城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)

徐維甲

(上海地鐵維護保障有限公司供電分公司，201106，上海 ∥ 高級工程師)

隨著信息化和智能化的飛速發(fā)展，智能裝備在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛和最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。為重點突破制約我國在軌道交通裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)，國家科技部于2016年2月下達了“十三五”國家重點研究計劃先進軌道交通重點專項課題，為完善我國現(xiàn)代交通運輸核心技術(shù)體系，研發(fā)新一代高端軌道交通裝備提供了支持[1]。作為軌道交通裝備核心的供電智能運維系統(tǒng)，通過建立大數(shù)據(jù)智能平臺和設(shè)備管理分析體系，對軌道交通供電關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)及與之相關(guān)的管理活動進行全過程優(yōu)化、監(jiān)控和管理；通過對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的分析，制定合理的設(shè)備檢修策略，最大程度保障軌道交通安全、準(zhǔn)點、高效運營。

隨著上海軌道交通供電設(shè)備體量日益增大，設(shè)備壽命進入老化期，設(shè)備故障率逐步增加，供電安全性受到影響，因此建設(shè)一體化的設(shè)備設(shè)施安全運行和維護維修的供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)勢在必行[2-3]。

1 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維現(xiàn)狀問題分析

目前，城市軌道交通供電設(shè)備智能運維建設(shè)中存在的主要問題如下：

1) 系統(tǒng)間整合效率不高，各種運維系統(tǒng)平臺之間業(yè)務(wù)板塊相對獨立，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)無法共享應(yīng)用；

2) 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)連續(xù)性和顆粒度較低，無法滿足系統(tǒng)運維分析的需要；

3) 既有的運維系統(tǒng)平臺不能滿足網(wǎng)絡(luò)化運維需求，僅以運營開通的基本需求為主，較少考慮后續(xù)的運維管理功能需求；

4) 因缺乏頂層規(guī)劃設(shè)計，早期建設(shè)線路的設(shè)備，其功能改造和擴展能力有限，導(dǎo)致在新線設(shè)備中已應(yīng)用的功能，無法在短時間內(nèi)實現(xiàn)新老線之間的統(tǒng)一；

5) 應(yīng)用系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)傳輸缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的專業(yè)間，不同的管理主體，均有各自的運維系統(tǒng)，系統(tǒng)間沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

為此需要探索網(wǎng)絡(luò)化運維新模式，建立一個統(tǒng)一規(guī)劃、具備頂層設(shè)計、互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)化智能運維體系。

2 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)

智能運維系統(tǒng)作為供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理核心，對運維工作進行協(xié)調(diào)指揮和專業(yè)化的維護提供支撐：監(jiān)測和采集獲得的變電所和觸網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，通過綜合通道網(wǎng)統(tǒng)一傳輸至運維平臺，智能運維系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢和設(shè)備狀態(tài)做出預(yù)判斷，降低故障率并形成數(shù)據(jù)庫管理。EAM(資產(chǎn)管理系統(tǒng))系統(tǒng)、施工管理平臺、故障報修平臺等作為地鐵集團內(nèi)部原有管理型平臺，平臺之間相互獨立，數(shù)據(jù)無法共享和關(guān)聯(lián)應(yīng)用。各管理性平臺與供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)對接，在智能運維系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)聯(lián)動作業(yè)。上海申通地鐵集團的智能運維平臺屬于集團的總體數(shù)據(jù)中心，供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)作為集團智能運維平臺子系統(tǒng)之一，兩大系統(tǒng)的信息資源可相互共享。供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)以云平臺、微服務(wù)模式為架構(gòu)，滿足集團智能運維平臺數(shù)據(jù)納管和數(shù)據(jù)雙向傳輸要求，實現(xiàn)在集團平臺中完成跨專業(yè)數(shù)據(jù)交互、應(yīng)用。城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)體系架構(gòu)

3 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)設(shè)計

隨著上海軌道交通里程數(shù)量的不斷增加和網(wǎng)絡(luò)化規(guī)模的不斷發(fā)展，供電系統(tǒng)所管轄的設(shè)施設(shè)備體量同步增長，傳統(tǒng)的運維模式和現(xiàn)有的電力監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要，供電設(shè)備智能運維已成為必然趨勢。

