軌道交通供電系統(tǒng)智能運維平臺研究與應(yīng)用

徐麗芬

（中鐵建電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

城市軌道交通的智能化發(fā)展，是解決城市交通擁堵問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)運維方式主要依靠人工巡檢和維護(hù)，存在維護(hù)效率低下、成本高昂等問題[1]。而采用智能化運維技術(shù)，可提高軌道交通供電系統(tǒng)運維效率和可靠性。

1 軌道交通供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)專業(yè)智能運維相關(guān)技術(shù)概述

1.1 軌道交通供電系統(tǒng)和接觸網(wǎng)

軌道交通供電系統(tǒng)的運營安全和可靠性對城市軌道交通的正常運營至關(guān)重要。由于軌道交通供電系統(tǒng)具有高密度、高能耗、高速度、高可靠性等特點，在使用過程中容易出現(xiàn)故障和損壞，會直接影響軌道交通的安全性和準(zhǔn)時率。目前，市場上的軌道交通接觸網(wǎng)專業(yè)智能運維主要使用的操作系統(tǒng)包括Windows 和Linux 等。其中，Windows 操作系統(tǒng)具有圖形界面友好、易于學(xué)習(xí)和使用的特點，得到廣泛應(yīng)用。Linux 操作系統(tǒng)則因高度可定制性、穩(wěn)定性和安全性而備受歡迎。軌道交通接觸網(wǎng)專業(yè)智能運維包括以下幾個方面：第一，數(shù)據(jù)采集。通過安裝傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實時獲取接觸網(wǎng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、溫度等參數(shù)。第二，數(shù)據(jù)傳輸。采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，以便進(jìn)行分析和處理。第三，數(shù)據(jù)分析。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以識別接觸網(wǎng)運行中可能存在的問題和隱患。第四，故障診斷。通過對數(shù)據(jù)分析結(jié)果的綜合判斷，診斷接觸網(wǎng)可能存在的故障原因，并提供解決方案。第五，遠(yuǎn)程控制。通過智能運維平臺，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制接觸網(wǎng)運行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和調(diào)整。以上操作方法的實現(xiàn)需要依賴各種技術(shù)手段，包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能技術(shù)等。通過這些技術(shù)手段的綜合運用，可以實現(xiàn)軌道交通供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)專業(yè)智能運維。

1.2 軌道交通供電系統(tǒng)智能運維

軌道交通供電系統(tǒng)智能運維是指通過人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，對軌道交通供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設(shè)備健康狀況等進(jìn)行實時監(jiān)測、分析、預(yù)測和優(yōu)化，以實現(xiàn)供電系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行和對故障的快速診斷與修復(fù)。傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)運維模式主要依靠人工巡檢和維護(hù)，缺點是效率低、成本高、易出現(xiàn)疏漏等問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維逐漸被廣泛應(yīng)用于軌道交通供電系統(tǒng)，取得了顯著成效，軌道交通供電系統(tǒng)智能運維也已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展趨勢。在智能供電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和預(yù)測是關(guān)鍵的技術(shù)。智能供電系統(tǒng)的發(fā)展離不開人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持。根據(jù)市場研究機構(gòu)Gartner 的數(shù)據(jù)，到2025 年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將超過500 億臺，智能供電系統(tǒng)將成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。具體來說，軌道交通供電系統(tǒng)智能運維的主要內(nèi)容包括：第一，實時監(jiān)測。通過傳感器、監(jiān)控設(shè)備等手段，對供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設(shè)備運轉(zhuǎn)參數(shù)等進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的全面了解和精準(zhǔn)掌控。第二，數(shù)據(jù)分析。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)存在的問題和異常情況，及時進(jìn)行響應(yīng)和處理。第三，故障預(yù)測。通過對供電系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，建立故障預(yù)測模型，預(yù)測潛在的故障風(fēng)險，提前采取措施，避免故障發(fā)生。第四，智能優(yōu)化。根據(jù)供電系統(tǒng)的實時運行情況，采取智能化措施對供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整電壓、控制負(fù)載等，以實現(xiàn)更加高效穩(wěn)定的運行狀態(tài)。第五，遠(yuǎn)程維護(hù)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障，減少維護(hù)人員的巡檢頻次和維修時間，降低運營成本。

2 軌道交通供電系統(tǒng)智能運維平臺分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是智能運維的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，通過在供電系統(tǒng)中部署各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測，獲取供電系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)信息。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集主要包括以下幾個方面：第一，接觸網(wǎng)電流和電壓數(shù)據(jù)采集。接觸網(wǎng)是供電系統(tǒng)的重要組成部分，通過采集接觸網(wǎng)的電流和電壓等數(shù)據(jù)，可以了解接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)的故障和異常。第二，車輛牽引系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。車輛牽引系統(tǒng)是直接受電的設(shè)備，通過采集車輛牽引系統(tǒng)的電流、電壓等數(shù)據(jù)，可以了解車輛的運行狀態(tài)和性能，及時發(fā)現(xiàn)車輛的故障和異常。第三，溫度和濕度數(shù)據(jù)采集。軌道交通供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)與環(huán)境因素密切相關(guān)，通過采集供電系統(tǒng)周圍的溫度和濕度等數(shù)據(jù)，可以了解供電系統(tǒng)周圍的環(huán)境狀態(tài)，為運維決策提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)分析與診斷

