一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法及装置与流程

1.本发明涉及接触网故障预防、数据挖掘技术领域，具体涉及一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法及装置。


背景技术：

2.随着我国高铁建设事业的蓬勃发展，接触网系统的安全性以及可靠性备受关注。绝缘子在接触网系统中起到绝缘与机械支撑的作用，受到在室外复杂多变的环境因素的影响，绝缘子闪络事故不断，进而引发接触网系统故障，造成列车晚点等后果。
3.为减少绝缘子闪络引发的接触网故障，各供电段投入的人力物力逐年递增。针对该故障，现有的方案主要是通过分析接触网绝缘子闪络发生后，对损坏绝缘子进行更换。然而现有技术中缺乏精确有效的绝缘子闪络预测方法。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是现有技术中缺乏精确有效的绝缘子闪络预测方法，目的在于提供一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法及装置，本发明首次从环境因素出发，结合接触网历史故障记录，实现针对单个绝缘子的闪络概率的预测。本发明的接触网绝缘子闪络预测模型结构简单、功能易实现，预测精准有效；且目标对象可细化至单个绝缘子本体，实际可操作性强；本发明结合抽样方法，较现有维修方式而言节省人力物力，以更小的资源消耗降低绝缘子闪络引发接触网故障的风险，可显著提高铁路运营部门的检修效率。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法，该方法包括：
7.获取影响绝缘子闪络的历史环境因素数据，并对所述历史环境因素数据进行预处理，得到预处理后的历史环境因素数据；
8.根据所述预处理后的历史环境因素数据，构建单个绝缘子风险概率变化函数；对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量；根据所述影响因子向量，构建基于环境因素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；
9.利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测，得到每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划。
10.工作原理是：基于现有技术中缺乏精确有效的绝缘子闪络预测方法，且基于现阶段缺乏针对接触网系统中绝缘子闪络致因机理的研究。本发明首次从环境因素出发，结合接触网历史故障记录，实现针对单个绝缘子的闪络概率的预测。本发明包括对影响绝缘子闪络的历史环境因素数据收集与处理，采用比例风险回归cox模型构建单个绝缘子风险概率变化函数；对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量，并把影响因子向量作为预测模型的环境因素权重系数值；根据所述影响因子向量，构建基于环境因
素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；最后利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测。由于铁路运营状况的复杂性，不同区域的接触网工况具有较大的差异，收集造成绝缘子闪络的相关因素并分析其与绝缘子闪络的关联程度，进而对不同区域的绝缘子提出具有差异性处理处理的预警，是一种精确有效的方法。
11.本发明的接触网绝缘子闪络预测模型结构简单、功能易实现，预测精准有效；且目标对象可细化至单个绝缘子本体，实际可操作性强；本发明结合抽样方法，较现有维修方式而言节省人力物力，以更小的资源消耗降低绝缘子闪络引发接触网故障的风险，可显著提高铁路运营部门的检修效率。
12.进一步地，影响绝缘子闪络的环境因素包括第一类环境因素和第二类环境因素；
13.所述第一类环境因素是造成绝缘子表面脏污的气象污染类因素；
14.所述第二类环境因素是使绝缘子脏污物质闪络风险增加的因素。
15.进一步地，所述第一类环境因素包括大气盐密度、大气灰密度、大气温度、大气相对湿度；
16.所述第二类环境因素包括绝缘子磨损度和绝缘子服役时间。
17.进一步地，所述预处理，包括：
18.对所述历史环境因素数据中第i类环境因素，采用zero-score标准化进行预处理；所述预处理公式为：
[0019][0020]
其中，mean()表示求均值，std()表示求标准差；q(t)为第t个样本数据，ti(t)为第t个训练数据。
[0021]
进一步地，所述单个绝缘子风险概率变化函数h(t,x)公式为：
[0022]
h(t,x)＝h0(t,x)exp(β1x1+β2x2+...+βnxn)
[0023]
其中，x＝(x1,x2,...,xn)为单个绝缘子的环境因素向量；βi为第i个环境因素对应的影响因子，反应该因素对绝缘子闪络的影响程度；h0(t,x)为当环境因素均为0时，绝缘子故障风险随时间t的变化函数。
[0024]
进一步地，所述的对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量；包括：
[0025]
