粗糙集理論在在線互動式ＵＰＳ中的應用

摘要：在線互動式UPS具有結構簡單、可靠性高、效率高等優點，已經廣泛地應用于各行業，而且正逐步走向家庭。但是隨著各種電器設備種類增加，要求UPS必須對負載具有寬適應性。另外，電力品質的下降以及其他一些不確定干擾因素的存在，使得UPS很難做出準確的控制。利用粗糙集在處理不確定數據方面的優勢，采用粗糙集理論對UPS進行響應控制，該方法經實際驗證，取得了比較好的效果。

關鍵詞：UPS；不確定；粗糙集

中圖分類號：TP303.3文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)25-1536-03

The Application of Rough Set in Line-Interactive UPS

SUN Jie1，2， LI Yun-fei1， WANG Lin1

(1. School of Computer Science Technology， Suzhou University， Suzhou 215021， China; 2. Abler Electronics (Suzhou) Co. Ltd， Suzhou 215128， China)

Abstract: The Line-Interactive UPS， which has been widely used in various industries， has simple structure， high reliability and high efficiency advantages. Now， it's gradually moving toward the family. With the increase in various types of electrical equipment， UPS must have the capacity of wide adaptability of the load. Otherwise， the decline of power quality and interfere with other uncertain factors， UPS is very difficult to make precise control. A UPS control method of using rough set theory， which has advantages of dealing with the uncertainty data， after the actual verification achieved good results.

Key words: UPS; uncertainty; rough set

1 引言

UPS是不間斷電源(Uninterruptible Power System)的英文簡稱，是能夠提供持續、穩定、不間斷的電源供應的重要外部設備。根據工作方式的不同，UPS可分為后備式、在線式、在線互動式和Delta變換型四種。

在線互動式UPS的控制方法主要是基于專家系統的規則提取法，根據設計者的經驗來選定控制參數。由于負載類型的不確定性，這種控制方法很難完全滿足要求。

粗糙集理論是一種處理不完整和不確定性知識的數學工具，現已應用在知識挖掘、故障診斷、智能控制等領域中。所以，在UPS的控制中采用粗糙集理論有比較好的針對性。

2 粗糙集理論

粗糙集理論是Pawlak Z及其合作者于1982年提出的一種處理模糊性和不精確問題的新型數學工具[1]。它的最大特點是不需要提供求解問題時所需處理的數據集合之外的任何先驗信息（如統計中要求的先驗概率和模糊集中要求的隸屬度），即能有效地分析和處理不精確、不一致、不完整等各種不完備數據，并從中發現隱含的知識，揭示潛在的規律[2]。

2.1 粗糙集的基本概念

2.1.1 不可分辨關系和基本集

分類過程中，相差不大的個體被歸于同一類，它們的關系就是不可分辨關系。基本集定義為由論域中相互間不可分辨的對象組成的集合，是組成論域知識的顆粒。不可分辨關系這一概念在粗糙集理論中十分重要，它深刻揭示出知識的顆粒狀結構，是定義其它概念的基礎。

2.1.2 集合的上下逼近和邊界區[3]

給定一個有限的非空集合U稱為論域，R為U中一族等效關系，二元對K=(U，R)稱為一個近似空間。設 X 為 U 中的一個對象，X為U的一個子集，R(x)表示所有與x不可分辨的對象所組成的集合，換句話說，是由x決定的等效類，即R(x)中的每個對象都與x有相同的特征屬性。集合X關于R 的下逼近定義為R*(x)；集合x關于R的上逼近定義為R*(x)，表達式如下：

■(1)

■(2)

R*(x)實際上由那些根據現有知識判斷肯定屬于X的對象所組成的最大集合，有時也稱為X的正區，記作POS(x)；同樣，肯定不屬于X的對象組成的集合稱為X 的負區，記作NEG(X)。R*(x)是由所有與X 相交非空的等效類R(x)的并集，是那些可能屬于X的對象組成的最小集合。顯然有：

■ (3)

集合X 的邊界區定義為：

■ (4)

BND(X)為集合X的上逼近與下逼近之差。如果BND(X)是空集，則稱X關于R是清晰的；反之如果BND(X)不是空集，則稱集合X為關于R的粗糙集。

2.2 屬性約簡和核

屬性約簡是粗糙集理論的核心內容之一。知識庫中知識并不是同等重要的，甚至其中某些知識是冗余的。所謂知識約簡，就是在保持知識庫分類能力不變的條件下，根據其等價關系刪除其中不相關或不重要的屬性，從而簡化決策表。

