軌道交通電子信息機房智能巡檢系統的設計與應用

侯學輝 謝 乾 朱建軍 陳學成

（1.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000；2.寧波思高信通科技有限公司，浙江 寧波 315000）

1 研究背景

隨著軌道交通的快速發展，列車運行密度也在不斷增加，因此對相關系統設備的安全和運維管理提出了更嚴格的要求，2020年由中國軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中提出要建立供配電系統、通信系統、AFC系統以及車站機電等系統的智能運維體系，提升城軌裝備維護的智能化程度，提升運維效率，減少維護人工的作業強度，形成城軌裝備智能化。

目前城市軌道交通電子信息機房的運維模式主要存在以下4個問題：1） 線網規模的擴大造成日常巡檢的人力成本不斷增加[1]。2） 巡檢存在間隔盲區，全國普遍地鐵電子信息機房每日巡查的頻次為1次～2次，無法實時把控各站點機房的動態環境狀況，無法實現對非法人員入侵的全天候監控。3） 巡檢過程沒有圖片及影像記錄，巡檢結果受人員經驗、技能水平以及責任心等人為因素的影響較大。4） 缺乏歷史數據統計分析，無法利用大數據、圖像識別、智能診斷以及故障預測等高新技術來對設備故障情況進行智能診斷、故障預警和預測等，不能為設備的運營維護提供合理的處置建議。

在電子信息機房新增智能巡檢系統，可以對動態環境及設備狀態進行實時監測與報警，還可以對設備故障情況進行智能診斷和預測，明顯提升了電子信息機房運營維護的技術水平、故障處置能力和運營效率，并大幅減少了日常巡視的工作量，降低了維修維護的成本。

2 系統總體方案設計

某城市軌道交通2號線在2020年7月完成某站通信機房智能巡檢系統的安裝工作，目前已上線運作近半年，現場系統功能運行良好，對設備維護輔助的作用顯著，該系統主要由智能軌道巡檢機器人（軌道機）、軌道總成、視頻監控設備、熱成像設備、智能NVR設備（超腦）、環境監測設備、網絡設備、服務器、終端設備、網絡設備以及巡檢系統軟件構成。

巡檢系統軟件分為2個部分：1） 綜合監控平臺部分。該部分整體部署在服務器上，可以實現巡檢系統的業務服務。2） 機房智能運維系統部署在終端設備，主要負責用戶界面、智能識別、巡檢報告、報表、窗口報警以及短信報警等用戶應用服務。

視頻監控設備包括用于安防業務的網絡高清智能球機、用于UPS及蓄電池監測的智能攝像機，巡檢機器人掛載了可見光攝像機。

整個系統的業務架構圖如圖1所示。通過圖1可以看到，整個業務架構自下而上分為設備層、機房綜合監控平臺以及機房智能運維系統，分別對應底層設備、中間業務服務塊以及終端應用服務。

設備層是整個業務架構的“手腳”、“鼻子”和“眼睛”，是用來執行“走動”、“感觸”、“聞”和“識別”工作的基礎設備單元，設備層由視頻監控、軌道機、雙光譜云臺以及環境傳感器等設備組成，通過這些設備采集現場照片、視頻和溫濕度數據并反饋至業務服務模塊。

機房綜合監控模塊分為安防業務和智慧業務。安防業務可以對現場環境及設備狀態進行實時跟蹤，可以對設備層的數據進行存儲，還可以實時調閱回放設備的歷史數據；同時，通過對實時數據的分析，將數據與預選錄入標準進行比對，實現入侵告警、環境告警等功能。智慧業務可以代替人工完成日常巡檢和分析設備狀態等工作，遠程人員可以通過終端自動完成對整個電子信息機房的巡視，也可以根據具體需求，完成對某個單體設備運行情況的巡視； 通過對設備層采集的數據進行分析，生成完善的巡檢日志，同時也對異常情況生成告警。

應用服務模塊是整個智能運維系統的表現終端；同時，通過智能運維系統的終端應用軟件可以實現查看巡檢報告、識別視頻以及處理事件報警等功能，維護人員通過應用服務模塊把控整個系統的運行并對現場設備進行監視，真正實現了遠程運維的效果。