对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行似然和对数似然处理，得到单个绝缘子风险概率变化函数的对数似然函数；
[0026]
利用newton raphson优化算法或其他数学优化算法对所述单个绝缘子风险概率变化函数的对数似然函数进行最大化偏似然处理，得到所述影响因子向量。
[0027]
进一步地，所述的对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行似然和对数似然处理，得到单个绝缘子风险概率变化函数的对数似然函数；包括：
[0028]
对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行似然处理，得到似然函数l；
[0029][0030]
其中，n表示训练样本绝缘子总数，x
in
表示第i个绝缘子的第n项环境因素取值，x
jn
表示第j个绝缘子的第n项环境因素取值，j表示环境因素采集时间晚于第i个绝缘子环境因素采集时间的绝缘子样本，ti表示第i个绝缘子环境因素采集时间。
[0031]
对所述似然函数l进行对数似然处理，得到对数似然函数ln(l)；
[0032][0033]
其中，x
in
表示第i个绝缘子的第n项环境因素取值，x
jn
表示第j个绝缘子的第n项环境因素取值，j表示环境因素采集时间晚于第i个绝缘子环境因素采集时间的绝缘子样本，ti表示第i个绝缘子环境因素采集时间；n为绝缘子样本总数。
[0034]
进一步地，该方法还包括通过一致性指数concordance inde x(以下简称c-index)对所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型的校验，根据校验结果，判断是否重新构建绝缘子闪络预测模型；具体为：
[0035]
当一致性指数c-index小于或等于预设阈值时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型完全无效，弃用该模型并重新建模；
[0036]
当一致性指数c-index大于预设阈值时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型有效，保留该模型；
[0037]
当一致性指数c-index等于1时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型完全正确；
[0038]
c-index变化范围为0到1。
[0039]
进一步地，所述的根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划；包括：
[0040]
当所述闪络风险度大于5时的绝缘子记作高故障风险绝缘子，对所述高故障风险绝缘子安排预防性检修计划；
[0041]
当所述闪络风险度小于或者等于5时的绝缘子记作低故障风险绝缘子，对所述低故障风险绝缘子不安排预防性检修计划。
[0042]
第二方面，本发明又提供了一种基于环境因素的绝缘子闪络预测装置，该装置支持所述的一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法；该装置包括：
[0043]
获取单元，用于获取影响绝缘子闪络的历史环境因素数据；
[0044]
预处理单元，用于对对所述历史环境因素数据进行预处理，得到预处理后的历史环境因素数据；
[0045]
单个绝缘子风险概率变化函数构建单元，用于根据所述预处理后的历史环境因素数据，构建单个绝缘子风险概率变化函数；
[0046]
影响因子向量计算单元，用于对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量；
[0047]
基于环境因素的绝缘子闪络预测模型构建及训练单元，用于根据所述影响因子向量，构建基于环境因素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；
[0048]
预测单元，用于利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测，得到每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划。
[0049]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0050]
1、本发明首次从环境因素出发，结合接触网历史故障记录，实现针对单个绝缘子的闪络概率的预测，且预测精准有效。
[0051]
2、本发明的接触网绝缘子闪络预测模型结构简单、功能易实现；且目标对象可细化至单个绝缘子本体，实际可操作性强；本发明结合抽样方法，较现有维修方式而言节省人力物力，以更小的资源消耗降低绝缘子闪络引发接触网故障的风险，可显著提高铁路运营部门的检修效率。
附图说明
[0052]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0053]
图1为本发明一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法流程图。
[0054]
图2为本发明一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法详细流程图。
