基于報(bào)警評分的氣象雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)測方法

李 巍，周 薇，王一萌，王大林，沈 超，劉興忠，代雅茹

（1.中國氣象局氣象探測中心，北京 100000；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 工業(yè)工程系，北京 100084；3.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，四川 成都 610000）

氣象雷達(dá)的健康狀態(tài)監(jiān)測對改善雷達(dá)的壽期管理、提高設(shè)備的可靠性和維護(hù)效率具有積極意義[1]。因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障模式多樣等原因，僅依靠歷史數(shù)據(jù)難以建立完善的氣象雷達(dá)健康評估模型[2]。一種解決方法是引入設(shè)備運(yùn)行和故障的相關(guān)機(jī)理與專家經(jīng)驗(yàn)，以補(bǔ)償數(shù)據(jù)在故障相關(guān)信息方面的不足。通過建立機(jī)理與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⒅R和經(jīng)驗(yàn)中的相關(guān)信息導(dǎo)入健康評估模型中。與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相比，機(jī)理與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕獌?yōu)勢在于可突破訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對模型信息的限制，從更廣的范圍內(nèi)收集設(shè)備健康狀態(tài)的相關(guān)信息，從而可實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)覆蓋范圍外的運(yùn)行和故障狀態(tài)的評估與量化。

本文采用報(bào)警評分模型，基于氣象雷達(dá)的報(bào)警信號對雷達(dá)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。通過設(shè)置評分準(zhǔn)則的方式將相關(guān)經(jīng)驗(yàn)融入模型中，由綜合評分結(jié)果得到對設(shè)備健康狀態(tài)的評估。

1 模型構(gòu)建

報(bào)警評分模型是一種基于報(bào)警信號的健康評估模型。由于報(bào)警信號一般由狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)超出其預(yù)設(shè)的閾值范圍觸發(fā)，因此可看作是一種狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征，故通過對報(bào)警信號的分析也可對設(shè)備的健康狀態(tài)做出一定程度上的判斷。

當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)中大部分報(bào)警信號是通過單參數(shù)的超限觸發(fā)的，并不直接反應(yīng)設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在報(bào)警信號觸發(fā)時(shí)，運(yùn)行管理人員通常需要結(jié)合對狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及其他報(bào)警信號的分析來判斷設(shè)備或系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)而作出適當(dāng)?shù)母深A(yù)決策[3]。對某些報(bào)警信號頻繁觸發(fā)的系統(tǒng)和設(shè)備，過多觸發(fā)的報(bào)警信號往往易使運(yùn)行管理人員感到困惑，難以判定系統(tǒng)或設(shè)備的實(shí)際健康狀態(tài)。報(bào)警評分模型主要用于應(yīng)對這種情況，通過對報(bào)警信號和設(shè)備故障記錄的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)和判斷，對所有報(bào)警信號的重要程度進(jìn)行評分，為運(yùn)行管理人員提供參考[4]。高評分報(bào)警往往與設(shè)備的故障有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，觸發(fā)時(shí)應(yīng)引起重視，低評分報(bào)警則可能與設(shè)備故障無直接關(guān)聯(lián)[5]。進(jìn)一步根據(jù)近一段時(shí)間內(nèi)觸發(fā)報(bào)警的評分情況，對設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行大致的判斷。

報(bào)警評分模型的建模流程如圖1 所示。

圖1 報(bào)警評分模型的建模流程

報(bào)警評分主要包括以下5 個(gè)步驟：

（1）訓(xùn)練數(shù)據(jù)收集

從設(shè)備的歷史報(bào)警數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行記錄中分別提取一定時(shí)間范圍內(nèi)的報(bào)警記錄和故障記錄，作為進(jìn)行報(bào)警評分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析

結(jié)合設(shè)備的故障記錄，選定一個(gè)故障報(bào)警關(guān)聯(lián)時(shí)間窗口長度T1，統(tǒng)計(jì)每種報(bào)警Ai的若干統(tǒng)計(jì)特征以表征該報(bào)警的重要程度，具體包括：

Ni，數(shù)據(jù)中該報(bào)警出現(xiàn)的總次數(shù)；

P1i，該報(bào)警出現(xiàn)在真實(shí)故障前T1時(shí)間內(nèi)的頻度，即

其中Nfi為該報(bào)警在所有故障前T1時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的總次數(shù)；

P2i，所有故障發(fā)生前T1時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)該報(bào)警的故障頻度，即

