軌道交通電子信息機房智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

侯學(xué)輝 謝 乾 朱建軍 陳學(xué)成

（1.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000；2.寧波思高信通科技有限公司，浙江 寧波 315000）

1 研究背景

隨著軌道交通的快速發(fā)展，列車運行密度也在不斷增加，因此對相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備的安全和運維管理提出了更嚴(yán)格的要求，2020年由中國軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中提出要建立供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)以及車站機電等系統(tǒng)的智能運維體系，提升城軌裝備維護的智能化程度，提升運維效率，減少維護人工的作業(yè)強度，形成城軌裝備智能化。

目前城市軌道交通電子信息機房的運維模式主要存在以下4個問題：1） 線網(wǎng)規(guī)模的擴大造成日常巡檢的人力成本不斷增加[1]。2） 巡檢存在間隔盲區(qū)，全國普遍地鐵電子信息機房每日巡查的頻次為1次～2次，無法實時把控各站點機房的動態(tài)環(huán)境狀況，無法實現(xiàn)對非法人員入侵的全天候監(jiān)控。3） 巡檢過程沒有圖片及影像記錄，巡檢結(jié)果受人員經(jīng)驗、技能水平以及責(zé)任心等人為因素的影響較大。4） 缺乏歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，無法利用大數(shù)據(jù)、圖像識別、智能診斷以及故障預(yù)測等高新技術(shù)來對設(shè)備故障情況進行智能診斷、故障預(yù)警和預(yù)測等，不能為設(shè)備的運營維護提供合理的處置建議。

在電子信息機房新增智能巡檢系統(tǒng)，可以對動態(tài)環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測與報警，還可以對設(shè)備故障情況進行智能診斷和預(yù)測，明顯提升了電子信息機房運營維護的技術(shù)水平、故障處置能力和運營效率，并大幅減少了日常巡視的工作量，降低了維修維護的成本。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

某城市軌道交通2號線在2020年7月完成某站通信機房智能巡檢系統(tǒng)的安裝工作，目前已上線運作近半年，現(xiàn)場系統(tǒng)功能運行良好，對設(shè)備維護輔助的作用顯著，該系統(tǒng)主要由智能軌道巡檢機器人（軌道機）、軌道總成、視頻監(jiān)控設(shè)備、熱成像設(shè)備、智能NVR設(shè)備（超腦）、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及巡檢系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

巡檢系統(tǒng)軟件分為2個部分：1） 綜合監(jiān)控平臺部分。該部分整體部署在服務(wù)器上，可以實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)的業(yè)務(wù)服務(wù)。2） 機房智能運維系統(tǒng)部署在終端設(shè)備，主要負(fù)責(zé)用戶界面、智能識別、巡檢報告、報表、窗口報警以及短信報警等用戶應(yīng)用服務(wù)。

視頻監(jiān)控設(shè)備包括用于安防業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)高清智能球機、用于UPS及蓄電池監(jiān)測的智能攝像機，巡檢機器人掛載了可見光攝像機。

整個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)圖如圖1所示。通過圖1可以看到，整個業(yè)務(wù)架構(gòu)自下而上分為設(shè)備層、機房綜合監(jiān)控平臺以及機房智能運維系統(tǒng)，分別對應(yīng)底層設(shè)備、中間業(yè)務(wù)服務(wù)塊以及終端應(yīng)用服務(wù)。

設(shè)備層是整個業(yè)務(wù)架構(gòu)的“手腳”、“鼻子”和“眼睛”，是用來執(zhí)行“走動”、“感觸”、“聞”和“識別”工作的基礎(chǔ)設(shè)備單元，設(shè)備層由視頻監(jiān)控、軌道機、雙光譜云臺以及環(huán)境傳感器等設(shè)備組成，通過這些設(shè)備采集現(xiàn)場照片、視頻和溫濕度數(shù)據(jù)并反饋至業(yè)務(wù)服務(wù)模塊。

