TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.1, Jan uary 20 14 , pp. 415 ~ 4 2 1   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i1.4145            415     Re cei v ed  Jun e  27, 2013; Revi sed Aug u st  27, 2013; Accepted Sept em ber 20, 20 13   Gross Error Elimination Based on the Polynomial Least  Square Method in Integrated Monitoring System of  Subway      Zi-Yu Ma 1  Da -W ei Li 2  Fang-Wu Don g * 1   1 F a cult y  of el ec trical an d rail tr affic, Z heJiang  T e xtile & F a shi on Co lle ge   2  Ningb o Cit y   R a il T r ansportati on Group C o m pan y L i mited  o perati ng su bsid iaries   Ning B o cit y , Z h eJia ng, Chi na,  315 21 1, telp 0 86-5 74-8 6 3 2 9 6 228   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : Maz y 1 9 6 2 @ 163.ccom, 15 0 582 91 155 @13 9 .com, dongf w 01@ 163.com *       A b st r a ct   T he meas ure m ent data  of par ameter in th e e l ectrical  eq uip m e n conta i ns  ma ny no ises i n  subw ay   integr ated  m o nitoring system . To elim inate the im pa ct of gross error in  the measurement dat a, a  poly n o m i a l le a s t square curv e fitting al gorit hm is  used  i n  this pap er. Based o n  the R a jd a criterio n, the   algorithm  gives the variance estima tion of the noises, an d then  uses dynam i c thres h old to detect  and  repl ace the  measur e m ent d a ta w i th gross error by  statistical esti mati on. F i nal ly, a data process i n g   proce dure  has  bee n pr esent ed to d e a l  w i th the gr oss er ror. T he practi cal a ppl icatio n  ind i cates th at th e   prop osed  alg o r i thm c an effect ively e l i m i nate  the gross  error  in many types  of meas ure m e n t signa ls so a s   to ensure the reliability  of the m o nitoring syst em .     Ke y w ords Su bw ay Integrate d  Monitor i ng, l east s quar e, d y na mic thres h o l d, error ha ndl i n g         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  To monito r th e wo rk  state  of sub w ay e q u ipm ent s,  ma ny  electri c al para m eters such as  voltage, cu rrent, and work freq uen cy  are m easure d  and tran sm itted to controlling comp uter in  real time.  Ne verthele ss, th ere a r e m any  noises  in th e mea s u r em ent data s  of  the paramete r s.  For  example,  variou s i n terferen ce  so urce s exi s t in  onsite  monito ring.  Dete ctio n devi c e s  al so   have  cha n ce   to gen erate  e rro rs [1-2]. Besid e s,  som e  sig nal di stu r ban ce cann ot be  avoide d in  th e  d a t c o lle c tio n  pr oc ess  an d r e mo te tr a n s m i ssi on  process. T h erefo r e, g r o s s m e a s urem en sign als somet i mes contain  a certai n amo unt of e rro rs, althoug h the prob ability of  the occurren ce  of those  gro s s e r rors i s  l o w. Be cau s e  the a m plitude   of the  error is rel a tively large, the  untre ated  gro ss m e a s u r eme n t datas with error cannot be di rectly inputte d to the co mputer for d a ta   pro c e ssi ng,  whi c wo uld  lead  to in a c curate  inp u t data,  wro n g  pro c e s sing   results,  or  e v en   misop e ration  of the device s  [3-5]. Th erefore, dat a p r ocessin g   of the  mea s u r e m ents sho u ld   be   con d u c ted to eliminate the  error an d en sure co mp reh ensive mo nitoring  system  be in goo d work  con d ition. Ba sed  on the  st atistical th eory and calc ula t ion method,  this pa per  uses a  polynom ial  least squ a re   method  to automatically  eliminat e th e gro s s e rro rs in the  me asu r em ents.  The   method is th en effectively applied in el ectri c al pa ra meters acqui sition and d a ta pro c e ssi ng in a  sub w ay statio n.       2. Gross Err o r Processin g   2.1. Gross E rror Proces s i ng Method   Whe n  the eq uipment s in the integrated  monitori ng sy stem of su bway  are in no rmal wo rk  con d ition, the  voltage, cu rrent, and oth e r  dynami c  p h y sical  param eters  are u s u a lly contin uo us   with normal dis t ributions   res p ec t to time. Ac c o rdin g to the norm a l distributio n of erro r theo ry, any  cha nge s of a  physical pa rameter a r continuo us  wi th no jump [6] .  