一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法与流程

1.本发明涉及轨道交通故障检测技术领域，尤其涉及一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法。


背景技术：

2.接触网系统是地铁牵引供电系统的重要组成部分，在其日常运行、检测、维修等业务过程中会产生大量数据，这些数据是接触网智能化运维的基础。因此，有必要对这些数据进行综合分析和深入挖掘，以便能够将这些数据服务于接触网的故障预测与健康管理(prognosis and health management，phm)，从而促进接触网维修从定期维修过渡到状态维修。
3.目前地铁接触网的故障诊断和健康评估主要是基于接触网的检测数据或故障数据等单一类型的数据，例如，利用动静态检测数据对接触网进行性能退化评估及剩余寿命估计、基于事件型的零部件故障数据评估接触网支持装置的运行可靠性等。虽然这些单数据一定程度上能够评估接触网不同方面的性能或故障概率，但无法进行故障诊断和定位。接触网是一个复杂的系统，仅采用单一类型数据忽略了不同类型数据之间的关联性，没有从全局角度将接触网的动静态检测、故障缺陷、固有属性、零部件检验以及外部环境等各种类型的数据统一起来进行综合分析，难以全面、准确地对接触网来进行故障诊断。另外，接触网数据通常分散在不同业务系统中，存在结构互异、命名不一致、含有不良数据、内容重复等问题，不同数据源的内容难以得到有效的利用，不利于提高接触轨系统故障诊断的效率，既不能准确的诊断故障的类型，也不能获取故障的准确位置信息。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法，用以解决上述现有技术中的缺陷，提高了故障诊断及定位的精度。
5.本发明提供一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法，包括步骤：
6.基于接触网的历史检测数据，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
7.将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
8.获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；
9.若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
10.其中，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据，具体包括步骤：
11.获取接触网的历史检测数据；
12.对所述历史检测数据进行归一化处理，将各类历史检测数据转化为数值在[0,1]之间的数据；
[0013]
对归一化处理后的数据进行降维处理，获取多种状态下的特征数据。
[0014]
其中，获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，包括：
[0015]
获取接触网的实时检测数据；
[0016]
对所述实时检测数据进行归一化处理，将各类实时检测数据转化为数值在[0,1]之间的数据；
[0017]
对归一化处理后的数据进行降维处理，获取各类实时检测数据对应的特征数据。
[0018]
进一步的，在对检测数据进行归一化处理之前，包括：
[0019]
将各类检测数据与对应的阈值比较，高于或等于阈值的对应检测数据为不可用数据，将所述不可用数据剔除，将所述不可用数据替换为低于阈值的检测数据；
[0020]
对各类监测数据进行降噪处理。
[0021]
具体的，以数据仓库的各类特征数据以及对应的状态作为样本输入状态分类模型进行训练，将实时检测的实时检测数据经归一化处理以及降维处理后获取实时特征数据，将所述实时特征输入训练好的状态分类模型；
[0022]
通过训练好的状态分类模型判断是否存在故障，若存在故障则输出对应的故障类型。
[0023]
具体的，接触网的检测数据为基于线路里程或地理位置信息的波动连续数据；
[0024]
若判断存在故障，则获取特征数据对应的原实时检测数据，根据原实时检测数据中的线路里程或地理位置信息，输出故障位置。
[0025]
本发明还提供一种基于数据仓库的接触网故障诊断系统，包括数据收集模块、数据处理模块、特征提取模块、数据对比模块、数据仓库以及故障诊断与定位模块，其中：
[0026]
所述数据收集模块用于获取接触网的各类检测参数；
[0027]
所述数据处理模块用于对各类检测参数进行归一化处理；
[0028]
所述特征提取模块，基于数据处理模块归一化处理后的数据，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0029]
所述数据对比模块用于将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0030]
所述故障诊断与定位模块用于获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0031]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述故障诊断方法的步骤。
[0032]
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述故障诊断方法的步骤。
[0033]
本发明提供的一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法，具有如下的技术效果：
[0034]
(1)通过对不同数据进行多种清洗、转换操作，并按照一定规则将数据组织在一起