令 R為一族等價關系，r∈R，如果：

■(5)

則稱r為R 中不必要的；否則r稱為R中必要的。如果每一個r都為R中必要的，則稱R為獨立的。設Q∈P，如果Q是獨立的，且IND(Q)∈IND(P)，則稱Q為P的一個約簡。P 中所有必要關系的集合稱為P的核，記為：CORE(P)。

3 在UPS中的實際應用

3.1 粗糙集控制在UPS中的基本模型

粗糙集控制模型框圖如圖1所示。首先采集UPS各偵測點的反饋數據，選取其中一部分數據作為訓練樣本，另外一部分作為驗證樣本。經過數據歸一化處理，使數據具有同一性，方便數據的離散化。離散化之后接著就是進行屬性約簡從而得到核集，然后提取決策規則存入相應的規則庫。最后用采集到的驗證樣本數據進行驗證，如果驗證結果有誤，則重新進行選擇樣本進行規則的提取，直到結果滿意為止，最終應用到UPS中。

■

圖1 粗糙集控制基本模型

3.1.1 數據采集

本文用某公司型號為JOXL 1KVA 230V在線互動式UPS為實驗對象，將機器的輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、電池電壓作為條件屬性；相應的UPS動作為決策屬性，比如：升壓、降壓、AC-DC、DC-AC、關機。實驗環境及設備說明如表1所示。

表1實驗環境及設備說明

■

3.1.2 數據預處理

UPS通過硬件電路對各偵測點進行采樣，反饋信息都是電壓值的形式。由于輸入信號的變化以及負載類型的不確定，輸出響應一般也不同，再加上各偵測點的幅值也不盡相同，所以在利用粗糙集提取規則之前必須對數據先進行歸一化處理。這里把實際采集的數據轉化為決策隸屬度值，表達式如下[5]：

■ (6)

注：X為被偵測電路點的實際電壓值；X0為UPS正常做出響應時應測得的標準電壓的參考值；a為修正系數；e為偵測電路點的正常浮動范圍，即容差；t為偵測電路點的極限偏差；μ為偵測電路點屬于某種負載的隸屬度。

因為粗糙集只能處理離散化數據，所以還要對歸一化之后的連續性隸屬度數值先作離散化處理，本文采用等距離散化方法[6]進行數據的離散化，形成最初的動作決策表。

3.1.3 屬性約簡和決策規則提取

先把最初決策表的相同知識合并，再利用目前最常用的區分矩陣的方法進行屬性約簡，得到最終的決策表。然后從決策表中提取決策規則，表示成“IF…THEN…”形式并存入相應的決策規則庫。最后就是利用先前采集的驗證樣本數據對決策規則進行驗證，經過驗證修改最終得到比較滿意的決策規則。

3.2 與原產品控制方法對比

這里以AC-DC的切換時間作為比較對象，分別測試整流載和電阻載在模擬市電斷電情況下UPS的相應動作，同時用示波器截取波形記錄切換時間。以負載量50%、80%和100%的情況作為參考，如表2所示。

表2 AC-DC切換時間表

■

以上測試數據是經過50次切換后得到的平均值，由此可以看出在兩種負載類型的情況下利用粗糙集控制要均好于原先的控制方法，尤其表現在切換時間的穩定性方面。

4 結論

本文針對UPS工作過程中負載類型的不確定所導致的一些誤動作問題，采用了粗糙集理論進行響應控制。通過采集UPS本身的偵測數據，然后進行屬性的約簡，最終得到決策規則。并進行了相關項目的驗證，證明此方法在UPS在帶載能力上有更好的穩定性和適應性，在相關領域有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] Pawlak Z. Rough set theory and its applications to data analysis[J]. Cybernetics and Systems， 1998，29(7):661-688.

[2] 王國胤. Rough集理論與知識獲取[M]. 西安：西安交通大學出版社，2001.

[3] 韓禎祥， 張琦， 文福拴. 粗糙集理論及其應用[J]. 信息與控制，1998，27(1):2-3.

[4] 曾黃麟. 粗集理論及其應用——關于數據推理的新方法[M]. 重慶：重慶大學出版社，1998.

[5] 朱大奇. 電子設備故障診斷原理與實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

[6] 馬玉良. 知識獲取中的Rough Sets理論及其應用研究[D]. 浙江：浙江大學，2005.