一種基于多標(biāo)簽分類的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

耿貞偉，蘇文偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心，昆明 650217）

0 前言

我國(guó)目前普遍使用的傳統(tǒng)型非入侵式監(jiān)測(cè)設(shè)備是一種遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行容量較小并且需要高額的造價(jià)與維護(hù)非用，延展性較差、反應(yīng)較為緩慢且系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)視角范圍有限，由于我國(guó)目前還沒(méi)有運(yùn)行遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使得非入侵式檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)工作面臨很多問(wèn)題，更難以對(duì)多標(biāo)簽數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行分類，給供電公司的各個(gè)部門增加了許多壓力[1]。因此，積極設(shè)計(jì)和完善的多標(biāo)簽分類安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分有必要的。這就要求相關(guān)設(shè)計(jì)人員立足于當(dāng)前時(shí)代發(fā)展特點(diǎn)，靈活運(yùn)用現(xiàn)代科技手段并結(jié)合實(shí)際狀況來(lái)設(shè)計(jì)新的多標(biāo)簽分類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提前設(shè)計(jì)好實(shí)施計(jì)劃與方案，有利于工作順利開(kāi)展[2]。多標(biāo)簽分類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)，是較為符合系統(tǒng)運(yùn)作靈活及高速處理信息等特點(diǎn)的一種新型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 多標(biāo)簽分類非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采CUI-TECHPNXP 270技術(shù)處理平臺(tái)作為用非入侵式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件配置的核心內(nèi)容[3]。該平臺(tái)主選取ERS 2.4處理芯片，參照結(jié)構(gòu)PXAN-2.4模型作為配置結(jié)構(gòu)，自愈Intel CASXALEN嵌入式微處理器作為核心模塊，有效地使圖像處理主頻率能夠保持在420-462M Hz之間。為了更好地保證非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)中添加PNA 2.6微處理器以及Intel speed-step動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件配置的過(guò)程中考慮到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用的廣泛性和長(zhǎng)期性特征，因此需要兼顧它的兼容性，保證系統(tǒng)可以升級(jí)到PNXA2.4-2.8等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備核心板、主板、處理器、LCD串口等模塊的優(yōu)化。電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中包括的系統(tǒng)協(xié)調(diào)器模塊、路由節(jié)點(diǎn)模塊以及一些其它模塊，他們的串口結(jié)構(gòu)和主要配置基本上是相同或相似的。因此可以把整個(gè)電路結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體，提高圖像的清晰度，方便日后對(duì)于所監(jiān)測(cè)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5-7]。檢測(cè)內(nèi)存占用比例及CPU占用率、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)系統(tǒng)硬件配置的基本情況以及監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的運(yùn)行狀況，可以對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量起到保障作用。對(duì)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行記錄得到的系統(tǒng)配置情況如下表所示:

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件配置數(shù)據(jù)

參照上表信息并結(jié)合多標(biāo)簽分類技術(shù)提取出系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)硬件配置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與分析，可以優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的偏差從而妥善處理[8]。為了優(yōu)化子系統(tǒng)內(nèi)部功能元件的分配和促進(jìn)資源功率的有效分配并保障分配具有一定合理性，需要系統(tǒng)設(shè)置出最佳方案來(lái)實(shí)現(xiàn)資源配置過(guò)程中可供選擇的最佳監(jiān)測(cè)路徑和標(biāo)簽分配路徑，以實(shí)現(xiàn)在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上構(gòu)建多標(biāo)簽分類的目標(biāo)。構(gòu)建非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中除了要注重標(biāo)簽分類外，還要重視實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果，因?yàn)闃?biāo)簽分類很大程度上也是為了更好地掌握與評(píng)估監(jiān)測(cè)情況服務(wù)的[9-10]。這個(gè)過(guò)程需要運(yùn)用SVM資源分配檢測(cè)方法并與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件配置及相關(guān)結(jié)構(gòu)，并使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可以具備較好的整合和交換功能，實(shí)現(xiàn)同步整合和異步交換的統(tǒng)一，需要在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中針對(duì)不同的標(biāo)簽特征采用不同的分類方法。

1.2 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了更精準(zhǔn)地研究非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，結(jié)合嵌入式技術(shù)對(duì)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先設(shè)分類標(biāo)簽特征的最大值與最小值分別為A和B，監(jiān)測(cè)過(guò)程中的干擾值為C。為參數(shù)控制度，K是監(jiān)測(cè)范圍，需要控制在一定數(shù)值內(nèi)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所在的中心點(diǎn)用n來(lái)表示，持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間用t來(lái)表示。E為監(jiān)測(cè)偏差情況。通過(guò)對(duì)E進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)可以掌握監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。設(shè)φz為系統(tǒng)糾偏參數(shù)，U為監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤偏差的最大容許范圍，W是坐標(biāo)偏差的非線性函數(shù)，假設(shè)E的變量區(qū)域在{f1,fn}之間，則監(jiān)測(cè)偏差變量取值范圍算法為：

如果設(shè)R為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的精準(zhǔn)值，α為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定指數(shù)，τ為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征參數(shù)，并且α∈ {α1,αn+1}，則可對(duì)監(jiān)測(cè)圖像的自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，具體算法如下。