其中NF是故障發(fā)生的總次數(shù)，NFi為所有故障中前T1時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過該報(bào)警的故障次數(shù)。

（3）報(bào)警評分與分級

結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)和意見，分別建立以上三項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征的評分函數(shù)，根據(jù)特征的取值計(jì)算相應(yīng)的得分，由三項(xiàng)指標(biāo)的得分加和得到報(bào)警Ai的總得分，進(jìn)一步結(jié)合專家判斷，根據(jù)總得分值對各個(gè)報(bào)警進(jìn)行分級。一般將總得分按從大到小劃分為四個(gè)區(qū)間，分別對應(yīng)的報(bào)警級別為：關(guān)鍵報(bào)警（KA）、高重要度報(bào)警（HI）、低重要度報(bào)警（LI）和無關(guān)報(bào)警（NA）。

（4）伴隨關(guān)系分析

對每個(gè)屬于KA 的報(bào)警信號，取一關(guān)聯(lián)分析時(shí)間窗口T2，統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口內(nèi)的所有報(bào)警，按發(fā)生次數(shù)排序，取發(fā)生次數(shù)最多的10 個(gè)報(bào)警作為KA 的伴隨報(bào)警。將所有KA 的伴隨報(bào)警整合在一起，構(gòu)建KA 關(guān)聯(lián)報(bào)警組。

（5）基于報(bào)警信號分析的雷達(dá)狀態(tài)判斷

在線運(yùn)行中，取一報(bào)警統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口T3，獲取當(dāng)前時(shí)刻往前T3時(shí)間內(nèi)所有發(fā)生的報(bào)警信號及級別，對報(bào)警信號進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，得到如下統(tǒng)計(jì)量：KA 級報(bào)警的發(fā)生次數(shù)、HI 級報(bào)警占總報(bào)警次數(shù)的比例、KA 關(guān)聯(lián)報(bào)警占總報(bào)警的比例等，建立判定邏輯，根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)量的取值對雷達(dá)在線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判別。

2 案例應(yīng)用

本節(jié)以我國氣象站的SA 型雷達(dá)建立的報(bào)警評分報(bào)警分析模型進(jìn)行雷達(dá)健康狀態(tài)的評判和故障預(yù)警。SA 型雷達(dá)是一種典型的多報(bào)警信號設(shè)備，共設(shè)有188 種報(bào)警信號，經(jīng)常出現(xiàn)多種報(bào)警頻繁跳出導(dǎo)致運(yùn)行管理人員難以判斷雷達(dá)狀態(tài)的情況，因此對報(bào)警信號進(jìn)行重要度評分從而為相關(guān)人員提供參考信息，對提高氣象雷達(dá)的運(yùn)行管理水平具有積極意義。

2.1 建模過程

選取所有SA 型雷達(dá)在2014-2015 年的報(bào)警記錄和故障記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與報(bào)警評分，將故障報(bào)警關(guān)聯(lián)時(shí)間窗口長度T1取為7 天，對每個(gè)報(bào)警信號Ai，分別統(tǒng)計(jì)Ni、P1i和P2i三項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，然后根據(jù)各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的分布情況，結(jié)合氣象雷達(dá)專家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的取值范圍對其進(jìn)行評分，評分矩陣如表1。

表1 對三項(xiàng)統(tǒng)計(jì)量的評分規(guī)則

針對每類報(bào)警，由其三項(xiàng)特征評分之和得到報(bào)警的總分，進(jìn)一步根據(jù)與相關(guān)專家交流的結(jié)果，將所有報(bào)警信號按總分分為四擋，分別為“1-6”“7-12”“13-18”“19-24”，對應(yīng)四種緊急程度由低到高的報(bào)警類型，即NA、LI、HI 和KA。

按以上報(bào)警等級劃分規(guī)則對所有188 個(gè)報(bào)警信號的劃分結(jié)果如表2 所示。

表2 報(bào)警等級劃分結(jié)果

其中劃入關(guān)鍵報(bào)警（KA 級）的11 個(gè)報(bào)警信號的具體評分信息列于表3 中。

表3 KA 級報(bào)警信號的評分信息

經(jīng)相關(guān)專家確認(rèn)，通過評分篩選得到的11 種KA 級報(bào)警均為實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的較為嚴(yán)重的報(bào)警，與雷達(dá)的故障具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步地，將關(guān)聯(lián)分析時(shí)間窗口T2取為12 小時(shí)，進(jìn)行報(bào)警的伴隨關(guān)系分析，得到各KA 級報(bào)警的伴隨報(bào)警如表4 所示。

