CN113049226A - 一种基于环境参量的opgw光缆健康度评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法及系统,其包括,根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到健康度评估结果。
Description
技术领域
本发明涉及OPGW光缆的测量评估,具体为一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法及系统。
背景技术
光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW),把光纤放置在架空高压输电线的地线中,用以构成输电线路上的光纤通信网,这种结构形式兼具地线与通信双重功能。
如何判断在运OPGW光缆的健康状态是电力运维过程中的技术难点。目前OPGW光缆的健康度评估主要是通过测量OPGW光缆内纤芯的光路损耗和应变量即应力应变状态,以判断OPGW光缆处于健康状态、亚健康状态或者故障状态。目前测量OPGW纤芯损耗和应力应变状态的手段主要是使用OTDR和BOTDA设备,使用OTDR进行光路损耗的测量,若损耗超过一定的阈值则认为OPGW光缆故障;使用BOTDA进行应变测量,若应变的波动范围超过一定的阈值且损耗未超过一定的阈值则认为OPGW光缆处于亚健康状态;若损耗和应变均正常则认为OPGW光缆处于健康状态。
上述的方法使用分布式光纤传感设备对OPGW光缆进行测量以判断其健康状态,由于测量设备的使用测量距离受限(通常小于200km),而实际运行的OPGW光缆距离较长,无法全面的对长距离的OPGW光缆的健康度通过上述测量方法的数据进行评估。
同时,上述方法需要对光纤直接测量,测量的对象只能是在运OPGW光缆内的备用纤芯,无法直接对使用中的纤芯进行测量并评估,如何通过备用纤芯的状态来判断使用纤芯的状态是当前健康度评估方法很难实现的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法及系统,设计合理,方法巧妙,能够在不进行光路损耗和应变测量的情况下以间接的方式,准确得到OPGW光缆的健康度状态。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,包括,
根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
优选的,所述预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,包括温度、湿度、光照、雨量、覆冰和风速。
优选的,所述通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重,具体方法如下,
将各个环境参量按照专家主观认为的重要性进行主观排序;
根据主观排序,确定各个环境参量间相对重要性;
由专家根据各个环境参量间相对重要性,对各个环境参量的主观权重进行量化赋值。
优选的,所述通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重,具体包括如下,
根据环境参量数量和样本对象数量,得到样本对象的环境参量数据矩阵;
根据环境参量数据矩阵,计算得到对应环境参量的熵值,进一步由熵值得到差异系数;
根据差异系数,由下式得到各个环境参量的客观权重;
其中,gi为环境参量的差异系数,gi=1-ei,ei为环境参量的熵值。
优选的,所述通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重,具体包括如下,
将主观权重和客观权重分别进行标准化,得到标准化后的向量;
根据标准化后的向量,由下式得到组合权重;
优选的,所述通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值,具体如下,
其中,cij对称矩阵TTT的协方差矩阵,T为包含权重w的环境参量数据的标准化矩阵,di为协方差矩阵中每个对象的最大值。
优选的,所述预设的健康度投影值阈值包括分别与故障状态、亚健康状态和健康状态对应的阈值,判断得到的一维投影值所属阈值对应的状态,则得到评估对应的健康度。
一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估系统,包括,
主观权重模块,用于根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
客观权重模块,用于根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
组合权重模块,用于将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
一维投影值模块,用于将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
健康度评估模块,用于将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
一种计算机设备,包括,存储器,用于存储计算机程序;处理器,用于执行所述计算机程序时实现如上任一项所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法。
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法及系统,考虑到外界环境参量是影响OPGW光缆健康状态的主要因素,通过处理在运OPGW光缆的环境监测数据,判断OPGW光缆的健康度状态,实现利用OPGW光缆的环境参量数据来对健康度进行评估,解决了单一分布式光纤传感设备测量距离受限的问题;对环境参量分别从主观和客观两方面获取对应的权重,并进行组合,使得各环境参量的组合权重能够更加真实的反应对OPGW光缆健康度的影响;同时利用降维投影将多个环境参考的影响与健康度形成映射,实现对健康度的快速准确判断。
进一步的,由于在运OPGW光缆和其内的备用纤芯所处的环境相同,因此通过OTDR设备和BOTDA设备采集在运OPGW光缆内的备用纤芯的环境参量数据,能够在不停用的情况下实时的实现数据获取。
