李 星，呂奮飛，陳令英，云玉新，張緒輝

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 254300；3.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

配電變壓器（簡(jiǎn)稱“配變”）是電力系統(tǒng)廣泛使用的一類電氣設(shè)備，主要用于35 kV以下配電網(wǎng)的電壓電流變換和電能傳遞。隨著我國(guó)城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的改造升級(jí)，配變的性能質(zhì)量成為電網(wǎng)可靠性關(guān)鍵因素。然而，部分變壓器存在制造工藝問(wèn)題，導(dǎo)致配變運(yùn)行中發(fā)生著火、爆炸、燒毀等質(zhì)量問(wèn)題［1-2］，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司為加強(qiáng)質(zhì)量源頭管控，大力開(kāi)展配變抽檢。

傳統(tǒng)的配變檢測(cè)主要以手動(dòng)檢測(cè)和人工判斷為主，檢測(cè)效率低下，人力成本高，檢測(cè)結(jié)果易受人工誤判影響。近年來(lái)，隨著集成化檢測(cè)裝置的研發(fā)［3-4］以及自動(dòng)化運(yùn)輸設(shè)備的使用［5-6］，人工成本和運(yùn)輸成本大為縮減，已經(jīng)具備了配變的批量化檢測(cè)條件。然而，隨著上述檢測(cè)模式的應(yīng)用，又出現(xiàn)了檢測(cè)資源的利用率低、運(yùn)輸中轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。當(dāng)前關(guān)于配變檢測(cè)的研究涉及配變現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究分析［7］、變壓器智能化試驗(yàn)平臺(tái)研究［8］以及配變的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)化［9］等。上述研究主要是針對(duì)單一配變檢測(cè)本身，并沒(méi)有針對(duì)配變批量化檢測(cè)模式以及批量化檢測(cè)存在的問(wèn)題進(jìn)行探討。

針對(duì)配變批量化檢測(cè)，提出一種基于流水線和多任務(wù)的配變并行檢測(cè)模型。同時(shí)，針對(duì)并行化帶來(lái)的檢測(cè)資源共享這一問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化資源分配、任務(wù)調(diào)度等方法加以解決，提出了資源優(yōu)化配置方法及并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度算法。結(jié)果表明，優(yōu)化后的檢測(cè)模型相對(duì)于優(yōu)化前在檢測(cè)效率和資源利用率上均有較大程度提升。

1 配變并行檢測(cè)模型

國(guó)家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)持續(xù)多年推進(jìn)物資質(zhì)量檢測(cè)能力標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，大多數(shù)的省級(jí)檢測(cè)中心、地市檢測(cè)中心都已經(jīng)具備了配變批量化檢測(cè)檢測(cè)模式，只是在設(shè)備類型、數(shù)量上有所差別。

1.1 智能檢測(cè)工廠

配變的批量化檢測(cè)模式稱為智能檢測(cè)工廠，其內(nèi)涵主要包括軟硬件資源和工作流程兩方面。

一體化管控平臺(tái)、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、智能化運(yùn)輸系統(tǒng)和集成化檢測(cè)裝置共同構(gòu)成了智能檢測(cè)工廠的軟硬件資源，如圖1所示。

其中，一體化管控平臺(tái)是軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)檢測(cè)任務(wù)和檢測(cè)資源的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、出入庫(kù)、狀態(tài)查詢、報(bào)告生成等功能。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)包括立體倉(cāng)庫(kù)和地面緩沖區(qū)，負(fù)責(zé)樣品的存儲(chǔ)和出入庫(kù)。智能化運(yùn)輸系統(tǒng)包括AGV 叉車和接駁平臺(tái)，負(fù)責(zé)樣品的接駁運(yùn)輸。集成化檢測(cè)裝置包括各種類型的檢測(cè)工位，負(fù)責(zé)完成具體的試驗(yàn)項(xiàng)目。四個(gè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連互通，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的一體化管控。

同時(shí)，對(duì)檢測(cè)工作流程進(jìn)行固化。以任務(wù)流轉(zhuǎn)為主線，智能檢測(cè)工廠的工作流程可劃分為收樣入庫(kù)、任務(wù)下發(fā)、檢定出庫(kù)、接駁運(yùn)輸、工位試驗(yàn)、接駁運(yùn)輸、檢定入庫(kù)、退樣出庫(kù)8個(gè)步驟，如表1所示。

智能檢測(cè)工廠可以實(shí)現(xiàn)配變批量化檢測(cè)。進(jìn)一步，借鑒計(jì)算機(jī)科學(xué)中的“指令流水線”和“多線程”的概念，將檢測(cè)項(xiàng)目合理分類以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流水線，將檢測(cè)工位按需求擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

