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  • 頭條城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用
    2021-12-21 作者:張春曉 李國玉 等  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語上海思源弘瑞自動化有限公司、青島地鐵集團有限公司的研究人員張春曉、李國玉、葛歡,在2021年第4期《電氣技術(shù)》上撰文,在對城市軌道交通變電所運維現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上,研究運維數(shù)字化、智能化、遠程化、可視化的關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)一種基于人工智能分析技術(shù)的聯(lián)合巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合全站多源數(shù)據(jù),通過多種先進傳感器和采集設(shè)備,實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)全面感知,以軌道機器人、固定點位攝像機為核心構(gòu)建立體巡檢體系,實現(xiàn)智能巡檢、智能操作、智能聯(lián)動和智能安全運行。

    中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出,要建立智能運維和安全保障體系,穩(wěn)步提升運維智能化和安全運行水平。軌道交通變電所的日常巡檢內(nèi)容包含設(shè)備的外觀(異響、異味、放電)、環(huán)境(溫濕度、異物進入、滲漏水)、設(shè)備運行方式、裝置運行情況、異常及故障信息等,其對軌道交通的供電安全意義重大。

    目前,變電所的巡視模式仍是傳統(tǒng)的人工巡視,工作量大且瑣碎,容易出現(xiàn)錯誤及遺漏,需巡檢設(shè)備的龐大規(guī)模與運維人員數(shù)量及能力嚴重不足的矛盾日益突出。因此有必要結(jié)合新型傳感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù),研究軌道交通變電所巡檢的數(shù)字化、智能化、遠程化、可視化相關(guān)技術(shù),實現(xiàn)變電所的智能運維,提升變電所巡檢的質(zhì)量與效率,減少運維人員工作量。

    1 現(xiàn)狀分析

    在城市軌道交通供電系統(tǒng)中,一般設(shè)有主變電所、牽引降壓混合變電所、降壓變電所、跟隨式降壓變電所等幾種類型變電所。供電管理部門為了掌握設(shè)備運行情況,在每個站點的變電所內(nèi)部署了綜合監(jiān)控系統(tǒng),利用“三遙”(遙信、遙測、遙控)數(shù)據(jù)監(jiān)控變電所供電設(shè)備的運行情況,可以利用該系統(tǒng)的操作員站,實現(xiàn)對供電設(shè)備的日常監(jiān)測、控制與管理。綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入的供電設(shè)備信號類型見表1。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    表1 信號類型表

    這些信息并不能覆蓋運維人員日常巡視的全部內(nèi)容,變電所的日常巡視內(nèi)容一般包含設(shè)備外觀(異響、異味、放電)、環(huán)境(溫濕度、異物進入、設(shè)備房間滲漏水)、設(shè)備運行方式、設(shè)備氣壓數(shù)據(jù)、柜體開關(guān)位置指示、表計數(shù)據(jù)、保護運行情況及面板指示燈指示、設(shè)備本體計數(shù)器動作情況、變壓器運行溫度、各設(shè)備本體告警、異常及故障信息、設(shè)備本體表計電量數(shù)據(jù)信息核查等。

    在目前人工巡視的模式下,運維人員工作量大且瑣碎,易出現(xiàn)錯誤遺漏,亟需用智能化、遠程化、自動化的手段去提質(zhì)增效,強化設(shè)備運維的狀態(tài)感知、缺陷發(fā)現(xiàn)、設(shè)備管控、主動預(yù)警和應(yīng)急處置能力,提升設(shè)備運維水平和效率,降低運維過程中人為因素導(dǎo)致的不確定性。

    2 系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)分為兩級架構(gòu),由車輛段智能巡視主站、變電所智能巡視子站兩部分組成,并可與地鐵公司云平臺進行數(shù)據(jù)交互。

    車輛段智能巡視主站部署于車輛段,負責(zé)統(tǒng)籌管理整個車輛段各變電所的巡視策略制定,以及巡視任務(wù)管理,并對各變電所智能巡視子站下發(fā)巡視命令,采集各變電所智能巡視子站采集的視頻、圖片及其他相關(guān)數(shù)據(jù),進行相關(guān)圖像識別分析;對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行挖掘分析,輔助運維人員掌握設(shè)備狀態(tài)信息。主要由各類型服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等構(gòu)成。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

    在變電工班部署智能巡視工作站,用于一線運維人員掌握各自所管轄的變電所設(shè)備運行情況,各工班工程師站權(quán)限獨立,只有本轄區(qū)內(nèi)變電所智能巡視系統(tǒng)操作權(quán)限,具有全車輛段變電所智能巡視系統(tǒng)查看權(quán)限。

