城市軌道交通供電設備運維智能管控系統研究

李 軍

（南寧軌道交通集團有限責任公司運營分公司，南寧 530029）

我國城市軌道交通處于高速發展時期，運營線路和里程屢創新高，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，運營規模不斷擴大，裝備體系日益復雜，還有大量舊線的更新改造任務，給軌道交通運維管理帶來巨大壓力，也對設備維修安全、質量和效率提出更高的要求[1]。

供電系統運維是城市軌道交通設備管理的重要組成部分。筆者對城市軌道交通供電設備運維管控系統進行研究，引入在線檢測及狀態維修方法，探討了運維管控平臺、多維數據監測、智能決策控制、設備維修管理、作業安全管控等方面的內容，以“前端監測+后臺管理+過程管控”的綜合性管理架構，結合各種成熟的高新技術應用，可以顯著提升設備維修管理效率和安全管控能力，提高運維智能化程度。

1 供電設備運維現狀

目前，城市軌道交通供電設備運維業務大多沿用傳統的管理模式，具有如下特點：一是多計劃檢修、周期檢修、故障修，少在線檢測及狀態修；二是檢修作業普遍采用人工作業、人工監管的方式，效率較低；三是檢修作業過程缺乏整體性安全管控措施，難以避免出現安全事故；四是僅以故障指標論成敗，檢修過程數據不夠精細；五是缺少監測、智能化處理、分析供電設備運行狀態趨勢和故障智能診斷的大數據系統平臺及智能化應用[2]。隨著運營線路和里程的不斷增加，運營規模迅速擴大，供電設備和運維人員大幅增加，在相對粗放的運維管理模式下，運維成本一直保持上升態勢，同時也影響了質量提升，存在諸多安全隱患。因此，僅依靠傳統運維模式已經很難滿足行業快速發展的需要。

國內各城軌交通運營單位都正在積極探索智能化運維解決方案，已有許多管理系統或技術手段被應用于供電設備運維管理，在提高運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，這些系統或技術僅解決了局部或個別針對性問題，側重于原有檢修模式的電子化，而且存在缺乏統一標準、重復投資等問題，難以實現資源共享和向上整合，對于供電運維安全和效率提升未有明顯效果。已經規劃或建設的綜合性管控系統，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細分領域，缺乏底層數據支撐，特別是針對供電專業的智能運維管理系統至今還難覓其蹤。各運營單位在供電設備運維模式、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。

建設一套城市軌道交通供電系統的智能運維管控系統，實現供電設備狀態修及全過程的智能化管理和安全管控，突破不同專業、不同業務、不同系統之間的壁壘，并做到從現場、站端到中央管理層的全貫通，這在原來的管理模式和技術層面下難以實現。而當今，新技術不斷發展，智能傳感、大數據、互聯網、人工智能、軟件集成、視頻處理等技術已經相當成熟。2019年，中共中央、國務院發布《交通強國建設綱要》，更是掀開新時代交通運輸工作的新篇章。在此情況下，通過新技術構建城市軌道交通供電設備運維智能管控平臺，實現供電設備全生命周期的在線健康監測、趨勢分析、故障智能診斷和運維管控已成為可能，也是城市軌道交通供電系統安全運維和技術發展的趨勢[3]。

2 運維管控體系建設

自2018 年7 月1 日起施行的《城市軌道交通運營管理規定》(交通運輸部令 2018 年第8 號)明確提出，要建立城市軌道交通智能管理系統，進行集中監管。城市軌道交通供電設備運維智能管控系統，以實現供電設備狀態修為目標，從全線甚至整個城市軌道交通線網綜合考慮，整體性實現供電設備檢修全業務、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的重要組成部分。

智能管理系統包括運維管控平臺、多維數據監測、智能決策控制、設備運維管理、作業安全管控等方面內容，涵蓋了前端傳感設備及全方位信息采集、管控平臺建設及設備運維管理、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用。系統以“前端監測+后臺管理+過程管控”的綜合性管理架構，結合各種成熟高新技術應用，大幅提高管理效率和安全管控能力，提高運維智能化程度，以滿足軌道交通供電系統安全、規范、高效的運營要求[4]。

2.1 運維管控平臺

供電設備運維智能管控平臺，是整個供電運維管理的數據中心、監控中心和管理核心，為各種系統業務應用提供基礎支撐，實現各業務信息共享、深度融合，并提供數據管理、3D 全景監視、智能分析決策、智能控制、流程管理、其他系統通信接口、移動終端應用、安全管理等管理和應用服務。