圖1 智能檢測(cè)工廠模式

表1 智能檢測(cè)工廠工作流程

1.2 檢測(cè)流水線設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)科學(xué)中的流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)。為提高檢測(cè)效率，采用流水線思想，將整個(gè)檢測(cè)過(guò)程劃分為若干道工序，每道工序設(shè)置一個(gè)集成式檢測(cè)工位，不同工序/工位差異化配置檢測(cè)設(shè)備，完成特定的某幾個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，從而構(gòu)成檢測(cè)流水線。國(guó)家電網(wǎng)有限公司要求的配變檢測(cè)項(xiàng)目多達(dá)17 種，如果每個(gè)項(xiàng)目都單獨(dú)設(shè)置檢測(cè)工位和單一設(shè)備，會(huì)增大運(yùn)輸時(shí)間和拆接線時(shí)間，反而降低檢測(cè)效率。

17個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目按照各自特點(diǎn)，可分為常規(guī)項(xiàng)目、屏蔽項(xiàng)目、溫升項(xiàng)目、沖擊項(xiàng)目四大類，每一類項(xiàng)目設(shè)置一個(gè)集成式檢測(cè)工位，各工位的分類依據(jù)和項(xiàng)目如表2所示。

表2 檢測(cè)工位分類情況

配變按順序依次進(jìn)行常規(guī)項(xiàng)目（P1）、屏蔽項(xiàng)目（P2）、溫升項(xiàng)目（P3）、沖擊項(xiàng)目（P4）4道工序，即可完成全部試驗(yàn)項(xiàng)目。

分析8 個(gè)檢測(cè)任務(wù)通過(guò)流水線執(zhí)行的情況，若假設(shè)每個(gè)流水線工序所用時(shí)間相同，檢測(cè)任務(wù)流水線如圖2所示。

圖2 檢測(cè)任務(wù)流水線

使用流水線吞吐率T和效率E兩個(gè)指標(biāo)衡量流水線性能。T為單位時(shí)間內(nèi)完成的檢測(cè)任務(wù)數(shù)量，用于衡量流水線檢測(cè)總體能力；E為流水線中工作時(shí)空區(qū)除以總的時(shí)空區(qū)，用于衡量流水線資源利用情況。相應(yīng)公式為

式中：N為總?cè)蝿?wù)數(shù)；L為時(shí)鐘周期數(shù)；Δt為每個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間；M為流水線工序數(shù)；S為總的時(shí)空區(qū)數(shù)量。具體到上述8 個(gè)檢測(cè)任務(wù)，則N=8，Δt=1。不使用流水線，完成全部8 臺(tái)檢測(cè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)需要4道工序，每道工序需要1個(gè)時(shí)鐘周期，共需要32個(gè)時(shí)鐘周期，此時(shí)T=8/32=1/4，E=4×8/（8×4×8）=1/8；使用流水線，由圖2可知，僅需要11個(gè)時(shí)鐘周期就能完成全部檢測(cè)任務(wù)，此時(shí)T=8/11，E=8×4/（8×11）=4/11?？芍褂昧魉€執(zhí)行后，吞吐率和利用率均得到提升。

1.3 多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行

流水線可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的部分重疊，更進(jìn)一步，類比CPU 中的多核多線程，將檢測(cè)資源按一定規(guī)律擴(kuò)充，即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的完全重疊，進(jìn)一步提高任務(wù)并行水平。假設(shè)各類檢測(cè)工位同時(shí)增加一倍，則多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的流水線如圖3所示。

圖3 并行流水線

可知，完成全部8個(gè)檢測(cè)任務(wù)只需要7個(gè)時(shí)鐘周期。此時(shí)，T=8/7，E=（4×4）/（4×7）=4/7，相比于單條流水線，T和E都顯著提高。

以上都是在理想情況下得出的結(jié)論，實(shí)際情況往往復(fù)雜很多。

首先，各工序（P1、P2、P3、P4）所用的時(shí)間不同。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目所需的時(shí)間，例如溫升項(xiàng)目耗時(shí)較長(zhǎng)。

其次，并非每個(gè)任務(wù)都要經(jīng)歷完整的4道工序。現(xiàn)實(shí)中配變要做哪幾個(gè)項(xiàng)目是由需求決定的，通常常規(guī)項(xiàng)目和溫升項(xiàng)目需求較多，而屏蔽和沖擊項(xiàng)目則相對(duì)較少。

