基于數(shù)字孿生的高鐵智慧車站設(shè)備能源管理平臺(tái)研究

秦小光，劉嘉欣，左強(qiáng)新，于 凱

（1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 電化電信院，天津 300308；2.南開大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，天津 300071；3.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 土地房產(chǎn)處，北京 100860；4.天津中發(fā)智能科技有限公司，天津 300384）

運(yùn)營維護(hù)（簡(jiǎn)稱：運(yùn)維）是高速鐵路（簡(jiǎn)稱：高鐵）全壽命周期管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能耗費(fèi)用是影響車站運(yùn)營質(zhì)量和運(yùn)營成本的主要因素之一，在為旅客提供便捷出行方式和舒適旅行環(huán)境的前提下，如何發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以低成本方式運(yùn)營，是鐵路運(yùn)輸部門需要解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和數(shù)字孿生技術(shù)的興起，為優(yōu)化鐵路車站設(shè)備運(yùn)維模式、提升能源效能提供了可能[1-3]。本文設(shè)計(jì)研究高鐵智慧車站設(shè)備能源管理平臺(tái)（簡(jiǎn)稱：能源管理平臺(tái)），利用數(shù)字孿生技術(shù)，收集與分析高鐵車站基礎(chǔ)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，為車站管理者和值班人員提供優(yōu)化的車站設(shè)備運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)；同時(shí)利用大數(shù)據(jù)，為設(shè)備維護(hù)人員提供設(shè)備維修預(yù)判及設(shè)備故障預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維。

1 能源管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

將車站內(nèi)的空氣質(zhì)量管理、環(huán)境照度管理、能源管理和機(jī)電設(shè)備管理等相關(guān)的智能化管理系統(tǒng)信息匯集，打通信息孤島；通過對(duì)各類信息的收集、分析和設(shè)備運(yùn)行控制，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，搭建集設(shè)備信息、運(yùn)維信息和管理信息于一體、基于三維可視化數(shù)字孿生技術(shù)的能源管理平臺(tái)；通過構(gòu)建車站功能區(qū)域信息系統(tǒng)模型、安裝設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)組件、搭建通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車站可視化功能為導(dǎo)向的建設(shè)、運(yùn)營管理模式。

1.1 能源管理平臺(tái)架構(gòu)

能源管理平臺(tái)采用分布式微服務(wù)架構(gòu)，可以輕松地?cái)U(kuò)展或縮小組件，而不需要擴(kuò)大整個(gè)平臺(tái)，使其更加輕量、高效、易于管理，從而降低運(yùn)營成本，減少故障對(duì)其運(yùn)營的影響[4-5]。能源管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理平臺(tái)架構(gòu)

（1）展示層：構(gòu)建能源管理平臺(tái)的統(tǒng)一門戶，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一登陸和統(tǒng)一授權(quán)。此外，針對(duì)不同使用對(duì)象和功能場(chǎng)景，提供適宜發(fā)布顯示的方式，通過三維端、Web端和移動(dòng)端等用戶端實(shí)現(xiàn)可視化操作與展示。

（2）業(yè)務(wù)層：主要負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)邏輯，提供能源管理、智慧照明、機(jī)電設(shè)備管理、環(huán)境監(jiān)控和群控（簡(jiǎn)稱：環(huán)控群控）等業(yè)務(wù)處理。

（3）應(yīng)用支撐層：提供開發(fā)工具、業(yè)務(wù)服務(wù)和應(yīng)用程序，為在業(yè)務(wù)層中開發(fā)應(yīng)用程序提供支持。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包含關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL、時(shí)序數(shù)據(jù)庫InfluxDB和文件系統(tǒng)等。

（5）數(shù)據(jù)接入層：負(fù)責(zé)收集、處理、解析和轉(zhuǎn)換傳感器數(shù)據(jù)，使基礎(chǔ)設(shè)施變得更加易于管理。根據(jù)接入數(shù)據(jù)的特征，進(jìn)行分布式負(fù)載均衡部署，通過多個(gè)相同模塊的負(fù)載均衡方式部署，增加可用性。