供電運維管控歸屬于運營綜合管理，與地鐵公司的各種管理系統及平臺接口實現數據互傳，其關系如圖1 所示。供電運維管控平臺從綜合監控或其他監測系統接口獲取各種監測數據，從資產管理系統獲取設備臺賬信息，同時返送設備運維信息，將人員工作績效、安全活動記錄發送給人力資源系統，接受調度平臺統一的施工、調度及指揮管理，將重要信息及參數上傳至公司級全量數據庫及綜合信息管理平臺，在門戶網站、移動平臺等界面進行統一展示[5]。

2.2 多維數據監測

大多數管理系統的最大問題就是缺乏全面的底層數據支持，所以做好全方位數據監測是本系統實施的關鍵和基礎。在供電系統關鍵設備及運維現場，部署各種監測裝置、智能傳感器、視頻設備等前端設備，從量測數據、狀態信號、在線監測、視頻信息、檢修記錄、操作記錄、運行參數等不同角度，實現供電主設備的全方位采集監測，各項監測內容統計結果如表1 所示。

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

表1 多維數據監測統計Tab. 1 Multidimensional data monitoring statistics

上述各種監測方式在本系統中均有相對成熟的方案來實現，還增加了非同源設備狀態、視頻智能分析識別等創新功能。另外，在系統實際實施時，也可從其他既有系統通信接口獲取部分監測數據，以節省投資成本。

2.3 智能決策控制

在全方位數據采集和全景監視的基礎上，利用專家規則庫、大數據分析、深度自學等技術，結合供電系統運行理論知識，實現設備狀態趨勢分析、故障智能診斷、輔助決策、智能聯控、一鍵停送電等智能化應用，提高控制效率和安全性，為設備故障分析、檢修決策提供支撐。

2.4 設備運維管理

供電設備是運維的對象和主體，設備運維管理包括運行管理和檢修管理兩部分。

1) 運行管理：重點研究供電設備虛擬可視化巡檢等智能化巡檢技術，并實現供電系統主要設備和視頻監控、環境監測、安防、消防、隧道、井蓋、門禁、應急搶險物資、輔助電源等供電輔助設備及設施的運行監控，這是對主要供電設備監測、運維安全保障的重要補充。

2) 檢修管理：包括檢修計劃、任務工單、兩票管理，人員及資質管理，工器具管理，備品備件及材料管理，以及標準修程、檢修作業指導、數據及舉證材料采集、進度控制、績效考核等內容，實現設備檢修全過程信息化和閉環管理。根據巡檢結果、運行記錄或智能診斷分析結果來發現設備缺陷或故障，完成缺陷管理和故障處理流程，實現運行和檢修的銜接。將所有的設備運行、巡檢、檢測、缺陷、故障、部件更換、檢修、設備報廢等記錄錄入設備運維臺賬，為實現設備全生命周期管理提供數據支撐。

2.5 作業安全管控

安全是一切生產活動的前提，本系統采用各種邏輯控制、強制閉鎖、作業引導等技術手段和系列設備，實現對運維作業全過程的安全管控。

本系統通過建立檢修計劃、任務工單、工作票、操作票、檢修標準作業指導等模塊之間的邏輯關聯，保證計劃任務和現場作業的一致性；通過防誤鎖具、智能鎖具、隔離鎖具、門禁等閉鎖設備，對待操作設備、箱柜門、檢修邊界、區域進行強制閉鎖，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的智能手持終端，進行任務授權及解鎖操作，引導工作人員完成相應的操作，防止各種誤操作和誤入帶電區域，保證操作安全；通過視頻智能分析作業人員勞保穿戴和異常行為，通過安全資質檢測、權限驗證、智能式穿戴產品等技術手段來保證作業中的人員安全。

3 運維管控系統架構

城市軌道交通供電設備運維智能管控系統由感知層、網絡層、平臺層和應用層構成，其系統架構如圖2 所示。系統通過保護測控裝置、在線監測設備、視頻監控設備、作業安全管控設備等感知層設備，實現運維數據采集、安全作業、就地監控及邊緣計算；通過多種有線和無線網絡的綜合應用，將現場數據匯聚到智能管控平臺；通過大數據分析、深度學習等技術，實現運行監測、輔助監控、作業管理、設備管理、預知分析、移動應用等運維功能。

4 管控系統技術創新

4.1 系統3D 全景監視

系統采用3D 全景監視技術實現運行監視。首先，對全線供電系統的建筑、場地、設備等進行精細化3D 建模，構建高精度、等比例的虛擬環境及設備；設備3D 模型完全仿真，具有與實際設備完全一致的人機面板信息和操作流程，可執行板卡級裝卸，便于學習和維護。然后，在3D 模型中插入熱點，關聯到設備量測數據、監測數據、視頻畫面、巡檢記錄、運維記錄等相關信息，實現設備健康狀態多維度全景監視。

