★北京和利時(shí)系統工程有限公司柴軍，曹嬌，劉宇

1　項目介紹

本項目為邊緣智能控制系統在城市軌道交通行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化落地示范應用，對大連地鐵1號線(xiàn)大連北站進(jìn)行升級改造，通過(guò)1套邊緣智能控制系統實(shí)現4個(gè)相鄰變電所的智能化、無(wú)人化巡檢功能。

大連地鐵1號線(xiàn)，于2015年10月30日開(kāi)通運營(yíng)一期工程，2017年6月7日開(kāi)通運營(yíng)二期工程。線(xiàn)路起于姚家站，途經(jīng)甘井子區（北部）、沙河口區、甘井子區（南部），貫穿大連北站、華南廣場(chǎng)商圈、西安路商圈、星海廣場(chǎng)、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)園區等區域，止于河口站，大致呈南北走向。線(xiàn)路全長(cháng)28.34千米，全部為地下線(xiàn)；共設置22座車(chē)站，全部為地下車(chē)站。截至2023年4月，大連地鐵1號線(xiàn)日最高客運量為2023年4月30日的38.86萬(wàn)人次。

供電系統作為軌道交通關(guān)鍵系統之一，承擔著(zhù)全線(xiàn)牽引系統和動(dòng)力照明系統供電的首要任務(wù)，其運行安全性、可靠性直接關(guān)系到軌道交通的運營(yíng)安全。傳統模式下，為保證變電所的安全運行，巡視人員需每日對全線(xiàn)變電所設備進(jìn)行巡視工作，確認設備運行狀態(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(dòng)錄入數據巡檢效率低、定期巡視無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)掌握設備運行情況等問(wèn)題。

針對巡檢現狀，為滿(mǎn)足智能化及無(wú)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(xiàn)大連北站變電所作為邊緣智能控制系統的試點(diǎn)站，開(kāi)展變電所智能巡檢系統改造。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(shí)現變電所可視化智能巡檢的功能，提高地鐵線(xiàn)路供電系統巡檢效率，減少運營(yíng)維護成本，提高運維整體安全性和質(zhì)量。

2　項目實(shí)施與應用

2.1　總體設計

智能巡檢系統首先是遵循國際或行業(yè)標準的系統，摒棄自制各種非標準化件的思路，底層硬件平臺、網(wǎng)絡(luò )、操作系統等選型上注重標準化和通用性。軟件從設計到實(shí)現充分考慮模塊化、接口化、盡量遵循相關(guān)標準規范，充分利用現有開(kāi)源軟件資源，為今后的應用發(fā)展和第三方系統集成預留足夠的開(kāi)放接口，保障系統的可持續發(fā)展和用戶(hù)投資的持續有效。

同時(shí)針對使用者、工程實(shí)施人員提出的靈活性需求，通過(guò)精心的前期設計使系統具備足夠的靈活性，從而做到后期滿(mǎn)足用戶(hù)的各種臨時(shí)性需求，保證系統安全性可靠性的同時(shí)滿(mǎn)足應用的靈活性和多樣性。

圖1 變電所智能巡檢系統結構圖

如圖1所示，變電所智能巡檢系統可實(shí)現對變電所綜合自動(dòng)化系統既有數據的采集，以及視頻攝像頭等滿(mǎn)足巡檢需求新增傳感器數據的采集，實(shí)現變電所設備的智能診斷，提高系統維護管理水平。

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

（1）硬件綜合承載：邊緣智能控制系統替代傳統PSCADAPLC、環(huán)境監測系統數據采集器、SF6數據采集器、視頻解碼服務(wù)器、視頻分析服務(wù)器，并實(shí)現相應實(shí)時(shí)控制、智能計算功能；

（2）統一控制網(wǎng)絡(luò )：基于邊緣智能控制系統的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )整合傳統PSCADA控制網(wǎng)絡(luò )、環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )及視頻分析網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現生產(chǎn)控制數據和高頻視頻流數據統一接入；

（3）數據融合管理：邊端生產(chǎn)與運維數據統一采集，減少接口數量和調試工作量；云邊數據的分發(fā)和協(xié)同，降低中心數據處理壓力，提高數據質(zhì)量；

（4）統一開(kāi)發(fā)平臺：符合IEC61131-3國際標準的低代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境，內置上百種工業(yè)控制及智能診斷算法庫，降低開(kāi)發(fā)難度，提升開(kāi)發(fā)質(zhì)量與效率。

2.2　系統功能

變電所智能巡檢系統具備全景感知、智能識別、視頻監控、巡檢管理、歷史查詢(xún)、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備進(jìn)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，對目標設備進(jìn)行圖像識別，依托數據智能處理平臺完成統一數據管理，最終實(shí)現無(wú)人機對變電站自主巡檢。

圖2 變電所智能巡檢系統全景感知

2.2.2　智能識別

智能識別主要完成對高壓開(kāi)關(guān)柜、直流開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)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設備智能巡視，通過(guò)智能算法識別現場(chǎng)設備運行情況預判設備運行趨勢。

圖3 變電所智能巡檢系統對各色指示燈轉換開(kāi)關(guān)識別

圖4 變電所智能巡檢系統對表計進(jìn)行讀數

2.2.3　視頻監控

完全實(shí)現攝像機功能，邊緣智能控制器智能控制攝像機等監控設備實(shí)現智能巡檢功能，調用查看系統內的所有攝像頭的實(shí)時(shí)視頻；圖像存儲及回放功能；完整控制視頻前端設備實(shí)現對攝像機視角、方位、焦距、光圈、景深的調整等功能。

