城市軌道交通變電所智能運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

張春曉 李國玉 葛 歡

（1. 上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海 201108；2. 青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[1]提出，要建立智能運(yùn)維和安全保障體系，穩(wěn)步提升運(yùn)維智能化和安全運(yùn)行水平。軌道交通變電所的日常巡檢內(nèi)容包含設(shè)備的外觀（異響、異味、放電）、環(huán)境（溫濕度、異物進(jìn)入、滲漏水）、設(shè)備運(yùn)行方式、裝置運(yùn)行情況、異常及故障信息等，其對(duì)軌道交通的供電安全意義重大。目前，變電所的巡視模式仍是傳統(tǒng)的人工巡視，工作量大且瑣碎，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤及遺漏，需巡檢設(shè)備的龐大規(guī)模與運(yùn)維人員數(shù)量及能力嚴(yán)重不足的矛盾日益突出。因此有必要結(jié)合新型傳感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，研究軌道交通變電所巡檢的數(shù)字化、智能化、遠(yuǎn)程化、可視化相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電所的智能運(yùn)維，提升變電所巡檢的質(zhì)量與效率，減少運(yùn)維人員工作量[2-6]。

1 現(xiàn)狀分析

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中，一般設(shè)有主變電所、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、跟隨式降壓變電所等幾種類型變電所[7]。供電管理部門為了掌握設(shè)備運(yùn)行情況，在每個(gè)站點(diǎn)的變電所內(nèi)部署了綜合監(jiān)控系統(tǒng)，利用“三遙”（遙信、遙測、遙控）數(shù)據(jù)監(jiān)控變電所供電設(shè)備的運(yùn)行情況，可以利用該系統(tǒng)的操作員站，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的日常監(jiān)測、控制與管理[8]。綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入的供電設(shè)備信號(hào)類型見表1。

表1 信號(hào)類型表

這些信息并不能覆蓋運(yùn)維人員日常巡視的全部內(nèi)容，變電所的日常巡視內(nèi)容一般包含設(shè)備外觀（異響、異味、放電）、環(huán)境（溫濕度、異物進(jìn)入、設(shè)備房間滲漏水）、設(shè)備運(yùn)行方式、設(shè)備氣壓數(shù)據(jù)、柜體開關(guān)位置指示、表計(jì)數(shù)據(jù)、保護(hù)運(yùn)行情況及面板指示燈指示、設(shè)備本體計(jì)數(shù)器動(dòng)作情況、變壓器運(yùn)行溫度、各設(shè)備本體告警、異常及故障信息、設(shè)備本體表計(jì)電量數(shù)據(jù)信息核查等。

在目前人工巡視的模式下，運(yùn)維人員工作量大且瑣碎，易出現(xiàn)錯(cuò)誤遺漏，亟需用智能化、遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化的手段去提質(zhì)增效，強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)維的狀態(tài)感知、缺陷發(fā)現(xiàn)、設(shè)備管控、主動(dòng)預(yù)警和應(yīng)急處置能力，提升設(shè)備運(yùn)維水平和效率，降低運(yùn)維過程中人為因素導(dǎo)致的不確定性。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 所示為系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)分為兩級(jí)架構(gòu)，由車輛段智能巡視主站、變電所智能巡視子站兩部分組成，并可與地鐵公司云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

車輛段智能巡視主站部署于車輛段，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌管理整個(gè)車輛段各變電所的巡視策略制定，以及巡視任務(wù)管理，并對(duì)各變電所智能巡視子站下發(fā)巡視命令，采集各變電所智能巡視子站采集的視頻、圖片及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)圖像識(shí)別分析；對(duì)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，輔助運(yùn)維人員掌握設(shè)備狀態(tài)信息[9]。主要由各類型服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

在變電工班部署智能巡視工作站，用于一線運(yùn)維人員掌握各自所管轄的變電所設(shè)備運(yùn)行情況，各工班工程師站權(quán)限獨(dú)立，只有本轄區(qū)內(nèi)變電所智能巡視系統(tǒng)操作權(quán)限，具有全車輛段變電所智能巡視系統(tǒng)查看權(quán)限。

變電所智能巡視子站部署在110kV 主變電所、牽引降壓混合所、降壓所、跟隨所等，智能巡視子站由智能運(yùn)維網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、各類型攝像機(jī)、紅外測溫?cái)z像機(jī)、軌道機(jī)器人、聲紋采集終端等設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)巡視、智能聯(lián)動(dòng)功能。

智能運(yùn)維網(wǎng)關(guān)是巡視子站的核心，接受巡視主站下發(fā)的巡視任務(wù)，并控制攝像機(jī)、機(jī)器人等執(zhí)行任務(wù)，把采集到的數(shù)據(jù)上送至巡視主站，并同時(shí)負(fù)責(zé)處理子站端的智能聯(lián)動(dòng)業(yè)務(wù)。