In a certain  perio d of time, a  set of data  can be  obtain ed by u s ing  polynomial  l e ast squa re  curve fitting o n  a continuo us  recording  of a mea s u r ed  para m eter [7-8]. Dynami c   mean val ue  of the pa ram e ter  can th en  be   got by avera g ing the abo ve two sets  of data. Ac cordin g to the Rajda criteri on, i.e. the small  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         ISSN: 2302 -4046           TELKOM NIKA  Vol. 12, No. 1, Janua ry 2014:  415 –  421   416 probability does not exist  [ 9 -10], a proper threshold i s   set for  the gross  error, whi c h repl aces  the  obviou s ly wro ng mea s u r em ent datas  with co rre s p ondi ng statisti cal  values [11 - 12 ].    2.2 Mean Val u e of Dy namic Noise   In comp reh e n sive mo nitoring syste m , the  syste m  m easure m ent signal can be  assume as a  seq uen ce of recorded  data with respect to the ti me ( (T i Y i ) i =1 2 n).  When ste p  len g t h   of data sampl i ng is set as  T , the ith data point is gen e r ated in time i n stant  T i    1    (1)     The  m th least squa re fitting polynomial is:           (2)     The deviation  on each data  point is:    | ε | |  |  (3)     To minimize the summati on of the square of  the deviation, pol ynomial least  squa re   curve i s  used  to fit the data,                                                                                                                          4     Whe n  (4 ) rea c he s its mini maal value, multiple functi on value con d itions in dicat e     2                                                                                                                                         5     After inner p r odu ction sim p lification i s  intr odu ce d in (5), polynomi a l (6) an d (7 ) can be  obtaine d:                                                          …                                                                                                    6                                                          …                                                                                                7     The fifted value of data poi nts ( T i ,PY i )( i =1,2......n) is then obtained. The dynami c   noise  value is    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Gro s s Erro r Elim ination Based o n  the Polyn o m i al Least Squa re M e thod in ...   (Fang-Wu Don g 417 2 1 () 1 n ii i x YP Y n  (8)       2.3 Replac e m ent of the  gross err o r   Acco rdi ng to  the Rajd a crit erion, the r e i s   97%  confid ence of the  d a ta wh en its  absolute  error i s  beyo nd 3 ɛ [13] Beca use the measurement  in t he integrated monito ri ng syste m  may  contai n fault i n formatio n, a nd thu s  it n e e d  to be  retai n ed for furthe fault identifica t ion. The  gro s error threshol d is set a s  5 ε  with  co rrespo nding  confid e n ce  b e ing 9 9 .99%[14] , i.e.:    |  | 5 ̂             (9)     Data  sati sfying (9 ) i s  the  gross e r ror,  whi c i s  n eed ed  to eliminate  a nd the n  to  re place.  Con s id erin g t he  contin uou s multi - poi nt  gro s s e rro p r ocessin g , da ta in i + 1, i + 2  point  ca n b e   determi ned.  The re pla c em ent can b e  ob tained a c cord ing to formula  (10) a nd (1 1) interpolatio n:  Whe n  two  ne arby p o ints  a r e n eed t o  int e rpol ated, i.e.   Y i , Y i+1   are b o th gross  errors, th e   repla c e m ent value  are:          3                                                                                                                                                            10     Whe n  a sin g l e  point is ne e d  to repla c e, i.e.  Y i   is a gross e r ror, the repla c eme n t value is:            4                                                                                                                                          11       3. Gross Err o r Processin g   3.1. Gross E rror Proces s i ng Flo w c h a r The flo w chart  of the g r o s error  pro c e ssing is sho w in Figu re  1.  Detaile d alg o r ithm i s   as  follows :   Step 1: the initial value in the refere nce se ct ion is  set as the first value of the whol e   gros s  error data es timation  ε 2 Step 2: estim a te the state  value of the  nex t point. Compa r e the e s timation a n d  the real  value, if the differen c e |  |  is less than 3 x , this estimati on is con s id ered  as rea s onabl e.  Otherwise, the poi nt is t houg ht  as  gross e rro r a n d  nee d to  repla c e. Sin c e the  signal s in   monitori ng sy stem are all contin uou s a nd dynami c the pre d ictio n  can reply on the value in the   last poi nt. Beca use the  error of the  predi ction  grad ually be come s la rg e r  wh en  sev e ral  con s e c utive gro s e r rors appe ar,  th re shold sh ould  be set to be large r , su ch  as 5 x  , to avoid  misjud gme n t.  