邢挺

[摘? ? 要]電氣化鐵路對供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性有很高的要求，對運營管理提出了巨大的挑戰(zhàn)。為更好地提高電氣化鐵路的供電系統(tǒng)管理效率和質(zhì)量，采用監(jiān)控系統(tǒng)對供電系統(tǒng)環(huán)境進行監(jiān)控是一個可行的方案。文章介紹鐵路供電環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀和存在的問題，分析系統(tǒng)的功能及性能需求，在此基礎(chǔ)上研究電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟、硬件總體架構(gòu)，重點探討其主要功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)。文章的研究可以為鐵路運營管理部門提供有益的參考。

[關(guān)鍵詞]電氣化;鐵路;供電;環(huán)境;監(jiān)控系統(tǒng)

[中圖分類號]U223 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–03

Research on Key Technologies of Power Supply Environment

Monitoring System for Electrified Railway

Xing Ting

[Abstract]Electrified railways have very high requirements for the safety and stability of the power supply system， which poses a huge challenge to the operation and management. In order to better improve the management efficiency and quality of the power supply system of electrified railways， it is a feasible solution to use a monitoring system to monitor the power supply system environment. This paper introduces the current situation and existing problems of railway power supply environment monitoring， analyzes the system's functions and performance requirements， and studies the software and hardware overall architecture of the electrified railway power supply environment monitoring system on this basis， and focuses on the main functional modules. Key technology. The research of this article can provide useful reference for railway operation management department.

[Keywords]electrification; railway; power supply; environment; monitoring system

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展，我國鐵路運營里程不斷增加，這對鐵路的日常運行維護工作提出了更高的要求。鐵路供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的核心組成部分，其供電質(zhì)量和供電穩(wěn)定性對于鐵路的正常運行有著直接的影響。但日益增加的鐵路電氣設(shè)備和日益復(fù)雜的供電體系，使電氣化鐵路的供電環(huán)境也更加復(fù)雜。在信息技術(shù)日益發(fā)達的今天，通過信息化、智能化、自動化等手段解決鐵路供電網(wǎng)的運維問題已是一種必然趨勢，電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運營管理模式也在朝著無人值守的模式轉(zhuǎn)變?；诖?，本文對電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行了深入探討。

1 鐵路供電環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，當前鐵路系統(tǒng)中已經(jīng)引入了大量的信息化管理平臺，這其中就包括很多供電管理系統(tǒng)。與本文研究的供電環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)類型的管理平臺實際上在近年也已經(jīng)有所應(yīng)用，并且取得了一定的成效，這充分證明了鐵路供電環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域的發(fā)展空間。但在實踐中也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的系統(tǒng)仍然存在一些缺陷。

現(xiàn)有系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)視、防災(zāi)告警、圍墻對射、防盜、門禁等子系統(tǒng)，功能相對比較豐富，但各子系統(tǒng)往往是獨立建設(shè)的，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)共享比較困難。而且由于設(shè)計理念和開發(fā)技術(shù)的不同，在系統(tǒng)維護升級過程中往往需要多個運維單位進行操作，可維護性和可擴展性都受到了嚴重的限制。在具體的使用方面，一些視頻監(jiān)控設(shè)備較老，畫面質(zhì)量較差，部分甚至無法監(jiān)測;火災(zāi)、水災(zāi)和盜竊破壞等問題不能做到預(yù)告監(jiān)測，只有事故發(fā)生后才會出現(xiàn)提示，缺乏早期災(zāi)害監(jiān)測能力;目前的監(jiān)控系統(tǒng)一般是獨立運行的，缺乏聯(lián)動機制，使用起來仍需要大量的人工介入。隨著技術(shù)的進步，通過開發(fā)一套新的供電環(huán)境監(jiān)測平臺解決以上問題變得更加迫切。

