數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道變電站調(diào)試質(zhì)量監(jiān)督中的應(yīng)用

陳波，商兆濤，夏琴，張紅彬，陳浩，孫輝

（ 1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241005；3.國(guó)家電網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006 ）

0 引言

城市軌道變電站因軌道而設(shè)，處于城市之中，變電站中電力設(shè)備種類繁多，其可靠性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到軌道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。尤其是新建全自動(dòng)駕駛的跨座式單軌道變電站新設(shè)備、新技術(shù)加快應(yīng)用，軌道變電站設(shè)備狀態(tài)質(zhì)量管控智能化研究是軌道建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從源頭抓起，在設(shè)備安裝、聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段開展質(zhì)量分析方法的研究，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、排除風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)而預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，是城市軌道交通項(xiàng)目施工安全質(zhì)量控制與管理研究的重要課題。隨著技術(shù)的發(fā)展，智能化、模塊化、數(shù)字化電力設(shè)備的使用，也對(duì)軌道變電站綜合調(diào)試提出了更高的技術(shù)要求。

城市軌道變電站是軌道運(yùn)行的動(dòng)力源、專業(yè)范圍廣、線路復(fù)雜，工程安裝管理又是整個(gè)軌道建設(shè)全過程中重要的環(huán)節(jié)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試分析結(jié)果影響到變電站驗(yàn)收及應(yīng)用安全。傳統(tǒng)管理方式主要以監(jiān)管單位、監(jiān)理公司人工管理的方式為主，導(dǎo)致建設(shè)過程中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)碎片狀，信息資源缺乏整合無(wú)法滿足智能化、信息化和高質(zhì)量控制與管理發(fā)展的需求。

云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)等現(xiàn)代信息、仿真技術(shù)、通信新技術(shù)為質(zhì)量管理模式和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新和發(fā)展帶來(lái)了難得的歷史機(jī)遇[1-2]。在此基礎(chǔ)上，提出在軌道變電站電力設(shè)備安裝階段、設(shè)備試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、系統(tǒng)驗(yàn)收各個(gè)階段，采集變電站設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合變電站BIM模型，實(shí)現(xiàn)施工過程可視化和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)透明化，完成從分離式帶電測(cè)試向系統(tǒng)聯(lián)調(diào)數(shù)字化設(shè)備監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換，基于大量的設(shè)備靜態(tài)信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)從電力設(shè)備安裝開始通過數(shù)字孿生技術(shù)建立設(shè)備動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)和質(zhì)量判斷模型，探索軌道供電變電站施工安全質(zhì)量控制與管理研究的一種方法。

1 軌道變電站監(jiān)管現(xiàn)狀

目前軌道變電站電力安裝驗(yàn)收采用主要采用“各負(fù)其責(zé)”模式：軌道變電站（所）電力設(shè)備系統(tǒng)調(diào)試前，組織設(shè)備廠家人員到場(chǎng)，參與設(shè)備試驗(yàn)及調(diào)試工作。設(shè)備試驗(yàn)開始前將試驗(yàn)人員資質(zhì)、試驗(yàn)設(shè)備、儀器校驗(yàn)報(bào)告、試驗(yàn)方案以及調(diào)試大綱報(bào)監(jiān)理單位審核批準(zhǔn)，試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案及驗(yàn)收規(guī)范執(zhí)行，所有試驗(yàn)、調(diào)試項(xiàng)目結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)，邀請(qǐng)監(jiān)理單位對(duì)所調(diào)試的項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)驗(yàn)證，檢驗(yàn)驗(yàn)證合格，出具試驗(yàn)合格報(bào)告，編制資料報(bào)監(jiān)理單位審批。

常規(guī)的軌道交通電力設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)方法，需要對(duì)不同種類設(shè)備、不同廠家設(shè)備分別進(jìn)行檢測(cè)，調(diào)試發(fā)現(xiàn)問題需要逐一排查故障，不僅影響整個(gè)交通系統(tǒng)建設(shè)過程，同時(shí)增加成本[3]。隨著技術(shù)的不斷更新，常規(guī)安裝質(zhì)量驗(yàn)收方法的高成本、低效率、及時(shí)性不足、需要專業(yè)人員操作等問題日益凸顯。

由上可見，驗(yàn)收調(diào)試僅反映設(shè)備參數(shù)信息及當(dāng)時(shí)的調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)。設(shè)備驗(yàn)收、檢修、維護(hù)等工作基于上述數(shù)據(jù)開展，軌道變電站設(shè)備質(zhì)量判斷、驗(yàn)收、維護(hù)等工作方式存在人工干預(yù)環(huán)節(jié)較多，依據(jù)設(shè)備靜態(tài)信息和部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，影響故障預(yù)測(cè)、特征辨識(shí)等測(cè)試效率和測(cè)試結(jié)果的可信度。由于變電站企業(yè)設(shè)備類型繁多、型號(hào)各異，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)無(wú)法統(tǒng)一、影響結(jié)果無(wú)法跟蹤和追溯問題，存在大量的重復(fù)性測(cè)試，整體效率低下。此外，現(xiàn)有軌道變電站質(zhì)量監(jiān)管手段多以參數(shù)設(shè)置的靜態(tài)測(cè)試為主，無(wú)法動(dòng)態(tài)反演現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行工況以及對(duì)設(shè)備運(yùn)行的有效模擬和預(yù)測(cè)。

