基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)

摘要 全國現(xiàn)有鐵路站區(qū)車站的給排水系統(tǒng)以傳統(tǒng)人力投入型運(yùn)維為主，設(shè)施設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患多，制約其行業(yè)服務(wù)能力的進(jìn)一步提升，因此，亟需研發(fā)一套高效、智能的數(shù)字化運(yùn)行維護(hù)服務(wù)管理平臺(tái)。文章研發(fā)了基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)，充分利用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，融合多傳感器采集技術(shù)、圖像識(shí)別算法等技術(shù)與5G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)站區(qū)供水的智能化運(yùn)維管理。

關(guān)鍵詞 軌道交通；鐵路供水；智慧泵房

中圖分類號(hào) U284.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0021-03

0 引言

高鐵系統(tǒng)組成十分復(fù)雜，其中包括了站區(qū)的泵房、水泵、水質(zhì)消毒設(shè)備、戶外管道、消火栓等諸多設(shè)施設(shè)備，為高鐵線路、車站和生產(chǎn)單位提供防洪防澇排水、消防用水和生產(chǎn)生活用水服務(wù)，直接關(guān)乎高鐵線路安全、行車安全及車站客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，責(zé)任重大[1]。

高鐵泵房[2]分布范圍廣、數(shù)量相對(duì)少。戶外管道設(shè)施一般沿著鐵路線埋設(shè)，多為細(xì)長的線狀分布。安全要求高，可靠性要求高，設(shè)備集中度低，具有鮮明的“兩高一低”行業(yè)特點(diǎn)。高鐵目前的給排水運(yùn)維以粗放的人力投入型為主，依靠大量人力，人工值守泵房，人力定期檢修，人力定期巡檢線路，一旦遇到突發(fā)事故則緊急搶修，需要在每個(gè)車站都部署值班人員，人工監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況，維修服務(wù)工作量很大。此外，人員編制數(shù)量相對(duì)有限，無法持續(xù)增加，人力成本也隨著勞動(dòng)人口結(jié)構(gòu)性短缺而不斷攀升。因此，現(xiàn)有給排水[3]運(yùn)維服務(wù)越來越難以滿足新時(shí)代高鐵蓬勃發(fā)展的要求，已經(jīng)成為鐵路行業(yè)的全局性制約難題，亟需建設(shè)新的技術(shù)服務(wù)平臺(tái)體系。

1 鐵路站區(qū)供水的現(xiàn)存問題

高鐵泵房一般采用變頻柜控制機(jī)組[4]運(yùn)行，通過壓力監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)給排水管道的壓力數(shù)據(jù)。供水環(huán)節(jié)部分配備了余氯計(jì)檢測(cè)水質(zhì)和投藥機(jī)完成水質(zhì)消毒。由于體制上諸多限制，如缺乏實(shí)際可用的數(shù)據(jù)傳輸通道等，難以真正全面地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，現(xiàn)場設(shè)備信息無法及時(shí)傳送至給水服務(wù)管理單位[5]。另有部分泵房尚無遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。存在以下幾方面問題：

（1）機(jī)組運(yùn)行和監(jiān)測(cè)方面，機(jī)組設(shè)備均未進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，各泵站獨(dú)立運(yùn)行，缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化管理服務(wù)平臺(tái)，無法集中調(diào)度，設(shè)備缺乏在線監(jiān)測(cè)[6]，水泵機(jī)組無法自動(dòng)運(yùn)行。

（2）管道運(yùn)維和消火栓監(jiān)測(cè)[7]方面，高鐵站區(qū)管道閘閥不能遠(yuǎn)程控制，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障情況。給水管道的壓力、流量缺乏覆蓋性的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。室外消火栓缺乏設(shè)備狀況監(jiān)測(cè)，需要定期派人進(jìn)行檢查和維護(hù)，存在消防安全隱患。

（3）水質(zhì)在線管控方面，現(xiàn)有的消毒投藥機(jī)和余氯計(jì)多為離線式設(shè)備，需要人工定期進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)才能進(jìn)行投藥，存在用水安全隱患。

（4）機(jī)房環(huán)境實(shí)時(shí)管控方面，現(xiàn)有的泵房基本設(shè)置有高清攝像機(jī)來監(jiān)視運(yùn)行環(huán)境，但是其提供的海量實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻缺乏自動(dòng)分析。

