一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法及系统

摘要

本发明提出了一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法及系统，包括离线功能模块和在线功能模块。离线功能模块对铁路供电设备历史运行数据进行降噪、降维处理，并将处理后的数据信息输入到BP神经网络中，提取铁路供电设备的健康因子(HI)，将处理后的数据和健康因子(HI)融合后输入到构建的深度神经网络进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征；在线功能模块采用传感器实时采集铁路供电设备运行状态信息，将提取的设备运行信息输入到训练的深度神经网络中，进而对铁路供电设备的健康状态做出评估诊断。通过离线功能模块和在线功能模块的配合使用，可实时、在线获取铁路供电设备的健康状态，实现设备潜在性故障的早期预警。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法及系统，涉及智能检测技术领域。

背景技术

随着国民经济发展需求提升以及高铁技术的进步，我国铁路规模呈现不断扩大趋势。而铁路供电设备的安全稳定是铁路可靠运行的基础。铁路供电设备一旦发生故障，轻则造成铁路延误，影响人民正常生产、生活；重则造成安全事故，造成重大经济损失和不良社会影响。因此，实时监测铁路供电设备的健康状态，实现设备潜在性故障的早期预警，及时维护、更换损伤设备，对于提升铁路的可靠运行具有重要意义。

长期以来，电力企业对铁路供电设备推行的定期检修机制存在“维护不足”和“过度维护”等问题，不仅造成重大资源浪费，同时在一定程度上影响了设备供电的可靠性。因此，基于设备历史及当前运行状态，利用在线监测及离线实验等数据开展铁路供电设备状态检修工作势在必行。目前随着通信、计算机及控制技术的进步，故障监测系统在铁路供电设备中得到了广泛的应用，积累了海量数据，如何深入剖析这些数据进而维护铁路供电设备的安全运营，已经成为现阶段迫切需要解决的难题。

铁路供电设备因种类繁多、参数复杂、监测数据量大、运行环境多样等特点，使得传感器采集的设备信息可能受到环境噪声以及来自其他耦合部件信号的“污染”，掩盖反映设备状态的关键信息；同时众多的传感器信息中还包含了众多的冗余信息，如果直接对这些信息处理，势必造成计算资源的浪费。传感器采集的数据均为无标签数据(不包含设备对应的健康状态)，这些数据无法直接进入深度学习网络进行学习，如何获取铁路供电设备的全生命周期的健康因子(health indicator-HI)图是进行深度学习网络训练的前提。此外，铁路供电设备的老化失效过程受到多种因素的影响，此时如果再通过专家经验、人工提取特征的方式对设备失效过程进行物理建模，必然造成效率低下，可能也无法对设备的老化过程做出全面、准确的描述，如何自动提取铁路供电设备的故障特征，也是实现铁路供电设备可靠性评价所面临的难题。

发明内容

发明目的：一个目的是提出一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法，以解决现有技术存在的上述问题。进一步目的是提出一种实现上述方法的系统。

技术方案：一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法，包括以下步骤：

步骤1、对铁路供电设备历史运行数据进行降噪、降维处理；

步骤2、将处理后的数据信息输入到BP神经网络中，提取铁路供电设备的健康因子；

步骤3、将处理后的数据和健康因子融合后输入到构建的深度神经网络进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征；