供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)由設(shè)備狀態(tài)實時感知預(yù)警、設(shè)備全壽命管理、生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程管控、數(shù)據(jù)分析等子系統(tǒng)集成，是多維度的系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)平臺是整體的大腦，同時也是數(shù)據(jù)中心。通過該系統(tǒng)平臺能及時了解供電關(guān)鍵設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)、健康狀態(tài)和環(huán)境的監(jiān)測，實現(xiàn)能耗綜合自動化管理；該系統(tǒng)平臺可對運維工作的協(xié)調(diào)指揮和對系統(tǒng)設(shè)備的專業(yè)化維護提供支撐，防止工作人員在工作或故障處理過程中發(fā)生事故，實現(xiàn)運維系統(tǒng)“監(jiān)測、協(xié)調(diào)、指揮、分析“的一體化運作，保障供電系統(tǒng)的安全運行和智能運維工作的穩(wěn)定高效[5-6]。城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2所示

圖2 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

3.1 設(shè)備狀態(tài)實時感知預(yù)警系統(tǒng)

為保障供電系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行，根據(jù)供電設(shè)備本身帶有的智能監(jiān)控單元，結(jié)合現(xiàn)行的智能巡檢、電能計量、變電環(huán)境、故障錄波、應(yīng)急電源等監(jiān)測系統(tǒng)，獲取設(shè)備運行的實時狀態(tài)信息，實現(xiàn)供電系統(tǒng)能耗、負荷、線路電流電壓等數(shù)據(jù)的采集，對設(shè)備狀態(tài)進行感知預(yù)警。設(shè)備狀態(tài)實時感知預(yù)警系統(tǒng)的主要功能為：

1) 通過對線路級PSCAD(電力監(jiān)控系統(tǒng))或CIOS(中央一體化操作系統(tǒng))系統(tǒng)電氣參數(shù)的實時采集，掌握現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供有力支撐。

2) 通過網(wǎng)絡(luò)級、線路級、車站級的電能量，掌握能耗系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)能源優(yōu)化管理。

3) 通過智能巡檢的自動識別，提高現(xiàn)場監(jiān)控效率，降低人員現(xiàn)場巡檢工作量，優(yōu)化生產(chǎn)組織模式。

4) 通過變電所環(huán)境的實時監(jiān)測及報警，避免因環(huán)境突變導(dǎo)致的供電設(shè)備、電子設(shè)備、通信設(shè)備、電源設(shè)備的使用效率降低、故障率提高等安全隱患。

5) 通過應(yīng)急電源實時監(jiān)測，對UPS、EPS下級一類特別重要負荷的用電質(zhì)量進行監(jiān)控，提高下級負載用電可靠性。

6) 通過遠程錄波對電氣參數(shù)進行實時采集分析，根據(jù)變化趨勢預(yù)判故障發(fā)生的可能性，并及時采取應(yīng)急響應(yīng)機制。

7) 通過對不同季節(jié)、不同時段、不同運行方式下供電系統(tǒng)負荷進行監(jiān)測、分析，優(yōu)化應(yīng)急處置運行方式并及時制定預(yù)案，于日后網(wǎng)絡(luò)電力調(diào)度的指揮提供技術(shù)保障。

8) 通過設(shè)備本體加裝的傳感器等設(shè)備的應(yīng)用，對局放量等電氣量參數(shù)進行監(jiān)測，并通過在線和離線相結(jié)合方式強化設(shè)備監(jiān)控力度。

3.2 設(shè)備全壽命管理系統(tǒng)

設(shè)備是企業(yè)的重要資產(chǎn)，也是保障系統(tǒng)運行的物質(zhì)基礎(chǔ)，供電系統(tǒng)中所有的運行、維修和維護活動都是圍繞設(shè)備進行的。系統(tǒng)在設(shè)備臺賬支持下，以單體設(shè)備、設(shè)備部位和設(shè)備履歷為主要數(shù)據(jù)管理對象，建立動態(tài)的設(shè)備設(shè)施基礎(chǔ)管理體系[7-8]。設(shè)備管理與資產(chǎn)管理相結(jié)合，對設(shè)備進行運行管控和全壽命周期管理，對設(shè)備中使用的可更換零部件從投用、維護、維修、更換、報廢進行全程跟蹤，對不同品牌設(shè)備和部件進行可靠性分析，同時建立設(shè)備運行管控重要參數(shù)以及用于設(shè)備運行監(jiān)控的閾值管理。并根據(jù)設(shè)備和材料日常的損耗和維修需求，制定正確的存儲方針，提供合適的備件以滿足維護工作的需要[9]。

全壽命管理根據(jù)設(shè)施設(shè)備全壽命維護數(shù)據(jù)信息化統(tǒng)計積累，從設(shè)備出廠試驗、新線交接試驗、預(yù)防性試驗，以及日常維護、大修改造交接試驗等維護作業(yè)所形成的維護數(shù)據(jù)積累開始，逐步形成供電系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)庫。

