈光主回路絕緣接地故障

助航燈光是機場的關(guān)鍵組成部分,一般的機場均具備10條以上的助航燈光回路,在夜間及惡劣天氣下,對保障飛行安全起到重要的作用。由于機場各類場坪占地面積較大,通常將達到5平方公里。因此,助航燈光的布線范圍也較大,單條回路將動輒超過萬米。

為了保證回路上的燈光保持相同的亮度,也就是每個燈具的電流相同,一般采用交流串聯(lián)的回路形式。為了保證一個燈具的故障,不會致使整條助航燈光回路出現(xiàn)問題,會在每個燈具的位置設(shè)置隔離變壓器。助航燈光回路使用的隔離變壓器一般是1:1的,該裝置利用電磁感應(yīng)的原理,將單個燈泡的回路與主回路分開,與主回路相連的稱為一次側(cè),與燈泡回路相連的稱為二次側(cè)。習(xí)慣上將升壓變壓器的二次側(cè)及隔離變壓器的一次側(cè),稱為助航燈光系統(tǒng)的主回路。

助航燈光系統(tǒng)主要存在升壓變壓器故障、主回路絕緣電阻故障、主回路開路故障、燈具回路(隔離變壓器二次端)故障等類型。其中主回路絕緣電阻故障,通常稱之為接地故障。是由于主回路電纜某一個位置的絕緣電阻值降低,導(dǎo)致該點接地,電壓變?yōu)?,燈光亮度變暗。當(dāng)有兩點接地時,兩點之間的燈光將熄滅。

本文主要針對第二種進行分析研究,即助航燈光主回路接地故障。其原因如下:第一、四種故障出現(xiàn)在固定的區(qū)域內(nèi),或者是單個點位,不僅在平時有較為成熟的保養(yǎng)機制,并且出現(xiàn)故障后也可以較快的排查,第三種故障出現(xiàn)的機率較低。而第二種故障,一旦發(fā)生,將導(dǎo)致整條線路的燈光熄滅或明顯變暗,其影響范圍是非常大的,也非常有可能造成嚴(yán)重的后果,大大降低了系統(tǒng)的可靠性,因此這種故障的出現(xiàn)是管理者不愿意看到的。

2.3 模型輸入輸出端

助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)的絕緣電阻檢測模塊,記錄各電纜主回路的對地絕緣電阻值,包括每天的最大值、最小值、平均值。根據(jù)某機場實際記錄的數(shù)據(jù)來看,最大值的離差過大,不適合用于分析。因此主要根據(jù)平均值和最小值來組成接地故障時態(tài)事務(wù)數(shù)據(jù)的項集。從業(yè)務(wù)理解來看,最小值包含的信息與接地故障更為相關(guān),因此取絕緣電阻最小值為一方面的參數(shù)監(jiān)測值。同時考慮到絕緣電阻的變化情況,且均值一般不為0(避免處理缺失值),因此取均值的下降率作為另一方面的參數(shù)監(jiān)測值。

頻繁時序模型無法處理連續(xù)型的數(shù)值變量,為將時態(tài)事務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成適合建模的格式,首先使用聚類算法對4天的絕緣電阻最小值、絕緣電阻均值變化率進行聚類(追溯的時間過長沒有意義,太短恐丟失信息,因此暫定為4天)。為了有效控制聚類類別個數(shù),采用K-均值聚類算法。聚類類別數(shù)根據(jù)數(shù)值變量的分布進行確立。將離散化的數(shù)據(jù),附加所屬序列和發(fā)生時間的屬性后,得到形如表1的頻繁時序模型輸入端。

表1 助航燈光接地故障絕緣電阻序列挖掘模型輸入端

表中A、B、C、D分別表示前1、2、3、4天的絕緣電阻最小值的離散化標(biāo)號,字母后的數(shù)字表示聚類類別。例如A1表示前1天絕緣電阻最小值的類別1。E、F、G、H分別代表絕緣電阻均值變化率的標(biāo)號。將發(fā)生每一次故障前4天出現(xiàn)絕緣電阻的變化視為一個序列。前X天監(jiān)測值包括的絕緣電阻值及絕緣電阻均值變化率,形如{A4,E3}。事件的發(fā)生時間為序列中絕緣電阻記錄值的出現(xiàn)時間,為前1、2、3、4天。

使用SPADE算法形對如表1的數(shù)據(jù)進行分析,之所以選擇這種算法是因為接地故障時態(tài)事務(wù)數(shù)據(jù)項較少,采取寬度優(yōu)先的SPADE算法策略,可以大大的提高剪枝的效率,此外還需要給定一個最小支持度min＿sup。以表1的數(shù)據(jù)為例,當(dāng)設(shè)置min＿sup=100%時,得到表2的頻繁序列。

表2 助航燈光接地故障絕緣電阻序列挖掘模型輸出端

2.4 模型流程

通過故障序列支持度、未故障序列支持度、故障概率3個指標(biāo)描述接地故障相關(guān)知識,指標(biāo)的定義如式(2)(3)(4)所示。

故障序列支持度SF

SF=S頻繁1/S故障

(2)