    變電所智能巡視子站部署在110kV主變電所、牽引降壓混合所、降壓所、跟隨所等,智能巡視子站由智能運維網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、各類型攝像機、紅外測溫攝像機、軌道機器人、聲紋采集終端等設(shè)備構(gòu)成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動巡視、智能聯(lián)動功能。

    智能運維網(wǎng)關(guān)是巡視子站的核心,接受巡視主站下發(fā)的巡視任務(wù),并控制攝像機、機器人等執(zhí)行任務(wù),把采集到的數(shù)據(jù)上送至巡視主站,并同時負責(zé)處理子站端的智能聯(lián)動業(yè)務(wù)。

    此外智能運維網(wǎng)關(guān)也與子站端外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接口,通過DL/T 860、104、Modbus等協(xié)議從綜合監(jiān)控系統(tǒng)接入變電所供電設(shè)備運行數(shù)據(jù)、火災(zāi)消防信息、環(huán)境信息、門禁信息,從在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),用于進行智能聯(lián)動及綜合分析。

    3 關(guān)鍵技術(shù)

    實現(xiàn)軌道交通變電所智能運維需要大量人工智能、新型傳感器、機器人、虛擬現(xiàn)實和信息安全等領(lǐng)域的新技術(shù)。

    3.1 智能巡視與聯(lián)動技術(shù)

    聯(lián)合高清視頻攝像機、紅外熱成像攝像機、巡檢機器人等前端采集設(shè)備,實現(xiàn)變電站全天候全覆蓋遠程智能巡視,包括例行巡視、熄燈巡視、特殊巡視、專項巡視、自定義巡視等多種巡視方式。

    當遙控開關(guān)預(yù)置時、發(fā)生變位信號時、遙測越限告警時、保護動作時、發(fā)生火警時等各種情況下,都可以觸發(fā)聯(lián)動,自動執(zhí)行巡視任務(wù),由機器人或視頻進行復(fù)核。具體實現(xiàn)方式是,當智能聯(lián)動微服務(wù)程序檢測到觸發(fā)聯(lián)動邏輯的信號時,自動執(zhí)行預(yù)設(shè)聯(lián)動策略,比如,檢測到火警信號時,可啟動火警特殊巡視任務(wù),對發(fā)生火警的區(qū)域進行攝像頭監(jiān)控掃描,通過AI技術(shù)判斷是否真的發(fā)生了火情。

    智能聯(lián)動配置界面如圖2所示,對任務(wù)配置不同的觸發(fā)信號,即可實現(xiàn)對該任務(wù)的聯(lián)動觸發(fā),具體巡視任務(wù)界面如圖3所示。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖2 智能聯(lián)動配置界面

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖3 巡視任務(wù)界面

    3.2 圖像識別與判別技術(shù)

    相比于傳統(tǒng)方法,采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別與判別技術(shù)能夠提供基于學(xué)習(xí)的特征表示,具有高效的自動學(xué)習(xí)和分類能力,在多領(lǐng)域的圖像處理問題中取得了接近甚至超越人類水平的效果。

    通過采用Darknet深度學(xué)習(xí)框架,采用速度較快的YOLO(you only look once)算法、單次多盒檢測器(single shot multibox detector, SSD)目標檢測模型、圖像分割算法、HSV(hue, saturation, value)顏色追蹤算法等,實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)識別、缺陷識別及異常變化的判別[11]。主要支持的圖像識別類型見表2。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    表2 圖像識別類型表

    YOLO訓(xùn)練過程是通過計算損失函數(shù),然后使用反向傳播算法,逐層向前反饋更新每一層的神經(jīng)元參數(shù),然后再進行前饋操作并反饋更新參數(shù),最終達到損失值收斂的結(jié)果。

    激活函數(shù)使用Leaky ReLU,它是一種改進的ReLU激活函數(shù),ReLU是將所有負值都置為0,而Leaky ReLU將所有負值都乘以一個介于0~1的參數(shù),既不使負值的作用完全消失,又弱化了負值對輸出的影響。

    Leaky ReLU激活函數(shù)為

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    式(1)中:xi為輸入;yi為輸出。

    圖像識別效果如圖4所示,系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的圖片自動識別切換把手、指示燈的當前狀態(tài),并輸出識別結(jié)果。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖4 圖像識別效果圖

    3.3 紅外診斷與分析技術(shù)

    紅外診斷與分析技術(shù)是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng),采用專用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息,進而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門綜合技術(shù)。紅外診斷與分析技術(shù)常用的分析方法有熱譜圖分析法、表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法、溫差判斷法、檔案分析判斷法、實時分析判斷法等。

