軌道交通變電所設備智能運維系統(tǒng)研究與實踐

劉 廣

（中鐵十一局集團電務工程有限公司，湖北 武漢 430000）

城市化交通不斷發(fā)展，在新時期的軌道交通綱要中提出，未來要建立智能化的運維體系，為日常交通管理提供保障。軌道交通變電所日常巡檢需要對設備外觀、環(huán)境等因素檢測，及時發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象匯報。在對現(xiàn)有變電所運維的基礎上，探究關鍵技術，開發(fā)智能化巡檢系統(tǒng)，聯(lián)合平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)的整合，利用傳感器與采集設備，收集各項設備的運行數(shù)據，建立立體式巡檢體系，實現(xiàn)智能化巡檢，提高系統(tǒng)運行效能，最大限度保障軌道交通安全、高效運營。

1 軌道交通變電所構成與現(xiàn)有運維模式

1.1 軌道交通供電系統(tǒng)

城市軌道交通變電所負責管控運行中的各項電力系統(tǒng)，通過日常巡檢電力設備，對高壓輸電網、配電網絡進行檢查和檢修。軌道交通供電系統(tǒng)不僅為列車提供電能，還能保證車輛各個區(qū)間、調度中心的調度需求，滿足動力系統(tǒng)與照明系統(tǒng)所需的電能。供電系統(tǒng)涉及牽引和降壓變電所、監(jiān)控、電纜等，供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，能夠保障軌道交通安全運行。

1.2 現(xiàn)有運維模式分析

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，涉及的設備較多，為了保障合理運行，需要管理人員及時掌握各項設備運行情況。傳統(tǒng)的運維模式，根據不同城市的軌道交通運營管理要求，對各個站點的變電所設備進行監(jiān)管。當前，供電系統(tǒng)在運維管理中，管理方面更多是采用人工巡檢的方式，需要對全部站點設備運維，整體工作量較大。人工巡檢利用各個系統(tǒng)的操作站，根據人員日常監(jiān)測數(shù)據，與綜合監(jiān)管系統(tǒng)對接，完成交通站整體檢修工作。但是這種檢修方式過于單一，在實際運維過程中，主要針對電能數(shù)據、設備閘門狀態(tài)、設備過載等狀態(tài)檢修，管理工作響應時間長，且表達表示單一。信息從收集到傳輸，存在效率低下的現(xiàn)狀，亟待加強維護。并且上述的工作并不能覆蓋運維巡檢的全部內容，設備環(huán)境因素、漏電放電、設備數(shù)據變化等異常信息，都無法通過人工巡檢及時發(fā)覺。當前的人工巡檢模式下，運維人員工作量較大，不能保障巡檢質量，還會導致遺漏現(xiàn)象，需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化升級，利用高新技術代替人工巡檢，強化設備運維狀態(tài)，能夠在日常巡檢過程中，完成自動檢測、主動預警，降低人工巡檢導致的不確定因素。

為了全面做好供電設備運維工作，為軌道交通提供高質量服務，在事故發(fā)生第一時間快速響應，保障列車運行安全。在總結先進技術與管理經驗的基礎上，利用先進理念，綜合運用云計算、物聯(lián)網等技術進行管理，借助高新技術構建運維管理平臺，實現(xiàn)對各節(jié)點的有效管理，開展全方位管理。建設智能運維系統(tǒng)，對不同狀態(tài)下的供電設備運行情況監(jiān)測，減少系統(tǒng)設備運維管理，實現(xiàn)交通變電系統(tǒng)全生命周期運維，降低實際檢修成本，實現(xiàn)管理與交通平臺信息交互，把控系統(tǒng)運維全過程。