數(shù)據(jù)分析與診斷是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維的核心環(huán)節(jié)。通過采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析和診斷供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)供電系統(tǒng)的故障和異常，為后續(xù)的運維決策提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)分析與診斷主要包括以下幾個方面：第一，數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)分析與診斷的前置環(huán)節(jié)。第二，故障診斷。通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運用機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的故障診斷，包括故障類型診斷、故障原因分析等。第三，性能評估。通過對車輛牽引系統(tǒng)和接觸網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析，評估車輛和接觸網(wǎng)的運行性能，包括對車輛的牽引功率、接觸網(wǎng)的電阻等參數(shù)的評估[3]。第四，異常檢測。通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的異常檢測，包括電網(wǎng)電壓波動、接觸網(wǎng)電流超標(biāo)等異常檢測。

2.3 運維決策

基于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析與診斷的結(jié)果，該平臺能夠提出一系列針對供電系統(tǒng)的運維決策，包括以下幾個方面：第一，故障預(yù)警。通過對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)故障預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障風(fēng)險，為后續(xù)的維修和保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐。第二，優(yōu)化調(diào)度。通過對車輛牽引系統(tǒng)和接觸網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化車輛的運行調(diào)度，提高車輛的牽引效率，降低能源消耗。第三，快速響應(yīng)。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時，該系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，并提供相應(yīng)的處理方案，及時恢復(fù)供電系統(tǒng)正常運行。第四，維修保養(yǎng)。通過對供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障情況進(jìn)行分析，制訂相應(yīng)的維修和保養(yǎng)計劃，提高供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)優(yōu)化是指基于數(shù)據(jù)分析和運維決策的結(jié)果，通過改變供電系統(tǒng)的運行參數(shù)、優(yōu)化供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或配置等方式，提高供電系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性。具體來說，系統(tǒng)優(yōu)化的主要內(nèi)容包括以下方面：第一，運行參數(shù)調(diào)整。根據(jù)數(shù)據(jù)分析和診斷結(jié)果，調(diào)整供電系統(tǒng)的運行參數(shù)，如調(diào)整電壓、電流等，以提高系統(tǒng)的運行效率和降低系統(tǒng)故障率。第二，結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如更換設(shè)備、調(diào)整線路結(jié)構(gòu)等，提高供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。第三，配置優(yōu)化。通過對供電系統(tǒng)的配置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，如調(diào)整設(shè)備的位置、優(yōu)化配電方案等，降低供電系統(tǒng)的能耗和運營成本。

2.5 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是指對整個軌道交通供電系統(tǒng)智能運維過程進(jìn)行全面管理和監(jiān)督，確保系統(tǒng)運行的有效性和可持續(xù)性。具體來說，系統(tǒng)管理的主要內(nèi)容包括以下方面：第一，運維計劃制訂。根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，制訂軌道交通供電系統(tǒng)的運維計劃，明確各項運維任務(wù)、時間節(jié)點和責(zé)任人，確保運維任務(wù)有序推進(jìn)。第二，運維過程管理。對軌道交通供電系統(tǒng)的智能運維過程進(jìn)行全面管理和監(jiān)督，確保各項運維任務(wù)的有效執(zhí)行和及時反饋。第三，運維質(zhì)量評估。對軌道交通供電系統(tǒng)智能運維的效果進(jìn)行評估，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，不斷優(yōu)化和提升智能運維的水平和質(zhì)量。第四，信息安全管理。對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、備份和保護(hù)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠性，預(yù)防系統(tǒng)遭受黑客攻擊或數(shù)據(jù)泄露等風(fēng)險。

總之，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺可以實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和運行狀態(tài)分析，提高運維效率和供電系統(tǒng)的可靠性，為城市軌道交通的安全、穩(wěn)定運行提供有力的保障。系統(tǒng)分析是軌道交通供電系統(tǒng)智能運維的重要組成部分，通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和診斷，有助于制訂運維決策和優(yōu)化方案，并對整個系統(tǒng)運維過程進(jìn)行全面管理和監(jiān)督，以確保供電系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