（5）生產(chǎn)運(yùn)維數(shù)據(jù)數(shù)字化管理[8]方面，現(xiàn)有泵站缺乏運(yùn)維數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理平臺(tái)，設(shè)備運(yùn)行情況和故障等均為人工紙質(zhì)記錄，屬于信息孤島，不能自動(dòng)研判設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行故障預(yù)警。

在普速鐵路和地鐵行業(yè)，也有類似需求。地鐵車站多為地下車站，容易進(jìn)水，此類安全事故屢有發(fā)生，如2022年5月18日杭州地鐵進(jìn)水造成大面積停運(yùn)、2021年7月20日鄭州地鐵洪水倒灌造成特大事故等，嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行和乘客的生命安全，嚴(yán)重影響城市的正常生產(chǎn)生活秩序和平穩(wěn)運(yùn)行，需要新型技術(shù)服務(wù)平臺(tái)裝備支撐地鐵給排水泵房的安全高效運(yùn)行。

該研究項(xiàng)目建設(shè)的基于5G[9～11]的鐵路站區(qū)供水智能運(yùn)維系統(tǒng)精準(zhǔn)聚焦鐵路和地鐵行業(yè)需求，集“運(yùn)行監(jiān)測(cè)、應(yīng)急控制、智能維護(hù)”于一體，給排水泵房運(yùn)行安全明顯提升，服務(wù)質(zhì)量明顯提升，為我國高鐵、普鐵和地鐵給排水行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供平臺(tái)性支撐裝備。

2 基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)集自動(dòng)控制、連續(xù)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急供水、視頻監(jiān)控、智能識(shí)別等功能于一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括給水泵房遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備、車間集控中心設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、軟件、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、消火栓和消火栓智能監(jiān)測(cè)終端、漏水監(jiān)測(cè)點(diǎn)和遠(yuǎn)程抄表等部分。泵房和給水服務(wù)器之間通過5G無線通道連接，具有良好的適應(yīng)性。

通常泵房在智能主機(jī)和變頻柜的控制下，自動(dòng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控并上傳相關(guān)數(shù)據(jù)給服務(wù)器。通過在泵房安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集泵房視頻、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、管網(wǎng)壓力、變頻器參數(shù)等運(yùn)行工況信息，通過5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。調(diào)度員在大屏顯示器可以方便地瀏覽泵房的實(shí)時(shí)視頻和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。水泵或變頻器發(fā)生故障后，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，泵房的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)關(guān)閉故障水泵或變頻器，自動(dòng)投入正常水泵，保持泵房的正常供水，也可以在調(diào)度員指揮下直接啟動(dòng)和停止指定的水泵。

在消火栓增加物聯(lián)網(wǎng)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防水管的壓力、消火栓內(nèi)水流狀況及消火栓傾斜狀況。系統(tǒng)采用NB-IoT通訊方式，配置高性能加速傳感器和壓力傳感器，利用壓差原理來判斷消火栓腔體內(nèi)水流情況，真正做到對(duì)消火栓偷水、漏水或故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又可單獨(dú)使用。系統(tǒng)可針對(duì)消火栓進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，一旦消火栓被破壞或有人非法取水，即時(shí)上報(bào)報(bào)警信息，通過GIS準(zhǔn)確定位事發(fā)地點(diǎn)，使巡檢人員能快速、高效地進(jìn)行處理，既節(jié)約了人力成本，也減少了盜用消防水、破壞消火栓等現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)具備消火栓開水、開蓋、撞倒和傾斜監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

基于閉環(huán)反饋原理，對(duì)站區(qū)供水水質(zhì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消毒。該項(xiàng)目研發(fā)水質(zhì)智能管控軟件，通過余氯、pH值、濁度在線測(cè)量傳感器檢測(cè)二次供水的水質(zhì)，智能軟件自動(dòng)控制消毒藥劑投放，投放過程采用二元控制的精確投藥濃度調(diào)節(jié)，確保余氯濃度維持在穩(wěn)定數(shù)值，保障站區(qū)特別是高鐵供水的衛(wèi)生安全。