2 系統(tǒng)需求分析

電氣化鐵路供電環(huán)境監(jiān)控的目標就是要通過對供電現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控來發(fā)現(xiàn)各種安全風險并進行預(yù)警，使值班人員可以及時處理問題或者事先預(yù)防事故的發(fā)生。監(jiān)控平臺的應(yīng)用，是電氣化鐵路供電系統(tǒng)運營維護實現(xiàn)“無人值班、無人值守”模式的重要一步。通過監(jiān)控系統(tǒng)，需要將現(xiàn)場環(huán)境各項參數(shù)和實時畫面直接呈現(xiàn)到調(diào)度中心的大屏幕上，使值班員可以集中管理牽引網(wǎng)、變電所、高壓柜等電氣設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)，實時了解供電系統(tǒng)運行環(huán)境和設(shè)備安全運行狀態(tài)。為了滿足電氣化鐵路的安全運營要求，在具體功能方面，系統(tǒng)應(yīng)具備視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、智能聯(lián)動等功能，提供語音告警功能和電子地圖功能，視頻資料和環(huán)境數(shù)據(jù)要實現(xiàn)安全存儲，系統(tǒng)控制應(yīng)直觀化、人性化，提高工作效率。在性能方面，系統(tǒng)平臺的設(shè)計應(yīng)滿足先進性、實用性、穩(wěn)定性、安全性、智能性、靈活性等要求。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

為解決當前監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，進一步節(jié)省人力、物力，降低各種風險因素對鐵路電力系統(tǒng)造成危害，鐵路行業(yè)已經(jīng)出臺了相應(yīng)的鐵路供電調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，這對于系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。根據(jù)電氣化鐵路供電系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控的實際需求，結(jié)合一般信息化系統(tǒng)的技術(shù)特征，本系統(tǒng)主要對視頻監(jiān)控、火災(zāi)探測、溫濕度控制、水浸告警、侵界告警等內(nèi)容進行了研究。

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在鐵路沿線的每變電所和每段供電區(qū)域都安裝一個監(jiān)控主機，其功能是實時記錄和分析相應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)的攝像機和探測器上傳的數(shù)據(jù)，并提供一些基本的設(shè)備控制操作，如轉(zhuǎn)動攝像頭、補光燈、空調(diào)等。在供電系統(tǒng)的關(guān)鍵位置安裝高清攝像機，可以遠程查看供電系統(tǒng)中的環(huán)境情況及設(shè)備運行狀態(tài)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括煙火探測器、火災(zāi)探測器、水浸探測器、紅外探測器、地震探測器、碎窗探測器和定位設(shè)備，以上探測器所采集的數(shù)據(jù)和基于定位系統(tǒng)的電子圍欄信息都會實時發(fā)送到告警主機上，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，告警主機會對所有告警信息進行匯總并發(fā)送給服務(wù)器。為保證供電系統(tǒng)的物理安全，采用刷卡式門禁系統(tǒng)對進出供電場所的人員進行身份驗證。若未授權(quán)的人員闖入會發(fā)出告警和提示。通過溫濕度計探測用電環(huán)境室內(nèi)的溫度和濕度，當數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)范圍時，系統(tǒng)會自動開啟空調(diào)或加濕機對環(huán)境溫濕度進行調(diào)節(jié)。調(diào)度中心通過大屏展示整個供電系統(tǒng)的實時環(huán)境和運行情況，對各類問題進行遠程處理。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用層次化設(shè)計思路，將系統(tǒng)劃分為硬件設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)持久層、中間件和應(yīng)用層。其中硬件設(shè)施層是指支撐系統(tǒng)運行的服務(wù)器、采集設(shè)備等，用于采集鐵路供電系統(tǒng)的各項環(huán)境數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無線和有線相結(jié)合的傳輸方式，為環(huán)境數(shù)據(jù)提供上傳通道;數(shù)據(jù)持久層由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成，用于存儲供電環(huán)境數(shù)據(jù)和分析結(jié)果;中間件是系統(tǒng)開發(fā)的支持組件，可提高開發(fā)效率;應(yīng)用層為用戶提供各種業(yè)務(wù)功能，用戶通過界面功能模塊即可進行各種應(yīng)用操作。