所以，實(shí)際情況下，各檢測(cè)工位不需要等比例配置，等比例反而會(huì)造成資源浪費(fèi)。

1.4 并行檢測(cè)模型

智能檢測(cè)工廠、流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)共同構(gòu)成了配變并行檢測(cè)模型。其中，智能檢測(cè)工廠是前提，流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)是手段，如圖4所示。

圖4 配變并行檢測(cè)模型

2 檢測(cè)資源優(yōu)化配置

2.1 資源配置比例

為得到檢測(cè)資源初始化配置最優(yōu)比例，須將檢測(cè)資源與使用程度進(jìn)行匹配。從流水線時(shí)空?qǐng)D分析，各工序檢測(cè)資源的使用程度取決于該工序出現(xiàn)的頻率及需要的時(shí)間。

實(shí)際上，P1、P2、P3、P4所需的實(shí)際檢測(cè)時(shí)間分別為4 h、3 h、8 h、2 h。根據(jù)管控平臺(tái)中的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到各工序出現(xiàn)的頻率。假設(shè)各工序出現(xiàn)的頻率分別為r1，r2，r3，r4。那么四種工位的數(shù)量配比理論上應(yīng)為

根據(jù)實(shí)際情況取整。

2.2 共享資源競(jìng)爭(zhēng)

由于多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，各檢測(cè)工位都成為共享資源，可以被任一任務(wù)使用。在同一時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)空閑的檢測(cè)工位數(shù)小于任務(wù)數(shù)時(shí)，部分任務(wù)由于缺少檢測(cè)資源而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，任務(wù)被暫時(shí)掛起，如圖5所示。

圖5中，4個(gè)并行任務(wù)A、B、C、D均完成了常規(guī)項(xiàng)目，將要進(jìn)行溫升試驗(yàn)。此時(shí)，空閑溫升工位數(shù)量為3，小于任務(wù)數(shù)量4。任務(wù)A、B、C 順利進(jìn)入溫升工位，將當(dāng)前常規(guī)工位1、2、3釋放。任務(wù)D由于找不到空閑的溫升工位，只能先掛起，此時(shí)常規(guī)工位4 就會(huì)被任務(wù)D長(zhǎng)時(shí)間占用。

圖5 任務(wù)掛起

因此，在并行檢測(cè)模型下進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，須綜合考慮資源初始配比、資源共享和競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題，保證整體高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度算法

為解決以上問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)流水線調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度算法。

3.1 緩沖區(qū)設(shè)立

設(shè)立物理緩沖區(qū)，用于臨時(shí)存放處于掛起狀態(tài)任務(wù)的樣品，釋放該檢測(cè)工位。如圖5 所示，由于常規(guī)工位4 被任務(wù)D 長(zhǎng)時(shí)間占用，為避免資源浪費(fèi)，先將任務(wù)D 掛起，將D 的樣品運(yùn)到物理緩沖器，從而將常規(guī)工位4釋放。

3.2 最短路徑規(guī)劃

樣品在工位—立庫(kù)以及工位間流轉(zhuǎn)需要運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)揮作用，運(yùn)輸效率是決定整體檢測(cè)效率的關(guān)鍵因素。任務(wù)下達(dá)后，運(yùn)輸系統(tǒng)開(kāi)始工作。流水線上每完成一道工序，樣品都要運(yùn)輸流轉(zhuǎn)，運(yùn)輸時(shí)間不可忽視。運(yùn)輸可分為三種情況，如表3 所示?？芍?，從立庫(kù)到工位用時(shí)顯著大于從緩沖區(qū)到工位以及從工位到工位。通過(guò)設(shè)立緩沖區(qū)，可以有效縮短運(yùn)輸路徑，通過(guò)規(guī)劃最短運(yùn)輸路徑，可以提高整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

表3 運(yùn)輸類型及時(shí)間 單位：min

3.3 基于三隊(duì)列的任務(wù)調(diào)度

為保證流水線高效運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間，結(jié)合初始化資源配置、資源共享、物理緩沖區(qū)和最短路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了三個(gè)邏輯隊(duì)列的并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度算法。

設(shè)計(jì)“檢測(cè)任務(wù)”這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含樣品信息、試驗(yàn)項(xiàng)目、任務(wù)狀態(tài)三個(gè)元素?！皹悠沸畔ⅰ敝邪瑯悠穮?shù)及樣品當(dāng)前位置；“試驗(yàn)項(xiàng)目”中包含了該樣品所需進(jìn)行的全部試驗(yàn)項(xiàng)目以及當(dāng)前正在進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目；“任務(wù)狀態(tài)”包括新建、運(yùn)行、掛起三種狀態(tài)。