步骤4、实时采集铁路供电设备运行状态信息，将提取的设备运行信息输入到训练的深度神经网络中，进而对铁路供电设备的健康状态做出评估诊断。

在进一步的实施例中，所述步骤1进一步为：

步骤1-1、构建降噪自编码器，将铁路供电设备历史数据构造矩阵为X，X＝{x(1)，x(2)，x(3)，…x(N)}，x(i)∈R

步骤1-2、通过自动编码器对χ编码得到y，希望y能接近或重构原始输入X，在这一过程中，定义联合分布：

其中，当f

其中L(X,X’)是重构误差，判断网络重构的程度；通过随机梯度下降算法优化代价函数，从损伤输入χ中最大化重构原始输入X；

步骤1-3、将经过降噪自编码器处理的数据输入到稀疏自编码器中进行训练。

在进一步的实施例中，步骤1-1中降噪自编码器的具体实现过程如下：

步骤1-1a、按预定比例将输入矩阵X的部分元素随机置零变成χ，然后对χ进行编码得到隐层表达y：

y＝f

步骤1-1b、由隐层y重构输入得到输出X’：

X′＝g

步骤1-1c、通过X’和X的值计算出重构误差L(X,X’)；最后通过随机梯度下降算法一步步优化编码器代价函数，从损伤输入χ中最大化重构原始输入X。

在进一步的实施例中，所述步骤2进一步为：

步骤2-1、将铁路供电设备历史数据进行划分，初始的10％的数据认定为健康状态，健康标签设定为1，最后的10％的数据认定为失效状态，健康标签设定为0；

步骤2-2、将上述数据进一步划分为训练集和测试集；

步骤2-3、构造BP神经网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

步骤2-4、设置前向传播算法中批量训练数、迭代次数，将训练集数据输入到BP 神经网络中，执行前向传播算法，利用BP神经网络的输出计算代价函数：

其中，h

步骤2-5、将测试集数据输入到训练完成的BP神经网络中，验证BP神经网络的效果；

步骤2-6、将剩余的80％的铁路供电设备历史数据输入到验证的BP神经网络中，BP神经网络的输出值即为铁路供电设备对应的健康值，如此获得铁路供电设备的健康因子图。

在进一步的实施例中，所述步骤3进一步为：

步骤3-1、搭建长短时记忆网络，考虑到铁路供电设备运行环境的复杂性以及样本训练规模，采用堆叠式长短时记忆网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值 W和偏移量b；

步骤3-2、将经过清洗的数据记为X＝(X

h

其中，W

f

i

c

o

h

其中，f

其中，g

步骤3-3、采用随机梯度下降算法执行反向传播计算，更新长短时记忆网络各层的权重系数；

步骤3-4、将测试集数据输入到训练完成的长短时记忆网络中，验证长短时记忆网络的效果，若长短时记忆网络输出结果的准确率较低，则重新调整参数进行上述过程，直至准确率达到95％以上。

在进一步的实施例中，所述步骤4进一步为：

步骤4-1、采用传感器采集铁路供电设备的多种运行状态数据，并将数据输入到栈式降噪稀疏自动编码器网络中进行降噪、降维的清洗过程，得到洁净的、低维的传感器数据；

步骤4-2、将清洗后的数据输入到长短时记忆网络中，输出当前的设备的健康状态参数R，R取值范围为(0，1)；结合设备的健康状态值，对设备的健康状态做出评估，评估方式如下：

步骤4-3、对铁路供电设备的健康状态做出评估后，发送给运行维护人员，作为运行维护人员进行设备检修的依据。

一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算系统，包括离线功能模块和在线功能模块；所述离线功能模块对铁路供电设备历史运行数据进行降噪、降维处理，并将处理后的数据信息输入到BP神经网络中，提取铁路供电设备的健康因子，将处理后的数据和健康因子融合后输入到构建的深度神经网络进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征；

所述在线功能模块采用传感器实时采集铁路供电设备运行状态信息，将提取的设备运行信息输入到训练的深度神经网络中，进而对铁路供电设备的健康状态做出评估诊断。通过离线功能模块和在线功能模块的配合使用，可实时、在线获取铁路供电设备的健康状态，实现设备潜在性故障的早期预警。

在进一步的实施例中，构造栈式降噪稀疏自动编码器网络对原始的铁路供电设备历史数据进行清洗。将铁路供电设备历史数据信息划分为训练集和测试集，训练集的数据输入到构建的网络中进行训练，设定输入数据与输出结果的差值的平方和作为惩罚函数，采用随机梯度下降算法对网络的权重参数进行更新；将测试集数据输入到训练完成的网络中，验证降噪稀疏自动编码器网络的降噪、降维效果。上述过程反复进行，直到测试的准确率达到95％以上。训练后的网络可实现对铁路供电设备状态数据的降噪、降维处理。

在进一步的实施例中，对经过清洗的铁路供电设备历史数据添加健康标签，初始的 10％的数据认定为健康状态，健康标签设定为1，最后的10％的数据认定为失效状态，健康标签设定为0。将打上标签的数据输入到构造的BP神经网络中，并将BP神经网络的输出值与标签值的差值的平方和作为惩罚函数，采用随机梯度下降算法更新BP神经网络的权重参数，训练过程反复进行，直至测试的准确率达到95％以上。然后将剩余的 80％数据输入到BP神经网络中，得到的结果即为数据对应的健康标签。将全部数据以及对应的健康标签绘制成图，即得到铁路供电设备的健康因子(HI)图。

在进一步的实施例中，通过栈式降噪稀疏自动编码器网络对原始的历史异常数据的清洗，以及BP神经网络的线性回归，可得到洁净的、低维的有健康标签的数据。将清洗后的铁路供电设备历史数据输入到长短时记忆网络中进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征，对长短时记忆网络中的权重参数进行赋值。

在进一步的实施例中，采用传感器实时采集铁路供电设备运行状态信息，并将采集的数据输入到训练完成的栈式降噪稀疏自动编码器网络中进行降噪、降维处理，得到洁净的、低维的运行状态数据。将处理后的数据输入到训练完成的长短时记忆网络中，输出铁路供电设备当前的健康状态。