未故障序列支持度SN

SN=S頻繁2/S未故障

(3)

故障概率PF

pF=S頻繁1/(S頻繁1+S頻繁2)

(4)

其中,S頻繁1為包含該頻繁序列的故障序列個數(shù),S頻繁2為包含該頻繁序列的未故障序列個數(shù),S故障為故障序列個數(shù),S未故障為未故障序列個數(shù)。總的來看,該模型通過分析絕緣電阻序列得出有益于助航燈光接地管理的結(jié)論,模型流程如圖1所示。

圖1 助航燈光接地故障絕緣電阻序列挖掘模型流程

2.5 模型與助航燈光監(jiān)控檢修機制的耦合

為了系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn),助航燈光主回路故障監(jiān)控檢修機制,是一種常用的運行機制。機場管理者在飛行保障時,對燈光主回路進行監(jiān)控,一旦出現(xiàn)故障及時采取應(yīng)急措施,并且通過定期檢修降低故障出現(xiàn)的頻率。

原有的助航燈光監(jiān)控檢修機制如圖2左側(cè)的細(xì)線所示,主要包括如下幾個流程環(huán)節(jié):①月檢查時發(fā)現(xiàn)故障。②飛行保障時出現(xiàn)故障并采取應(yīng)急措施。③檢測故障原因。④修復(fù)回路故障。⑤任務(wù)完成后,核查并進行相應(yīng)的記錄。針對助航燈光主回路故障監(jiān)控及定期檢修機制中,采取應(yīng)急措施、修復(fù)回路故障環(huán)節(jié)存在的難點問題。優(yōu)化增加2個提取數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)、1個數(shù)據(jù)庫、1個數(shù)據(jù)挖掘環(huán)節(jié)、1個知識庫,優(yōu)化后的運行機制如圖2所示。

圖2 助航燈光主回路故障監(jiān)控檢修機制與挖掘模型的耦合

提取數(shù)據(jù)包括:回路絕緣接地電阻日最大值、最小值、平均值,燈光工作期間的各光級工作時間。僅需將助航燈光回路控制系統(tǒng)添加絕緣電阻監(jiān)控模塊,并進行信息化升級,這兩方面的數(shù)據(jù)即可自動從燈光控制信息系統(tǒng)中提取,每條回路每天需記錄4-6條數(shù)據(jù)(按1-3種光級為例)。出現(xiàn)故障時間、故障的類型、修復(fù)時間、修復(fù)工程量。由于故障的類型不易判斷,應(yīng)在找到故障點,修復(fù)完成后進行記錄。原有運行機制一般要求手寫記錄,使用了助航燈光監(jiān)控數(shù)據(jù)庫后,每條回路出現(xiàn)一次故障,應(yīng)當(dāng)錄入4條數(shù)據(jù)。

知識庫包括:出現(xiàn)絕緣接地故障的概率?？捎糜谥贫A(yù)防性維修策略,對可能出現(xiàn)故障的回路充分準(zhǔn)備應(yīng)急措施。而不是僅采取反應(yīng)性維修,應(yīng)急措施全區(qū)域待命等維管方法。

根據(jù)上文的研究,表3從針對應(yīng)急措施、修復(fù)故障、統(tǒng)計分析等工作內(nèi)容,預(yù)評估助航燈光主回路故障監(jiān)控及定期檢修機制的優(yōu)化效果。從表中可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化的運行機制可以有效提高其效益。不利之處在于,增加了預(yù)防性維修的內(nèi)容,提高了對燈光班數(shù)據(jù)挖掘分析能力的要求。雖然燈光系統(tǒng)壽命得以延長,但信息化監(jiān)控設(shè)備、軟件容易損壞,增加了成本。但是總的來看,效益更顯重要,因此優(yōu)化后的機制是對維護管理系統(tǒng)有利的。

表3 機制的耦合效果預(yù)評估

3 實例驗證與結(jié)果分析

某機場地處我國中部地區(qū),助航燈光已投入使用8年,并于某年上半年配置了助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)模塊。本文通過該系統(tǒng),收集了該機場助航燈光主回路的故障情況。由于條件等客觀因素所限,統(tǒng)計起止時間在XX年X月至X月,共得到10條回路118天的監(jiān)控數(shù)據(jù)。該機場共有10條回路,分別是跑道邊燈回路1、跑道邊燈回路2、滑行道邊燈回路1、滑行道邊燈回路2、北下滑指示燈回路1、北下滑指示燈回路2、南下滑指示燈回路1、南下滑指示燈回路2、北坡度燈回路、南坡度燈回路。同一種功能交叉布置兩條回路是為了提高助航燈光系統(tǒng)的可靠性,即至少有一條回路能指示飛機目視起降。為了便于表述,在之后的敘述中,將這10條燈光回路分別簡稱為跑邊1、跑邊2、滑邊1、滑邊2、北下滑1、北下滑2、南下滑1、南下滑2、北坡度、南坡度。整理這10條回路出現(xiàn)故障時前4天的絕緣電阻值最小值和平均值下降率,共106條記錄,并生成其接地故障時態(tài)事務(wù)數(shù)據(jù)。