（6）基礎(chǔ)設(shè)施層：由支持信息系統(tǒng)運(yùn)行的硬件和網(wǎng)絡(luò)組成。

1.2 數(shù)據(jù)中臺(tái)

數(shù)據(jù)中臺(tái)具有高可靠性、高安全性和可維護(hù)性，可提供大量、全面、準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，便于全面深入地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，找出問題，優(yōu)化控制，提高平臺(tái)的運(yùn)維效率和車站節(jié)能效果。利用數(shù)據(jù)中臺(tái)，對(duì)能源管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將各種型號(hào)、版本的設(shè)備數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將原來分散在各個(gè)子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，針對(duì)不同來源、不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，使數(shù)據(jù)更加全面、真實(shí)、準(zhǔn)確。由于數(shù)據(jù)中臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和維護(hù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，并快速修復(fù)，從而提升了能源管理平臺(tái)的運(yùn)行效率與安全性。同時(shí)，數(shù)據(jù)中臺(tái)提供完善的用戶管理體系，通過用戶操作日志、下置日志的管理功能，提高了能源管理平臺(tái)可追溯性。數(shù)據(jù)中臺(tái)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中臺(tái)架構(gòu)

（1）對(duì)接數(shù)據(jù)中心：對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，提供對(duì)接管理、數(shù)據(jù)源管理、點(diǎn)位管理、協(xié)議解析、定時(shí)采集、數(shù)據(jù)上傳、執(zhí)行下置命令和異常檢測(cè)等服務(wù)。異常檢測(cè)模塊通過歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)模型，使用數(shù)據(jù)模型檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常值，會(huì)將這些異常結(jié)果推送到消息處理中心。

（2）設(shè)備解析中心：負(fù)責(zé)將收集到的設(shè)備數(shù)據(jù)根據(jù)具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行策略處理。提供設(shè)備元數(shù)據(jù)管理、解析規(guī)則、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。

（3）大數(shù)據(jù)中心：接收來自對(duì)接數(shù)據(jù)中心和設(shè)備解析中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照冷、熱、溫?cái)?shù)據(jù)使用頻率的不同分別存儲(chǔ)，為整個(gè)能源管理平臺(tái)提供原始數(shù)據(jù)支撐，并就獲取到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)模型或算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，將異常結(jié)果推送到消息處理中心分發(fā)。支持各種數(shù)據(jù)匯聚存儲(chǔ)功能，滿足查詢高效性和存儲(chǔ)的安全性兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

（4）消息處理中心：接收由系統(tǒng)、后臺(tái)等產(chǎn)生的消息，通過可配置的策略對(duì)其進(jìn)行推送。通過對(duì)策略進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化、人性化的消息推送方式。

（5）運(yùn)維監(jiān)控中心：對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控和操作，提供服務(wù)配置、服務(wù)啟停、服務(wù)監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)等功能。

2 能源管理平臺(tái)功能

2.1 設(shè)備能源管理

利用數(shù)字孿生技術(shù)分區(qū)構(gòu)建車站功能區(qū)域信息模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備能源使用統(tǒng)計(jì)，對(duì)設(shè)備能耗異常情況預(yù)警，站內(nèi)設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)能耗趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備能源的精細(xì)化管理，包括車站總體用能、支路用能、分項(xiàng)用能及異常用能管理。

（1）車站總體用能管理可以查看車站用能指標(biāo)，進(jìn)行用能排名、能效排名及能效對(duì)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)車站能耗定額化、計(jì)劃性管理，實(shí)現(xiàn)車站用能考核。

（2）支路用能管理可以查看任意支路的用能峰值、用能環(huán)比、用能趨勢(shì)和功率曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)支路用能的細(xì)節(jié)管控。

（3）分項(xiàng)用能管理可以通過用能區(qū)域和用能類型兩個(gè)維度查看用能分布，可以通過用能占比作出用能比例的調(diào)節(jié)。

（4）數(shù)據(jù)檢查模塊自動(dòng)核算支路上下級(jí)的用能差值，通過數(shù)據(jù)比對(duì)，對(duì)數(shù)據(jù)異常預(yù)警，避免不必要的浪費(fèi)。