泵房關(guān)鍵部位視頻自動(dòng)分析，墻壁破損或滲水、管道漏水、污水位超限會(huì)自動(dòng)告警，防止泵房被水淹。作業(yè)監(jiān)督通過視頻軌跡分析，自動(dòng)錄制人員在泵房內(nèi)的活動(dòng)視頻，為作業(yè)監(jiān)督考核提供數(shù)據(jù)。

自動(dòng)門禁運(yùn)用人臉識(shí)別和車牌識(shí)別，屬于授權(quán)人員車輛則自動(dòng)打開電控門，自動(dòng)記錄進(jìn)入的人員姓名、車輛牌號(hào)、進(jìn)入時(shí)間和離去時(shí)間，上傳服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)智能巡檢管理。實(shí)現(xiàn)入侵自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)拍照、自動(dòng)告警，必要時(shí)遠(yuǎn)程音視頻對(duì)講和喊話。

供水設(shè)備使用5G高可靠數(shù)據(jù)傳輸特別適合鐵路偏遠(yuǎn)區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度較弱的特點(diǎn)場景，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及管控的傳輸需求。泵房和管道安裝的各種采集裝置，輸出的設(shè)備狀態(tài)信息。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要由智能主機(jī)、大屏顯示器、通信板、采集分機(jī)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、電磁流量計(jì)、多功能電力儀表、管網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端、智能運(yùn)維系統(tǒng)軟件、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。系統(tǒng)具有以下16個(gè)功能：實(shí)時(shí)采集視頻，在泵房主機(jī)軟件界面上展現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面；水源水位采集上傳至服務(wù)器；污水水位上傳至服務(wù)器；泵房水泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（揚(yáng)水量、出口管網(wǎng)水壓）采集和上傳，變頻器故障信息采集和上傳；水泵故障自動(dòng)告警；變頻器故障自動(dòng)切換到備用柜，多種降級(jí)運(yùn)行模式（主變頻器、備變頻器、工頻）自動(dòng)切換；泵房控制參數(shù)遠(yuǎn)程自動(dòng)修改，無需人工到達(dá)泵房，調(diào)度員遠(yuǎn)程遙控泵房水泵運(yùn)轉(zhuǎn)/停止；管網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)未安裝管網(wǎng)監(jiān)控終端；遠(yuǎn)程遙控開關(guān)管道閥門；根據(jù)水平衡原理，查找漏水點(diǎn)；消防水管的壓力上傳至服務(wù)器；消火栓傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)；余氯、pH、濁度采集并上傳到服務(wù)器；泵房墻壁破損監(jiān)測(cè)；給水管道漏水監(jiān)測(cè)；泵站大門車輛識(shí)別和泵房入口人臉識(shí)別。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）傳輸通道。供水設(shè)備5G高可靠數(shù)據(jù)傳輸。鐵路站區(qū)供水泵房、管道多數(shù)位于站區(qū)偏僻位置，容易存在信號(hào)盲區(qū)。需要研究自動(dòng)適配5G-NR-NSA和SA雙模組網(wǎng)，支持雙卡，適合鐵路偏遠(yuǎn)區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度較弱的特定場景，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及管控的傳輸需求。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。采集工作由采集分機(jī)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)置低功耗CPU，具有良好的穩(wěn)定性和算力。

（3）遠(yuǎn)程控制。智能主機(jī)通過5G無線通信或有線網(wǎng)絡(luò)接口，收集調(diào)度員命令。當(dāng)收到指令時(shí)，智能主機(jī)向水泵驅(qū)采分機(jī)發(fā)送控制指令。

（4）給水?dāng)?shù)據(jù)庫管理。給水?dāng)?shù)據(jù)庫是給水運(yùn)行生產(chǎn)過程中所有運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)、交換、運(yùn)算的中樞，記錄和保存著給水運(yùn)行生產(chǎn)過程中的所有參數(shù)和所有過程。