4 主要功能模塊及其關(guān)鍵技術(shù)

4.1 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊的功能是對供電系統(tǒng)環(huán)境和設(shè)備進行圖像采集，并與其他子系統(tǒng)進行聯(lián)動。該模塊采用了1080P網(wǎng)絡(luò)高清高速攝像機和千兆三層交換機方案搭建，不僅能提供高畫質(zhì)的監(jiān)控圖像，還能實現(xiàn)智能化分析功能。當其他子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，可以調(diào)用距離最近的攝像機自動對準異常點，從而更直觀地了解現(xiàn)場情況。為了記錄更多的視頻歷史數(shù)據(jù)，在調(diào)度主站增加了磁盤陣列，提高了存儲容量和數(shù)據(jù)的安全性。

攝像機的圖像信息是以數(shù)據(jù)流的方式，通過TCP協(xié)議傳輸至調(diào)度中心視頻服務(wù)器，由后臺程序通過視頻服務(wù)器接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的。在接收數(shù)據(jù)前，首先設(shè)置攝像頭為客戶端，服務(wù)器為服務(wù)端，由攝像頭向服務(wù)器主動發(fā)起TCP連接，服務(wù)端與其建立連接后，攝像頭一方面會向服務(wù)器主動攝像頭視頻流，另一方面會主動操作數(shù)設(shè)備的告警信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)。調(diào)度中心的值守人員可以直接發(fā)送控制類命令到視頻服務(wù)器，對攝像頭進行遠程控制。視頻服務(wù)器接口是自行開發(fā)的，對各個廠家的攝像機接口均有較好的兼容性。

4.2 火災(zāi)探測模塊

以當前的技術(shù)水平，火災(zāi)探測有很多種方式，根據(jù)鐵路供電系統(tǒng)的環(huán)境特點，本系統(tǒng)采用了氣體煙火探測器和纜式火災(zāi)探測器相結(jié)合的火災(zāi)探測方式。該探測方案與傳統(tǒng)的點式火災(zāi)探測器相比，其探測范圍更廣、精度更高且具備主動預(yù)警能力。通過在變電站所的屋頂安裝火災(zāi)探測器，可以提前感知室內(nèi)設(shè)施起火情況，一旦出現(xiàn)火情，氣體探測會首先感應(yīng)到并發(fā)出告警，主機收到告警信號后與消防設(shè)備聯(lián)動進行滅火。纜式火災(zāi)探測器是一種感溫電纜，通過自身熱感效應(yīng)動態(tài)監(jiān)測高溫異常，可以準確識別火災(zāi)早期狀態(tài)，以便及時采取防范措施。

4.3 溫濕度控制模塊

溫濕度是重要的環(huán)境參數(shù)，也是本系統(tǒng)監(jiān)測的重點之一。溫濕度對于電氣設(shè)備的運行效率有重要的影響，過高的溫度容易使電氣設(shè)備發(fā)熱而面臨故障風險，濕度過大則易腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)和電路，加速設(shè)備損壞。通過溫濕度的監(jiān)測，可以實時掌握室內(nèi)溫濕度情況，事先設(shè)置好適宜設(shè)備工作的溫濕度范圍，一旦實際數(shù)值超過該范圍，立即通過程序自動控制空調(diào)、除濕機、加濕機等設(shè)備進行聯(lián)動，將室內(nèi)溫濕度維持在該范圍內(nèi)，為電氣設(shè)備提供一個最佳工作環(huán)境。