2.2 設(shè)備信息管理

能源管理平臺(tái)中，構(gòu)建了能源管理模塊、智能照明模塊、機(jī)電設(shè)備管理模塊和環(huán)控群控模塊。車站管理人員通過能源管理平臺(tái)實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況、能耗異常數(shù)據(jù)等，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備故障、缺陷和能源浪費(fèi)等問題，快速采取相應(yīng)的調(diào)整措施，提高設(shè)備利用率和能源利用率。

2.2.1 能源管理模塊功能

監(jiān)測(cè)車站環(huán)境與車站設(shè)備用能數(shù)據(jù)，跟蹤各類能源消耗情況，根據(jù)需求（如外購能源分時(shí)價(jià)格制度）靈活調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)車站能源使用的合理規(guī)劃和管理，保證車站用能的平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)，保障車站設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.2.2 智能照明模塊功能

遠(yuǎn)程控制車站照明設(shè)施，調(diào)節(jié)燈光亮度，可根據(jù)時(shí)間、照度等預(yù)設(shè)方案自動(dòng)調(diào)節(jié)和能源管理，方便設(shè)備維護(hù)和安全監(jiān)控車站各個(gè)分區(qū)域內(nèi)的照明狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或異常，進(jìn)行維護(hù)維修，以便保證站內(nèi)照明環(huán)境的合理性和舒適性。

2.2.3 機(jī)電設(shè)備管理模塊功能

匯總記錄能源管理平臺(tái)中接入的設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中管理。通過設(shè)備信息模塊，能夠?qū)崟r(shí)了解車站設(shè)備的運(yùn)行情況、能源消耗情況、設(shè)備故障等信息，及時(shí)做出響應(yīng)，保障車站設(shè)備的正常運(yùn)行。

BIM技術(shù)的應(yīng)用主要是通過建立建筑信息模型，并通過三維數(shù)字技術(shù)完善信息模型，通過數(shù)字本身的仿真技術(shù)表達(dá)項(xiàng)目的真實(shí)信息，為建筑項(xiàng)目工程的建設(shè)提供更多的信息支持，具有可靠性和完整性，該種技術(shù)的延伸可以有效保證建筑工程項(xiàng)目的一致性，同時(shí)通過采用數(shù)據(jù)化的形式進(jìn)行演示，使設(shè)計(jì)人員更加直觀地了解建筑物的整體結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行更加直觀的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新[1]。

2.2.4 環(huán)控群控模塊功能

控制車站的送、排風(fēng)機(jī)等環(huán)控設(shè)備與溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車站環(huán)境的自動(dòng)控制。車站工作人員能夠通過環(huán)控群控模塊，實(shí)時(shí)獲取車站內(nèi)部空氣質(zhì)量、溫濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)整空調(diào)及通風(fēng)設(shè)備控制策略，保持車站環(huán)境衛(wèi)生與健康，為乘客提供舒適的旅行環(huán)境，并達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

2.3 智慧運(yùn)維

通過能源管理平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控車站設(shè)備用能情況，對(duì)設(shè)備能源指標(biāo)與大數(shù)據(jù)健康度模型對(duì)比分析，對(duì)設(shè)備維修進(jìn)行預(yù)判，對(duì)設(shè)備故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)線上主動(dòng)預(yù)防性的智慧運(yùn)維管理。

能源管理平臺(tái)可及時(shí)向監(jiān)控終端和移動(dòng)端推送預(yù)判/報(bào)警信息，并與工單系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工單閉環(huán)管理。通過預(yù)判/報(bào)警推送功能，值班員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障情況和能耗異常情況，及時(shí)上報(bào)站長(zhǎng)或維護(hù)人員進(jìn)行處理，消除安全隱患，避免故障擴(kuò)大而影響正常運(yùn)行。通過工單聯(lián)動(dòng)功能，能夠自動(dòng)派發(fā)部分設(shè)備巡檢、設(shè)備維修任務(wù)，提升工作效率，減少操作失誤。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)據(jù)孿生技術(shù)可以幫助車站管理人員更加快速、準(zhǔn)確地判斷設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)[6]。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)采取措施，及時(shí)進(jìn)行維修和更換，避免設(shè)備故障對(duì)車站運(yùn)營帶來的損失。