當(dāng)前監(jiān)測(cè)流程和調(diào)試驗(yàn)證方法需要依靠專業(yè)知識(shí)和從業(yè)經(jīng)驗(yàn)綜合判斷，難以滿足軌道安全、快速、智能化建設(shè)的要求。同時(shí)，全自動(dòng)跨座式單軌道首次在蕪湖建設(shè)，設(shè)備類型繁多、型號(hào)各異，動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程復(fù)雜，影響系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的因素較多，聯(lián)調(diào)聯(lián)試復(fù)雜，迫切需要研究一種適用于軌道安裝過程質(zhì)量監(jiān)控的系統(tǒng)化建模方法，推動(dòng)設(shè)備狀態(tài)感知技術(shù)與傳統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督工作的整合，加快智能過程監(jiān)控體系建設(shè)，以利于后續(xù)數(shù)字軌道建設(shè)的深入開展。

2 數(shù)字孿生技術(shù)監(jiān)管研究

BIM 是以建立建筑物三維立體模型為載體，形成建筑設(shè)計(jì)、施工、管理有效銜接，同時(shí)協(xié)調(diào)不同工種的工作。三維立體模型具有一定的直觀性和模擬性，可將建筑物的所有技術(shù)參數(shù)以空間立體模型的方式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中，對(duì)模型內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與更換，從而形成完整的數(shù)據(jù)庫(kù)。BIM 技術(shù)在城市軌道交通中有著廣泛應(yīng)用，適用于軌道線纜的敷設(shè)及安裝、疏散平臺(tái)的碰撞設(shè)計(jì)、地鐵施工技術(shù)工藝的可視化研究等，對(duì)提高城市軌道交通的施工效率、優(yōu)化施工方案、合理配置施工資源都有著極為重要的作用[4]。

數(shù)字孿生又稱為數(shù)字雙胞胎，主要在數(shù)字空間構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的全信息映射，同步反映物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，在難以開展的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行各種分析研究，為各種高級(jí)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。同時(shí)，數(shù)字孿生與通信技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真等技術(shù)相融合，充分利用該技術(shù)的特點(diǎn)和設(shè)備物理模型、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)等采集的數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多概率等仿真過程，反映實(shí)體裝備在實(shí)際環(huán)境與虛擬空間映射下的全過程[5]。

本文提出安裝階段充分發(fā)揮BIM在軌道變電站設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)軌道變電站設(shè)備進(jìn)行建模分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，建立數(shù)字化的變電站模型，跟蹤并在一定程度上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，提供智能化的質(zhì)量監(jiān)控分析服務(wù)。

首先，采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)處理，研究數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系；其次，基于信息流、能量流分析設(shè)備物理模型，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的故障結(jié)構(gòu)樹，融合BIM、VR等技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試環(huán)境與虛擬空間映射下的全過程，實(shí)現(xiàn)智能化質(zhì)量監(jiān)控。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理研究

智能化過程監(jiān)控需要在測(cè)量獲得大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立一個(gè)完全覆蓋軌道變電、用電設(shè)備等多個(gè)環(huán)節(jié)的全景感知網(wǎng)絡(luò)，擺脫以往數(shù)據(jù)獲取不全面，數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用不立體的困局，以海量數(shù)據(jù)為依托，相關(guān)性分析為切入點(diǎn)，統(tǒng)籌分析，綜合評(píng)價(jià)。因此，對(duì)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理是智能監(jiān)控分析的基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)多源化

智能化軌道系統(tǒng)要求能夠盡可能全面、詳細(xì)了解系統(tǒng)內(nèi)的微小變化，為此需要布置盡可能多的采樣點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的設(shè)備數(shù)量多且裝有各類傳感器以獲得多源數(shù)據(jù)。不同設(shè)備采集的不同狀態(tài)數(shù)據(jù)具有不同的量綱，或?qū)俨煌姆秶词雇悓?duì)象的同一信號(hào)，通過不同型號(hào)的測(cè)量設(shè)備獲得的結(jié)果也不盡相同。

2）數(shù)據(jù)多樣化

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)包括電氣量數(shù)據(jù)、非電氣量數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)，多源異構(gòu)的大數(shù)據(jù)是數(shù)字建模分析的基礎(chǔ)。

為保證數(shù)據(jù)正確處理，應(yīng)對(duì)傳感器采集到的多源海量數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性預(yù)處理，刪除因環(huán)境干擾而產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，獲得有效融合計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)。