附图说明
图1为本发明实例中所述方法的流程框图。
图2为本发明实例中所述方法的逻辑框图。
图3为本发明实例中所述系统的架构框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
在进行本发明实例说明之前,先进行相关术语的说明和解释,具体如下。
OPGW:光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW),把光纤放置在架空高压输电线的地线中,用以构成输电线路上的光纤通信网,这种结构形式兼具地线与通信双重功能,一般称作OPGW光缆。
OTDR:光时域分析仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR),利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息,可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度损耗分布情况等。
BOTDA:布里渊光时域分析仪(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA),是一种基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术,可用于光纤的温度和应变测量。相较于基于自发布里渊散射的BOTDR(Brillouin Optical Time DomainReflectometer,BOTDR),BOTDA的检测信号强度较大,测量精度更高。
LDA:线性判别式分析(Linear Discriminant Analysis,LDA),是将高维的模式样本投影到最佳鉴别矢量空间,以达到抽取分类信息和压缩特征空间维数的效果,投影后保证模式样本在新的子空间有最大的类间距离和最小的类内距离,即模式在该空间中有最佳的可分离性,是一种有效的特征抽取方法。
本一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,如图1所示,包括,
根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
具体的,本发明使用的环境参量为温度、湿度、光照、雨量、覆冰和风速,将环境参量作为健康度的评价指标,对其健康度进行客观的量化评价;其中,以两个杆塔之间的OPGW光缆作为一个对象,即两个杆塔之间OPGW光缆的环境参量相同。
如图2所示,本优选实例中,首先基于AHP法进行主观数据的评估。
层次分析法是一种解决多目标的复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法。该方法将定量分析与定性分析结合起来,用决策者的经验判断各衡量目标之间能否实现的标准之间的相对重要程度,并合理地给出每个决策方案的每个标准的权数,利用权数求出各方案的优劣次序,能够有效对主观参量进行定量分析。
(1)确定指标的重要性排序;
假设评价指标集为{X1,…Xn},也就是环境参量的集合。首先请相关领域专家选出指标集中主观认为最重要的指标,记作X1′,然后从剩余的指标集中继续选出主观认为最重要的指标,记作X2′以此类推,直至给出指标集中所有的指标的重要性排序。
(2)确定各指标的相对重要程度;
根据主观排序,确定各个环境参量间相对重要性;
然后基于熵值法进行客观数据的评估。
本发明中对环境参量采用熵值法处理的实现过程如下:
(1)形成数据矩阵;
其中,Xij为第j个对象中第i个环境参量的数值,1≤i≤n,1≤j≤m,m为样本对象个数,n为指标数量。
(2)计算第i项指标下第j个方案占该指标的比重;
(3)计算第i项指标的熵值;
其中k>0,ln为自然对数,ei≥0。式中常数k与样本数m有关,令k=1/lnm,则0≤e≤1。
(5)计算第i项指标的差异系数;
对于第i项指标,指标值Xij的差异越大,对指标评价的作用越大,熵值越小。
gi=1-ei (4)
即gi越大指标越重要。
(6)求权数;
第三,基于离差平方和的最优赋权方法进行主观权重和客观权重的组合。
最终的权重向量通过组合主观权重和客观权重组合获得。组合权重的方法将比单一主观权重法或客观权重法更能通过测试指标体现OPGW光缆覆冰的实际情况。
组合权重方法的原则可以描述为:
其中,w为最终的权重向量。向量φ1为主观权重在组合权重中的系数,φ2为客观权重在组合权重中的系数。α1为主观权重w(1)标准化后的向量,α2为客观权重w(2)标准化后的向量。
为解上式,根据统计方差理论建立数学矩阵模型。在使用最大离差方法计算出权重向量之前,首先根据下式得到标准评估矩阵Z,以标准化指标数据。
对于指数uj(1≤j≤n),第i组测试数据的方差记为fij。下式是计算fij值的方法:
对于所有的指数,总的方差可以通过下式计算:
为了方便起见,将矩阵Z0构建如下:
因此,f可以表示为:
f=Z0wT (13)
现在计算系数向量就可以转换成求最优解的问题。最优解的问题就是最大化总方差。最优解的模型描述如下:
maxf=Z0φw (14)
为计算系数向量,我们根据最大方差原则建立了最优组合权重模型。这个系数矩阵可以通过构建拉格朗日函数获得。主观权重的系数φ1和客观权重的系数φ2可以表示为:
最终的组合权重为w。
最后,基于线性判别分析对OPGW光缆健康度进行评估。
OPGW光缆健康度的监测参数有六个,如何综合利用这些数据准确反映OPGW光缆的健康度状态是当下的主要问题之一。本发明采用线性判别分析法对六种环境参量的数据进行降维,通过降维后的主成分建立六种参数与OPGW光缆健康度状态的映射关系。
使用线性判别分析法的步骤如下:
(1)原始数据标准化处理;
测试得到的监测参数数据,即原始测试数据,是通过采集得到的若干OPGW光缆对象的环境参量数据X=(xij)m×n需要进行标准化,得到标准化矩阵Y=(yij)m×n。其中,若干OPGW光缆对象的环境参量数据,由OTDR设备和BOTDA设备采集。
(2)构建包含权重的标准化矩阵;
原始测试数据标准化后,需要将每个指标的权重与原始测试数据结合后,形成包含权重w的标准化矩阵T。
(3)指标正交转换;