Step 3: updat e refe ren c section.  Whe n  the  refe ren c e se ction m o ves ba ckward by one  point, its first value is  rem o ved an d re p l ace d  by  an  adja c ent valu e in the  reference sectio (in   this mann er, the mea s urem ent is judge d as gross  erro r, and then re placed with its pre d ictio n ). If  the data pro c essing i s  com p leted, swit ch  to Step4, otherwi se, go to  Step 3.  Step 4: the data after th e repl aceme n in the last  roun d is  re -estimated  ε t o  judge   wheth e r the r e are n e w g r oss erro r is remove in thi s  ro und of d a ta. If not,  the com putatio n is   compl e ted. O t herwi se, g o  to Step2. This pro c e ss i s  a c tually a loop  of repla c em ent of the gro s err o r s . Th e l a rge r   er ro rs   are  firstly   rep l ace d  a n d  th en follo we by sm aller e r rors. T he  wh ole  repla c e m ent  can g ene rally  be finishe d  when the loo p  is run fo r 3 times.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         ISSN: 2302 -4046           TELKOM NIKA  Vol. 12, No. 1, Janua ry 2014:  415 –  421   418     Figure 1. Flowchart of gro ss e r ror p r o c essing       4. Practical  Applica t ion   4.1. Gross E rror Da ta Pr ocessin g   A data  se rie  of a m o tor wo rkin cu rre nt i s   sho w n  in  T able  1 a nd  Fi gure  2. T h e  initial  x  is  0.13 from  cal c ulatio n. Fro m  Figu re 2,  at l east th ree  mea s ureme n t datas are  obviou s ly wrong   and ne ed to repla c e.       Table 1. Mea s ureme n t data of the curre n t for a worki ng motor  (Uni t: A)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Gro s s Erro r Elim ination Based o n  the Polyn o m i al Least Squa re M e thod in ...   (Fang-Wu Don g 419     Figure 2. Current mea s u r e m ent data of a workin g mo tor (Unit: A)      After the first loop of gross  error elimi nati on,  errors a r e  basi c ally eli m inated a s  shown in  Figure 3. Ho wever, the figure  contai ns some bu rrs.  When  several loop s are  compl e ted, b u rrs  are ba si cally eliminated a s  sho w n in Fig u re 4.     4.2. Algorith m  Impro v ement  Becau s e the  prop osed alg o rithm is a  ki nd of  forward  algorithm, it can only jud ge the   data in th e n e xt point. Th erefo r e, if the  first d a ta  p o int is  with g r o s s erro r, this  point  cann ot  be  repla c e d . In orde r to solve this proble m , it’s need ed to judg e wheth e r the  first data poi nt   contai ns g r o ss e r ror. In other words,  if (9) is  not  satisfied, an other st arting  point sho u ld  be  sele ct ed.           Figure 3. Gro ss e r ror elimi nation re sult  after the first loop           Figure 4. Final gro ss e r ror elimination result    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         ISSN: 2302 -4046           TELKOM NIKA  Vol. 12, No. 1, Janua ry 2014:  415 –  421   420 Whe n  this al gorithm i s  u s ed to elimin ate gro s s erro rs, data  with large  error  ha ve been   removed in Figure 3, but there  still exist many small burrs, wh ich affect the smoothness of  curve. Thi s  p henom eno n is usually tre a ted by  usin g averag e m e thod. Avera ge method  can  effectively improve the  sm oothne ss of the data  cu rv e. Ho wever, i t  only use s  th e avera ge val u e   of the adj ecti ve mea s ure m ents to  re p l ace th e b u rr, and  can not  fundam ental ly eliminate t h e   error. T herefore, in  practi cal  appli c atio n, ban dpa ss  filtering i s  u s ed to fu rthe improve  the  data  smooth n e ss  after the gro s s error  being  repla c e d   4.3. Analy s is  of Res u lts a nd Discu ssi on  In the gro ss  error p r o c e s sing, accordin g to Rajda  criterio n, | Y i - PY i |> 3 ε  is set as the  judgme n t co n d ition. Beca u s e fault info rmation may  exist in the in tegrated  mon i toring  syste m  of  sub w ay, and  the noises b e c ome la rg e in  the fault sites, | Y i - PY i |> 3 ε  is  not proper any more. If t h is   crite r ion i s  n o t  chan ged,  some u s eful i n formation  will  be ign o red,  whi c h affe cts the reli ability o f   the system. T herefo r e, In p r ac ti cal a ppli c ation, if the 5 ε  su ccessive m easur e m ent s contai n gross  er rors , | Y i - PY i |> 5 ε  is set as  a new  crite r io n.   