2 智能化運維系統(tǒng)方案研究

當前城市軌道交通中，供電系統(tǒng)采用的設備包含監(jiān)控功能，也為生產辦公提供輔助。但是實際運行過程中，存在消息滯后，監(jiān)控數(shù)據不共通的情況，導致監(jiān)控數(shù)據應用不合理。數(shù)據分析停留在事故前，無法對隱患進行預警?，F(xiàn)有系統(tǒng)未能結合智能技術，完成新的架構，實現(xiàn)對變電所設備巡檢工作，實現(xiàn)各站點的數(shù)據交互。列車智能巡檢涉及大量設備和數(shù)據，建立智能運維系統(tǒng)，能夠基于平臺實現(xiàn)數(shù)據共通，加強各系統(tǒng)之間的聯(lián)系，采用智能化巡檢模式，以直觀的遠程監(jiān)控，完成自動化巡檢要求。針對于系統(tǒng)優(yōu)化升級，供電智能運維系統(tǒng)應滿足以下要求。

2.1 建立綜合監(jiān)控

通過綜合監(jiān)控，對供電系統(tǒng)涉及的各項設備運行情況監(jiān)管，統(tǒng)計設備運行數(shù)據與故障次數(shù)，收集故障頻率參數(shù)，為設備運維提供參考，實現(xiàn)設備實時運行與管控。

2.2 生產管理系統(tǒng)的生產數(shù)據

系統(tǒng)管理數(shù)據，應包含管轄區(qū)域內全部設備數(shù)據，按照年度、月度計劃，做好對設備的運維保養(yǎng)。特殊設備與重要設備，應采取差異化管理，保證設備運維可控。發(fā)揮運維計劃與控制作用，提高智能巡視系統(tǒng)操作權限。生產數(shù)據包含降壓變電所、巡檢、設備啟停等多項內容，升級后需要借助感應器和軌道機器人，實現(xiàn)自動化采集，保證各項數(shù)據準確性，深度掌握設備運行狀態(tài)。通過平臺對數(shù)據采集，將采集數(shù)據送至主站，實現(xiàn)對設備的自動檢測，采取狀態(tài)性檢修模式，保證設備處于正常運行狀態(tài)。

2.3 運維管理平臺

系統(tǒng)日常管控的所有內容，都基于整個系統(tǒng)運行，實現(xiàn)各項系統(tǒng)深度融合。采用全景監(jiān)視、智能決策等應用，提高平臺服務質量。與列車故障預測形成聯(lián)動，綜合管理的同時，實現(xiàn)各端口數(shù)據互通，對設備運行情況實時判斷，累積設備損傷與溫度環(huán)境因素，對設備科學評估，基于數(shù)據庫綜合信息展示。

3 運維系統(tǒng)設計與應用

現(xiàn)有的軌道交通變電所設備系統(tǒng)，在綜合管理方面存在不足，無法滿足新時期的軌道交通供電系統(tǒng)運維需求。借助大數(shù)據、人工智能等技術，對系統(tǒng)升級優(yōu)化，構建智能化運維平臺，對智能運維平臺設計，完善平臺功能，根據設計需求，完成日常管理以及設備運行故障診斷過程。

3.1 智能運維平臺架構設計

結合智能化運行需求與關鍵技術，設置B-S 架構的運維平臺，實現(xiàn)分布式信息管理。系統(tǒng)由多個維護工作站構成，通過維護服務器傳遞信息，成立架構的核心單元。借助服務器實現(xiàn)各項數(shù)據交互，完成相應的任務。智能運維系統(tǒng)包括信號系統(tǒng)與監(jiān)測裝置、工作站、信號系統(tǒng)安全網，具備有力的防御功能，還能完成網絡自動檢測，及時處理系統(tǒng)漏洞。平臺配置控制中心、設備層、仿真層，構建完善的軌道交通智能運維平臺，具體功能如下，能夠自動完成作業(yè)監(jiān)管等工作。

（1）在軌道交通關鍵設備上，設置傳感器，對設備運行狀態(tài)實時監(jiān)管。通過傳感器與數(shù)據中心聯(lián)動，將監(jiān)控采集的數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據中心，保障數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性，建立數(shù)據采集模塊。

（2）儲存平臺。存儲平臺充分考慮數(shù)據多樣性的需求，采取多種數(shù)據形式傳輸?shù)姆绞剑瑵M足數(shù)據存儲要求。數(shù)量級達到PB 級別，能夠通過語言處理對非結構化數(shù)據處理，滿足存儲要求。提供公共接口，滿足數(shù)據清洗、轉化的服務需求，保證數(shù)據共享。