[0055]
图3为本发明绝缘子闪络环境因素详情图。
[0056]
图4为本发明一种基于环境因素的绝缘子闪络预测装置结构示意图。
具体实施方式
[0057]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0058]
实施例1
[0059]
如图1至图3所示，本发明一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法，如图1和图2所示，该方法包括：
[0060]
获取影响绝缘子闪络的历史环境因素数据，并对所述历史环境因素数据进行正负样本数据划分和数据预处理，得到预处理后的历史环境因素数据；
[0061]
根据所述预处理后的历史环境因素数据，构建单个绝缘子风险概率变化函数；对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量；根据所述影响因子向量，构建基于环境因素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；
[0062]
利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测，得到每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划。
[0063]
本实施例中，影响绝缘子闪络的环境因素包括第一类环境因素和第二类环境因素；
[0064]
所述第一类环境因素是造成绝缘子表面脏污的气象污染类因素；
[0065]
所述第二类环境因素是使绝缘子脏污物质闪络风险增加的因素。
[0066]
具体地，所述第一类环境因素包括大气盐密度、大气灰密度、大气温度、大气相对湿度；
[0067]
所述第二类环境因素包括绝缘子磨损度和绝缘子服役时间。
[0068]
其中，综合上述两类因素的绝缘子闪络环境因素详情图，如图3所示。
[0069]
本实施例中，所述的对所述历史环境因素数据进行正负样本数据划分，包括：
[0070]
在所述历史环境因素数据基础上，将易发生绝缘子闪络故障的支柱作为正样本，标记为1；对比未发生绝缘子闪络故障的支柱作为负样本，标记为0。
[0071]
本实施例中，所述数据预处理，包括：
[0072]
对所述历史环境因素数据中第i类环境因素，采用zero-score标准化进行预处理；所述预处理公式为：
[0073][0074]
其中，mean()表示求均值，std()表示求标准差；q(t)为第t个样本数据，ti(t)为第t个训练数据。
[0075]
本实施例中，影响因子向量(即模型的环境因素权重)的训练与学习过程为：
[0076]
接触网系统中绝缘子闪络受各个环境因素的影响程度大小由比例风险回归cox模型确定。设前边步骤中环境因素「服役时间」为t，则单个绝缘子的风险概率变化函数h(t,x)由下式描述：
[0077]
h(t,x)＝h0(t,x)exp(β1x1+β2x2+...+βnxn)
[0078]
其中，x＝(x1,x2,...,xn)为单个绝缘子的环境因素向量；βi为第i个环境因素对应的影响因子，反应该因素对绝缘子闪络的影响程度；h0(t,x)为当环境因素均为0时，绝缘子故障风险随时间t的变化函数。
[0079]
设样本数据总量为n，第i个绝缘子故障发生的时间为ti，则所述单个绝缘子风险概率变化函数的似然函数l如下：
[0080][0081]
对所述似然函数l进行对数似然处理，得到对数似然函数ln(l)；
[0082][0083]
其中，n表示训练样本绝缘子总数，x
in
表示第i个绝缘子的第n项环境因素取值，x
jn
表示第j个绝缘子的第n项环境因素取值，j表示环境因素采集时间晚于第i个绝缘子环境因素采集时间的绝缘子样本，ti表示第i个绝缘子环境因素采集时间。
[0084]
利用newton raphson优化算法或其他数学优化算法对所述单个绝缘子风险概率变化函数的对数似然函数进行最大化偏似然处理，把划分好的正负样本数据放入模型中进行训练，得到影响因子向量模型完成训练。
[0085]
至此，得到影响因子向量(即模型的环境因素权重)以后，通过一致性指数concordance index(以下简称c-index)对所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型的校验，根据校验结果，判断是否重新构建绝缘子闪络预测模型；具体为：
[0086]
当一致性指数c-index小于或等于预设阈值ci
′
时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型完全无效，弃用该模型并重新建模；
[0087]
当一致性指数c-index大于预设阈值ci
′
时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预
测模型有效，保留该模型；
[0088]
当一致性指数c-index等于1时，则所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型完全正确；
[0089]
其中，c-index变化范围为0到1。
[0090]