此外智能運(yùn)維網(wǎng)關(guān)也與子站端外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，通過DL/T 860、104、Modbus 等協(xié)議從綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入變電所供電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、火災(zāi)消防信息、環(huán)境信息、門禁信息，從在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)及綜合分析[10]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)軌道交通變電所智能運(yùn)維需要大量人工智能、新型傳感器、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和信息安全等領(lǐng)域的新技術(shù)。

3.1 智能巡視與聯(lián)動(dòng)技術(shù)

聯(lián)合高清視頻攝像機(jī)、紅外熱成像攝像機(jī)、巡檢機(jī)器人等前端采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)變電站全天候全覆蓋遠(yuǎn)程智能巡視，包括例行巡視、熄燈巡視、特殊巡視、專項(xiàng)巡視、自定義巡視等多種巡視方式。

當(dāng)遙控開關(guān)預(yù)置時(shí)、發(fā)生變位信號(hào)時(shí)、遙測越限告警時(shí)、保護(hù)動(dòng)作時(shí)、發(fā)生火警時(shí)等各種情況下，都可以觸發(fā)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)執(zhí)行巡視任務(wù)，由機(jī)器人或視頻進(jìn)行復(fù)核。具體實(shí)現(xiàn)方式是，當(dāng)智能聯(lián)動(dòng)微服務(wù)程序檢測到觸發(fā)聯(lián)動(dòng)邏輯的信號(hào)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行預(yù)設(shè)聯(lián)動(dòng)策略，比如，檢測到火警信號(hào)時(shí)，可啟動(dòng)火警特殊巡視任務(wù)，對(duì)發(fā)生火警的區(qū)域進(jìn)行攝像頭監(jiān)控掃描，通過AI 技術(shù)判斷是否真的發(fā)生了火情。

智能聯(lián)動(dòng)配置界面如圖2 所示，對(duì)任務(wù)配置不同的觸發(fā)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該任務(wù)的聯(lián)動(dòng)觸發(fā)，具體巡視任務(wù)界面如圖3 所示。

圖2 智能聯(lián)動(dòng)配置界面

圖3 巡視任務(wù)界面

3.2 圖像識(shí)別與判別技術(shù)

相比于傳統(tǒng)方法，采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別與判別技術(shù)能夠提供基于學(xué)習(xí)的特征表示，具有高效的自動(dòng)學(xué)習(xí)和分類能力，在多領(lǐng)域的圖像處理問題中取得了接近甚至超越人類水平的效果。

通過采用Darknet 深度學(xué)習(xí)框架，采用速度較快的YOLO（you only look once）算法、單次多盒檢測器（single shot multibox detector, SSD）目標(biāo)檢測模型、圖像分割算法、HSV（hue, saturation, value）顏色追蹤算法等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)識(shí)別、缺陷識(shí)別及異常變化的判別[11]。主要支持的圖像識(shí)別類型見表2。

表2 圖像識(shí)別類型表

YOLO 訓(xùn)練過程是通過計(jì)算損失函數(shù)，然后使用反向傳播算法，逐層向前反饋更新每一層的神經(jīng)元參數(shù)，然后再進(jìn)行前饋操作并反饋更新參數(shù)，最終達(dá)到損失值收斂的結(jié)果。

激活函數(shù)使用Leaky ReLU，它是一種改進(jìn)的ReLU 激活函數(shù)，ReLU 是將所有負(fù)值都置為0，而Leaky ReLU 將所有負(fù)值都乘以一個(gè)介于0～1 的參數(shù)，既不使負(fù)值的作用完全消失，又弱化了負(fù)值對(duì)輸出的影響。Leaky ReLU 激活函數(shù)為

式中：xi為輸入；yi為輸出；0＜αi≤1。

圖像識(shí)別效果如圖4 所示，系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的圖片自動(dòng)識(shí)別切換把手、指示燈的當(dāng)前狀態(tài)，并輸出識(shí)別結(jié)果。

圖4 圖像識(shí)別效果圖

3.3 紅外診斷與分析技術(shù)

