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★北京和利時系統(tǒng)工程有限公司柴軍，曹嬌，劉宇

1　項目介紹

本項目為邊緣智能控制系統(tǒng)在城市軌道交通行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化落地示范應(yīng)用，對大連地鐵1號線大連北站進行升級改造，通過1套邊緣智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)4個相鄰變電所的智能化、無人化巡檢功能。

大連地鐵1號線，于2015年10月30日開通運營一期工程，2017年6月7日開通運營二期工程。線路起于姚家站，途經(jīng)甘井子區(qū)（北部）、沙河口區(qū)、甘井子區(qū)（南部），貫穿大連北站、華南廣場商圈、西安路商圈、星海廣場、東北財經(jīng)大學(xué)、大連海事大學(xué)、大連高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)等區(qū)域，止于河口站，大致呈南北走向。線路全長28.34千米，全部為地下線；共設(shè)置22座車站，全部為地下車站。截至2023年4月，大連地鐵1號線日最高客運量為2023年4月30日的38.86萬人次。

供電系統(tǒng)作為軌道交通關(guān)鍵系統(tǒng)之一，承擔(dān)著全線牽引系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)供電的首要任務(wù)，其運行安全性、可靠性直接關(guān)系到軌道交通的運營安全。傳統(tǒng)模式下，為保證變電所的安全運行，巡視人員需每日對全線變電所設(shè)備進行巡視工作，確認(rèn)設(shè)備運行狀態(tài)及環(huán)境安全情況。但是，人工巡檢存在巡檢工作量大、手動錄入數(shù)據(jù)巡檢效率低、定期巡視無法滿足實時掌握設(shè)備運行情況等問題。

針對巡檢現(xiàn)狀，為滿足智能化及無人值守的牽引變電所的發(fā)展需求，項目組選取了大連地鐵1號線大連北站變電所作為邊緣智能控制系統(tǒng)的試點站，開展變電所智能巡檢系統(tǒng)改造。在變電所安裝邊緣智能控制器、高清云臺攝像機、傳感器、巡檢工作站和中心級智能巡檢平臺，實現(xiàn)變電所可視化智能巡檢的功能，提高地鐵線路供電系統(tǒng)巡檢效率，減少運營維護成本，提高運維整體安全性和質(zhì)量。

2　項目實施與應(yīng)用

2.1　總體設(shè)計

智能巡檢系統(tǒng)首先是遵循國際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，摒棄自制各種非標(biāo)準(zhǔn)化件的思路，底層硬件平臺、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等選型上注重標(biāo)準(zhǔn)化和通用性。軟件從設(shè)計到實現(xiàn)充分考慮模塊化、接口化、盡量遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，充分利用現(xiàn)有開源軟件資源，為今后的應(yīng)用發(fā)展和第三方系統(tǒng)集成預(yù)留足夠的開放接口，保障系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和用戶投資的持續(xù)有效。

同時針對使用者、工程實施人員提出的靈活性需求，通過精心的前期設(shè)計使系統(tǒng)具備足夠的靈活性，從而做到后期滿足用戶的各種臨時性需求，保證系統(tǒng)安全性可靠性的同時滿足應(yīng)用的靈活性和多樣性。

圖1 變電所智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，變電所智能巡檢系統(tǒng)可實現(xiàn)對變電所綜合自動化系統(tǒng)既有數(shù)據(jù)的采集，以及視頻攝像頭等滿足巡檢需求新增傳感器數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)變電所設(shè)備的智能診斷，提高系統(tǒng)維護管理水平。

考慮到大連地鐵1號線智能巡檢項目的當(dāng)前需求，以相鄰變電所（以牽混所為核心，帶動相鄰降壓所、跟隨所、箱變）合用1套EIC的系統(tǒng)能力。相鄰降壓所、跟隨所、箱變通過所在變電所的交換機鏈接巡檢專用網(wǎng)絡(luò)，接入核心站牽引降壓所EIC，實現(xiàn)1套EIC巡檢2~4個變電所的目標(biāo)。系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢：

（1）硬件綜合承載：邊緣智能控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)PSCADAPLC、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器、SF6數(shù)據(jù)采集器、視頻解碼服務(wù)器、視頻分析服務(wù)器，并實現(xiàn)相應(yīng)實時控制、智能計算功能；

（2）統(tǒng)一控制網(wǎng)絡(luò)：基于邊緣智能控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)整合傳統(tǒng)PSCADA控制網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及視頻分析網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)和高頻視頻流數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入；