機房綜合監(jiān)控模塊分為安防業(yè)務(wù)和智慧業(yè)務(wù)。安防業(yè)務(wù)可以對現(xiàn)場環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)進行實時跟蹤，可以對設(shè)備層的數(shù)據(jù)進行存儲，還可以實時調(diào)閱回放設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)；同時，通過對實時數(shù)據(jù)的分析，將數(shù)據(jù)與預(yù)選錄入標(biāo)準(zhǔn)進行比對，實現(xiàn)入侵告警、環(huán)境告警等功能。智慧業(yè)務(wù)可以代替人工完成日常巡檢和分析設(shè)備狀態(tài)等工作，遠(yuǎn)程人員可以通過終端自動完成對整個電子信息機房的巡視，也可以根據(jù)具體需求，完成對某個單體設(shè)備運行情況的巡視； 通過對設(shè)備層采集的數(shù)據(jù)進行分析，生成完善的巡檢日志，同時也對異常情況生成告警。

應(yīng)用服務(wù)模塊是整個智能運維系統(tǒng)的表現(xiàn)終端；同時，通過智能運維系統(tǒng)的終端應(yīng)用軟件可以實現(xiàn)查看巡檢報告、識別視頻以及處理事件報警等功能，維護人員通過應(yīng)用服務(wù)模塊把控整個系統(tǒng)的運行并對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)視，真正實現(xiàn)了遠(yuǎn)程運維的效果。

3 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

3.1 智能軌道巡檢機器人

智能軌道巡檢機器人是智能巡檢系統(tǒng)的核心，主要承擔(dān)巡檢和檢測環(huán)境的任務(wù)，它是1款智能軌道行走式掛載系統(tǒng)，掛載熱成像雙光譜MINI云臺，由供電系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用性能可靠的嵌入式CPU控制，主要由控制中心、電機驅(qū)動、軌道總成以及升降機構(gòu)等組成，可以實現(xiàn)水平運動、垂直運動、速度控制、預(yù)置位控制以及輔助設(shè)備控制等功能，具備自動避障功能以及高精度定位的能力。

圖1 機房智能巡檢系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

智能軌道巡檢機器人通過圖像識別技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備實時狀態(tài)的監(jiān)測和分析[2]，可以識別的內(nèi)容包括指示燈狀態(tài)、指針式表盤讀數(shù)、數(shù)碼管讀數(shù)、液晶屏讀數(shù)以及開關(guān)狀態(tài)。機器人可以通過無拖纜有線傳輸技術(shù)與無線 AP 設(shè)備進行集成，對電源、控制信號和視頻信號進行分別傳輸，具有傳輸無延時、運行可靠以及圖像穩(wěn)定等特點，所有的功能都可以在控制中心操作完成。通過可控制云臺的三維運動、攝像機的變倍、變焦以及燈光照明等，可以實時將精確采集的信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺，遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺通過專網(wǎng)實現(xiàn)與巡檢部門、遠(yuǎn)程調(diào)度之間的數(shù)據(jù)交互。

巡檢機器人能按照設(shè)置好的巡檢路徑進行自動巡檢，也可以進行人工巡檢，巡檢后生成巡檢報告，當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)異常時，會根據(jù)報警級別在應(yīng)用層設(shè)備終端產(chǎn)生告警，并通知維護人員進行處置。

3.2 雙光普MINI云臺

雙光譜MINI云臺是集網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、視頻服務(wù)器功能和高清智能功能為一體的新型網(wǎng)絡(luò)云臺。云臺內(nèi)置小型 WebServer 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、解碼器以及機芯，除了具有普通云臺的所有功能以外，還自帶熱成像通道，利用它實現(xiàn)了對圖像、視頻等數(shù)據(jù)的壓縮，并快速將壓縮后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)終端。

云臺采用精密電機驅(qū)動，設(shè)備反應(yīng)靈敏、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，在任何情況下，都可以保證圖像不會出現(xiàn)抖動。云臺除了具備預(yù)置點、 巡航、守望和定時任務(wù)等基礎(chǔ)功能以外，還具備自動煙霧、火點檢測、智能跟蹤以及測溫等智能功能，極大地提高了云臺的智能化，降低了人力成本。同時，云臺支持多種掃描方式，包括自動掃描、垂直掃描、巡航掃描、全景掃描以及區(qū)域掃描等。