3 系統功能與實現

3.1 智能軌道巡檢機器人

智能軌道巡檢機器人是智能巡檢系統的核心，主要承擔巡檢和檢測環境的任務，它是1款智能軌道行走式掛載系統，掛載熱成像雙光譜MINI云臺，由供電系統、導航系統、運動控制系統、通信系統以及前端數據采集設備等組成，系統采用性能可靠的嵌入式CPU控制，主要由控制中心、電機驅動、軌道總成以及升降機構等組成，可以實現水平運動、垂直運動、速度控制、預置位控制以及輔助設備控制等功能，具備自動避障功能以及高精度定位的能力。

圖1 機房智能巡檢系統業務架構圖

智能軌道巡檢機器人通過圖像識別技術實現對設備實時狀態的監測和分析[2]，可以識別的內容包括指示燈狀態、指針式表盤讀數、數碼管讀數、液晶屏讀數以及開關狀態。機器人可以通過無拖纜有線傳輸技術與無線 AP 設備進行集成，對電源、控制信號和視頻信號進行分別傳輸，具有傳輸無延時、運行可靠以及圖像穩定等特點，所有的功能都可以在控制中心操作完成。通過可控制云臺的三維運動、攝像機的變倍、變焦以及燈光照明等，可以實時將精確采集的信息傳遞給遠程監控后臺，遠程監控后臺通過專網實現與巡檢部門、遠程調度之間的數據交互。

巡檢機器人能按照設置好的巡檢路徑進行自動巡檢，也可以進行人工巡檢，巡檢后生成巡檢報告，當發現現場設備的狀態異常時，會根據報警級別在應用層設備終端產生告警，并通知維護人員進行處置。

3.2 雙光普MINI云臺

雙光譜MINI云臺是集網絡遠程監控功能、視頻服務器功能和高清智能功能為一體的新型網絡云臺。云臺內置小型 WebServer 服務器、網絡視頻服務器、解碼器以及機芯，除了具有普通云臺的所有功能以外，還自帶熱成像通道，利用它實現了對圖像、視頻等數據的壓縮，并快速將壓縮后的數據傳輸到網絡終端。

云臺采用精密電機驅動，設備反應靈敏、運轉平穩，在任何情況下，都可以保證圖像不會出現抖動。云臺除了具備預置點、 巡航、守望和定時任務等基礎功能以外，還具備自動煙霧、火點檢測、智能跟蹤以及測溫等智能功能，極大地提高了云臺的智能化，降低了人力成本。同時，云臺支持多種掃描方式，包括自動掃描、垂直掃描、巡航掃描、全景掃描以及區域掃描等。

3.3 智能NVR

智能NVR采用嵌入式設計，集成高性能GPU模塊，內嵌深度學習算法，集IPC接入、存儲、管理、控制和智能分析于一體，實現了精確的人臉分析，包括人臉圖片抓拍、建模、比對和檢索等，提升了監控視頻的價值，從而更好地服務于安防大數據時代。通過安裝在電子信息機房的智能攝像機和網絡高清球機對機房線纜的引入口、機房的出入門等地方進行實時監控，形成了1個強大的安全防范系統。

3.4 動環監控主機

動環監控主機是1種集模擬量采集、RS-485 通信以及開關量報警輸入輸出于一體的多功能動力環境監控主機。動環監控主機可以與空調、UPS以及開關電源組等動力設備進行通信，支持輸入氣體、溫度、 濕度以及壓力等傳感器的模擬量，還支持對模擬量、RS-485 數據的本地存儲和搜索。

3.5 智能運維系統軟件

智能運維系統軟件是1個“集成化”、“智能化”的平臺，該軟件運用機器視覺技術實現了對巡檢視頻的智能分析，還可以自動識別設備指示燈狀態、開關狀態、指針以及數字表的顯示值。運用特征匹配算法，實現了對識別對象的精準定位，大大提升了識別的準確率。智能運維系統軟件基于“統一軟件技術架構”的先進理念設計，以各類功能與應用的整合和集成為核心，采用業務組件化技術，滿足平臺在業務上的彈性擴展需求。該平臺適用于全行業通用智能巡檢應用，對各系統資源進行了整合和集中管理，實現了統一部署、統一配置、統一管理和統一調度。

4 現場應用

4.1 實現智能巡檢

智能機器人根據每日設定的巡檢路線完成自動巡檢工作，包括設備外觀檢查、設備表面溫度診斷檢測、設備儀表盤狀態、數值識別和讀取、數據記錄、智能分析、自動避障以及異常報告告警等，具體情況如圖2所示。