設(shè)計(jì)三個(gè)任務(wù)隊(duì)列，分別為新建隊(duì)列、運(yùn)行隊(duì)列和掛起隊(duì)列。相對(duì)應(yīng)的任務(wù)狀態(tài)分別為新建、運(yùn)行、掛起。通過(guò)三個(gè)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)并行任務(wù)調(diào)度，利用物理緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)運(yùn)輸。并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度如圖6所示。具體的算法步驟如表4所示。

圖6 并行檢測(cè)任務(wù)調(diào)度

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在山東某物資質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行。試驗(yàn)場(chǎng)所滿足智能檢測(cè)工廠要求，配有多個(gè)集成式檢測(cè)工位、2 臺(tái)AGV 叉車、7 層自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)以及一體化管控平臺(tái)。一體化管控平臺(tái)與各子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。選取待檢配變樣品共40臺(tái)，其中20臺(tái)需要進(jìn)行全部四類項(xiàng)目，另外20 臺(tái)僅進(jìn)行常規(guī)和溫升項(xiàng)目。受場(chǎng)地限制，現(xiàn)場(chǎng)最多只能布置16個(gè)工位。

表4 基于三隊(duì)列的并行任務(wù)調(diào)度算法

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，可計(jì)算出常規(guī)、屏蔽、溫升、沖擊四類項(xiàng)目的頻率分別為：r1=40/40=1，r2=20/40=0.5，r3=40/40=1，r4=20/40=0.5。優(yōu)化前各類檢測(cè)工位數(shù)量相等，分別為n（P1）=n（P2）=n（P3）=n（P4）=4。由式（3）可得，優(yōu)化后檢測(cè)工位數(shù)量配比應(yīng)滿足n（P1）∶n（P2）∶n（P3）∶n（P4）=4r1∶3r2∶8r3∶2r4=4∶1.5∶8∶1。受場(chǎng)地限制，取整后n（P1）=4，n（P2）=2，n（P3）=8，n（P4）=2。由于初始并發(fā)水平為4，設(shè)緩沖區(qū)數(shù)量為4。并行檢測(cè)模型優(yōu)化前后的特征差異詳見(jiàn)表5。

表5 并行檢測(cè)模型優(yōu)化前后條件差異

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

優(yōu)化前后各檢測(cè)工位的資源利用率如表6所示。

表6 優(yōu)化前后工位資源利用率

由表6 可知，優(yōu)化后常規(guī)工位利用率基本持平，溫度工位利用率略有下降，而屏蔽工位和沖擊工位的利用率顯著提升。這說(shuō)明優(yōu)化前屏蔽和沖擊工位配置過(guò)多，溫升工位嚴(yán)重短缺，優(yōu)化后各工位配置更為合理，總體資源利用率顯著提升。

優(yōu)化前后的運(yùn)輸時(shí)間分別為t1=40.5 h，t2=24.6 h。優(yōu)化前后完成全部檢測(cè)任務(wù)的總耗時(shí)分別為T1=122 h，T2=96 h。優(yōu)化前后并行檢測(cè)模型性能對(duì)比詳見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化前后的性能比較

結(jié)果表明，優(yōu)化后檢測(cè)工位利用率提升27.5%，運(yùn)輸時(shí)間節(jié)省了39.3%，即有效運(yùn)輸距離縮短了39.3%，符合最短路徑的設(shè)計(jì)思想。完成全部檢測(cè)任務(wù)的總耗時(shí)縮短了21.3%，反之整體檢測(cè)效率提升了27.1%。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)當(dāng)前主流的配變檢測(cè)模式，在“智能檢測(cè)工廠”基礎(chǔ)上，引入“并行化”概念，應(yīng)用了流水線執(zhí)行以及多任務(wù)并發(fā)兩種并行方法，設(shè)計(jì)出配變并行檢測(cè)模型，并針對(duì)資源共享問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后的模型相比于優(yōu)化前，共同點(diǎn)是優(yōu)化前后都可進(jìn)行并行檢測(cè)。不同點(diǎn)在于：優(yōu)化前不存在檢測(cè)資源共享，優(yōu)化后存在檢測(cè)資源共享；優(yōu)化前不存在緩沖區(qū)，優(yōu)化后存在緩沖區(qū)；優(yōu)化前是通用的任務(wù)調(diào)度算法，優(yōu)化后是三隊(duì)列調(diào)度算法。

試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的并行檢測(cè)模型在檢測(cè)資源利用率、運(yùn)輸距離以及整體檢測(cè)效率方面均有顯著提升，適用于智能檢測(cè)工廠模式。