（5）智能運(yùn)維與實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件部署在智能主機(jī)上，是泵房管理員對(duì)該泵房各設(shè)備實(shí)時(shí)工況查看的窗口。通過該軟件，泵房管理員可以查看各水泵運(yùn)行工況和實(shí)時(shí)參數(shù)、監(jiān)控視頻、戶外消火栓和漏水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)以及對(duì)各硬件運(yùn)行產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（6）深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)。泵房和管道安裝的各種采集裝置，輸出的設(shè)備狀態(tài)信息通過深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)，自動(dòng)辨識(shí)人臉和車輛身份，從而實(shí)現(xiàn)智能化的泵房門禁、人員巡檢自動(dòng)登記等功能。人員在泵房的作業(yè)實(shí)時(shí)視頻，通過深度學(xué)習(xí)自動(dòng)分析，可以提取人員移動(dòng)軌跡，提取特定動(dòng)作，進(jìn)行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化考核，自動(dòng)打分評(píng)判，為作業(yè)監(jiān)督考核提供數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新

該系統(tǒng)創(chuàng)新化地提出5G無線通信和鐵路專網(wǎng)接口融合的方法，實(shí)現(xiàn)了高鐵各種通信條件泵房的無縫接入，同時(shí)提供了強(qiáng)大的服務(wù)器分析軟件和手機(jī)App軟件，真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地瀏覽管轄的泵房狀態(tài)，緊急時(shí)遠(yuǎn)程啟停水泵，確保高鐵不間斷供水。該項(xiàng)目主要具有以下四個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）普適性泵房數(shù)據(jù)安全接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)和信息互聯(lián)服務(wù)。

（2）泵房狀態(tài)無感采集技術(shù)。使用了視覺傳感器監(jiān)視整個(gè)泵房態(tài)勢(shì)，自動(dòng)分析當(dāng)前信息和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能巡檢管理；使用了毫米波測(cè)距技術(shù)，采集關(guān)鍵區(qū)域的水位狀態(tài)實(shí)現(xiàn)非接觸式采集；使用了紅外熱成像技術(shù)測(cè)溫，提前預(yù)警設(shè)備的潛在故障。

（3）基于數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)谋梅窟h(yuǎn)程應(yīng)急處置技術(shù)。泵房嵌入式主機(jī)針對(duì)運(yùn)行參數(shù)超限時(shí)自動(dòng)保護(hù)設(shè)備，產(chǎn)生告警時(shí)，自動(dòng)生成應(yīng)急方案并執(zhí)行。

（4）一站式給排水?dāng)?shù)字化管理平臺(tái)技術(shù)。以物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)支撐，在整個(gè)鐵路局管轄范圍內(nèi)連接成百上千座泵房和戶外監(jiān)測(cè)終端，完整覆蓋了高鐵泵房全流程生產(chǎn)場景，實(shí)現(xiàn)了一站式集成管理。如圖2所示。

3 供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)趨勢(shì)建議

目前，高鐵和地鐵行業(yè)泵房的自動(dòng)化和數(shù)字化程度不夠高，仍需較多人力進(jìn)行管理維護(hù)服務(wù)，同時(shí)給排水能力和安全性不足，服務(wù)能力有限，難以適應(yīng)高鐵和地鐵的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，急需數(shù)字化牽引和數(shù)據(jù)賦能，提升產(chǎn)業(yè)能級(jí)。因此，數(shù)字化智慧運(yùn)維是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果。

該項(xiàng)目基于5G的鐵路站區(qū)供水智能運(yùn)維系統(tǒng)，能夠顯著提升高鐵和地鐵車站給排水服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量，具有良好的市場前景，同時(shí)對(duì)未來的系統(tǒng)發(fā)展提出以下建議：

（1）采用5G無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

（2）摒棄傳統(tǒng)接觸式采集方法，采用多傳感器實(shí)現(xiàn)無感采集，提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）在完善智慧泵房智能運(yùn)維的基礎(chǔ)上增加遠(yuǎn)程應(yīng)急處置方案，確保在特殊情況下，泵房仍可正常運(yùn)行且損失最小。

（4）將系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)字化服務(wù)集成管理，節(jié)約人力物力資源，提高效率。

4 結(jié)語

該研究項(xiàng)目對(duì)合肥東站既有給水泵房的工作現(xiàn)狀進(jìn)行了深入研究，提出了基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)的方案，完成了試點(diǎn)運(yùn)用，為高速鐵路給水遠(yuǎn)程管控一體系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)試用至今，效果良好且運(yùn)行穩(wěn)定。

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