1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司 北京 100044 2.北京交通大學(xué) 長三角研究院 江蘇鎮(zhèn)江 212009

1 研究背景

當(dāng)前,城市軌道交通正向著更加智能化、規(guī)?；?以及更加安全可靠的目標(biāo)前行,對信息通信技術(shù)提出了更高的要求。城市軌道交通包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軌道信號系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等諸多子系統(tǒng)，龐大且復(fù)雜。要管理好這個(gè)龐大的系統(tǒng),就需要處理好各種半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),用數(shù)據(jù)來對城市軌道交通系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述,從而及時(shí)、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)信息傳達(dá)給系統(tǒng)中的各職能部門，最終實(shí)現(xiàn)智慧軌道交通[1]。

以某城市的地鐵為例，其供電系統(tǒng)由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成，產(chǎn)生電能并負(fù)責(zé)電能的分配和輸送,最終為地鐵列車牽引,以及車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等提供所需的動力、照明、測試、維修等工作用電。供電系統(tǒng)一次設(shè)備由各電壓等級母線、斷路器、變壓器、整流柜、電纜、供電柜等電氣設(shè)備組成[2-4]。已經(jīng)投入運(yùn)行20余年的某城市地鐵供電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)電量采集與電力設(shè)備監(jiān)控，監(jiān)視回路電壓電流、故障跳閘等，并進(jìn)行開關(guān)遙控合分,但無法感知監(jiān)測導(dǎo)體連接質(zhì)量、絕緣損壞等。該地鐵的供電系統(tǒng)一直由人工進(jìn)行定期巡檢,工作量大，效率低，成本高，發(fā)現(xiàn)問題周期長,人工巡檢發(fā)現(xiàn)的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于實(shí)際出現(xiàn)的問題,浪費(fèi)人力、物力，且延誤檢修時(shí)機(jī)。一旦發(fā)生供電設(shè)備連接質(zhì)量故障、絕緣損壞等,極易引發(fā)供電中斷等情況,對該地鐵的安全運(yùn)營造成影響。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展,實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)的智能運(yùn)維成為了可能。地鐵供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維后,能提高系統(tǒng)的供電品質(zhì)，并降低能耗。地鐵供電系統(tǒng)的智能運(yùn)維需要先進(jìn)技術(shù)和手段的支撐,比如智能傳感器、大數(shù)據(jù)、故障預(yù)測與健康管理等。

2 智能傳感器技術(shù)

傳感器是一種監(jiān)測裝置,在自動控制系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的作用。智能傳感器技術(shù)是一門正在迅速發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù),涉及微機(jī)械與計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)等。智能傳感器帶有微處理器，兼有信息檢測和信息處理功能,具有可靠性高、穩(wěn)定性好、感應(yīng)精度高、自適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過傳感器獲取信息,并將信息輸入控制信息處理系統(tǒng),對信息進(jìn)行分析,可直接得到故障診斷信息和壽命預(yù)測信息。還可以直接在智能傳感器的節(jié)點(diǎn)處獲得有用信息,并實(shí)現(xiàn)傳感器之間的信息交換，使數(shù)據(jù)能夠直接交換，而不需要再通過某個(gè)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行交換。

將智能傳感器安裝在地鐵供電系統(tǒng)中的一些重要設(shè)備上,如變壓器、絕緣柵雙極型晶體管等，可直接得到設(shè)備的故障診斷信息,并對其進(jìn)行壽命預(yù)測。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的某地鐵供電系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，這一系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示四部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)倉儲ETL、數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)移工具Sqoop，以及高可用與高可靠性的分布式海量日志采集、聚合和傳輸系統(tǒng)Flume組成。數(shù)據(jù)存儲由分布式文件系統(tǒng)HDFS和分布式、面向列的開源數(shù)據(jù)庫Hbase組成。

▲圖1 地鐵供電系統(tǒng)平臺架構(gòu)