（3）數(shù)據(jù)融合管理：邊端生產(chǎn)與運維數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，減少接口數(shù)量和調(diào)試工作量；云邊數(shù)據(jù)的分發(fā)和協(xié)同，降低中心數(shù)據(jù)處理壓力，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（4）統(tǒng)一開發(fā)平臺：符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的低代碼開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置上百種工業(yè)控制及智能診斷算法庫，降低開發(fā)難度，提升開發(fā)質(zhì)量與效率。

2.2　系統(tǒng)功能

變電所智能巡檢系統(tǒng)具備全景感知、智能識別、視頻監(jiān)控、巡檢管理、歷史查詢、配置管理功能。

2.2.1　全景感知

變電所智能巡檢對變電所帶電設(shè)備進行遠距離、高精度、全覆蓋巡檢，采集到的圖像能快速拼接成全景圖，對目標(biāo)設(shè)備進行圖像識別，依托數(shù)據(jù)智能處理平臺完成統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，最終實現(xiàn)無人機對變電站自主巡檢。

圖2 變電所智能巡檢系統(tǒng)全景感知

2.2.2　智能識別

智能識別主要完成對高壓開關(guān)柜、直流開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜、變壓器、整流器、軌電位排流柜、交直流屏、控制信號屏等變電所內(nèi)設(shè)備智能巡視，通過智能算法識別現(xiàn)場設(shè)備運行情況預(yù)判設(shè)備運行趨勢。

圖3 變電所智能巡檢系統(tǒng)對各色指示燈轉(zhuǎn)換開關(guān)識別

圖4 變電所智能巡檢系統(tǒng)對表計進行讀數(shù)

2.2.3　視頻監(jiān)控

完全實現(xiàn)攝像機功能，邊緣智能控制器智能控制攝像機等監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)智能巡檢功能，調(diào)用查看系統(tǒng)內(nèi)的所有攝像頭的實時視頻；圖像存儲及回放功能；完整控制視頻前端設(shè)備實現(xiàn)對攝像機視角、方位、焦距、光圈、景深的調(diào)整等功能。

圖5 變電所智能巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能

2.2.4　巡檢管理

系統(tǒng)能夠完成巡檢計劃編制并下發(fā)至EIC邊緣智能控制器，讓系統(tǒng)按計劃實時或定期巡檢，或者手工選擇某個計劃立即執(zhí)行。系統(tǒng)按計劃配置的設(shè)備檢測項順序，按每個檢測項對應(yīng)的巡檢點位置控制固定攝像頭運動到位，執(zhí)行檢測項規(guī)定的任務(wù)（拍照、識別、測溫），如異常則產(chǎn)生報警，并將結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中以供后續(xù)查詢。

圖6 變電所智能巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)巡檢管理功能

圖7 變電所智能巡檢系統(tǒng)生成巡檢報告

2.2.5　歷史查詢

系統(tǒng)具有歷史數(shù)據(jù)的查詢功能頁面，包括：報表統(tǒng)計、報警查詢、報告查詢、視頻回放、操作記錄。

（1）報表統(tǒng)計：支持選擇按年、月、周、日或指定時間范圍，以及選擇設(shè)備類型或全部類型來查詢設(shè)備故障報警統(tǒng)計報表；

（2）報警查詢：支持按報警開始時間、結(jié)束時間、報警區(qū)域、報警系統(tǒng)、報警級別、報警類型、報警對象進行查詢；

（3）報告查詢：系統(tǒng)支持按開始時間、結(jié)束時間、巡檢人員等條件查詢巡檢計劃執(zhí)行結(jié)果；

（4）視頻回放：系統(tǒng)能隨時查詢并回放視頻網(wǎng)絡(luò)錄像機上存儲的所有攝像頭的歷史視頻數(shù)據(jù)；

（5）操作記錄：系統(tǒng)能按時間段查詢用戶的操作記錄。

圖8 變電所智能巡檢系統(tǒng)歷史查詢

2.2.6　配置管理

系統(tǒng)具有參數(shù)配置管理頁面，包括視頻管理、報警管理、用戶管理、設(shè)備管理。

（1）視頻管理功能可以配置視頻實時監(jiān)視、輪巡監(jiān)視和分組監(jiān)視三部分的相關(guān)參數(shù)；

（2）報警管理功能可以查詢、選擇并配置系統(tǒng)報警器的相關(guān)參數(shù)；

（3）用戶管理功能實現(xiàn)用戶管理；

（4）設(shè)備管理功能可以對變電所巡檢設(shè)備的新建、查詢、刪除、編輯操作。

圖9 變電所智能巡檢系統(tǒng)配置管理功能

3　項目創(chuàng)新

3.1　硬件設(shè)備創(chuàng)新

項目采用邊緣智能控制器（EIC）作為邊緣側(cè)平臺承載變電所巡檢業(yè)務(wù)。邊緣控制器（EIC）是緊湊的工業(yè)尺寸，融合工業(yè)控制、邊緣計算、邊云協(xié)同、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、本地顯示等核心能力于一體的邊緣智能計算控制平臺，具備以下核心技術(shù)：

