城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維智能管控系統(tǒng)研究

李 軍

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司，南寧 530029）

我國城市軌道交通處于高速發(fā)展時期，運(yùn)營線路和里程屢創(chuàng)新高，為城市便捷出行和緩解地面交通壓力帶來良好的社會效益。同時，運(yùn)營規(guī)模不斷擴(kuò)大，裝備體系日益復(fù)雜，還有大量舊線的更新改造任務(wù)，給軌道交通運(yùn)維管理帶來巨大壓力，也對設(shè)備維修安全、質(zhì)量和效率提出更高的要求[1]。

供電系統(tǒng)運(yùn)維是城市軌道交通設(shè)備管理的重要組成部分。筆者對城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維管控系統(tǒng)進(jìn)行研究，引入在線檢測及狀態(tài)維修方法，探討了運(yùn)維管控平臺、多維數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能決策控制、設(shè)備維修管理、作業(yè)安全管控等方面的內(nèi)容，以“前端監(jiān)測+后臺管理+過程管控”的綜合性管理架構(gòu)，結(jié)合各種成熟的高新技術(shù)應(yīng)用，可以顯著提升設(shè)備維修管理效率和安全管控能力，提高運(yùn)維智能化程度。

1 供電設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀

目前，城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維業(yè)務(wù)大多沿用傳統(tǒng)的管理模式，具有如下特點(diǎn)：一是多計(jì)劃檢修、周期檢修、故障修，少在線檢測及狀態(tài)修；二是檢修作業(yè)普遍采用人工作業(yè)、人工監(jiān)管的方式，效率較低；三是檢修作業(yè)過程缺乏整體性安全管控措施，難以避免出現(xiàn)安全事故；四是僅以故障指標(biāo)論成敗，檢修過程數(shù)據(jù)不夠精細(xì)；五是缺少監(jiān)測、智能化處理、分析供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)趨勢和故障智能診斷的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺及智能化應(yīng)用[2]。隨著運(yùn)營線路和里程的不斷增加，運(yùn)營規(guī)模迅速擴(kuò)大，供電設(shè)備和運(yùn)維人員大幅增加，在相對粗放的運(yùn)維管理模式下，運(yùn)維成本一直保持上升態(tài)勢，同時也影響了質(zhì)量提升，存在諸多安全隱患。因此，僅依靠傳統(tǒng)運(yùn)維模式已經(jīng)很難滿足行業(yè)快速發(fā)展的需要。

國內(nèi)各城軌交通運(yùn)營單位都正在積極探索智能化運(yùn)維解決方案，已有許多管理系統(tǒng)或技術(shù)手段被應(yīng)用于供電設(shè)備運(yùn)維管理，在提高運(yùn)維管理效率和安全性保障方面起到一定的作用。但是總的來說，這些系統(tǒng)或技術(shù)僅解決了局部或個別針對性問題，側(cè)重于原有檢修模式的電子化，而且存在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、重復(fù)投資等問題，難以實(shí)現(xiàn)資源共享和向上整合，對于供電運(yùn)維安全和效率提升未有明顯效果。已經(jīng)規(guī)劃或建設(shè)的綜合性管控系統(tǒng)，大多用在公司級層面的信息化管理，難以深入滲透到各專業(yè)細(xì)分領(lǐng)域，缺乏底層數(shù)據(jù)支撐，特別是針對供電專業(yè)的智能運(yùn)維管理系統(tǒng)至今還難覓其蹤。各運(yùn)營單位在供電設(shè)備運(yùn)維模式、管理體系以及整體信息化、自動化程度等方面，都還處于起步階段。

建設(shè)一套城市軌道交通供電系統(tǒng)的智能運(yùn)維管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備狀態(tài)修及全過程的智能化管理和安全管控，突破不同專業(yè)、不同業(yè)務(wù)、不同系統(tǒng)之間的壁壘，并做到從現(xiàn)場、站端到中央管理層的全貫通，這在原來的管理模式和技術(shù)層面下難以實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)今，新技術(shù)不斷發(fā)展，智能傳感、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、軟件集成、視頻處理等技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。2019年，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，更是掀開新時代交通運(yùn)輸工作的新篇章。在此情況下，通過新技術(shù)構(gòu)建城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維智能管控平臺，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備全生命周期的在線健康監(jiān)測、趨勢分析、故障智能診斷和運(yùn)維管控已成為可能，也是城市軌道交通供電系統(tǒng)安全運(yùn)維和技術(shù)發(fā)展的趨勢[3]。