形成数据仓库，有效地提高数据挖掘的效率，实现了多种数据类型的综合存储和利用；
[0035]
(2)采用降维算法将地铁接触网的各类故障特征集成于数据仓库，通过故障特征对比实现了对地铁接触网的故障诊断及定位；
[0036]
(3)基于数据仓库从全局角度将接触网的动静态检测、故障缺陷、固有属性、零部件检验以及外部环境等各种类型的数据统一起来对接触网进行综合分析，提高了故障诊断及定位的精度。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明提供的基于数据仓库的接触网故障诊断方法的流程示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0041]
在一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于数据仓库的接触网故障诊断方法，依次包括步骤：数据收集、数据处理、特征数据提取、数据对比、故障诊断与定位，具体包括如下步骤：
[0042]
数据收集获取接触网的历史检测数据；
[0043]
对历史检测数据进行预处理；
[0044]
经过特征数据提取后获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0045]
将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0046]
获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；
[0047]
若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0048]
具体的，在数据收集步骤中，基于线路里程或地理位置信息收集接触网的数据；上述参数包括但不限于接触力、导高、拉出值、硬点、网压、燃弧、电流、图像等，对应的数据即
为上述参数实际的检测数据；
[0049]
具体的，通过接触网中的传感器采集各个节点位置处的响应数据，包括但不限于接触力、导高、拉出值、硬点、网压、燃弧等参数的数值；此处数据的类型仅作为本发明的示例，而不是对本发明的限定；
[0050]
其中，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据，具体包括步骤：
[0051]
获取接触网的历史检测数据；
[0052]
对所述历史检测数据进行归一化处理，将各类历史检测数据转化为数值在[0,1]之间的数据；
[0053]
对归一化处理后的数据进行降维处理，获取多种状态下的特征数据。
[0054]
其中，获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，包括：
[0055]
获取接触网的实时检测数据；
[0056]
对所述实时检测数据进行归一化处理，将各类实时检测数据转化为数值在[0,1]之间的数据；
[0057]
对归一化处理后的数据进行降维处理，获取各类实时检测数据对应的特征数据。
[0058]
具体的，由于接触网及其设备工作环境恶劣，网压、接触网电流、绝缘子泄露电流、图像等数据经常受到振动、强电场、光照等因素的干扰，检测数据存在一定的噪声；由于技术原因或人为因素，传感器在数据采集的过程中及数据上传的过程中可能存在遗漏，会造成数据的缺失；由于接触网相关检测数据是基于线路里程或地理位置信息的波动连续数据，且每个数据与采样位置、时间、频率一一对应，如缺失将可能导致后续数据处理及分析的不准确。
[0059]
由此，需要剔除不可用数据并补全缺失的数据，并对排除噪声干扰，由此，在对检测数据进行归一化处理之前，需要对数据进行清理，具体包括：
[0060]
将各类检测数据与对应的阈值比较，高于或等于阈值的对应检测数据为不可用数据，将所述不可用数据剔除，将所述不可用数据替换为低于阈值的检测数据；对各类监测数据进行降噪处理；
[0061]
可选的，可以通过将各类检测数据与个字类别的经验数值进行比较，例如传感器输出的电压、电流超出或低于传感器的精度范围，加速度的数值超过了传感器测量的阈值，那么说明传感器测量得到的数值存在错误，类似的数据则视为不可用数据；
[0062]
可选的，对不可用数据进行剔除，再补全缺失值，可以通过如下方法进行补全：均值插补、同类均值插补、建模预测、高维映射、多重插补、极大似然估计、压缩感知和矩阵补全等；此处仅作为对本发明实施例的示例，不作为进一步的限定；
[0063]
具体的，对数据进行归一化化处理，包括：
[0064]
采用最大最小归一化的方法分别对步骤一收集的数据进行归一化处理，得到大小在[0,1]之间的数据，y＝(x-x
min
)/(x
max-x
min
)，其中x，y分别为归一化前后的值，x
max
，x
min
分别是数据集的最大值和最小值。
[0065]
进一步的，在上述步骤之后再进行特征提取，包括：
[0066]
数据降维处理：
[0067]
对上述步骤得到的数据进行降维处理，得到多种不同状态的特征数据，即；
[0068]
通过输入历史检测数据或实时测量数据，如接触力、导高、拉出值、硬点、网压、燃弧等；
[0069]
通过数据降维方法进行计算，输出多个参数融合后的主成成分数据，如几何成分数据、平顺性成分数据、受流成分数据等，上述数据即为融合后的状态特征数据；例如针对电流异常导致的故障状态，则以电流数据、网压等电流相关数据作为电流异常状态对应的特征数据；
[0070]
具体地，数据降维方法包括独立成分分析法(ica)、主成分分析法(pca)、低方差滤波、高相关滤波、粒子群优化算法及遗传算法等，将数据维度降低，同时最大限度的保留数据的特征，分别采用上述降维方法，以尽可能多获取接触网特征数据；此处仅作为对本发明降为处理方法的示例，而不应视为限定；
[0071]