在进一步的实施例中，该系统还包括用于对铁路供电设备历史运行数据进行降噪、降维处理的第一模块；用于将处理后的数据信息输入到BP神经网络中，提取铁路供电设备的健康因子的第二模块；用于将处理后的数据和健康因子融合后输入到构建的深度神经网络进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征的第三模块；以及用于实时采集铁路供电设备运行状态信息，将提取的设备运行信息输入到训练的深度神经网络中，进而对铁路供电设备的健康状态做出评估诊断的第四模块。

在进一步的实施例中，所述第一模块进一步用于构建降噪自编码器，将铁路供电设备历史数据构造矩阵为X，X＝{x(1)，x(2)，x(3)，…x(N)}，x(i)∈R

通过自动编码器对χ编码得到y，希望y能接近或重构原始输入X，在这一过程中，定义联合分布：

其中，当f

其中L(X,X’)是重构误差，判断网络重构的程度；通过随机梯度下降算法优化代价函数，从损伤输入χ中最大化重构原始输入X；

将经过降噪自编码器处理的数据输入到稀疏自编码器中进行训练；

所述第二模块进一步用于将铁路供电设备历史数据进行划分，初始的10％的数据认定为健康状态，健康标签设定为1，最后的10％的数据认定为失效状态，健康标签设定为0；

将上述数据进一步划分为训练集和测试集；

构造BP神经网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

设置前向传播算法中批量训练数、迭代次数，将训练集数据输入到BP神经网络中，执行前向传播算法，利用BP神经网络的输出计算代价函数：

其中，h

将测试集数据输入到训练完成的BP神经网络中，验证BP神经网络的效果；

将剩余的80％的铁路供电设备历史数据输入到验证的BP神经网络中，BP神经网络的输出值即为铁路供电设备对应的健康值，如此获得铁路供电设备的健康因子图；

所述第三模块进一步用于搭建长短时记忆网络，考虑到铁路供电设备运行环境的复杂性以及样本训练规模，采用堆叠式长短时记忆网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

将经过清洗的数据记为X＝(X

h

其中，W

f

i

c

o

h

其中，f

其中，g

采用随机梯度下降算法执行反向传播计算，更新长短时记忆网络各层的权重系数；

将测试集数据输入到训练完成的长短时记忆网络中，验证长短时记忆网络的效果，若长短时记忆网络输出结果的准确率较低，则重新调整参数进行上述过程，直至准确率达到95％以上；

所述第四模块进一步采用传感器采集铁路供电设备的多种运行状态数据，并将数据输入到栈式降噪稀疏自动编码器网络中进行降噪、降维的清洗过程，得到洁净的、低维的传感器数据；

将清洗后的数据输入到长短时记忆网络中，输出当前的设备的健康状态参数R，R取值范围为(0，1)；结合设备的健康状态值，对设备的健康状态做出评估，评估方式如下：

对铁路供电设备的健康状态做出评估后，发送给运行维护人员，作为运行维护人员进行设备检修的依据。

本发明的有益效果为：

1.采用栈式降噪稀疏自动编码器对铁路供电设备数据进行清洗，在保留数据最本质的特征时，降低环境噪声或其它耦合部件对数据信号的干扰，提高铁路供电设备健康状态识别的精度；同时降低数据的维度，提升铁路供电设备状态数据的处理效率，节约计算资源。

2.采用BP神经网络对铁路供电设备历史数据进行线性回归处理，可直接将铁路供电设备运行状态数据打上健康状态标签，获取铁路供电设备的健康因子(HI)图，无须采用实验或仿真的方法获取铁路供电设备的标签数据，提升数据处理的效率同时提高数据的真实性。

3.铁路供电设备的老化失效过程是一个十分复杂的过程，受到运行环境、工作状态等多种因素的影响，此时很难通过人工提取特征的方式对铁路供电设备失效过程进行物理建模。而长短时记忆网络可自动提取铁路供电设备大时间跨度、长距离影响的故障特征，可更全面、更准确的描述铁路供电设备的老化失效的过程。

4.利用传感器实时采集铁路供电设备运行状态数据，并输入到训练完成的长短时记忆网络中，可自动评估铁路供电设备的健康状态，实现铁路供电设备故障的全天候、在线监测。而传统的人力定期检修机制，存在“维护不足”和“过度维护”等问题，同时还受到检修人员自身经验的影响，不仅造成重大资源浪费，同时在一定程度上影响了设备供电的可靠性。

附图说明

图1是本发明基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法实现流程图。

图2是本发明构造的栈式降噪稀疏自编码器实现流程图。

图3是本发明通过BP神经网络提取的铁路供电设备健康因子(HI)图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