2 運(yùn)維管控體系建設(shè)

自2018 年7 月1 日起施行的《城市軌道交通運(yùn)營管理規(guī)定》(交通運(yùn)輸部令 2018 年第8 號)明確提出，要建立城市軌道交通智能管理系統(tǒng)，進(jìn)行集中監(jiān)管。城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維智能管控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備狀態(tài)修為目標(biāo)，從全線甚至整個城市軌道交通線網(wǎng)綜合考慮，整體性實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備檢修全業(yè)務(wù)、全過程、全要素的智能化管理和安全管控，是整個城市軌道交通智能管理系統(tǒng)的重要組成部分。

智能管理系統(tǒng)包括運(yùn)維管控平臺、多維數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能決策控制、設(shè)備運(yùn)維管理、作業(yè)安全管控等方面內(nèi)容，涵蓋了前端傳感設(shè)備及全方位信息采集、管控平臺建設(shè)及設(shè)備運(yùn)維管理、過程管理及安全管控，以及智能分析、故障診斷、生命周期管理等高級應(yīng)用。系統(tǒng)以“前端監(jiān)測+后臺管理+過程管控”的綜合性管理架構(gòu)，結(jié)合各種成熟高新技術(shù)應(yīng)用，大幅提高管理效率和安全管控能力，提高運(yùn)維智能化程度，以滿足軌道交通供電系統(tǒng)安全、規(guī)范、高效的運(yùn)營要求[4]。

2.1 運(yùn)維管控平臺

供電設(shè)備運(yùn)維智能管控平臺，是整個供電運(yùn)維管理的數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心和管理核心，為各種系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)信息共享、深度融合，并提供數(shù)據(jù)管理、3D 全景監(jiān)視、智能分析決策、智能控制、流程管理、其他系統(tǒng)通信接口、移動終端應(yīng)用、安全管理等管理和應(yīng)用服務(wù)。

供電運(yùn)維管控歸屬于運(yùn)營綜合管理，與地鐵公司的各種管理系統(tǒng)及平臺接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，其關(guān)系如圖1 所示。供電運(yùn)維管控平臺從綜合監(jiān)控或其他監(jiān)測系統(tǒng)接口獲取各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，從資產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取設(shè)備臺賬信息，同時返送設(shè)備運(yùn)維信息，將人員工作績效、安全活動記錄發(fā)送給人力資源系統(tǒng)，接受調(diào)度平臺統(tǒng)一的施工、調(diào)度及指揮管理，將重要信息及參數(shù)上傳至公司級全量數(shù)據(jù)庫及綜合信息管理平臺，在門戶網(wǎng)站、移動平臺等界面進(jìn)行統(tǒng)一展示[5]。

2.2 多維數(shù)據(jù)監(jiān)測

大多數(shù)管理系統(tǒng)的最大問題就是缺乏全面的底層數(shù)據(jù)支持，所以做好全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測是本系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。在供電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及運(yùn)維現(xiàn)場，部署各種監(jiān)測裝置、智能傳感器、視頻設(shè)備等前端設(shè)備，從量測數(shù)據(jù)、狀態(tài)信號、在線監(jiān)測、視頻信息、檢修記錄、操作記錄、運(yùn)行參數(shù)等不同角度，實(shí)現(xiàn)供電主設(shè)備的全方位采集監(jiān)測，各項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

圖1 供電運(yùn)維管控與其他綜合管理平臺的關(guān)系Fig. 1 Power supply operation and maintenance management and other integrated management platforms

表1 多維數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Multidimensional data monitoring statistics