軌道變電站要求獲取電力系統(tǒng)內(nèi)全面的基礎(chǔ)信息，以便進(jìn)行大量信息的相關(guān)性分析。因此目前的非電參量 (熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)量)和非結(jié)構(gòu)化參量 (視頻、圖像、聲音)等加入到電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，眾多的電力設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生多元、海量、異構(gòu)的數(shù)據(jù),包括電氣量數(shù)據(jù)、狀態(tài)量數(shù)據(jù)和過程量數(shù)據(jù)等[6]。

傳感器、電源、無(wú)線通信等受現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境的制約，其系統(tǒng)本身存在不穩(wěn)定性，再加上傳感器測(cè)量系統(tǒng)一般都暴露在外部環(huán)境中，采集精度易受外部環(huán)境的干擾。

有效完成數(shù)據(jù)預(yù)處理是基于數(shù)字孿生的城市軌道變電站綜合調(diào)試質(zhì)量分析系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)。軌道變電站數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理需要開展的各個(gè)單元，如圖1所示。

圖1 軌道變電站數(shù)字孿生技術(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2 狀態(tài)監(jiān)控模型

軌道變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)建模需要全方位獲取各類設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)信息，包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，具體表現(xiàn)為運(yùn)行工況狀態(tài)、故障信息、設(shè)備出廠信息等。因此變電站設(shè)備全維度狀態(tài)監(jiān)控需要設(shè)備的全方位信息，包括時(shí)間空間信息、信息空間信息和物理空間信息。同時(shí)，對(duì)變電站狀態(tài)評(píng)估進(jìn)行發(fā)展預(yù)測(cè)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)開展設(shè)備狀態(tài)評(píng)研究。研究過程中使用了多種數(shù)據(jù)分析的模型，如：馬爾可夫（Markov）方法、Topsis模型、概率模型、故障樹、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等。上述模型和方法均需要一定規(guī)模的歷史數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，支撐數(shù)據(jù)訓(xùn)練過程，才能得到有效評(píng)估和識(shí)別模型結(jié)果。目前，評(píng)估和診斷方法逐漸向著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式和基于大數(shù)據(jù)分析的方向發(fā)展。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)數(shù)字映射系統(tǒng)[7]。因此BIM技術(shù)構(gòu)建的變電站，可以通過研發(fā)變電站動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的控制狀態(tài)的可視化；研究各部件運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及部件運(yùn)行狀態(tài)對(duì)功能的耦合關(guān)系，研究通用系統(tǒng)化建模方法，探索數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建變電站安全、有序、動(dòng)態(tài)化通用模型，在質(zhì)量控制與過程監(jiān)督中實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的有效模擬和行為預(yù)測(cè)策略。數(shù)字孿生技術(shù)在軌道變電站的應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生技術(shù)在軌道變電站的應(yīng)用

目前，軌道變電站狀態(tài)分析及系統(tǒng)建模研究并未充分利用數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，總是以獨(dú)立的個(gè)體為作為分析對(duì)象，除大規(guī)模聯(lián)調(diào)聯(lián)試以外，較少將這些分散的系統(tǒng)作為統(tǒng)一的整體進(jìn)行研究。變電站設(shè)備存在多種應(yīng)用模式，在數(shù)字化、智能化用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究典型設(shè)備的工作模式，根據(jù)實(shí)際調(diào)查研究設(shè)備的各種工況，確認(rèn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控點(diǎn)和狀態(tài)特征變量選擇，從理論上分別研究這些不同工作模式下的特性，構(gòu)建信息流模型。

軌道變電站進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字孿生開發(fā)，在充分分析多種電力設(shè)備特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道輸供電系統(tǒng)的響應(yīng)特性，控制系統(tǒng)的邏輯與算法等多個(gè)方面開展仿真驗(yàn)證技術(shù)。實(shí)現(xiàn)完備且完善的基于數(shù)字孿生的軌道變電站安裝質(zhì)量控制與過程監(jiān)督，還需要建模和仿真之外的其他技術(shù)，如：基于歷史數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果校準(zhǔn)技術(shù)、VR等。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著軌道建設(shè)智能化、信息化程度不斷加深，大量數(shù)據(jù)被采集、上傳、計(jì)算、分析。探索BIM與數(shù)字孿生等現(xiàn)代信息技術(shù)融合方式，可實(shí)現(xiàn)集供電、電力、信息、通信、控制核心系統(tǒng)一體的軌道變電站質(zhì)量控制與過程監(jiān)督智能化。

在軌道設(shè)備安裝過程質(zhì)量監(jiān)控中，推動(dòng)設(shè)備狀態(tài)感知技術(shù)與傳統(tǒng)質(zhì)量驗(yàn)收工作相互融合，可實(shí)現(xiàn)綜合分析和快速定位，提供全生命周期管理，有效保障軌道交通安全。