安全背后的“智慧大腦”

張曉虹/文

目前，上海地鐵總里程已經(jīng)達(dá)到831公里，共有1103座變電站，2449余條公里的接觸網(wǎng)（軌）設(shè)備，線網(wǎng)規(guī)模達(dá)世界第一。在上海地鐵“跨越800”的發(fā)展新賽道上，沒有任何一座城市的軌道交通管理經(jīng)驗(yàn)可以參考，如何以智能運(yùn)維數(shù)字賦能地鐵運(yùn)營安全保障，是擺在大家面前的重要課題。地鐵由復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)施和設(shè)備組成，在乘客看不見的地方，電氣線路布線密如蛛網(wǎng)，一旦出現(xiàn)短路等狀況，極易發(fā)生電氣火災(zāi)，并沿著線路和地鐵通道迅速蔓延。因此，推進(jìn)安全精細(xì)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、智能化運(yùn)維的任務(wù)也越來越緊迫。為此，上海申通地鐵集團(tuán)在供電智能化管理方面進(jìn)行探索并設(shè)計(jì)出“上海地鐵維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”，在行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)集設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)感知預(yù)警、全壽命管理、業(yè)務(wù)流程智能驅(qū)動(dòng)、專家分析四大核心功能于一體的城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化供電智能運(yùn)維體系。

歷經(jīng)十年 攻堅(jiān)克難

831公里運(yùn)營里程，1103座變電站，到底是什么概念？相當(dāng)于國家電網(wǎng)上海市南、市北兩家供電公司管轄的設(shè)備體量總和；2449余條公里的接觸網(wǎng)（軌）設(shè)備，則相當(dāng)于3倍左右的上海地鐵運(yùn)營里程。而且，這一數(shù)據(jù)還在增加——到2025年，管轄規(guī)模將達(dá)到18條線路1000公里，1240座變電站，2600余條公里的接觸網(wǎng)（軌）線路。要讓世界運(yùn)營規(guī)模第一的地鐵網(wǎng)絡(luò)保證每一天都安全可靠，對于設(shè)備維護(hù)工作人員來說，絕非易事。郭志是上海申通集團(tuán)地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司副總經(jīng)理，工作二十多年的他帶領(lǐng)著一支“維保技術(shù)鐵軍”。作為上海申通地鐵集團(tuán)旗下維保公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，他們的工作就是讓地鐵通上電，安全地跑起來。

時(shí)間回到2010年。作為上海最早建設(shè)的地鐵供電系統(tǒng)，一批1980年代建設(shè)的地鐵1號線直流開關(guān)控制系統(tǒng)硬件停產(chǎn)，造成牽引設(shè)備無法正常有效運(yùn)維。這些核心設(shè)備的安裝、調(diào)試原來都由外國工程師來操作。這讓當(dāng)時(shí)還是技術(shù)部主管的郭志遇到了難題：如何擺脫原有硬件停產(chǎn)造成的開關(guān)設(shè)備運(yùn)維困境？眼下，一時(shí)要找到現(xiàn)成可供參考的改造方案，基本上是不可能的，國內(nèi)沒有，國際上也沒有，國產(chǎn)化改造只能依靠自己來。

郭志帶領(lǐng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、工程團(tuán)隊(duì)翻閱原始資料，分析原設(shè)備接口，確定適配的硬件，重新編寫軟件代碼。通過一次次模擬仿真試驗(yàn)，達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，最后制定現(xiàn)場改造方案。整個(gè)過程歷時(shí)兩年，完成了上海地鐵1號線30套直流開關(guān)核心設(shè)備的國產(chǎn)化改造。

2012年，該項(xiàng)開發(fā)的成果《1號線直流系統(tǒng)PLC模塊功能分析及替換的可行性研究》，經(jīng)上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)審查核實(shí)被確認(rèn)為上海市科學(xué)技術(shù)成果。這也是“上海地鐵維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”的前身。

由于上海地鐵不同線路增能的需求，比如地鐵1、2號線等城市中心區(qū)域行車密度的增加帶來供電負(fù)荷需求的增加；或是地鐵列車在進(jìn)場檢修的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)的用電負(fù)載過大等情況，都可能導(dǎo)致電氣設(shè)備過載引起供電設(shè)備故障，甚至引發(fā)電氣火災(zāi)。郭志和他的團(tuán)隊(duì)完全自主研制了這套軌道交通直流負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用電負(fù)荷的安全管控，就像是眺望整個(gè)電力系統(tǒng)負(fù)荷安全的前方“哨所”?！吧谒毕到y(tǒng)在直流1500V這個(gè)軌道交通行業(yè)特殊的電壓等級上，首次實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速采樣、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)共享的一體化解決方案，為電力調(diào)度、運(yùn)維人員提供了有效的專業(yè)應(yīng)用支撐軟件。