上述各種監(jiān)測方式在本系統(tǒng)中均有相對成熟的方案來實(shí)現(xiàn)，還增加了非同源設(shè)備狀態(tài)、視頻智能分析識別等創(chuàng)新功能。另外，在系統(tǒng)實(shí)際實(shí)施時，也可從其他既有系統(tǒng)通信接口獲取部分監(jiān)測數(shù)據(jù)，以節(jié)省投資成本。

2.3 智能決策控制

在全方位數(shù)據(jù)采集和全景監(jiān)視的基礎(chǔ)上，利用專家規(guī)則庫、大數(shù)據(jù)分析、深度自學(xué)等技術(shù)，結(jié)合供電系統(tǒng)運(yùn)行理論知識，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)趨勢分析、故障智能診斷、輔助決策、智能聯(lián)控、一鍵停送電等智能化應(yīng)用，提高控制效率和安全性，為設(shè)備故障分析、檢修決策提供支撐。

2.4 設(shè)備運(yùn)維管理

供電設(shè)備是運(yùn)維的對象和主體，設(shè)備運(yùn)維管理包括運(yùn)行管理和檢修管理兩部分。

1) 運(yùn)行管理：重點(diǎn)研究供電設(shè)備虛擬可視化巡檢等智能化巡檢技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)主要設(shè)備和視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、安防、消防、隧道、井蓋、門禁、應(yīng)急搶險(xiǎn)物資、輔助電源等供電輔助設(shè)備及設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控，這是對主要供電設(shè)備監(jiān)測、運(yùn)維安全保障的重要補(bǔ)充。

2) 檢修管理：包括檢修計(jì)劃、任務(wù)工單、兩票管理，人員及資質(zhì)管理，工器具管理，備品備件及材料管理，以及標(biāo)準(zhǔn)修程、檢修作業(yè)指導(dǎo)、數(shù)據(jù)及舉證材料采集、進(jìn)度控制、績效考核等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修全過程信息化和閉環(huán)管理。根據(jù)巡檢結(jié)果、運(yùn)行記錄或智能診斷分析結(jié)果來發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷或故障，完成缺陷管理和故障處理流程，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和檢修的銜接。將所有的設(shè)備運(yùn)行、巡檢、檢測、缺陷、故障、部件更換、檢修、設(shè)備報(bào)廢等記錄錄入設(shè)備運(yùn)維臺賬，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理提供數(shù)據(jù)支撐。

2.5 作業(yè)安全管控

安全是一切生產(chǎn)活動的前提，本系統(tǒng)采用各種邏輯控制、強(qiáng)制閉鎖、作業(yè)引導(dǎo)等技術(shù)手段和系列設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維作業(yè)全過程的安全管控。

本系統(tǒng)通過建立檢修計(jì)劃、任務(wù)工單、工作票、操作票、檢修標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)等模塊之間的邏輯關(guān)聯(lián)，保證計(jì)劃任務(wù)和現(xiàn)場作業(yè)的一致性；通過防誤鎖具、智能鎖具、隔離鎖具、門禁等閉鎖設(shè)備，對待操作設(shè)備、箱柜門、檢修邊界、區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)制閉鎖，通過電氣倒閘防誤閉鎖、接地管理、智能鎖具管理、檢修隔離管理等模塊及相應(yīng)的智能手持終端，進(jìn)行任務(wù)授權(quán)及解鎖操作，引導(dǎo)工作人員完成相應(yīng)的操作，防止各種誤操作和誤入帶電區(qū)域，保證操作安全；通過視頻智能分析作業(yè)人員勞保穿戴和異常行為，通過安全資質(zhì)檢測、權(quán)限驗(yàn)證、智能式穿戴產(chǎn)品等技術(shù)手段來保證作業(yè)中的人員安全。

3 運(yùn)維管控系統(tǒng)架構(gòu)

城市軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維智能管控系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層構(gòu)成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)通過保護(hù)測控裝置、在線監(jiān)測設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、作業(yè)安全管控設(shè)備等感知層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維數(shù)據(jù)采集、安全作業(yè)、就地監(jiān)控及邊緣計(jì)算；通過多種有線和無線網(wǎng)絡(luò)的綜合應(yīng)用，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯聚到智能管控平臺；通過大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)測、輔助監(jiān)控、作業(yè)管理、設(shè)備管理、預(yù)知分析、移動應(yīng)用等運(yùn)維功能。