如图1所示，一种基于铁路供电设备历史异常和运维信息的可靠性计算方法，算法包含两个功能模块：离线功能模块和在线功能模块。离线功能模块对铁路供电设备历史运行数据进行降噪、降维处理，并将处理后的数据信息输入到BP神经网络中，提取铁路供电设备的健康因子(HI)，将处理后的数据和健康因子(HI)融合后输入到构建的深度神经网络进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征；在线功能模块采用传感器实时采集铁路供电设备运行状态信息，将提取的设备运行信息输入到训练的深度神经网络中，进而对铁路供电设备的健康状态做出评估诊断。通过离线功能模块和在线功能模块的配合使用，可实时、在线获取铁路供电设备的健康状态，实现设备潜在性故障的早期预警。

(1)如图2所示，构造的栈式降噪稀疏自动编码器网络。对于降噪自编码器，将铁路供电设备历史数据构造矩阵为X，X＝{x(1)，x(2)，x(3)，…x(N)}，x(i)∈R

其中，当f

其中L(X,X’)是“重构误差”，判断网络重构的程度。通过随机梯度下降算法一步步优化代价函数，从损伤输入χ中最大化重构原始输入X。降噪自编码器的具体实现过程可描述如下：按一定比例将输入矩阵X的部分元素随机置零变成χ，然后对χ进行编码得到隐层表达y，y＝f

将经过降噪自编码器处理的数据输入到稀疏自编码器中进行训练，具体过程如下：

1)构建稀疏自动编码器模型，设置网络学习率ε、稀疏参数ρ参数等，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

2)设置前向传播算法中批量训练数、迭代次数等，执行前向传播算法，计算平均激活量ρ

3)利用稀疏自编码器输出，计算代价函数：

4)执行反向传播法，按照如下公式更新网络权重参数：

(2)标签数据是训练深度学习网络的前提，更是提升深度学习网络预测精度的关键。铁路供电设备历史数据通常只包含各个设备运行状态，不包括其对应的健康状态，这些原始无标签数据是无法用于深度学习网络即长短时记忆网络的训练的。传统的方法采用实验或仿真的方式提取各个设备的标签数据(即设备运行状态以及与之对应的健康状态)，但实验室环境或仿真环境与设备真实的运行环境差别很大，通过实验室或仿真数据训练的深度学习网络诊断的准确性较低，无法满足应用要求。

如图3所示，铁路供电设备健康因子(HI)图获取流程。具体实现过程如下：

1)将铁路供电设备历史数据进行划分，初始的10％的数据认定为健康状态，健康标签设定为1，最后的10％的数据认定为失效状态，健康标签设定为0；

2)将上述数据进一步划分为训练集和测试集；

2)构造BP神经网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

3)设置前向传播算法中批量训练数、迭代次数等，将训练集数据输入到BP神经网络中，执行前向传播算法，利用BP神经网络的输出计算代价函数:

其中，h

4)采用随机梯度下降算法执行反向传播计算，按照如下公式更新网络权重参数：

5)将测试集数据输入到训练完成的BP神经网络中，验证BP神经网络的效果；

6)将剩余的80％的铁路供电设备历史数据输入到验证的BP神经网络中，BP神经网络的输出值即为铁路供电设备对应的健康值，这样就获得了铁路供电设备的健康因子(HI)图。

(3)通过栈式降噪稀疏自动编码器网络对原始的历史异常数据的清洗，以及BP 神经网络的线性回归，可得到洁净的、低维的有健康标签的数据。将清洗后的铁路供电设备历史数据输入到长短时记忆网络中进行训练，提取铁路供电设备深层次的故障特征，对长短时记忆网络中的权重参数进行赋值。具体实现流程如下。

1)搭建长短时记忆网络，考虑到铁路供电设备运行环境的复杂性以及样本训练规模，采用堆叠式长短时记忆网络，设置网络学习率ε，随机初始化模型连接权值W和偏移量b；

2)如图2所示，将经过清洗的数据记为X＝(X

h

其中，W

f

i

c

o

h

其中，f

其中，g

3)采用随机梯度下降算法执行反向传播计算，更新长短时记忆网络各层的权重系数；

4)将测试集数据输入到训练完成的长短时记忆网络中，验证长短时记忆网络的效果，若长短时记忆网络输出结果的准确率较低，则重新调整参数进行上述过程，直至准确率达到95％以上。

(4)通过上述过程，算法的离线阶段已完成。通过铁路供电设备的历史数据完成了栈式降噪稀疏自动编码器网络、BP神经网络和长短时记忆网络的训练。此时进入算法的在线阶段，具体过程如下：

1)采用传感器采集铁路供电设备的多种运行状态数据，并将数据输入到栈式降噪稀疏自动编码器网络中进行降噪、降维的清洗过程，得到洁净的、低维的传感器数据；

2)将清洗后的数据输入到长短时记忆网络中，输出当前的设备的健康状态参数R，R取值范围为(0，1)。结合设备的健康状态值，对设备的健康状态做出评估，评估方式如下：

按照公式(10)对铁路供电设备的健康状态做出评估后，发送给运行维护人员，作为运行维护人员进行设备检修的依据。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。