本实施例中，所述的利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测，得到每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；包括：
[0091]
(1)待预测绝缘子的相关数据预处理；
[0092]
根据对所述历史环境因素数据进行正负样本数据划分和数据预处理的方法获得待预测绝缘子的相应的温度、相对湿度、盐密度、灰密度、磨损度和服役时间等数据，按照预处理公式进行标准化处理。
[0093]
(2)计算每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；
[0094]
将标准化处理后的各个绝缘子环境因素权重(影响因子向量)带入下式，得到该绝缘子相对风险度：
[0095]
r＝exp(β1x1+β2x2+...+βnxn)
[0096]
计算绝缘子闪络风险向量其中ri表示第i个绝缘子的闪络风险度。
[0097]
绝缘子闪络风险向量为各个绝缘子在各种环境因素影响下的闪络风险度向量。
[0098]
本实施例中，所述的根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划；包括：
[0099]
当所述闪络风险度大于5时的绝缘子记作高故障风险绝缘子，对所述高故障风险绝缘子安排预防性检修计划；所述预防性检修计划为进行清洁绝缘子或更换绝缘子等措施；
[0100]
当所述闪络风险度小于或者等于5时的绝缘子记作低故障风险绝缘子，对所述低故障风险绝缘子不安排预防性检修计划。
[0101]
工作原理是：基于现有技术中缺乏精确有效的绝缘子闪络预测方法，且基于现阶段缺乏针对接触网系统中绝缘子闪络致因机理的研究。本发明首次从环境因素出发，结合接触网历史故障记录，实现针对单个绝缘子的闪络概率的预测。本发明包括对影响绝缘子闪络的历史环境因素数据收集与处理，采用比例风险回归cox模型构建单个绝缘子风险概率变化函数；对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量，并把影响因子向量作为预测模型的环境因素权重系数值；根据所述影响因子向量，构建基于环境因素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；最后利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测。由于铁路运营状况的复杂性，不同区域的接触网工况具有较大的差异，收集造成绝缘子闪络的相关因素并分析其与绝缘子闪络的关联程度，进而对不同区域的绝缘子提出具有差异性处理处理的预警，是一种精确有效的方法。具体地，差异化处理是指安装在不同锚段的绝缘子的环境因素数据差异明显，通过本发明的预测模型评估所得风险度会呈现相应的差异性。对风险度大的绝缘子进行预防性维修，风险度小的绝缘子不予处理。
[0102]
本发明的接触网绝缘子闪络预测模型结构简单、功能易实现，预测精准有效；且目标对象可细化至单个绝缘子本体，实际可操作性强；本发明结合抽样方法，较现有维修方式而言节省人力物力，以更小的资源消耗降低绝缘子闪络引发接触网故障的风险，可显著提高铁路运营部门的检修效率。
[0103]
实施例2
[0104]
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种基于环境因素的绝缘子闪络预测装置，该装置支持实施例1所述的一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法；该装置包括：
[0105]
获取单元，用于获取影响绝缘子闪络的历史环境因素数据；
[0106]
预处理单元，用于对所述历史环境因素数据进行正负样本数据划分和数据预处理，得到预处理后的历史环境因素数据；
[0107]
单个绝缘子风险概率变化函数构建单元，用于根据所述预处理后的历史环境因素数据，构建单个绝缘子风险概率变化函数；
[0108]
影响因子向量计算单元，用于对所述单个绝缘子风险概率变化函数进行求解，得到影响因子向量；
[0109]
基于环境因素的绝缘子闪络预测模型构建及训练单元，用于根据所述影响因子向量，构建基于环境因素的绝缘子闪络预测模型并进行模型训练；
[0110]
预测单元，用于利用所述基于环境因素的绝缘子闪络预测模型对待预测绝缘子进行闪络预测，得到每个绝缘子在当前环境因素作用下的闪络风险度；根据闪络风险度的大小，判断是否进行对应绝缘子预防性检修计划。
[0111]
各个单元的执行过程按照实施例1所述的一种基于环境因素的绝缘子闪络预测方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
[0112]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0113]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0114]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0115]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0116]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。