圖5 變電所智能巡檢系統實(shí)現視頻監控功能

2.2.4　巡檢管理

系統能夠完成巡檢計劃編制并下發(fā)至EIC邊緣智能控制器，讓系統按計劃實(shí)時(shí)或定期巡檢，或者手工選擇某個(gè)計劃立即執行。系統按計劃配置的設備檢測項順序，按每個(gè)檢測項對應的巡檢點(diǎn)位置控制固定攝像頭運動(dòng)到位，執行檢測項規定的任務(wù)（拍照、識別、測溫），如異常則產(chǎn)生報警，并將結果記錄到數據庫中以供后續查詢(xún)。

圖6 變電所智能巡檢系統實(shí)現巡檢管理功能

圖7 變電所智能巡檢系統生成巡檢報告

2.2.5　歷史查詢(xún)

系統具有歷史數據的查詢(xún)功能頁(yè)面，包括：報表統計、報警查詢(xún)、報告查詢(xún)、視頻回放、操作記錄。

（1）報表統計：支持選擇按年、月、周、日或指定時(shí)間范圍，以及選擇設備類(lèi)型或全部類(lèi)型來(lái)查詢(xún)設備故障報警統計報表；

（2）報警查詢(xún)：支持按報警開(kāi)始時(shí)間、結束時(shí)間、報警區域、報警系統、報警級別、報警類(lèi)型、報警對象進(jìn)行查詢(xún)；

（3）報告查詢(xún)：系統支持按開(kāi)始時(shí)間、結束時(shí)間、巡檢人員等條件查詢(xún)巡檢計劃執行結果；

（4）視頻回放：系統能隨時(shí)查詢(xún)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據；

（5）操作記錄：系統能按時(shí)間段查詢(xún)用戶(hù)的操作記錄。

圖8 變電所智能巡檢系統歷史查詢(xún)

2.2.6　配置管理

系統具有參數配置管理頁(yè)面，包括視頻管理、報警管理、用戶(hù)管理、設備管理。

（1）視頻管理功能可以配置視頻實(shí)時(shí)監視、輪巡監視和分組監視三部分的相關(guān)參數；

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

（3）用戶(hù)管理功能實(shí)現用戶(hù)管理；

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

圖9 變電所智能巡檢系統配置管理功能

3　項目創(chuàng )新

3.1　硬件設備創(chuàng )新

項目采用邊緣智能控制器（EIC）作為邊緣側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，通過(guò)結構、電源、散熱等設計滿(mǎn)足工業(yè)運行環(huán)境要求，依托成熟PLC的冗余技術(shù)，實(shí)現邊緣控制器的冗余，提高系統可靠型和可用性；

（2）網(wǎng)絡(luò )技術(shù)：基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）技術(shù)，時(shí)隙分配和管理軟件，實(shí)現實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)數據的獲取、交互，支持主流現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議用于匯聚現場(chǎng)監控設備，支持Lora、5G、Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )用于匯聚現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)物聯(lián)設備，支持標準以太網(wǎng)用于匯聚現場(chǎng)IT設備；

（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(jìn)行虛擬化映射、調度和管理，實(shí)現基于網(wǎng)絡(luò )的算力優(yōu)化調度和動(dòng)態(tài)重構，形成與硬件無(wú)關(guān)的虛擬控制器和虛擬計算資源，提高設備的資源利用效率。

3.2　應用功能創(chuàng )新

智能巡檢系統解決了傳統人工巡檢的巡檢難、管理難、效率低三大痛點(diǎn)。實(shí)現以下創(chuàng )新功能：

（1）遠程快速智能巡視：按時(shí)自動(dòng)完成巡視，節省路途時(shí)間，杜絕漏巡漏檢，隨時(shí)增加巡視計劃，一鍵獲取設備狀態(tài)信息，零延時(shí)；

（2）設備狀態(tài)識別、異常報警：自動(dòng)讀取表計數據，設備面板指示燈狀態(tài)、壓板狀態(tài)，圖像識別準確率約為95%，24小時(shí)實(shí)時(shí)設備狀態(tài)全看護，及時(shí)發(fā)現設備運行隱患并報警；

（3）巡視報表智能生成及分析：巡視報表自動(dòng)生成，減少人員統計錄入環(huán)節，保證數據準確性，巡視報表可通過(guò)同比、環(huán)比等多種途徑進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)判斷設備運行狀況。

4　項目效益分析

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

以大連1號線(xiàn)全線(xiàn)部署智能巡檢系統計算為例，結果如表1所示。

表1 大連1號線(xiàn)智能巡檢與傳統人工巡檢對比

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

通過(guò)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(jìn)變電站圖像智能分析的應用效果不斷提升?，F有巡檢211項，自動(dòng)巡檢覆蓋率94.3%，可從傳統人工現場(chǎng)巡檢模式轉向更精準有效的全自動(dòng)智能巡檢，進(jìn)而減少不必要的運維人員投入，預估提升運維整體效率約77.78%。

5　項目意義

大連地鐵1號線(xiàn)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)化落地示范應用。

大連地鐵1號線(xiàn)變電所智能巡檢項目以大連北站變電所作為試點(diǎn)站，采用1套邊緣智能控制器作為核心單元構建智能巡檢系統，實(shí)現相鄰4個(gè)變電所的全景感知。通過(guò)智能識別算法，實(shí)現自動(dòng)化的系統巡檢功能，并實(shí)現巡檢報表的自動(dòng)填報，避免了人工巡檢存在巡檢工作量大、手動(dòng)錄入數據巡檢效率低、定期巡視無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)掌握設備運行情況等問(wèn)題。本項目的實(shí)施提高了地鐵線(xiàn)路供電系統巡檢效率，減少了運營(yíng)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(xiàn)路進(jìn)行推廣落地。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年6月刊