3.3 智能NVR

智能NVR采用嵌入式設(shè)計，集成高性能GPU模塊，內(nèi)嵌深度學(xué)習(xí)算法，集IPC接入、存儲、管理、控制和智能分析于一體，實現(xiàn)了精確的人臉分析，包括人臉圖片抓拍、建模、比對和檢索等，提升了監(jiān)控視頻的價值，從而更好地服務(wù)于安防大數(shù)據(jù)時代。通過安裝在電子信息機房的智能攝像機和網(wǎng)絡(luò)高清球機對機房線纜的引入口、機房的出入門等地方進行實時監(jiān)控，形成了1個強大的安全防范系統(tǒng)。

3.4 動環(huán)監(jiān)控主機

動環(huán)監(jiān)控主機是1種集模擬量采集、RS-485 通信以及開關(guān)量報警輸入輸出于一體的多功能動力環(huán)境監(jiān)控主機。動環(huán)監(jiān)控主機可以與空調(diào)、UPS以及開關(guān)電源組等動力設(shè)備進行通信，支持輸入氣體、溫度、 濕度以及壓力等傳感器的模擬量，還支持對模擬量、RS-485 數(shù)據(jù)的本地存儲和搜索。

3.5 智能運維系統(tǒng)軟件

智能運維系統(tǒng)軟件是1個“集成化”、“智能化”的平臺，該軟件運用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)了對巡檢視頻的智能分析，還可以自動識別設(shè)備指示燈狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、指針以及數(shù)字表的顯示值。運用特征匹配算法，實現(xiàn)了對識別對象的精準(zhǔn)定位，大大提升了識別的準(zhǔn)確率。智能運維系統(tǒng)軟件基于“統(tǒng)一軟件技術(shù)架構(gòu)”的先進理念設(shè)計，以各類功能與應(yīng)用的整合和集成為核心，采用業(yè)務(wù)組件化技術(shù)，滿足平臺在業(yè)務(wù)上的彈性擴展需求。該平臺適用于全行業(yè)通用智能巡檢應(yīng)用，對各系統(tǒng)資源進行了整合和集中管理，實現(xiàn)了統(tǒng)一部署、統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 實現(xiàn)智能巡檢

智能機器人根據(jù)每日設(shè)定的巡檢路線完成自動巡檢工作，包括設(shè)備外觀檢查、設(shè)備表面溫度診斷檢測、設(shè)備儀表盤狀態(tài)、數(shù)值識別和讀取、數(shù)據(jù)記錄、智能分析、自動避障以及異常報告告警等，具體情況如圖2所示。

通過圖2可以看到，智能巡檢機器人能清晰地對儀表的設(shè)備儀表盤數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、指示燈位、指針等進行識別，該識別是靜態(tài)的過程，在巡檢的時候，通過機器人拍攝高清圖片來對數(shù)據(jù)或指針讀數(shù)進行識別，再通過與后臺數(shù)據(jù)進行對比，從而生成巡檢日志，如果發(fā)現(xiàn)異常就會及時給出事件告警，這是1種圖片靜態(tài)識別手段。

圖2 機房智能巡檢應(yīng)用端實圖

同時，智能巡檢機器人也能動態(tài)識別設(shè)備板卡狀態(tài)燈位，對跳躍的指示燈進行一定時間的視頻錄制，將視頻記錄的內(nèi)容與正常設(shè)備的運行狀態(tài)等進行分析比對，生成設(shè)備的巡檢日志，如果發(fā)現(xiàn)問題就會及時給出事件告警，這是1種錄像動態(tài)識別手段。

另外，電子設(shè)備的運行溫度是鑒定設(shè)備運行可靠性的一項重要指標(biāo)，當(dāng)電子設(shè)備的運行溫度異常增高時，設(shè)備就會面臨運行宕機的風(fēng)險，現(xiàn)場人員在巡視時，往往會采用熱溫槍對設(shè)備進行局部測溫，該方法效率低且檢查不徹底。智能巡檢系統(tǒng)紅外高清智能攝像機可以對設(shè)備整體的溫度進行識別，彌補了人工巡視測溫存在的缺陷，維護人員可以在控制應(yīng)用終端對設(shè)備進行測溫，能提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常增溫的情況，這與設(shè)備維護預(yù)防為主的理念相呼應(yīng)，可以達(dá)到智能預(yù)警的效果。