通过降维处理降低了总体参数的数据量，降低了参数的时间复杂度和空间复杂度，便于计算，便于对提取有效信息及摈弃无用信息以实现对数据的筛选，有利于特征选择和特征提取。
[0072]
进一步，进行数据对比，提取特征数据，将上述数据降维处理得到的接触网在多种故障状态下的接触网检测数据与稳态特征数据进行对比聚类，输出故障类型和对应的特征数据的映射关系，进而组成数据仓库；
[0073]
需要说明的是，数据仓库(data warehouse，dw)是一个面向主题的、集成的、非易失的、随时间变化的数据集合，为管理人员提供决策支持。通过数据仓库可从不同的操作型业务系统中抽取数据，然后对数据进行多种清洗、转换操作，最后按照一定规则将数据组织在一起。需要注意的是，集成、规范的数据仓库环境能够有效地提高数据挖掘的效率和准确度；
[0074]
具体的，以数据仓库的各类特征数据以及对应的状态作为样本输入状态分类模型进行训练，将实时检测的实时检测数据经归一化处理以及降维处理后获取实时特征数据，将所述实时特征输入训练好的状态分类模型；
[0075]
通过训练好的状态分类模型判断是否存在故障，若存在故障则输出对应的故障类型。
[0076]
具体的，接触网的检测数据为基于线路里程或地理位置信息的波动连续数据；
[0077]
若判断存在故障，则获取特征数据对应的原实时检测数据，根据原实时检测数据中的线路里程或地理位置信息，根据位置信息和里程数据可以计算得到地铁接触网故障的位置；
[0078]
可选的，将数据仓库的各类状态特征数据采用支持向量机(svm)、随机森林等算法模型进行训练得到状态分类模型，然后将实际测得的数据经处理和特征提取后得到的特征数据输入训练好的状态分类模型进行状态识别。
[0079]
另一方面，本发明提供的一种基于数据仓库的接触网故障诊断系统，可与上述的接触网故障诊断方法相互对应参照，所述系统具体包括数据收集模块、数据处理模块、特征提取模块、数据对比模块、数据仓库以及故障诊断与定位模块，其中：
[0080]
所述数据收集模块用于获取接触网的各类检测参数；
[0081]
所述数据处理模块用于对各类检测参数进行归一化处理；
[0082]
所述特征提取模块，基于数据处理模块归一化处理后的数据，获取接触网在多种
状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0083]
所述数据对比模块用于将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0084]
所述故障诊断与定位模块用于获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0085]
另一方面，本发明还提供一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(communicationsinterface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行上述提供的基于数据仓库的接触网故障诊断方法，包括步骤：
[0086]
基于接触网的历史检测数据，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0087]
将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0088]
获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；
[0089]
若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0090]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0091]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的基于数据仓库的接触网故障诊断方法，包括步骤：
[0092]
基于接触网的历史检测数据，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0093]
将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0094]
获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；
[0095]
若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0096]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法所提供的基于数据仓库的接触网故障诊断方法，包括步骤：
[0097]
基于接触网的历史检测数据，获取接触网在多种状态下分别对应的特征数据，获取接触网在稳态状态下的稳态特征数据；
[0098]
将多种状态下的特征数据与所述稳态特征数据进行对比聚类，获取接触网在每种故障状态下对应的故障特征数据，以每种故障状态以及对应的故障特征数据生成数据仓库；
[0099]
获取接触网的实时检测数据以及对应的实时特征数据，将所述实时特征数据与所述数据仓库中的特征数据进行对比，判断是否存在故障；
[0100]
若存在故障，则输出故障类型，并根据对应的实时检测数据获取故障位置。
[0101]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0102]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0103]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。