（1）PLC技術(shù)：采用工業(yè)級硬件架構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)、電源、散熱等設(shè)計滿足工業(yè)運行環(huán)境要求，依托成熟PLC的冗余技術(shù)，實現(xiàn)邊緣控制器的冗余，提高系統(tǒng)可靠型和可用性；

（2）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)，時隙分配和管理軟件，實現(xiàn)實時、非實時數(shù)據(jù)的獲取、交互，支持主流現(xiàn)場總線協(xié)議用于匯聚現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備，支持Lora、5G、Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò)用于匯聚現(xiàn)場無線物聯(lián)設(shè)備，支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)用于匯聚現(xiàn)場IT設(shè)備；

（3）虛擬化技術(shù)：采用虛擬化平臺，對邊緣智能控制器中的硬件資源進行虛擬化映射、調(diào)度和管理，實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的算力優(yōu)化調(diào)度和動態(tài)重構(gòu)，形成與硬件無關(guān)的虛擬控制器和虛擬計算資源，提高設(shè)備的資源利用效率。

3.2　應(yīng)用功能創(chuàng)新

智能巡檢系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工巡檢的巡檢難、管理難、效率低三大痛點。實現(xiàn)以下創(chuàng)新功能：

（1）遠程快速智能巡視：按時自動完成巡視，節(jié)省路途時間，杜絕漏巡漏檢，隨時增加巡視計劃，一鍵獲取設(shè)備狀態(tài)信息，零延時；

（2）設(shè)備狀態(tài)識別、異常報警：自動讀取表計數(shù)據(jù)，設(shè)備面板指示燈狀態(tài)、壓板狀態(tài)，圖像識別準(zhǔn)確率約為95%，24小時實時設(shè)備狀態(tài)全看護，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行隱患并報警；

（3）巡視報表智能生成及分析：巡視報表自動生成，減少人員統(tǒng)計錄入環(huán)節(jié)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，巡視報表可通過同比、環(huán)比等多種途徑進行分析，實時判斷設(shè)備運行狀況。

4　項目效益分析

邊緣智能控制系統(tǒng)整合算法服務(wù)器、控制器、診斷器及網(wǎng)絡(luò)接入。通過云、邊協(xié)同的變電站智能圖像分析實現(xiàn)變電所智能化巡檢，提高地鐵線路供電系統(tǒng)巡檢效率。

以大連1號線全線部署智能巡檢系統(tǒng)計算為例，結(jié)果如表1所示。

表1 大連1號線智能巡檢與傳統(tǒng)人工巡檢對比

相較以往巡檢次數(shù)每日5次增加到8次增加160%；巡檢人員配置56人，智能巡檢系統(tǒng)運行后預(yù)估配置18人，可整體降低人員投入約67.86%。

通過變電站智能圖像分析體系，不斷擴充圖像倉庫，不斷優(yōu)化圖像分析的模型的精度，將極大地提高算法模型的更新效率，促進變電站圖像智能分析的應(yīng)用效果不斷提升。現(xiàn)有巡檢211項，自動巡檢覆蓋率94.3%，可從傳統(tǒng)人工現(xiàn)場巡檢模式轉(zhuǎn)向更精準(zhǔn)有效的全自動智能巡檢，進而減少不必要的運維人員投入，預(yù)估提升運維整體效率約77.78%。

5　項目意義

大連地鐵1號線變電所智能巡檢項目為邊緣智能控制器（EIC）在城市軌道交通行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化落地示范應(yīng)用。

大連地鐵1號線變電所智能巡檢項目以大連北站變電所作為試點站，采用1套邊緣智能控制器作為核心單元構(gòu)建智能巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)相鄰4個變電所的全景感知。通過智能識別算法，實現(xiàn)自動化的系統(tǒng)巡檢功能，并實現(xiàn)巡檢報表的自動填報，避免了人工巡檢存在巡檢工作量大、手動錄入數(shù)據(jù)巡檢效率低、定期巡視無法滿足實時掌握設(shè)備運行情況等問題。本項目的實施提高了地鐵線路供電系統(tǒng)巡檢效率，減少了運營維護成本，提高了運維整體安全性和質(zhì)量，可在全國各大新建、改造的城市軌道交通線路進行推廣落地。

摘自《自動化博覽》2024年6月刊