3.3 生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程管控系統(tǒng)

當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障時，生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程管控系統(tǒng)將信息推送至運維人員，并經(jīng)運維人員確認(rèn)后形成施工申請，以及自動生成工單、工作票、標(biāo)準(zhǔn)的安全交底信息。同時，將自動關(guān)聯(lián)相關(guān)的作業(yè)指導(dǎo)書、風(fēng)險預(yù)案對現(xiàn)場作業(yè)進行指導(dǎo)。生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程管控系統(tǒng)將從故障觸發(fā)直至工單閉環(huán)形成全流程的跟蹤，統(tǒng)計故障信息，補充專家系統(tǒng)的知識庫儲備，將重大故障納入風(fēng)險源管控。生產(chǎn)業(yè)務(wù)管控系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)業(yè)務(wù)管控系統(tǒng)構(gòu)架圖

在原有的生產(chǎn)模式中，是通過人工管控業(yè)務(wù)流程的，多個相對獨立的管理平臺通過人工進行信息交互，平臺之間缺乏數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)將各管理平臺數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)之間能夠相互交互，可以真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一站式服務(wù)和全流程管控。

3.4 專家分析系統(tǒng)

供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)在運行的過程中會生成大量的數(shù)據(jù)信息，需要按照實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)、故障信息等分類對數(shù)據(jù)進行分類管理和分析，并根據(jù)分析結(jié)果建立相應(yīng)的專家系統(tǒng)，支持設(shè)備運維決策，保障供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行，實現(xiàn)動態(tài)技能管理和可持續(xù)的數(shù)據(jù)維護，實現(xiàn)故障的根因分析。此外，積累的數(shù)據(jù)信息能一定程度上影響設(shè)備狀態(tài)評價指標(biāo)，為維修策略調(diào)整提供依據(jù)。

根據(jù)挖掘的各類數(shù)據(jù)，可形成故障分析體系，建立預(yù)防性維護的特征參數(shù)模型，可對設(shè)備運行狀態(tài)進行分析，可對故障預(yù)警、故障診斷進行分析，可生成RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)分析報表。

已處理的數(shù)據(jù)，可為設(shè)施設(shè)備狀態(tài)提供決策依據(jù)，可據(jù)此及時調(diào)整處置方案，完善專家分析系統(tǒng)。

4 城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)的應(yīng)用

本文所設(shè)計的城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)已在上海軌道交通17號線的建設(shè)過程中得到了測試和應(yīng)用。該智能運維系統(tǒng)的供電設(shè)備智能運維大數(shù)據(jù)平臺，可多維度展示設(shè)備實施運行如能耗、環(huán)境等狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)平臺能夠從宏觀上掌握供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)的運行概況，動態(tài)的掌握線路的工作狀態(tài)和運行狀態(tài)。通過該系統(tǒng)的供電設(shè)備資產(chǎn)管理界面、變電所電量統(tǒng)計界面、主變電所負荷(電壓、電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計)監(jiān)控界面等可對供電設(shè)備進行智能化管理和監(jiān)控。

為了能使供電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施和相關(guān)資源發(fā)揮出最佳的效能，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施資產(chǎn)的全生命周期管理和壽命管理，達到降低成本、提高效益的目的，城市軌道交通供電設(shè)備智能運維系統(tǒng)在完成供電一次設(shè)備數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，完善了二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，并開發(fā)了維修管理、工單管理以及智能巡檢等功能模塊，并將功能進行聯(lián)動，實現(xiàn)了各功能模塊的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享?；谠撓到y(tǒng)平臺，既保障了供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，又進一步提高了供電分公司的管理水平。

4 結(jié)語

針對城市軌道交通供電系統(tǒng)智能運維需求，建立了以服務(wù)為導(dǎo)向、數(shù)據(jù)為核心、設(shè)備為基礎(chǔ)的設(shè)備智能運維系統(tǒng)，實現(xiàn)了對設(shè)備數(shù)據(jù)的全方位采集。該系統(tǒng)基于云平臺維服務(wù)架構(gòu)建設(shè)，具有高度開放性，可以接入目前既有的各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也可以向外輸出各類運行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠滿足城市軌道交通供電系統(tǒng)智能運維的需求，可以顯著提升設(shè)備的利用效率和設(shè)備的管理信息化水平，使城市軌道交通的運行和維護工作更加高效規(guī)范化。