從依賴國外技術(shù)，到自主研發(fā)；從解決眼前困局，到破題維保系統(tǒng)升級，這是上海地鐵供電設(shè)備維護(hù)人員主動(dòng)探索，積極創(chuàng)新，并成功建立起地鐵維保上海經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)縮影。

郭志團(tuán)隊(duì)前期的工作解決了設(shè)備運(yùn)維工作中具體某個(gè)點(diǎn)的問題，那么身處在數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，是時(shí)候?yàn)楣╇娺\(yùn)維體系整體轉(zhuǎn)型設(shè)計(jì)一套全面、最終的解決方案了。2020年，歷經(jīng)十年，在郭志團(tuán)隊(duì)的不斷研究改良下，“上海地鐵維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”正式上線。供電智能運(yùn)維平臺(tái)能讓設(shè)備的運(yùn)行變得可閱讀，讓實(shí)時(shí)掌控設(shè)備狀態(tài)成為可能。供電智能運(yùn)維團(tuán)隊(duì)借助大數(shù)據(jù)聚類分析工具，建立起設(shè)備狀態(tài)評估模型，形成了全網(wǎng)絡(luò)2065臺(tái)變壓器、15362臺(tái)開關(guān)柜、21311公里電力電纜、2136條公里接觸網(wǎng)（軌）等關(guān)鍵設(shè)備和部件的動(dòng)態(tài)管理，探索和逐步推進(jìn)設(shè)備健康度管理的收斂，讓設(shè)備狀態(tài)的人機(jī)交互更為便捷和高效。

平臺(tái)使用至今，建立了集中式UPS（不間斷供電系統(tǒng)）設(shè)備7大項(xiàng)部件102項(xiàng)智能診斷模型，2021年平臺(tái)提前預(yù)警預(yù)判故障77次，保障了UPS設(shè)備的安全運(yùn)行。該平臺(tái)在軌道交通供電行業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對接觸網(wǎng)全自動(dòng)智能檢測，將原有一個(gè)月的巡檢工作量，縮短至一個(gè)作業(yè)點(diǎn)，大大減少了人員和時(shí)間的成本。平臺(tái)建立了全網(wǎng)絡(luò)115套直流負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)，用以分析列車牽引直流系統(tǒng)的實(shí)時(shí)高精度運(yùn)行電流及電壓，對上海地鐵安全運(yùn)營增能提供評估依據(jù)。

投入使用 提高效率

復(fù)雜的地鐵線路，若是出現(xiàn)供電設(shè)備故障，僅故障的排查就很費(fèi)時(shí)間。以往，在設(shè)備故障發(fā)生后，檢修人員先要趕到事故點(diǎn)，對故障進(jìn)行初步排查和確認(rèn)后，需要根據(jù)故障情況組織維修人員帶上專業(yè)、匹配的維修工具或零部件進(jìn)行搶修?！斑@樣，非但很被動(dòng)，效率也不高?！惫咎寡浴，F(xiàn)在，“維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”的誕生和投入使用，突破了多項(xiàng)供電系統(tǒng)核心設(shè)備的智能感知技術(shù)，提高了設(shè)備狀態(tài)檢測效率和準(zhǔn)確度。

具體來說，就是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合了城市軌道交通供電智能綜合采集終端、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測車、視頻監(jiān)控和能耗、可視化接地等十多種監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)、負(fù)荷、安防、消防及環(huán)境的24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，對設(shè)備和變電站環(huán)境狀態(tài)、故障預(yù)警和報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)多維度聚合呈現(xiàn)。消除監(jiān)測盲點(diǎn)，改善和取代現(xiàn)場重復(fù)性人工勞動(dòng)和紙質(zhì)記錄，提高設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)警告警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性?！耙酝际枪收习l(fā)生后才能知道，現(xiàn)在零部件稍微有些松動(dòng)、脫落、開裂等，都可進(jìn)行全面檢查并及時(shí)預(yù)警。”郭志說，這樣不僅提高了故障鑒別的準(zhǔn)確性，還有效地預(yù)防接觸網(wǎng)部件故障對運(yùn)營安全的影響。

“上海地鐵維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，融合十多種監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)、安防、消防及環(huán)境的24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集

此外，上海地鐵使用人工智能技術(shù)，自動(dòng)收集并生成以線、區(qū)段、系統(tǒng)為單位的故障分析知識(shí)庫及故障案例庫，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)線、接觸網(wǎng)磨耗等關(guān)鍵部件狀態(tài)異常的自動(dòng)分析識(shí)別以及消防預(yù)警，優(yōu)化接觸網(wǎng)的維修策略。這一技術(shù)代替了傳統(tǒng)的步行巡視，提高了對設(shè)備狀態(tài)的巡檢頻次和故障識(shí)別、預(yù)警效率。