由上述公式可以看出，偏差E在不同的取值范圍內(nèi)其標(biāo)簽分類算法也不盡相同，盡管整體分類計(jì)算原理基本保持一致，也需要對(duì)部分標(biāo)簽特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和轉(zhuǎn)換。使監(jiān)測(cè)偏差E在取值范圍內(nèi)盡可能多地與不同情況進(jìn)行組合，可以通過(guò)對(duì)比結(jié)果分析出電力系統(tǒng)易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)和相關(guān)影響因素，便于及時(shí)地改正監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的失誤，減少故障發(fā)生的概率。監(jiān)測(cè)處理步驟的優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)應(yīng)用上圖的監(jiān)測(cè)處理步驟并結(jié)合之前的監(jiān)測(cè)公式將所收集到的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和整合。除此之外，仔細(xì)觀察監(jiān)測(cè)圖像，可以清晰地反應(yīng)出電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的路徑分配和數(shù)據(jù)傳輸狀況。有利于將復(fù)雜的監(jiān)測(cè)步驟簡(jiǎn)單化，進(jìn)而達(dá)到對(duì)比研究的目標(biāo)。這些操作都將對(duì)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供必要的前提保障。運(yùn)行狀況以及相關(guān)參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析可以更好地研究多標(biāo)簽分類非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)更智能化的監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)非侵入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)上下波動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)默認(rèn)為所監(jiān)測(cè)到的電力數(shù)據(jù)為正常狀態(tài)，不需要發(fā)出警報(bào)。可一旦采集到的特征數(shù)據(jù)超出正常范圍，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)排查發(fā)生故障的區(qū)域并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，具體的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中融入警報(bào)功能可以成為優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。該功能可以通過(guò)對(duì)比標(biāo)簽分類結(jié)果自動(dòng)定位監(jiān)測(cè)區(qū)域，監(jiān)測(cè)故障情況及安全隱患，便于及時(shí)解決和處理潛在或已有問(wèn)題，使故障造成的損失達(dá)到最小，更好的完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

1.3 多標(biāo)簽分類非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的分布式侵入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)恰恰相反，它具有簡(jiǎn)單的硬件配置和復(fù)雜的分析軟件。分析軟件能夠采集數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析并獲得有用信息。系統(tǒng)根據(jù)這些信息來(lái)辨識(shí)或者估計(jì)每個(gè)負(fù)荷的類型、

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了有效檢測(cè)基于多標(biāo)簽分類的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，并對(duì)所監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)處理，預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)檢驗(yàn)故障的效率，設(shè)計(jì)了相關(guān)的對(duì)比試驗(yàn)。將傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)果分析。首先檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備保證其處于正常狀態(tài)，設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境允許實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。這樣才能夠保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具備準(zhǔn)確性和有效性。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)主要包括配系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)、標(biāo)簽特征，分類數(shù)值等，對(duì)以上相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，可以掌握監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，首先要采集故障信息，也就是系統(tǒng)造成故障的原因。包括：系統(tǒng)的電壓不穩(wěn)定、環(huán)境干擾因素、設(shè)備點(diǎn)偏移、信息傳輸不佳、系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中受到磨損影響設(shè)備正常運(yùn)行、電源開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障、出廠設(shè)置或動(dòng)態(tài)性能故障以及偶然性暫停故障等等。將這些故障按照故障輕重等級(jí)，由輕到重一共分為了五個(gè)等級(jí)分類標(biāo)簽，并進(jìn)行相關(guān)記錄。

為了檢驗(yàn)在非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及多個(gè)時(shí)間段系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的效果，結(jié)合上表數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范，在此基礎(chǔ)之上設(shè)置相同的環(huán)境和數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常數(shù)值的行為狀況仿真實(shí)驗(yàn)。為了更加準(zhǔn)確直觀的判斷非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行繪制，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)比以上實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，兩組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精確度曲線存在較大的差別相對(duì)于傳統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，本文提出的多標(biāo)簽分類的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度更好，可達(dá)到90 %以上，實(shí)際運(yùn)行效果更加明顯，相較于傳統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作也更加簡(jiǎn)單，人力消耗量小。將傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和多標(biāo)簽分類的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中數(shù)據(jù)的異常情況進(jìn)行對(duì)比分析，另外通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，本文所提出的基于多標(biāo)簽分類的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在理論上可比傳統(tǒng)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具備準(zhǔn)確性和高效性，可以高效省時(shí)地監(jiān)測(cè)出系統(tǒng)數(shù)據(jù)的中斷以及所發(fā)生的異常狀況。并且有很多傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，例如：在監(jiān)測(cè)過(guò)程中受到外界的干擾更微弱，監(jiān)測(cè)效果呈現(xiàn)得更快捷方便易察覺(jué)。在同等干擾環(huán)境下，更能準(zhǔn)確反應(yīng)被監(jiān)測(cè)環(huán)境及數(shù)值變化情況，可以做到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，由于上述實(shí)驗(yàn)運(yùn)行較為復(fù)雜，對(duì)環(huán)境和精度要求響度比較高在此不多做展示。總之，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)基于多標(biāo)簽分類的非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于當(dāng)前已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有更高的實(shí)用價(jià)值，充分滿足研究要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和逐步完善，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比證實(shí)基于多標(biāo)簽分類的非入侵式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)更加精準(zhǔn)便捷，并且易于操作，節(jié)省了監(jiān)測(cè)所需要的時(shí)間和人力資源，維護(hù)起來(lái)簡(jiǎn)單可操作，節(jié)省金錢和社會(huì)資源。不僅給人類生活帶來(lái)了便利，給社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)了保障和依靠，充分符合當(dāng)前節(jié)約型社會(huì)發(fā)展的需要。另外，該系統(tǒng)除了具備方便快捷，準(zhǔn)確安全等性能外，運(yùn)行狀況也較為良好，內(nèi)容清晰監(jiān)測(cè)效果好，反映問(wèn)題的精準(zhǔn)度也較高。