3 試驗驗證

為驗證提出的智能運維平臺的效果，開展了相應(yīng)的試驗，并從維護(hù)成本和事故率兩個方面進(jìn)行分析。

3.1 維護(hù)成本分析

傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)維護(hù)方式通常采用固定周期檢修和定期保養(yǎng)的方法，存在以下缺點。第一，維護(hù)周期固定。系統(tǒng)維護(hù)周期固定，無法根據(jù)實際運行情況進(jìn)行靈活調(diào)整，會產(chǎn)生一些不必要的維護(hù)費用。第二，非精準(zhǔn)保養(yǎng)。傳統(tǒng)的定期保養(yǎng)方式通常采用的是全面保養(yǎng)，而非精準(zhǔn)保養(yǎng)，無法對供電系統(tǒng)進(jìn)行針對性維護(hù)，會增加維護(hù)成本。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺，通過實時監(jiān)測和分析供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的維護(hù)和保養(yǎng)，減少不必要的維護(hù)成本。以某城市地鐵10 號線供電系統(tǒng)為例，對比傳統(tǒng)維護(hù)方式和智能運維平臺的維護(hù)成本[4]，結(jié)果如下：傳統(tǒng)維護(hù)方式的維護(hù)費用為80 萬元，智能運維平臺為50 萬元。可以看出，采用智能運維平臺的維護(hù)成本相較于傳統(tǒng)維護(hù)方式減少了37.5%，充分說明智能運維平臺可降低維護(hù)成本。維護(hù)成本可通過“維護(hù)成本=監(jiān)測設(shè)備和傳感器成本+維護(hù)人員工資+維修設(shè)備和配件成本”計算。

結(jié)合上述算式，可以分解維護(hù)成本，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

3.2 事故率分析

事故率是衡量供電系統(tǒng)安全運行的重要指標(biāo)。通過對事故率的分析，可以了解供電系統(tǒng)的安全狀況，并采取相應(yīng)的措施降低事故率。以某城市地鐵10號線供電系統(tǒng)為例，對比了傳統(tǒng)維護(hù)方式和智能運維的事故率，結(jié)果如下：傳統(tǒng)維護(hù)方式事故率為2.5 小時/百萬小時，智能運維平臺為1.5 小時/百萬小時，從中可以看出，采用智能運維進(jìn)行維護(hù)，事故率較傳統(tǒng)維護(hù)方式減少40%，充分說明智能運維平臺對供電系統(tǒng)的安全運行有重要作用。通過試驗結(jié)果可以看出，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺可以顯著降低供電系統(tǒng)的維護(hù)成本和事故率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的維護(hù)和保養(yǎng)，有重要應(yīng)用價值和廣闊前景。

4 試驗結(jié)論分析

4.1 試驗結(jié)果總結(jié)

針對軌道交通供電系統(tǒng)在維護(hù)和運行中存在的問題，提出一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗驗證。試驗結(jié)果表明，該智能運維平臺可以顯著降低供電系統(tǒng)的維護(hù)成本，并提高供電系統(tǒng)的安全性能。具體來說包括以下方面：第一，實現(xiàn)精準(zhǔn)維護(hù)和保養(yǎng)。該平臺通過實時監(jiān)測和分析供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)維護(hù)和保養(yǎng)。第二，降低維護(hù)成本。通過對某城市地鐵10 號線供電系統(tǒng)的試驗驗證，證明了采用智能運維平臺可以顯著降低供電系統(tǒng)的維護(hù)成本，并提高供電系統(tǒng)的安全性。第三，應(yīng)用前景良好。通過試驗結(jié)果，對智能運維平臺的維護(hù)成本和事故率進(jìn)行量化分析，充分說明了智能運維平臺的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。

4.2 限制和未來工作展望

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺雖然取得了顯著成果，但仍然存在一些限制和需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方。

第一，數(shù)據(jù)獲取和處理方面的限制。智能運維平臺需要大量的數(shù)據(jù)支持，但目前供電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和處理工作仍然存在一些困難。例如，一些老舊的供電系統(tǒng)沒有配備相應(yīng)的傳感器和監(jiān)測設(shè)備，無法直接獲取數(shù)據(jù)；一些數(shù)據(jù)處理方法和算法需要更加精細(xì)和優(yōu)化，才能充分發(fā)揮其作用。因此，未來可以將更多的精力放在數(shù)據(jù)獲取和處理方面，如通過改進(jìn)傳感器和監(jiān)測設(shè)備，開發(fā)更加智能的數(shù)據(jù)處理算法等手段來解決這些問題[5]。第二，智能化管理方面的展望。智能運維平臺主要關(guān)注供電系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)，未來可以進(jìn)一步探討智能化管理的方向，如通過智能調(diào)度和智能控制等手段提高供電系統(tǒng)的運行效率和安全性能。因此，未來可以將更多的精力放在智能化管理方面，如通過引入人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)，建立智能化管理平臺，提供更加全面和高效的運行管理服務(wù)等手段，實現(xiàn)智能化管理。

5 結(jié)語

文章提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維平臺，通過實時監(jiān)測和分析供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)維護(hù)和保養(yǎng)，顯著降低供電系統(tǒng)的維護(hù)成本，并提高供電系統(tǒng)的安全性能。雖然智能運維平臺仍然存在一些限制和需要進(jìn)一步優(yōu)化的地方，但是它的優(yōu)勢和應(yīng)用前景已經(jīng)得到了充分證明。未來，可以通過改進(jìn)數(shù)據(jù)獲取和處理方法，以及探索智能化管理的方向，進(jìn)一步提高供電系統(tǒng)的運行效率和安全性能。該研究成果對軌道交通供電系統(tǒng)的運維和保養(yǎng)具有一定的參考價值和實際意義，也能為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一些啟示和借鑒。