技術(shù)創(chuàng)新 未來可期

城市軌道交通供電業(yè)務(wù)的信息數(shù)據(jù)種類繁多、特征差異明顯。其中，實(shí)時(shí)感知類數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)量多，數(shù)據(jù)變化也快，并且訪問效率要求高，幾乎每30秒接收82678條實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；同時(shí)，歷史留存數(shù)據(jù)量大，大約有50余類設(shè)備、900多項(xiàng)數(shù)據(jù)、70余萬條業(yè)務(wù)要素，這些都需要快速處理。不僅如此，分析類數(shù)據(jù)運(yùn)算處理量大，每日達(dá)到2.3TB，實(shí)時(shí)分析效率要求高，中間計(jì)算復(fù)雜度高，而且這些對反饋控制和時(shí)間的要求都很高。

如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的融合？是亟需解決的核心問題。上海地鐵在國內(nèi)城市軌道交通供電行業(yè)首次采用多源異構(gòu)多模態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯聚，并為不同應(yīng)用場景提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。以城市軌道交通維保供電運(yùn)營數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘方法對不同城市軌道交通供電故障類別進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級劃分，建立高頻次、高風(fēng)險(xiǎn)事故故障風(fēng)險(xiǎn)等級數(shù)據(jù)庫，將供電運(yùn)營數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果在城市軌道交通供電智能維保管理系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，為城市軌道交通供電運(yùn)營管理單位提供應(yīng)急條件下的決策支持。

這一成果在上海地鐵得到應(yīng)用肯定。它滿足了50余類設(shè)備、900多項(xiàng)數(shù)據(jù)、70余萬條業(yè)務(wù)要素的存儲(chǔ)和處理優(yōu)化要求，可同時(shí)管控175臺(tái)智能巡檢設(shè)備及監(jiān)控設(shè)備，每30秒接收82678條實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每日數(shù)據(jù)分析量達(dá)115G。在高頻暫態(tài)數(shù)據(jù)上，存儲(chǔ)空間減少80%，查詢速度提高兩倍。

知道的信息變多了，管理的重點(diǎn)就更明顯了。

通過“上海地鐵維保供電智能運(yùn)維安全管控平臺(tái)”，地鐵維保人員可收集并生成以線、區(qū)段、系統(tǒng)為單位的故障分析知識(shí)庫及故障案例庫，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件狀態(tài)異常的自動(dòng)分析識(shí)別，優(yōu)化維修策略

在上海城市軌道交通維保供電安全業(yè)務(wù)中，管轄的1100多個(gè)變電站內(nèi)，每個(gè)變電站約有6000個(gè)設(shè)備屬性數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)。在實(shí)時(shí)采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)過程中，受客流、天氣、設(shè)備狀況等因素的影響，這些數(shù)據(jù)也會(huì)隨之發(fā)生較大幅度和頻率的變化。

為此，郭志團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了維保供電設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線分析法，通過數(shù)據(jù)建模，構(gòu)建了城市軌道交通維保供電設(shè)備數(shù)據(jù)特征庫，實(shí)現(xiàn)趨勢分析、異常數(shù)據(jù)分析、閾值分析、峰谷分析。其中，供電設(shè)備運(yùn)行曲線的“峰－谷”分析，為設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定提供了依據(jù)；預(yù)測曲線和離散點(diǎn)的分析，揭示線路運(yùn)行的異常，通過異常的根因分析，做到事前防范。

更進(jìn)一步來說，上海地鐵依托基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，分析設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，逐步形成更為合理的經(jīng)驗(yàn)型計(jì)劃檢修模式，依托系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)在線感知能力、在線監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)，逐步形成專家型故障報(bào)修模式。

比如說，原來的故障信號比較簡單：跳閘、短路，檢修人員接到信號后，再去現(xiàn)場實(shí)地檢查。但是現(xiàn)在，各種裝置的過程狀態(tài)信息都可通過遠(yuǎn)程調(diào)取。為何能做到？原來，在開關(guān)中，加入不少傳感器，把開關(guān)溫度、驅(qū)動(dòng)時(shí)間等機(jī)械特性變化、動(dòng)作準(zhǔn)確度等信息一并記錄并建模分析，及時(shí)提醒“加潤滑油”等進(jìn)行預(yù)防性維修?！霸瓉恚词箚喂?jié)電壓發(fā)生故障，100多節(jié)電池都需要一個(gè)一個(gè)人工去測?！惫菊f，現(xiàn)在通過數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程就可看到，避免關(guān)鍵電壓在放電時(shí)放不出來?！安粌H如此，有了大數(shù)據(jù)建模，還能分析出哪些設(shè)備出故障的概率比較高，以后選設(shè)備時(shí)就會(huì)避免?！惫窘榻B，通過這些底層數(shù)據(jù)的分析，為企業(yè)降本增效。