通過圖2可以看到，智能巡檢機器人能清晰地對儀表的設備儀表盤數字數據、指示燈位、指針等進行識別，該識別是靜態的過程，在巡檢的時候，通過機器人拍攝高清圖片來對數據或指針讀數進行識別，再通過與后臺數據進行對比，從而生成巡檢日志，如果發現異常就會及時給出事件告警，這是1種圖片靜態識別手段。

圖2 機房智能巡檢應用端實圖

同時，智能巡檢機器人也能動態識別設備板卡狀態燈位，對跳躍的指示燈進行一定時間的視頻錄制，將視頻記錄的內容與正常設備的運行狀態等進行分析比對，生成設備的巡檢日志，如果發現問題就會及時給出事件告警，這是1種錄像動態識別手段。

另外，電子設備的運行溫度是鑒定設備運行可靠性的一項重要指標，當電子設備的運行溫度異常增高時，設備就會面臨運行宕機的風險，現場人員在巡視時，往往會采用熱溫槍對設備進行局部測溫，該方法效率低且檢查不徹底。智能巡檢系統紅外高清智能攝像機可以對設備整體的溫度進行識別，彌補了人工巡視測溫存在的缺陷，維護人員可以在控制應用終端對設備進行測溫，能提前發現設備異常增溫的情況，這與設備維護預防為主的理念相呼應，可以達到智能預警的效果。

經過現場測試，自動巡檢線路的完整度達到了100%，與人工巡檢相比，不僅起到了代替作用，而且還避免了因人為因素而導致的漏巡風險；同時，也發揮了提前發現設備隱患的效果。

4.2 實現入侵檢測

通過安裝在機房線纜引入口、機房出入門等位置的紅外高清智能攝像機，對機房進行實時監控，非維護人員進入后，通過人臉識別技術，能夠自動識別陌生人并及時報警。

經過安排非系統錄入人員進行測試，證明了該系統可以準確通過人臉識別技術識別非維護人員，同時還可以在設備應用終端產生報警。

4.3 實現機房溫濕度全程監測

在機房防靜電地板四周安裝水浸傳感器，實時監測地面的積水情況，一旦發現積水，就可以迅速報警，有效避免了因滲水而造成的設備損失，保障了機房安全。

安裝溫濕度傳感器可以實時監測機房的溫濕度，發現溫濕度異常后迅速報警，同時接入空調、空氣加濕器等設備，就可以自動調節機房的溫濕度。

維護人員通過用相關儀器對現場環境及設備進行測試，與應用終端的溫濕度顯示值進行對比，其精度達98%，因此，智能運維系統的機房溫濕度監測值相對可靠。

4.4 實現電源安全監測

在UPS電池組和電源控制面板上安裝高清攝像頭，通過圖像識別技術實時監控電池控制面板的信息，并實時觀察電池表面的狀況，發現異常就及時報警。同時，在每個UPS電池上安裝傳感器，監測電池的電流、內阻和溫度，自動檢測電池的壽命和安全性，并根據電流的異常變化及時警示UPS電池或者警示該電池相關負載可能發生故障。

4.5 實現應急調度指揮功能

智能運維系統平臺對設備的故障信息進行分類，通過應急調度指揮系統快速通知，并將相關數據、圖片和錄像等信息傳遞給相關人員進行處理，快速建立便捷的實時音視頻通信，即時查看、指揮以及調度現場和人員，第一時間為搶修人員提供重要的現場信息[3]。

4.6 實現智能運維功能

巡檢后自動生成巡檢報告，包括巡檢位置、巡檢時間、巡檢時的環境、巡檢區域圖片、紅外成像圖片、設備狀態異常情況以及處理意見，自動生成日、周和月報表。同時，通過對數據的提取和分析，統計設備的故障率，有利于預判設備故障，建立設備使用壽命周期臺賬。利用監測數據的變化，預測可能存在的隱患。根據故障分析，綜合考慮設備的養護周期，智能管理備品備件的申報及存儲。

5 結語

隨著智能巡檢系統的不斷完善以及相關應用技術的不斷擴充和升級，該系統在智慧城軌的應用也將不斷擴展，它帶來的成效也會逐步提高[4]。該文所述的系統設計方案、系統功能的實現以及現場應用對在現場使用智能巡檢系統具有一定的參考價值。