4.4 水浸告警模塊

鐵路沿線線路長，供電設(shè)備多，工作環(huán)境惡劣，由于大量電氣設(shè)備和線路直接暴露在室外，因而很容易受到外部天氣的影響。在雨季或暴雨天氣時，許多供電場所會出現(xiàn)積水現(xiàn)象，如果積水過多就會直接造成設(shè)備短路，影響鐵路的安全運行。本系統(tǒng)采用水浸探測器對積水進行檢測，如果水位超過設(shè)定值就會向監(jiān)控主機告警，指示操作人員及時排水，避免高、低壓設(shè)備浸水侵蝕。當水位下降到安全值后，告警自動解除。

4.5 侵入告警模塊

為了防止有人或動物非法闖入鐵路供電場所，系統(tǒng)采用碎窗探測器、電子圍欄和門禁三種技術(shù)對入侵進行檢測。碎窗探測器就是對周邊玻璃的破碎狀態(tài)進行探測，一般原理是采用聲控-次聲波雙技術(shù)來精確區(qū)分金屬響聲和門窗敲擊，達到碎窗探測的目的。電子圍欄是當前廣泛采用的周界防盜告警系統(tǒng)，電子圍欄可以有脈沖型電子圍欄、張力型電子圍欄、GPS電子圍欄等類型。其中脈沖型電子圍欄和張力型電子圍欄均屬于物理圍欄，而GPS屬于電子圍欄?？紤]到鐵路沿線過長，本系統(tǒng)采用GPS電子圍欄系統(tǒng)對關(guān)鍵供電場所進行設(shè)防，一旦有非法侵入就會發(fā)出告警信息。

采用幕簾式紅外探測器對人員的走動進行檢測，將探測范圍限定在門口區(qū)域，可以最大程度避免誤判。刷卡式門禁系統(tǒng)需要出入人員刷卡驗證，對于未授權(quán)的卡片或無卡人員，一旦非法闖入將會觸發(fā)告警。

5 結(jié)束語

交通強國，鐵路先行。近年來國家對鐵路事業(yè)高度重視，我國鐵路線網(wǎng)的覆蓋范圍也逐步擴大，這對鐵路運營管理提出更大的挑戰(zhàn)。牽引供電作為電氣化鐵路行車安全的重要環(huán)節(jié)，是直接影響鐵路供電安全的因素，因而本文提出采用專業(yè)化的監(jiān)控系統(tǒng)對電氣化鐵路的供電環(huán)境進行監(jiān)控的技術(shù)方案。本系統(tǒng)的應(yīng)用，使用戶可以遠程實時了解供電系統(tǒng)運行環(huán)境和設(shè)備運行狀態(tài)，在事故的早期階段及時地發(fā)現(xiàn)異常并進行預(yù)防，避免事故的發(fā)生或不良影響的進一步擴大。本系統(tǒng)滿足鐵路供電系統(tǒng)的運營管理需求，有效提高了電氣化鐵路的智能化運營管理水平，具有一定的應(yīng)用推廣前景。

參考文獻

[1] 劉玉林.關(guān)于鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)的生產(chǎn)應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2019（2）：88-89，103.

[2] 張玲;.高速鐵路牽引供電電壓在線監(jiān)測方法研究[J].電子設(shè)計工程，2019（6）：76-79，84.

[3] 劉洋.電氣化鐵路供電集成監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用探討[J].電氣化鐵道，2018（7）：31-33.

[4] 胡淵.高速鐵路接觸網(wǎng)供電風險監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2019（4）：83-85.

[5] 常兵磊，亓大千，栗騰.用于環(huán)境監(jiān)測的自供電傳感器網(wǎng)絡(luò)分析[J].

智能城市，2018（10）：116-117.

[6] 張存俊.高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C系統(tǒng)）應(yīng)用探討[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2017（9）：22-23.

[7] 羅劍波，徐軍，左萍，等.電氣化鐵路電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案研究.江蘇電機工程.2019（6）：155-156.

[8] 趙彥靈.電氣化鐵路同相供電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[D].四川：西南交通大學，2012.