4 管控系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新

4.1 系統(tǒng)3D 全景監(jiān)視

系統(tǒng)采用3D 全景監(jiān)視技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行監(jiān)視。首先，對全線供電系統(tǒng)的建筑、場地、設(shè)備等進(jìn)行精細(xì)化3D 建模，構(gòu)建高精度、等比例的虛擬環(huán)境及設(shè)備；設(shè)備3D 模型完全仿真，具有與實(shí)際設(shè)備完全一致的人機(jī)面板信息和操作流程，可執(zhí)行板卡級裝卸，便于學(xué)習(xí)和維護(hù)。然后，在3D 模型中插入熱點(diǎn)，關(guān)聯(lián)到設(shè)備量測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻畫面、巡檢記錄、運(yùn)維記錄等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)多維度全景監(jiān)視。

圖2 軌道交通供電設(shè)備運(yùn)維智能管控系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 System architecture of the smart operation and maintenance system for power supply in urban rail transit

4.2 視頻智能分析識別

將視頻監(jiān)控與供電運(yùn)維狀態(tài)監(jiān)測、安全管控的需求相結(jié)合，對設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境狀況和人員行為進(jìn)行智能分析識別?？梢宰詣幼R別設(shè)備工況，獲取相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)值，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式上傳到系統(tǒng)后臺，取代現(xiàn)場部分監(jiān)測傳感器功能；可實(shí)現(xiàn)煙霧火災(zāi)識別、物品遺留/丟失檢測、人臉識別、勞保著裝檢測、值班人員脫崗、人員越區(qū)/逗留/徘徊等異常行為監(jiān)測等多種安全管控功能，將傳統(tǒng)的被動運(yùn)維方式變成智能、高效的主動運(yùn)維方式[6]。

4.3 虛擬可視化巡檢

在3D 全景監(jiān)視、電子化巡檢、軌道機(jī)器人巡檢、視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上研究虛擬可視化巡檢技術(shù)，工作人員可在3D 場景根據(jù)既定巡檢路線完成實(shí)景漫游，各種設(shè)備參數(shù)、信號和視頻畫面自動展現(xiàn)，完成后自動生成巡檢報(bào)告，從而在電腦前就完成了整個巡檢過程。這給電氣設(shè)備巡檢提供了具有豐富環(huán)境及立體設(shè)備信息的可視化巡檢平臺，有效提高巡檢工作的高效性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，節(jié)省巡檢成本[7]。

4.4 設(shè)備故障智能診斷

在管控平臺建立設(shè)備狀態(tài)趨勢分析和故障智能診斷模型(見圖3)，完成數(shù)據(jù)積累、融合和深度學(xué)習(xí)，跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)變化趨勢，對比主動預(yù)警策略庫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)趨勢分析、自動評價(jià)和智能預(yù)警；供電系統(tǒng)故障時，根據(jù)動作信號及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行方式和專家規(guī)則庫，進(jìn)行綜合判斷和智能分析，推導(dǎo)故障原因，參照故障處理策略庫，形成故障診斷及決策報(bào)告，指導(dǎo)故障快速處理，提高故障處理的準(zhǔn)確性和時效性[8]。

圖3 設(shè)備狀態(tài)趨勢分析和故障智能診斷模型Fig. 3 Equipment status trend analysis and fault intelligent diagnosis model

4.5 檢修計(jì)劃動態(tài)管理

傳統(tǒng)的檢修計(jì)劃管理依靠調(diào)度人員手動推算編制、人工流轉(zhuǎn)和紙質(zhì)記錄，效率不高，尤其在出現(xiàn)臨時檢修、行政指令等意外情況時，往往會打亂原來計(jì)劃，更缺乏完整的跟蹤管理。本系統(tǒng)研究基于動態(tài)規(guī)劃的檢修計(jì)劃管理技術(shù)，根據(jù)檢修周期、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)維記錄、臨時檢修計(jì)劃等條件，動態(tài)生成并更新檢修計(jì)劃，按年度自動滾動生成后續(xù)周期性計(jì)劃，在后續(xù)實(shí)施過程中實(shí)現(xiàn)自動提醒、工單生成、現(xiàn)場作業(yè)進(jìn)度控制、數(shù)據(jù)錄入、績效統(tǒng)計(jì)等完整的業(yè)務(wù)流程控制。完全實(shí)現(xiàn)信息化管理，可解決傳統(tǒng)模式的各種問題，有利于提高供電運(yùn)維管理效率和信息化水平。