紅外診斷與分析技術(shù)是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng)，采用專用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息，進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門綜合技術(shù)[12]。紅外診斷與分析技術(shù)常用的分析方法有熱譜圖分析法、表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法、溫差判斷法、檔案分析判斷法、實(shí)時(shí)分析判斷法等。根據(jù)多年積累的上百萬張?jiān)O(shè)備缺陷紅外熱譜圖，建立帶電設(shè)備紅外診斷專家知識(shí)庫，以人工智能的方式深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要電氣設(shè)備（變壓器為主）進(jìn)行自動(dòng)分析診斷，結(jié)合所診斷設(shè)備在不同時(shí)期的歷史檢測數(shù)據(jù)，深度解析設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息及全像素溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能診斷、智能告警，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)不同類型的設(shè)備缺陷，對(duì)一次設(shè)備的缺陷部位、可能的故障原因進(jìn)行分析，輔助運(yùn)維人員判斷問題性質(zhì)，提高問題應(yīng)對(duì)能力，縮短處理時(shí)間。

紅外測溫界面如圖5 所示，紅外測溫結(jié)束之后，會(huì)顯示當(dāng)前設(shè)備的溫度值，如果設(shè)備有異常會(huì)進(jìn)行告警，如果正常，運(yùn)行人員正常確認(rèn)結(jié)果即可。

圖5 紅外測溫界面

3.4 三維實(shí)景與可視技術(shù)

通過激光掃描儀獲取變電所的三維全景點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)建立數(shù)字孿生體，由實(shí)入虛，將現(xiàn)實(shí)變電所進(jìn)行虛擬數(shù)字化還原，生成虛擬數(shù)字映像。數(shù)字孿生體中會(huì)疊加系統(tǒng)采集的各維度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括開關(guān)位置、電流電壓、環(huán)境監(jiān)測、在線監(jiān)測、紅外測溫、設(shè)備臺(tái)賬等數(shù)字信息，攝像頭實(shí)時(shí)采集的局部視頻信息也可以再嵌入和融合到數(shù)字場景中，由虛入實(shí)，虛實(shí)融合，最終以全景全息可視化的方式呈現(xiàn)給運(yùn)維人員[13]。三維全息界面如圖6 所示。

圖6 三維全息界面

3.5 狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警技術(shù)

綜合監(jiān)控采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition, SCADA）數(shù)據(jù)可通過單向隔離裝置接入巡視系統(tǒng)進(jìn)行跨區(qū)數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)通過從其他系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)接入、自主采集及通過智能巡視任務(wù)收集到的四遙、圖片、音頻、視頻、圖譜和波形等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、檢索、學(xué)習(xí)、專家判斷、模式識(shí)別等深入挖掘隱藏信息，提煉出變電站設(shè)備運(yùn)行特征，再結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)及潛在風(fēng)險(xiǎn)分析，發(fā)現(xiàn)隱患并自動(dòng)預(yù)警，進(jìn)而自動(dòng)生成診斷分析報(bào)告[14]。

3.6 安全加固與探針技術(shù)

為保證系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用國產(chǎn)安全操作系統(tǒng)，使用國密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，采用“口令+數(shù)字證書”雙因子認(rèn)證方式進(jìn)行身份認(rèn)證，并按原生安全的理念，通過面向切面編程（aspect oriented programming, AOP）模式保證應(yīng)用層微服務(wù)不含有用戶機(jī)密信息。平臺(tái)層完成信息加密、數(shù)字簽名等功能，確保通信鏈路可信[15]。

系統(tǒng)在車輛段巡視主站部署安全監(jiān)測服務(wù)，通過在每個(gè)變電所智能運(yùn)維網(wǎng)關(guān)上部署的安全探針軟件對(duì)設(shè)備安全情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)安全事件及時(shí)告警。安全探針軟件可實(shí)時(shí)感知串口訪問、USB訪問、網(wǎng)口訪問、光驅(qū)訪問、文件訪問、用戶登錄等安全事件。告警信息界面如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)告警信息界面

4 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)已經(jīng)在青島地鐵8 號(hào)線大洋站試點(diǎn)使用。系統(tǒng)首頁如圖8 所示，大洋站實(shí)際設(shè)備布點(diǎn)如圖9 所示，系統(tǒng)即將在青島地鐵4 號(hào)線和8 號(hào)線全線進(jìn)行推廣。

5 結(jié)論

圖8 系統(tǒng)主頁圖

圖9 大洋站設(shè)備布點(diǎn)圖

綜上所述，借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為核心的智能運(yùn)維新技術(shù)，通過軌道交通變電所信息的全面感知，獲取運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備信息、消防、環(huán)境、安防等全景數(shù)據(jù)，結(jié)合安全加固、安全探針、安全加密等信息安全技術(shù)，確保在信息安全的前提下，推進(jìn)變電所運(yùn)維的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)全面感知、缺陷自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、設(shè)備智能管控、缺陷主動(dòng)預(yù)警、事故應(yīng)急處置，使變電所運(yùn)維從“人工經(jīng)驗(yàn)”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”，從“人力巡檢”轉(zhuǎn)向“智能運(yùn)維”。