采用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建車站功能區(qū)域信息系統(tǒng)模型，在物理世界和數(shù)字世界之間建立映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與三維空間坐標(biāo)的綁定，體現(xiàn)數(shù)據(jù)空間關(guān)系，解決車站設(shè)備智慧能源管理所面臨的技術(shù)難題，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源能源管理平臺(tái)的精確仿真和控制[7-8]。通過采集各個(gè)電表能耗和運(yùn)行信息，完成能耗的分類、分項(xiàng)、分區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)能源統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、降低綜合能耗。

3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

通過安裝多種傳感器對(duì)高鐵車站的設(shè)備運(yùn)行、能耗等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將其傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)中心進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)、輸出和展示。

能源管理平臺(tái)支持ModBus、TCP、WebSocket、MQTT等多種數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理并存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫和InfluxDB時(shí)序數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)分析及算法模型構(gòu)建。

通過Unity、E_Chart等數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將設(shè)備信息和能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖表、報(bào)表等形式，使數(shù)據(jù)更加直觀、易于理解，為車站管理人員提供更具可操作性的信息。

3.3 智能分析技術(shù)

3.3.1 歷史數(shù)據(jù)分析

通過聚類分析、判別分析、時(shí)間序列分析和耦合分析，生成諸如單位旅客日均能耗、單位面積日均能耗，不同區(qū)域（進(jìn)站層、站臺(tái)層、出站層、設(shè)備房間、商服設(shè)施）日均能耗，不同時(shí)間（季節(jié)、時(shí)段）日均能耗等統(tǒng)計(jì)圖，幫助管理者從宏觀與微觀不同粒度查看數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，提高決策的準(zhǔn)確性。

3.3.2 實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)分析

車站各區(qū)域的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性，用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練車站功能區(qū)域信息系統(tǒng)模型，進(jìn)而使用該模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)能耗數(shù)據(jù)實(shí)際值偏離模型預(yù)測(cè)值并且超過一定閾值時(shí)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)異常告警。在大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景下，異常能耗數(shù)據(jù)可能是由于設(shè)備處于亞健康狀態(tài)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)源不準(zhǔn)確、測(cè)量設(shè)備故障、數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤等原因?qū)е碌?。分析?shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)目的是迅速感知異常數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和決策的準(zhǔn)確性。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析由時(shí)序構(gòu)造模塊與異常檢測(cè)模塊構(gòu)成。

考慮到數(shù)據(jù)中含有趨勢(shì)因素及季節(jié)性、周期性的特點(diǎn)，時(shí)序構(gòu)造模塊綜合采用雙指數(shù)平滑模型、三指數(shù)平滑模型、奧林匹克模型等算法，以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)生成當(dāng)前的預(yù)測(cè)值。

異常檢測(cè)模塊綜合采用超低密度模型、拐點(diǎn)檢測(cè)模型、K-Sigma模型、基于DBScan密度的模型等。主要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)：

（1）異常值：指觀測(cè)值xt與期望值E(xt) 不同；

（2）波動(dòng)點(diǎn)：指在某個(gè)時(shí)間t，其狀態(tài)表現(xiàn)出與t前后的值不同；

（3）異常時(shí)間序列：給定一組時(shí)間序列X={xi}，異常時(shí)間序列xj∈X是在X上與大多數(shù)時(shí)間序列值不一致的部分。

4 平臺(tái)應(yīng)用情況

本文研發(fā)的能源管理平臺(tái)已在中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司和中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司部分車站開展應(yīng)用，通過數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)賦能，優(yōu)化節(jié)能減排策略，人員成本、綜合能耗和單位面積綜合能耗等指標(biāo)均有不同程度的降低，帶來了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。

5 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)我國鐵路低碳轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)，本文根據(jù)高鐵車站客運(yùn)管理需求和設(shè)備維護(hù)管理需求，結(jié)合智慧高鐵2.0體系框架，研究了數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在高鐵車站設(shè)備能源管理領(lǐng)域的應(yīng)用，在保障高鐵車站基礎(chǔ)設(shè)備正常運(yùn)行和旅客舒適出行基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高鐵車站節(jié)能減排、低成本運(yùn)營和可視化管理。