（3）應用平臺。集成先進的算法，采用虛擬現(xiàn)實技術、紅外感應技術等，利用運維系統(tǒng)中的算法模型，匹配行業(yè)場景需求。為各項設備提供健康評價、電源故障診斷，通過端口不斷獲取數(shù)據，將分析結果傳輸?shù)綌?shù)據中心，存儲在數(shù)據庫中，為服務層、解決層等提供相應服務。

3.2 智能運維平臺主要功能設計

結合智能化運行管理，運維平臺功能按照變電所管控內容進行劃分，根據線路級功能聚焦線路運行狀態(tài)，對設備進行監(jiān)測和運維，實現(xiàn)應急管理，通過采集數(shù)據與應用層算法相互作用，實現(xiàn)功能多樣化，對設備和線路運行狀態(tài)實時監(jiān)控。

（1）功能設計。智能運維平臺功能，實現(xiàn)了設備故障實時監(jiān)測，通過數(shù)據層收集各個子系統(tǒng)設備運行狀態(tài)，對設備進行監(jiān)測，統(tǒng)計故障具體信息；根據不同設備的規(guī)格信號，快速定位設備故障，便于技術人員技術運維檢修。能夠在第一時間發(fā)出故障告警提示，根據不同故障等級，采用差異性報警提示，提示技術人員快速發(fā)現(xiàn)重點內容；設置報警統(tǒng)計，便于人員了解設備故障，進行對應處理；維護人員可以通過平臺查詢設備以往狀態(tài)數(shù)據，明確設備變化趨勢，為維護保養(yǎng)提供參考。通過對設備運行狀態(tài)全過程監(jiān)控，根據知識庫診斷模型對比分析，為人員提供相應的故障解決方案。

（2）網級功能設計。線網級運維系統(tǒng)化整合多個線路與專業(yè)數(shù)據，利用大數(shù)據等技術，形成智能管理體系。線路與設備基于遠程監(jiān)控，根據任務執(zhí)行情況分析；數(shù)據分析能夠預測設備性能以及可能存在的故障，開展邏輯關聯(lián)分析，減少設備運維成本；根據軌道交通實際需求，關注重點設備，對設備狀態(tài)跟蹤分析，生成相關報告。對線路級故障運營風險評估，實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)督。

3.3 系統(tǒng)智能化運行應用主要技術

（1）智能巡視與聯(lián)動。聯(lián)合高清攝像，紅外攝像，自動巡檢機器人等設備，對變電站設備進行全天候監(jiān)管，實現(xiàn)智能運維管理。覆蓋全部設備巡視的同時，根據需求設置不同巡視方式。越限告警與保護動作時，能夠通過攝像實時記錄，對事故過程追溯復核。智能聯(lián)動系統(tǒng)檢測到邏輯信號，自動執(zhí)行其策略。如檢測到危險信號，能夠啟動危險巡視系統(tǒng)，對可能發(fā)生故障區(qū)域進行掃描，判斷是否存在危險。

（2）故障識別與判別。相較于傳統(tǒng)識別技術，智能化平臺運用深度學習，建立智能算法的識別技術，對設備特征有效識別。通過深度學習框架，采用相應算法，對檢測的設備進行分析，判斷設備異常故障、缺陷等。數(shù)據采集與處理模塊，是由系統(tǒng)接收多個接口信息，采集多渠道信息，將外部系統(tǒng)信息轉化為適合本系統(tǒng)存儲的信息格式，存儲完畢后對設備故障情況檢測。如根據設備讀數(shù)、狀態(tài)判斷設備運行狀態(tài)；根據表盤、絕緣子、箱門閉合情況等判斷設備是否存在缺陷；根據設備運行實際數(shù)據，根據表盤數(shù)值、畫面異物、指示燈等判斷設備運行狀態(tài)是否正常。通過神經元參數(shù)，對前饋操作反饋，更新參數(shù)獲得最終結果。隨著數(shù)據量與維度增加，診斷算法與故障判斷，可以通過算法模型推算設備運行情況，是運維平臺承載的重要功能。智能算法通過采集相關數(shù)據，利用好邊緣計算與信息匯總分析，對設備健康情況評價，自動生成檢測報告。如，系統(tǒng)根據設備的運行峰值、電流電壓等關鍵參數(shù)，對設備實時監(jiān)控，實現(xiàn)對設備故障的判斷。