圖3統(tǒng)計了10條回路在118天的統(tǒng)計范圍內(nèi)的故障天數(shù),以及平均絕緣電阻值。從圖中可以看出:一是絕緣電阻均值低的、線路長度較長的,接地故障發(fā)生的頻率較高。二是絕緣電阻均值在5兆歐以上的回路(跑邊1、滑邊2、南下滑、北坡度)未出現(xiàn)接地故障。三是跑邊2出現(xiàn)的接地故障天數(shù)最多,達到了15天,占統(tǒng)計天數(shù)的13%。對接地故障頻次較高的4條回路進一步進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),總體來看回路的絕緣電阻值相對平穩(wěn),但一直在小幅震蕩,絕緣電阻極差約為1-2兆歐。綜合判斷分析絕緣電阻最小值及均值變化率的分布規(guī)律后,設(shè)定絕緣電阻最小值的聚類類別為4類,變化率的為2類。使用R語言進行編程,調(diào)用kmeans函數(shù),得到相關(guān)數(shù)據(jù)如表4-表7所示。

圖3 助航燈光接地故障統(tǒng)計表

表4 前4天絕緣電阻數(shù)據(jù)離散表

表5 前3天絕緣電阻數(shù)據(jù)離散表

表6 前2天絕緣電阻數(shù)據(jù)離散表

表7 前1天絕緣電阻數(shù)據(jù)離散表

得出離散化的數(shù)據(jù)后,設(shè)定最小支持度為60%,調(diào)用R語言中cspade函數(shù)對絕緣電阻數(shù)據(jù)進行挖掘分析,得到頻繁時序共9條,其中F1有4條,F2有4條,F3有1條,并根據(jù)該9條頻繁序列,分別計算故障序列支持度SF、未故障序列支持度SN以及故障概率pF,結(jié)果如表8所示。

表8 接地故障頻繁時序模式

由表8可以得出以下幾點結(jié)論:

1)從故障序列情況看,出現(xiàn)的頻繁序列是:絕緣電阻最小值較低的7條,以及絕緣電阻均值下降的2條。具體來說,前2天為C2,即絕緣電阻最小值在[0,4.48]兆歐,中心點為1.4兆歐時,在F1的支持度最高,達到了80.2%。前2天為C2,前1天為D3,即中心點分別為1.4、1.0兆歐時,在F2的支持度最高,達到了70.8%。前3天為B2,前2天為C2,前1天為D3,即中心點分別為1.2、1.4、1.0兆歐時,為F3的頻繁序列。由此可見,當(dāng)某回路的絕緣電阻最小值下降到1兆歐左右時,很可能連續(xù)多天持續(xù)出現(xiàn)低絕緣電阻的情況,并持續(xù)增大接地故障出現(xiàn)的概率。

2)對比各頻繁序列的故障序列支持度SF、未故障序列支持度SN可以發(fā)現(xiàn):由該挖掘模型得出的頻繁序列,在故障序列中的支持度基本上是未故障序列的2倍以上。由此可以推斷,在助航燈光的工作過程中,當(dāng)某條回路出現(xiàn)表8中所述接地故障頻繁序列時,將很有可能出現(xiàn)絕緣接地故障,故障概率pF顯示其概率均在15%以上。

3)當(dāng)出現(xiàn)項目{H1}:前1天的絕緣電阻均值變化率為[-0.44,-0.04],中心點為-0.18時,即前1天絕緣電阻均值下降18%時,出現(xiàn)接地故障的概率將達到30%以上。因此在維護管理過程中,當(dāng)出現(xiàn)絕緣電阻下降18%以上時,應(yīng)當(dāng)警惕接地故障的突發(fā)。尤其是,出現(xiàn)頻繁序列{C2}->{H1}時,此時出現(xiàn)接地故障的概率達到了36.2%,此時應(yīng)當(dāng)加強對該回路的監(jiān)控,防止接地故障的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)當(dāng)前的燈光監(jiān)管信息系統(tǒng),已可較好的對系統(tǒng)接地故障進行報警提醒,但是頻繁的故障報警作為可靠性低的標(biāo)志,是在飛行保障中不愿意看到的。結(jié)合機場助航燈光系統(tǒng)的特點,提出了一種分析模型,挖掘絕緣電阻特征值頻繁序列,有效預(yù)測其主回路的接地故障。

2)將傳統(tǒng)的助航燈光主回路故障監(jiān)控檢修機制,與提出的絕緣接地故障頻繁序列挖掘模型進行有效耦合,得到了一套包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)運用的數(shù)據(jù)驅(qū)動管理新機制,分析了新機制的優(yōu)劣,指出在略增工作量及一次性投入成本的基礎(chǔ)上,該機制可大大提高助航燈光系統(tǒng)的可靠性。

3)以某機場10條回路在118天積累的助航燈光監(jiān)控數(shù)據(jù)為例,挖掘得到了低絕緣電阻預(yù)測、故障概率分析、系統(tǒng)故障預(yù)警相關(guān)的多條知識,驗證了新機制的有效性。并指出隨著數(shù)據(jù)的積累,頻繁序列挖掘模型可不斷獲取該機場助航燈光系統(tǒng)的最新知識。