供電智慧運(yùn)維平臺(tái)的研究成果獲得了2020年上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和2021年上海交通工程學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)。該套系統(tǒng)是國內(nèi)首創(chuàng)，技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平，現(xiàn)已推廣到國內(nèi)多個(gè)城市軌道交通的應(yīng)用中，形成了一定的規(guī)模效應(yīng)，開拓了城市軌道交通運(yùn)維管理的新思路，構(gòu)建了軌道交通行業(yè)的新格局。

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走過“四代”，上海地鐵列車的智能化之旅

自1993 年1 號線第1 列車開行，上海地鐵先后經(jīng)歷了四代列車，分別為“直流傳動(dòng)”列車、“交流傳動(dòng)”列車、“綠色地鐵”列車和“智能地鐵”列車。地鐵車輛在列車技術(shù)、國產(chǎn)化水平、標(biāo)準(zhǔn)化水平和智能化等方面都有質(zhì)的飛躍。

第一代：“直流傳動(dòng)”列車

1993 年，上海地鐵從德國西門子引進(jìn)的16 列全進(jìn)口列車在1號線開通運(yùn)營。當(dāng)時(shí)采用直流傳動(dòng)，客室配置定頻空調(diào)、日光燈照明和木質(zhì)地板，行駛主要靠司機(jī)操作，僅有簡單的ATC（列車自動(dòng)控制）防護(hù)系統(tǒng)輔助司機(jī)保障列車安全。此后，上海地鐵列車開始一次次技術(shù)革新。

第二代：“交流傳動(dòng)”列車

1999 年，上海地鐵從德國西門子引進(jìn)01A03 型電客列車，采用交流傳動(dòng)系統(tǒng)，拉開了第二代“交流傳動(dòng)”列車時(shí)代。不但傳動(dòng)方式升級，列車設(shè)計(jì)及國產(chǎn)化程度也有較大提升。2000 年投運(yùn)的3 號線列車首次采用隔音性和防火性更好的鋁蜂窩地板。

上海地鐵列車早期完全依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴，工期進(jìn)度難以控制。2005 年，由西門子主導(dǎo)設(shè)計(jì)、中車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)制造的04A01 型列車上線，上海地鐵開始進(jìn)入國產(chǎn)化時(shí)代。2008 年，1 號線既有列車直流傳動(dòng)改交流傳動(dòng)項(xiàng)目和6 節(jié)編組改8節(jié)編組項(xiàng)目先后開展，標(biāo)志上海地鐵列車已不再依賴外方設(shè)計(jì)。

第三代：“綠色地鐵”列車

隨著世博會(huì)的召開，上海提出“綠色地鐵”概念，越來越多節(jié)能技術(shù)被運(yùn)用到列車?yán)铩?011 年，16 號線列車采用節(jié)能性更好、效能更高的LED 客室照明和變頻空調(diào)技術(shù)。2015 年，5 號線增購項(xiàng)目列車采用更環(huán)保的水性漆和貼膜技術(shù)作為列車外飾方案。

2012 年的3、4 號線增購項(xiàng)目中，國內(nèi)供應(yīng)商首次負(fù)責(zé)列車控制網(wǎng)絡(luò)。第三代地鐵列車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造，均擺脫了依賴外方的窘境，平均國產(chǎn)化率超過75%。

第四代：“智能地鐵”列車

從2016 年起，上海地鐵以17 號線為契機(jī)，開始建設(shè)列車狀態(tài)信息智能采集系統(tǒng)，收集車輛狀態(tài)、視頻及圖像、環(huán)境信息及管理系統(tǒng)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息。通過機(jī)車檢修大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，存儲(chǔ)、分析、處理海量數(shù)據(jù)，最終形成具有自動(dòng)演進(jìn)功能的閉環(huán)檢修管理新模式。此外，上海地鐵從10 號線開始探索應(yīng)用全自動(dòng)駕駛技術(shù)。2017 年至今，14、15、18 號線全自動(dòng)無人駕駛列車采購項(xiàng)目相繼落地，上海地鐵列車智能化邁上新臺(tái)階。在不久的將來，具備自動(dòng)喚醒、自動(dòng)發(fā)車、列車自檢、自動(dòng)休眠等一系列全自動(dòng)駕駛功能的智能列車將更普及，地鐵列車運(yùn)行不再依賴司機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)無人化運(yùn)營。

與29 年前的16 列第一代進(jìn)口列車相比，經(jīng)歷多次技術(shù)升級的上海地鐵列車，早已脫胎換骨，投入智能化的懷抱。