（3）紅外診斷與分析。紅外診斷與分析是利用設備輻射傳感信號，對設備運行狀態(tài)判斷。該技術有熱譜圖、溫度判斷法等方式，數(shù)據庫根據專家知識庫，對電氣設備檢測。專家分析系統(tǒng)能夠對設備運行數(shù)據、業(yè)務處理等數(shù)據分類和分析，保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行。挖掘各類數(shù)據，形成故障分析體系，對故障預警，生成RAMS 分析報表。結合深度學習對設備運行狀態(tài)全面檢測，深度解析設備各項零部件運行狀態(tài)，對存在的缺陷問題告警，幫助技術人員判斷。故障診斷通過專家系統(tǒng)與決策樹等的方式判定，通過收集數(shù)據信息，對設備特征參數(shù)分析。建立時序特征與故障類別，分析設備電路、機械部分工作原理與功率曲線。根據不同階段可能出現(xiàn)的故障進行診斷，結合設備功率曲線，判斷不同節(jié)點可能出現(xiàn)的故障，根據曲線波動，找出故障點。具體分析可以通過深度學習模型，通過前向和反向的遞歸迭代更新模型參數(shù)，提高數(shù)據故障分析的準確性。智能運維平臺通過人機交互界面，展示不同場景下設備運行情況，對設備運行情況評估。提供全線網設備狀態(tài)情況，完成車載、通信設備檢測工作，對設備健康情況評估。根據設備不同健康等級，根據占比比率與評估情況，對可能存在隱患的設備進行隱患排查，自動開展運行條件下的設備運維監(jiān)測工作。

（4）三維實景技術與可視化。采用激光掃描的方式，獲取三維全景點云數(shù)據，建立虛擬數(shù)字映像，對設備各維度數(shù)據監(jiān)測，對設備開關、電流電壓等數(shù)據信息收集，將信息與數(shù)字場景結合，呈現(xiàn)可視化場景給運維人員。借助系統(tǒng)接受子系統(tǒng)數(shù)據信息，對不同數(shù)據進行統(tǒng)計，結合人工智能，生成自動分析報告。

4 軌道交通變電所設備智能化運維系統(tǒng)應用效果

根據文章設計的軌道交通變電所設備智能化運維系統(tǒng)，將系統(tǒng)應用在某城市X 號線列車行程中，經過測試與應用。驗證該系統(tǒng)智能化程度滿足要求。基于大數(shù)據平臺，實現(xiàn)對設備的多維度檢測，有效通過平臺掌握各項設備運行概況。能夠實現(xiàn)運行與監(jiān)測同步進行，保證設備智能化管理，發(fā)揮系統(tǒng)最大效能，降低軌道交通變電所設備運維管理成本，從人力巡檢轉變?yōu)橹悄芑\維管理，提高管理質量。

5 結論

綜上所述，借助新時期的高新技術優(yōu)化軌道交通變電所，提升運維管理效率。通過升級變電所系統(tǒng)與設備，獲取系統(tǒng)日常運行狀態(tài)，保證信息收集的時效性。結合消防、環(huán)境等全景數(shù)據，保證信息安全的基礎上，實現(xiàn)變電所運維管理升級。能夠基于系統(tǒng)運行進行全面感知，實現(xiàn)智能化管控，及時查看故障缺陷，發(fā)出告警指令，實現(xiàn)運維工作從“人工管控”到“智能數(shù)據管理”的轉變，改變人力巡檢模式，推動軌道交通領域變電所智能化運維，促使運維工作更加高效規(guī)范。