圖2 軌道交通供電設備運維智能管控系統架構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

將視頻監控與供電運維狀態監測、安全管控的需求相結合，對設備狀態、環境狀況和人員行為進行智能分析識別。可以自動識別設備工況，獲取相應的狀態和數值，并轉換為標準數據格式上傳到系統后臺，取代現場部分監測傳感器功能；可實現煙霧火災識別、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/逗留/徘徊等異常行為監測等多種安全管控功能，將傳統的被動運維方式變成智能、高效的主動運維方式[6]。

4.3 虛擬可視化巡檢

在3D 全景監視、電子化巡檢、軌道機器人巡檢、視頻監控的基礎上研究虛擬可視化巡檢技術，工作人員可在3D 場景根據既定巡檢路線完成實景漫游，各種設備參數、信號和視頻畫面自動展現，完成后自動生成巡檢報告，從而在電腦前就完成了整個巡檢過程。這給電氣設備巡檢提供了具有豐富環境及立體設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據準確性，節省巡檢成本[7]。

4.4 設備故障智能診斷

在管控平臺建立設備狀態趨勢分析和故障智能診斷模型(見圖3)，完成數據積累、融合和深度學習，跟蹤設備數據變化趨勢，對比主動預警策略庫，實現設備狀態趨勢分析、自動評價和智能預警；供電系統故障時，根據動作信號及其他監測數據，結合系統運行方式和專家規則庫，進行綜合判斷和智能分析，推導故障原因，參照故障處理策略庫，形成故障診斷及決策報告，指導故障快速處理，提高故障處理的準確性和時效性[8]。

圖3 設備狀態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 檢修計劃動態管理

傳統的檢修計劃管理依靠調度人員手動推算編制、人工流轉和紙質記錄，效率不高，尤其在出現臨時檢修、行政指令等意外情況時，往往會打亂原來計劃，更缺乏完整的跟蹤管理。本系統研究基于動態規劃的檢修計劃管理技術，根據檢修周期、設備狀態、運維記錄、臨時檢修計劃等條件，動態生成并更新檢修計劃，按年度自動滾動生成后續周期性計劃，在后續實施過程中實現自動提醒、工單生成、現場作業進度控制、數據錄入、績效統計等完整的業務流程控制。完全實現信息化管理，可解決傳統模式的各種問題，有利于提高供電運維管理效率和信息化水平。

4.6 非同源設備狀態采集

斷路器、隔離刀閘通常通過輔助節點獲取分、合位置狀態，而本系統采用完全不同的原理及技術，實現斷路器、隔離刀閘的第二套位置采集方案，即非同源設備狀態采集[9]。在系統進行智能程序化控制時，將兩種方式獲取的設備位置進行邏輯比較，僅兩者狀態一致時才認為設備確已變位，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確性。

4.7 一鍵停送電智能操作

地鐵檢修只能在晚上停運的短短幾個小時內實施，還要進行停送電、安全措施部署等作業準備工作，所以有效檢修的時間更少。隨著近幾年可視化接地技術的普及應用，全線電氣設備已全部具備遙控操作條件，壓板、空開等二次設備也可實現遠程控制，實現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時間。

本系統研究一鍵停送電智能操作技術，包括操作票預制、操作任務生成、設備狀態自動判別、防誤聯鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動、操作過程自動執行、順序控制、并行接地等內容，一鍵即可自動完成全線停送電及安全措施部署，采用非同源設備狀態、雙因子權限驗證、操作前后條件判斷、獨立防誤校驗、聯動視頻監視等技術，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 供電運維智能聯控

系統充分發揮了管控平臺資源共享、深度融合的優勢，實現了供電運維多種智能聯控功能。當某個點出現報警或異常時，聯動控制其他相關模塊或子系統，自動跟蹤、快速應對，提高了供電系統運維的安全性和應急管理水平。智能聯控實現的功能很多，如：操作、告警、環境異常聯動視頻監視及錄像，現場溫度、氣體監測、水位異常自動啟動空調控制、通風、排水，消防報警自動啟動滅火裝置、解除門禁、報警信息移動終端自動推送，等等。

5 結語

國內城市軌道交通目前處于高速發展時期，傳統人工運維方式已不能滿足日益發展的軌道交通運維需求，預知性維修是未來主流維修模式。城市軌道交通供電運維智能管控系統符合國家和行業發展戰略，創新性地應用智能傳感、大數據、軟件集成、人工智能、視頻分析、虛擬現實等前沿技術，在保證運維作業安全的前提下，為城市軌道交通運營單位帶來顯著的經濟效益和工作效率的提升，具有廣闊的市場前景。