4.6 非同源設(shè)備狀態(tài)采集

斷路器、隔離刀閘通常通過輔助節(jié)點(diǎn)獲取分、合位置狀態(tài)，而本系統(tǒng)采用完全不同的原理及技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斷路器、隔離刀閘的第二套位置采集方案，即非同源設(shè)備狀態(tài)采集[9]。在系統(tǒng)進(jìn)行智能程序化控制時，將兩種方式獲取的設(shè)備位置進(jìn)行邏輯比較，僅兩者狀態(tài)一致時才認(rèn)為設(shè)備確已變位，方能判定操作成功，從而有效保證了智能控制的安全性和準(zhǔn)確性。

4.7 一鍵停送電智能操作

地鐵檢修只能在晚上停運(yùn)的短短幾個小時內(nèi)實(shí)施，還要進(jìn)行停送電、安全措施部署等作業(yè)準(zhǔn)備工作，所以有效檢修的時間更少。隨著近幾年可視化接地技術(shù)的普及應(yīng)用，全線電氣設(shè)備已全部具備遙控操作條件，壓板、空開等二次設(shè)備也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了全線供電倒閘操作的智能程序化控制，大大縮短了停送電及安全措施部署時間，為地鐵檢修提供了更多有效作業(yè)時間。

本系統(tǒng)研究一鍵停送電智能操作技術(shù)，包括操作票預(yù)制、操作任務(wù)生成、設(shè)備狀態(tài)自動判別、防誤聯(lián)鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動、操作過程自動執(zhí)行、順序控制、并行接地等內(nèi)容，一鍵即可自動完成全線停送電及安全措施部署，采用非同源設(shè)備狀態(tài)、雙因子權(quán)限驗(yàn)證、操作前后條件判斷、獨(dú)立防誤校驗(yàn)、聯(lián)動視頻監(jiān)視等技術(shù)，保證一鍵操作的安全性[10]，其操作流程如圖4 所示。

圖4 供電倒閘一鍵停送電智能操作流程Fig. 4 Intelligent operation process of one-button power outage or power transmission

4.8 供電運(yùn)維智能聯(lián)控

系統(tǒng)充分發(fā)揮了管控平臺資源共享、深度融合的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了供電運(yùn)維多種智能聯(lián)控功能。當(dāng)某個點(diǎn)出現(xiàn)報(bào)警或異常時，聯(lián)動控制其他相關(guān)模塊或子系統(tǒng)，自動跟蹤、快速應(yīng)對，提高了供電系統(tǒng)運(yùn)維的安全性和應(yīng)急管理水平。智能聯(lián)控實(shí)現(xiàn)的功能很多，如：操作、告警、環(huán)境異常聯(lián)動視頻監(jiān)視及錄像，現(xiàn)場溫度、氣體監(jiān)測、水位異常自動啟動空調(diào)控制、通風(fēng)、排水，消防報(bào)警自動啟動滅火裝置、解除門禁、報(bào)警信息移動終端自動推送，等等。

5 結(jié)語

國內(nèi)城市軌道交通目前處于高速發(fā)展時期，傳統(tǒng)人工運(yùn)維方式已不能滿足日益發(fā)展的軌道交通運(yùn)維需求，預(yù)知性維修是未來主流維修模式。城市軌道交通供電運(yùn)維智能管控系統(tǒng)符合國家和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，創(chuàng)新性地應(yīng)用智能傳感、大數(shù)據(jù)、軟件集成、人工智能、視頻分析、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)，在保證運(yùn)維作業(yè)安全的前提下，為城市軌道交通運(yùn)營單位帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和工作效率的提升，具有廣闊的市場前景。