表4 KA 級報(bào)警的伴隨報(bào)警

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)和意見，根據(jù)報(bào)警序列對雷達(dá)實(shí)際健康狀態(tài)的評判規(guī)則如下：

（1）如果報(bào)警序列中KA 等級的報(bào)警出現(xiàn)了兩次，則認(rèn)定該報(bào)警預(yù)示著將有真實(shí)故障發(fā)生。

（2）如果報(bào)警序列中KA 等級的報(bào)警出現(xiàn)了1 次，其他報(bào)警中HI 等級占50%以上，或者其中至少有50%的報(bào)警屬于關(guān)鍵報(bào)警的關(guān)聯(lián)報(bào)警，則認(rèn)定該報(bào)警預(yù)示著將有真實(shí)故障發(fā)生。

（3）如果報(bào)警序列中KA 等級的報(bào)警出現(xiàn)了0 次，報(bào)警序列中HI 等級占80%以上，而且至少有80%的報(bào)警屬于關(guān)鍵報(bào)警的關(guān)聯(lián)報(bào)警，則認(rèn)定該報(bào)警預(yù)示著將有真實(shí)故障發(fā)生。

（4）其他情況，認(rèn)為無真實(shí)故障發(fā)生。

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

分別采用雷達(dá)故障發(fā)生前和正常運(yùn)行過程中的報(bào)警序列數(shù)據(jù)對報(bào)警評分模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：

（1）Z9558 雷達(dá)，故障前數(shù)據(jù)

提取Z9558 雷達(dá)2016 年3 月23 日和24 日兩天的報(bào)警序列，根據(jù)前述報(bào)警評分策略，得到報(bào)警序列的評分及報(bào)警等級如表5。

表5 Z9558 雷達(dá)報(bào)警序列及評分結(jié)果

可以看出報(bào)警序列中KA 等級的報(bào)警共發(fā)生了兩次，按照設(shè)定的評判規(guī)則，這個(gè)序列預(yù)示著即將有真實(shí)故障發(fā)生，事實(shí)上該雷達(dá)于2017 年3 月27 日進(jìn)行了一次維修，與事實(shí)相符。

（2）Z9010 雷達(dá)，故障前數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達(dá)2017 年7 月29 日的報(bào)警數(shù)據(jù)，根據(jù)前述報(bào)警評分策略，得到報(bào)警序列的評分及報(bào)警等級如表6。

表6 Z9010 雷達(dá)報(bào)警序列及評分結(jié)果（故障前）

其中KA 級報(bào)警次數(shù)為0，HI 級報(bào)警占比100%，關(guān)鍵報(bào)警的關(guān)聯(lián)報(bào)警占比95%以上，滿足第三條評判邏輯，認(rèn)定后續(xù)即將有故障發(fā)生，實(shí)際Z9010 雷達(dá)在2017 年7月30 日進(jìn)行了故障維修。

（3）Z9010 雷達(dá)，正常運(yùn)行數(shù)據(jù)

提取Z9010 雷達(dá)2017 年5 月的報(bào)警數(shù)據(jù)序列，根據(jù)前述報(bào)警評分策略，得到報(bào)警序列的評分及報(bào)警等級如表7。

表7 Z9010 雷達(dá)報(bào)警序列及評分結(jié)果（正常運(yùn)行狀態(tài)）

報(bào)警序列中無KA 級別報(bào)警及其關(guān)聯(lián)報(bào)警，HI 級報(bào)警和LI 級報(bào)警的占比分別為22.2%和77.8%，按照設(shè)定的評判規(guī)則，這段時(shí)間的報(bào)警預(yù)示不會發(fā)生真實(shí)故障，與實(shí)際情況相符。

3 結(jié)論

報(bào)警評分模型是一種針對報(bào)警信號的健康評估方法，通過對報(bào)警記錄和故障記錄的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合相關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)和判斷對各報(bào)警信號進(jìn)行評分，并劃分報(bào)警等級，以區(qū)分不同報(bào)警的重要程度，為運(yùn)行管理人員提供參考。進(jìn)一步基于報(bào)警等級設(shè)定評判規(guī)則，可根據(jù)報(bào)警序列對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評判。采用氣象雷達(dá)的報(bào)警序列案例對報(bào)警評分模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明利用報(bào)警分級和評判規(guī)則獲得的設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果與其實(shí)際狀態(tài)相符。