經(jīng)過現(xiàn)場測試，自動巡檢線路的完整度達(dá)到了100%，與人工巡檢相比，不僅起到了代替作用，而且還避免了因人為因素而導(dǎo)致的漏巡風(fēng)險；同時，也發(fā)揮了提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的效果。

4.2 實現(xiàn)入侵檢測

通過安裝在機房線纜引入口、機房出入門等位置的紅外高清智能攝像機，對機房進行實時監(jiān)控，非維護人員進入后，通過人臉識別技術(shù)，能夠自動識別陌生人并及時報警。

經(jīng)過安排非系統(tǒng)錄入人員進行測試，證明了該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確通過人臉識別技術(shù)識別非維護人員，同時還可以在設(shè)備應(yīng)用終端產(chǎn)生報警。

4.3 實現(xiàn)機房溫濕度全程監(jiān)測

在機房防靜電地板四周安裝水浸傳感器，實時監(jiān)測地面的積水情況，一旦發(fā)現(xiàn)積水，就可以迅速報警，有效避免了因滲水而造成的設(shè)備損失，保障了機房安全。

安裝溫濕度傳感器可以實時監(jiān)測機房的溫濕度，發(fā)現(xiàn)溫濕度異常后迅速報警，同時接入空調(diào)、空氣加濕器等設(shè)備，就可以自動調(diào)節(jié)機房的溫濕度。

維護人員通過用相關(guān)儀器對現(xiàn)場環(huán)境及設(shè)備進行測試，與應(yīng)用終端的溫濕度顯示值進行對比，其精度達(dá)98%，因此，智能運維系統(tǒng)的機房溫濕度監(jiān)測值相對可靠。

4.4 實現(xiàn)電源安全監(jiān)測

在UPS電池組和電源控制面板上安裝高清攝像頭，通過圖像識別技術(shù)實時監(jiān)控電池控制面板的信息，并實時觀察電池表面的狀況，發(fā)現(xiàn)異常就及時報警。同時，在每個UPS電池上安裝傳感器，監(jiān)測電池的電流、內(nèi)阻和溫度，自動檢測電池的壽命和安全性，并根據(jù)電流的異常變化及時警示UPS電池或者警示該電池相關(guān)負(fù)載可能發(fā)生故障。

4.5 實現(xiàn)應(yīng)急調(diào)度指揮功能

智能運維系統(tǒng)平臺對設(shè)備的故障信息進行分類，通過應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)快速通知，并將相關(guān)數(shù)據(jù)、圖片和錄像等信息傳遞給相關(guān)人員進行處理，快速建立便捷的實時音視頻通信，即時查看、指揮以及調(diào)度現(xiàn)場和人員，第一時間為搶修人員提供重要的現(xiàn)場信息[3]。

4.6 實現(xiàn)智能運維功能

巡檢后自動生成巡檢報告，包括巡檢位置、巡檢時間、巡檢時的環(huán)境、巡檢區(qū)域圖片、紅外成像圖片、設(shè)備狀態(tài)異常情況以及處理意見，自動生成日、周和月報表。同時，通過對數(shù)據(jù)的提取和分析，統(tǒng)計設(shè)備的故障率，有利于預(yù)判設(shè)備故障，建立設(shè)備使用壽命周期臺賬。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，預(yù)測可能存在的隱患。根據(jù)故障分析，綜合考慮設(shè)備的養(yǎng)護周期，智能管理備品備件的申報及存儲。

5 結(jié)語

隨著智能巡檢系統(tǒng)的不斷完善以及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的不斷擴充和升級，該系統(tǒng)在智慧城軌的應(yīng)用也將不斷擴展，它帶來的成效也會逐步提高[4]。該文所述的系統(tǒng)設(shè)計方案、系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及現(xiàn)場應(yīng)用對在現(xiàn)場使用智能巡檢系統(tǒng)具有一定的參考價值。