    根據(jù)多年積累的上百萬張設(shè)備缺陷紅外熱譜圖,建立帶電設(shè)備紅外診斷專家知識庫,以人工智能的方式深度學(xué)習(xí),實現(xiàn)對主要電氣設(shè)備(變壓器為主)進行自動分析診斷,結(jié)合所診斷設(shè)備在不同時期的歷史檢測數(shù)據(jù),深度解析設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息及全像素溫度數(shù)據(jù),進行智能診斷、智能告警,實時發(fā)現(xiàn)不同類型的設(shè)備缺陷,對一次設(shè)備的缺陷部位、可能的故障原因進行分析,輔助運維人員判斷問題性質(zhì),提高問題應(yīng)對能力,縮短處理時間。

    紅外測溫界面如圖5所示,紅外測溫結(jié)束之后,會顯示當前設(shè)備的溫度值,如果設(shè)備有異常會進行告警,如果正常,運行人員正常確認結(jié)果即可。

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    圖5 紅外測溫界面

    3.4 三維實景與可視技術(shù)

    通過激光掃描儀獲取變電所的三維全景點云數(shù)據(jù),借助計算機輔助技術(shù)建立數(shù)字孿生體,由實入虛,將現(xiàn)實變電所進行虛擬數(shù)字化還原,生成虛擬數(shù)字映像。數(shù)字孿生體中會疊加系統(tǒng)采集的各維度的實時數(shù)據(jù),包括開關(guān)位置、電流電壓、環(huán)境監(jiān)測、在線監(jiān)測、紅外測溫、設(shè)備臺賬等數(shù)字信息,攝像頭實時采集的局部視頻信息也可以再嵌入和融合到數(shù)字場景中,由虛入實,虛實融合,最終以全景全息可視化的方式呈現(xiàn)給運維人員。三維全息界面如圖6所示。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖6 三維全息界面

    3.5 狀態(tài)評估與預(yù)警技術(shù)

    綜合監(jiān)控采集的電力數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition, SCADA)數(shù)據(jù)可通過單向隔離裝置接入巡視系統(tǒng)進行跨區(qū)數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)通過從其他系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)接入、自主采集及通過智能巡視任務(wù)收集到的四遙、圖片、音頻、視頻、圖譜和波形等多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、檢索、學(xué)習(xí)、專家判斷、模式識別等深入挖掘隱藏信息,提煉出變電站設(shè)備運行特征,再結(jié)合人工智能技術(shù),實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)評價及潛在風(fēng)險分析,發(fā)現(xiàn)隱患并自動預(yù)警,進而自動生成診斷分析報告。

    3.6 安全加固與探針技術(shù)

    為保證系統(tǒng)的安全性,系統(tǒng)采用國產(chǎn)安全操作系統(tǒng),使用國密算法進行數(shù)據(jù)加密,采用“口令+數(shù)字證書”雙因子認證方式進行身份認證,并按原生安全的理念,通過面向切面編程(aspect oriented programming, AOP)模式保證應(yīng)用層微服務(wù)不含有用戶機密信息。平臺層完成信息加密、數(shù)字簽名等功能,確保通信鏈路可信。

    系統(tǒng)在車輛段巡視主站部署安全監(jiān)測服務(wù),通過在每個變電所智能運維網(wǎng)關(guān)上部署的安全探針軟件對設(shè)備安全情況進行實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)安全事件及時告警。安全探針軟件可實時感知串口訪問、USB訪問、網(wǎng)口訪問、光驅(qū)訪問、文件訪問、用戶登錄等安全事件。告警信息界面如圖7所示。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖7 系統(tǒng)告警信息界面

    4 應(yīng)用情況

    該系統(tǒng)已經(jīng)在青島地鐵8號線大洋站試點使用。系統(tǒng)首頁如圖8所示,大洋站實際設(shè)備布點如圖9所示,系統(tǒng)即將在青島地鐵4號線和8號線全線進行推廣。

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖8 系統(tǒng)主頁圖

    城市軌道交通變電所智能運維的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

    圖9 大洋站設(shè)備布點圖

    5 結(jié)論

    綜上所述,借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為核心的智能運維新技術(shù),通過軌道交通變電所信息的全面感知,獲取運行狀態(tài)、設(shè)備信息、消防、環(huán)境、安防等全景數(shù)據(jù),結(jié)合安全加固、安全探針、安全加密等信息安全技術(shù),確保在信息安全的前提下,推進變電所運維的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級,實現(xiàn)狀態(tài)全面感知、缺陷自動發(fā)現(xiàn)、設(shè)備智能管控、缺陷主動預(yù)警、事故應(yīng)急處置,使變電所運維從“人工經(jīng)驗”轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”,從“人力巡檢”轉(zhuǎn)向“智能運維”。

    本文編自2021年第4期《電氣技術(shù)》,論文標題為“城市軌道交通變電所智能運維關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”,作者為張春曉、李國玉、葛歡。

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