应用正交转换消除不同指标中的重复信息,过程如下:
C=TA (21)
其中,C=cij(1≤i≤n,1≤j≤m),A为正交矩阵。假设:
λ1≥λ2≥…≥λn (22)
其中λ1,λ2,…,λn为对称矩阵TTT的特征值。
(4)计算数据的投影值;
首先根据下式构建包含主特征的理想特征向量d,将C投影到d可以得出每个对象的一维主成分值;
然后将d标准化为d0:
最后投影值向量可表示为:
(5)评估规则的确定;
通过线性判别分析法,可以得到唯一的特征值结果,即映射关系建立,确定对象线路的健康度状态。所述将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果;预设的健康度投影值阈值包括分别与故障、亚健康和健康状态对应的阈值,判断得到的一维投影值属于那个状态对应的阈值,则得到评估对应的健康度。
其中,如图2所示,预设的健康度投影值阈值也是通过数据降维的LDA法,将已经根据实际健康度做过数据标记的测量数据进行上述线性分析降维,从而得到的对应健康度的状态区间阈值,通过与未标记即待测数据的对比,得到健康度。
上述的投影值还可以来判断数据集之间的优劣,如果数据的投影值Di比其他的值大,我们可以得出结论,先前的数据集合更优,反之亦然,从而判断运行环境的好坏。
本发明还提供一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估系统,如图3所示,其包括,
主观权重模块,用于根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
客观权重模块,用于根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
组合权重模块,用于将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
一维投影值模块,用于将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
健康度评估模块,用于将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
所述的系统,用于对应实现上述方法,提供对应的硬件连接和支持。
本发明还提供一种计算机设备,包括存储器,用于存储计算机程序;处理器,用于执行所述计算机程序时实现如上述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请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,本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
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。
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。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
由技术常识可知,本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此,上述公开的实施方案,就各方面而言,都只是举例说明,并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,其特征在于,包括,
根据预设的与光纤复合架空地线OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
2.根据权利要求1所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,其特征在于,所述预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,包括温度、湿度、光照、雨量、覆冰和风速。
3.根据权利要求1所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,其特征在于,所述通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重,具体方法如下,
将各个环境参量按照专家主观认为的重要性进行主观排序;
根据主观排序,确定各个环境参量间相对重要性;
由专家根据各个环境参量间相对重要性,对各个环境参量的主观权重进行量化赋值。
7.根据权利要求1所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法,其特征在于,所述预设的健康度投影值阈值包括分别与故障状态、亚健康状态和健康状态对应的阈值,判断得到的一维投影值所属阈值对应的状态,则得到评估对应的健康度。
8.一种基于环境参量的OPGW光缆健康度评估系统,其特征在于,包括,
主观权重模块,用于根据预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过层次分析法处理,得到各个环境参量对应的主观权重;
客观权重模块,用于根据采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据,通过熵值法处理,得到各个环境参量对应的客观权重;
组合权重模块,用于将主观权重和客观权重,通过基于离差平方和的最优赋权方法进行组合,得到各个环境参量对应的组合权重;
一维投影值模块,用于将预设的与OPGW光缆健康度相关的环境参量,通过线性判别分析法,进行数据降维处理,并结合各个环境参量的组合权重,得到采集的若干OPGW光缆对象的环境参量数据的一维投影值;
健康度评估模块,用于将一维投影值与预设的健康度投影值阈值进行比较,得到基于环境参量的OPGW光缆健康度评估结果。
9.一种计算机设备,其特征在于,包括,
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的基于环境参量的OPGW光缆健康度评估方法。
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