基于多源數據的軌道交通能耗異常原因分析

朱龍佳，唐旭東，夏樹高，王冠群

（1.貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴陽 550000；2.青島海信網絡科技股份有限公司，山東 青島 266000）

我國軌道交通運營體量大，整體耗電量巨大，年總耗電量約為115 億kW·h，占全國總耗電量的1.9%。隨著我國碳達峰碳中和承諾的提出，雙碳政策成為我國新興的戰(zhàn)略方向，作為用電大戶，軌道交通行業(yè)需要研究新的技術，推動節(jié)能減排工作的開展。貴陽軌道交通線網規(guī)劃共計9 條線，已運營2 條線，正在建設2 條線。目前已運營的1 號線和2 號線一期都部署了能源管理系統(tǒng)，統(tǒng)計線路電耗、水耗及燃氣消耗等耗能情況。軌道交通運營電耗受天氣、客流、列車運行等多種因素影響，出現能耗異常時，確定原因比較困難。目前主要依靠人工進行分析，發(fā)現能耗異常原因，并制定相應的節(jié)能對策，這需要耗費大量的人力，處置效率低。本文基于軌道交通通風空調系統(tǒng)能耗的影響因素，結合多專業(yè)的數據，研究能耗問題的根因分析方法，完成能耗異常問題快速定位，及時排查和解決能耗問題，實現地鐵節(jié)能減排。

1 通風空調系統(tǒng)組成及能耗影響因素

軌道交通車站分為地下車站和地上車站，只有地下車站需要建設通風空調系統(tǒng)。車站通風空調系統(tǒng)（又稱地鐵環(huán)控系統(tǒng)）是為保證車站及隧道內部空氣品質、溫濕度等環(huán)境因素在乘客可接受水平而設的系統(tǒng)，是地鐵系統(tǒng)不可分割的一部分。從系統(tǒng)組成來看，通風空調系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)。從通風空調系統(tǒng)工藝來看，目前，軌道交通車站大多采用的是全空氣空調系統(tǒng)，它是完全由空氣來承擔房間冷負荷的系統(tǒng)，主要由公共區(qū)域通風系統(tǒng)、設備及管理用房通風系統(tǒng)、空調水系統(tǒng)三部分組成。

貴陽軌道交通1 號線和2 號線車站通風空調系統(tǒng)均為屏蔽門系統(tǒng)和全空氣空調系統(tǒng)。針對屏蔽門系統(tǒng)，從車站負荷的角度分析，車站通風空調系統(tǒng)能耗近似于車站負荷模型Q，其主要有車站人員負荷Q、機械新風負荷Q、無組織滲透風負荷Q、設備散熱量Q、圍護結構傳熱量Q等。車站負荷模型Q用公式可以表示為：

下面通過分析影響車站負荷的因素，對車站負荷模型進行研究。其中，車站人員負荷主要與車站進出站客流量有關；機械新風負荷與新風風機開啟風量、室外溫濕度等信息有關；無組織滲透風負荷主要由車站出入口滲透新風負荷、活塞風負荷和屏蔽門滲透風負荷組成，它與車站出入口面積、室外溫濕度、隧道溫濕度、屏蔽門面積以及行車間隔有關；設備散熱量則與車站設備的運行功率有關；圍護結構傳熱量與車站建筑面積有較大關系。這些負荷影響因素的數據存在于綜合監(jiān)控系統(tǒng)、設計圖紙、售檢票系統(tǒng)等多個環(huán)節(jié)，具體的數據來源如表1 所示。

表1 通風空調系統(tǒng)能耗影響因素的數據來源

另外，通風空調系統(tǒng)能耗除了與上述負荷影響因素有關外，還與系統(tǒng)本身的能效情況息息相關，其中與通風空調系統(tǒng)有關的能效指標如表2 所示。

表2 通風空調水系統(tǒng)部分能效指標

這些能效系數的優(yōu)劣決定了相同負荷需求下通風空調系統(tǒng)的耗能多少。綜上所述，判斷通風空調系統(tǒng)能耗影響是一個多維度、多專業(yè)的系統(tǒng)問題，在實際業(yè)務中，由于影響因素維度多，每一個維度取值范圍不同，導致能耗異常問題定位和異常原因判斷過程復雜，需要耗費大量人力。

2 系統(tǒng)能耗異常的根因分析方法

在工程領域，根因分析是一種解決問題的方法，該方法的指導思想是分析既有問題產生的影響因素，并構建因果關系圖，以識別問題發(fā)生的根本原因。根因分析主要方法有決策樹法、層次聚類法等。根據上文對通風空調系統(tǒng)能耗影響因素的整理，本文將對通風空調系統(tǒng)能耗進行逐層分解，討論層次聚類法在通風空調系統(tǒng)能耗異常根因分析中的應用。

基于根因分析的層次聚類法是一種用于網絡入侵警報日志的故障定位方法。該算法首先指出網絡入侵行為導致系統(tǒng)報警泛濫，利用根因分析追根溯源，提取警報信息關鍵特征并分析警報特征的因果關系，以此構建層次聚類的聚合結構，然后依據聚合結構的特性，設計樣本的不相似度度量方法，最后通過聚合策略將具有相同根因的警報日志歸納為能夠涵蓋報警內容的泛化警報摘要，最終實現所有警報信息的聚類泛化。

下面對通風空調系統(tǒng)能耗進行泛化分層，經層次分解，其共分為4 層，如圖1 所示。首層的通風空調系統(tǒng)作為根節(jié)點，其三個主要能耗組成部分公共區(qū)域通風、設備及管理用房通風、空調水系統(tǒng)作為二級，三級層次是影響各部分能耗的負荷因素，四級層次是相關負荷影響因素的數據情況。

圖1 通風空調系統(tǒng)能耗分層結構

利用根因分析，以通風空調系統(tǒng)能耗分層結構為模型，構建通風空調能耗分析樹形泛化結構。樹形結構的特性使每一個能耗異常樣本都具有唯一的、最頂層的泛化結果。通風空調系統(tǒng)能耗分層結構模型可以用公式表示為：

式中：為向量樹；為樹的結點集，表示通風空調系統(tǒng)的能耗組成部分；為樹形結構的邊集，與樹的結點相連，表示影響能耗的多維數據。

通風空調系統(tǒng)能耗進行泛化分層后，基于以上層次分類，通風空調系統(tǒng)能耗異常樣本的根因分析過程如下：整理能耗異常樣本集={,,,…,P}，其中，P代表能耗異常樣本的屬性值；計算樣本中每一項屬性P的期望和方差；依據泛化層次關系，自上而下選取屬性P，通過對比P的取值范圍，選擇超出取值范圍的屬性，計算屬性與能耗異常樣本的不相似度；計算單個異常樣本所有屬性的累計不相似度δ；計算所有樣本累計不相似度；選擇累計不相似度最小的集合，中的相關屬性作為異常樣本的根因屬性，是產生能耗異常的原因屬性。

3 結論

貴陽軌道交通2 號線一期于2021年4月正式開通運營，開通時間較晚，能耗異常的樣本數據積累較少，暫未形成根因分析所需的有效樣本集。隨著線路、車站能耗數據的積累，2022年，能耗根因分析診斷系統(tǒng)正式上線運行，其通過自動分析定位能耗異常問題，發(fā)現能耗異常原因，為貴陽軌道交通2 號線能源管理提供抓手，降低線路運營成本。