Thro ugh  the  analysi s  of th e mea s u r em ent in Fi gure  2, figure 3  a nd Fig u re 4 f r om  an   equipm ent o peratio n inte grated  monit o ring  syst e m  of sub w ay,  the pro p o s ed gross e r ror   pro c e ssi ng  can co mplete ly meet the requi re m ent s of monito ring  system,  eliminate the  phen omen on  of the slow respon se a nd the mi so peratio n of the co mprehe nsive monito ring   system. The  maximum rel a tive erro rs o f  all the  para m eters are controlle with in 2%. Theref ore,  the polynomi a l least squa re curve fitting  method  with  Rajd a crite r io n sho w s goo d perfo rman ce in   detectin g  an d repla c in g gross e rro r. It has goo d practicality in not only eliminating the gross  error, but also improving t he reliability of the system.      5. Conclusio n   This pa per in trodu ce s the polynomial le ast  sq uare method into the data pro c e ssi ng of   the integ r ate d  monito rin g  syste m  of  subway. Th e   measurement  data s  a r e  firstly  statistically  analyzed, an d then sm oot hed by re mo ving the gro s erro rs d e te cted u s ing  Rajda criteri on.  The   remove d me asu r em ent d a tas a r repl ace d  by valu es o b tained f r om  statistica l theory, whi c improve s  the  accuracy of  the measurements  and  the relia bility of the syste m . The pract i cal  appli c ation  shows that, th e method  ha s the ch ara c te ri stics of  high  reliabilit y, strong p r a c tica b ility  in monitori ng  equipm ent op eration p a ra meters for th e metro integ r ated mo nitori ng syste m     Referen ces   [1]    A y o ng  Hie ndr o. A Quantitie Method of I nducti on Moto r Under  Unb a l ance d  Volta g e  Cond itio ns .   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2010; 8(2): 7 3 - 80.   [2]    Z H ANG DQ, CHEN SC. Anov el kern el ized fu zz y  c-me ans a l gorithm  w i t h  a pplic atio n in m edic a l im a g e   segmentation.  Artificial In tell i genc e in Me dic i ne . 20 04; 32 ( 1 ): 37- 52.   [3]    Didik  R  Sant oso. A S i mpl e  Instrume ntat ion   S y stem f o r L a rge  Stru cture Vi bratio n Mo nitori ng .   TELKOMNIKA.  2010; 8(3): 2 6 5 -27 3 [4]    Lu F e n g ji e, Z h ang Y o n g rui,  Yang G ang. St ud of th e Ga s Sensor  Preci s ion B a se d o n  Leastsq uar e   Methed.  Electr onic Sci ence  a nd T e chn o l ogy . 2007; (6): 36- 38.   [5]    K Raja gop al a, K Pandur an ga  Vittal, Hemsin gh Lu nav ath. Comp utation o f  Electric F i eld  and T hermal   Properti es of  3-Phas e C abl e. T ELKOMNIKA   Indo nesi a n  Journ a of El ectrical E n g i n eeri n g . 20 12;  10(2): 26 5-2 7 3 .   [6]    Z hang  Li an g, Z han Xi npi ng.  Elimin atin g Int o le r b le  Errors  Conta i ne d i n  F l ight R e se arch  Data.  Jo urna l   of Northw estern Polytech nic a l  University.  20 11; (4): 637-6 3 8 [7]    X IONG Yan-yan, WU  Xia n - q iu. T he Ge ne ralizi n g  Ap plic ation  of F o ur  Judg ing  Crit eri ons for  Gross.   Physica l Exper iment of Col l eg e of china . 2 0 1 0 ; 23(1): 66-6 7 .   [8]    Yang  Li, Z han g Li, etc. An Arithmetic of  Eli m inati ng F a u l ty Va lue  in On-l ine Mo nitori ng.  High V o lta g e   Appar atus.  200 0; (10): 3-4.  [9]    Sun T ao, Z h a ng H o n g ji an.   A Method of  Outlier Detection an d C o rrecti o n  Ba se d on  Fi rst Ord e r   Differenti a l.  Ch ines e Journ a l o f  Scientific Instrument.  200 2; 2 3 (2): 198- 19 9.  [10]    Pan Xu don g W ang  Gua ngl i n   Shao Don g x ian g ,etc . Meas ureme n t of Spool Va lve Ove r lap Va lu e of  Servo Valv e.  Journ a l of Vibr ation, Meas ure m ent & Diag nos i s 2009: 29 (4):  292-2 97.   [11]   FEI Yetai.  Error T heory and D a ta Processi ng . Beijin g: Mech anic a l Ind u str y   Press. 2002; 1 53-1 95.   [12]    CHENG Ma oli n . T he Least  Squar es Integr al Meth od  of Data F i tting  F u nction. C o ll eg e  Mathematics .   200 6; (1): 70-7 3 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Gro s s Erro r Elim ination Based o n  the Polyn o m i al Least Squa re M e thod in ...   (Fang-Wu Don g 421 [13]    NI Hui, LI Z hong,  SONG Hon g x in g,etc. Movin g  Least  S quare C u rv e F i tting  w i th  Interpolati o n   Con d itio ns.  Journa l of Z hejia ng Sci-T e ch U n iversity . 20 11;  (1): 135-13 8.  [14]    SHENG W ang , Liu W e n y a n . Processin g  D y n a mic Me asu r ing Errors B y  Using S o ft w a r.  Process   Autom a tion Instrum e ntation.  2 003; (11): 2 1 -2 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.