通過對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可尋找出地鐵供電系統(tǒng)能耗與客流量、供電制式、車型、環(huán)境溫度與濕度、線路坡道與彎道、運(yùn)營組織模式等參數(shù)之間的相互關(guān)系[5],為地鐵供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供可靠的參考依據(jù)。同時(shí),可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)預(yù)測地鐵供電系統(tǒng)能耗的發(fā)展趨勢,較為準(zhǔn)確地獲得地鐵供電系統(tǒng)能耗的變化規(guī)律,并進(jìn)行改進(jìn)。建立地鐵供電系統(tǒng)的能耗模型,獲得影響地鐵供電系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素,進(jìn)而針對這些因素采取措施節(jié)約能耗。由于地鐵高峰、低谷期的發(fā)車間隔和載客量都不相同,使地鐵供電系統(tǒng)一天之中每個(gè)時(shí)段的供電量都不相同,可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)獲得的大量數(shù)據(jù),研究地鐵電系統(tǒng)的動態(tài)供電規(guī)律,提高供電質(zhì)量。

4 故障預(yù)測與健康管理

實(shí)現(xiàn)地鐵的故障預(yù)測與健康管理，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控及采集地鐵供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件的特征量數(shù)據(jù),通過對特征量數(shù)據(jù)的長期監(jiān)測,形成包括電壓、電流、功率、溫度等特征量在內(nèi)的大數(shù)據(jù)。通過對大數(shù)據(jù)的深入研究,構(gòu)建關(guān)鍵部件壽命模型,建立總體老化、損傷及安全健康度與特征量的對應(yīng)關(guān)系[6]。特征量辨識框圖如圖2所示。在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對部件壽命的在線實(shí)時(shí)判斷,并根據(jù)安全健康度的評估結(jié)果,指導(dǎo)實(shí)施預(yù)防性動態(tài)維護(hù)與狀態(tài)檢修。

基于大數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測包括累積損傷技術(shù)和特征量辨識技術(shù)[7-8]。其中，累計(jì)損傷技術(shù)通過檢測部件承受的電壓、電流沖擊和應(yīng)力,以及溫度變化情況,結(jié)合部件自身的失效模型,完成關(guān)鍵部件剩余壽命預(yù)測及系統(tǒng)健康狀態(tài)評估。特征量辨識技術(shù)利用供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件的大量特征量數(shù)據(jù),構(gòu)建關(guān)鍵部件壽命模型,建立總體老化、損傷及安全健康度與特征量的對應(yīng)關(guān)系。

某地鐵故障預(yù)測與健康管理技術(shù)框架如圖3所示,包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、健康評估、故障預(yù)警、決策輔助等[9]。

(1) 數(shù)據(jù)采集。將地鐵列車的車載數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)(制造數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù))等通過無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)傳輸、人工上傳等途徑匯總到故障預(yù)測與健康管理中心數(shù)據(jù)庫。

(2) 狀態(tài)監(jiān)控。利用各種類型傳感器采集的數(shù)據(jù)，如電流、電壓、壓力、溫度、加速度等,實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵部件或系統(tǒng)自身的故障檢測與狀態(tài)監(jiān)控,并將故障、狀態(tài)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線提交車載數(shù)據(jù)處理中心,通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妗?/p>

(3) 故障預(yù)警。根據(jù)故障預(yù)測模型及預(yù)警閾值,對關(guān)鍵部件自動給出預(yù)警信息,并以彈出文字窗口、聲光報(bào)警等方式提醒值班人員。

(4) 健康評估。對來自多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,對關(guān)鍵部件的健康狀況進(jìn)行健康評估,給出部件的健康狀態(tài),如健康、亞健康、故障等。

(5) 決策輔助。根據(jù)故障預(yù)警信息和健康狀態(tài)評估信息,運(yùn)用需求和維修資源等情況,給出地鐵運(yùn)行和維修決策。

▲圖2 特征量辨識框圖

(6) 人機(jī)交互。人機(jī)交互是地鐵故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)和用戶的接口。為了便于數(shù)據(jù)的存儲、處理和發(fā)布,地面地鐵故障預(yù)測與健康管理的結(jié)構(gòu)形式采用軟件密集型,主要由基于服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)、地面大屏幕等組成[10-11]。

智能傳感器、大數(shù)據(jù)和故障預(yù)測與健康管理是目前智能城市軌道交通供電系統(tǒng)中的新技術(shù),這些新技術(shù)的加入使供電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中更加可靠、高效與節(jié)能,為城市軌道交通供電系統(tǒng)使用單位降低了成本,并減少了故障的發(fā)生。

5 結(jié)束語

城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合性系統(tǒng),需要多個(gè)學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新,以達(dá)到系統(tǒng)的性能、功能更優(yōu)。不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)為城市軌道交通供電系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展,從而為城市軌道交通的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持,更好地維護(hù)人們的出行安全。