曹錦龍

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為解決當前鐵路無(wú)人值守牽引變電所運營(yíng)維護（簡(jiǎn)稱(chēng)：運維）過(guò)程中面臨的諸多問(wèn)題，基于云網(wǎng)邊端協(xié)同概念架構，研究制定鐵路無(wú)人值守牽引變電所運維研究，提升無(wú)人值守牽引變電所的智能化運維水平。文章介紹了云網(wǎng)邊端協(xié)同概念，闡述了運維研究的架構設計和數據流向，與前端智能、邊緣計算、云計算、人工智能、大數據等技術(shù)緊密結合，通過(guò)對場(chǎng)景實(shí)現的適應性、可用性、流通性、價(jià)值性進(jìn)行分析，證明該方案的可行性，能夠滿(mǎn)足鐵路無(wú)人值守牽引變電所的運維需求口

關(guān)鍵詞：牽引變電所；云網(wǎng)邊端協(xié)同；無(wú)人值守；運行維護；輔助監控；邊緣計算

1. 引言

隨著(zhù)電氣化鐵路的快速建設，牽引變電所數量相應增加，所需值班人員的數量及工作強度與要求也隨之提升。且牽引變電所位置相對分散，較為偏僻，易存在安全隱患。中國國家鐵路集團有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：國鐵集團）于2020年7月發(fā)布的《新時(shí)代交通強國鐵路先行規劃綱要》（簡(jiǎn)稱(chēng)：規劃綱要）中指出，安全關(guān)鍵及高危工種崗位探索應用自動(dòng)化、機械化、智能化技術(shù)，在有人值守崗位推行無(wú)人值守、遠程監控，降低勞動(dòng)強度，減少勞動(dòng)用工，防范安全風(fēng)險。同期，國鐵集團先后下發(fā)多個(gè)文件申明確無(wú)人值守牽引變電所設計標準與工作模式,各鐵路局集團公司也加大了對現有牽引變電所的無(wú)人化改造力度。構建標準、規范、安全、易維護的無(wú)人值守牽引變電所，對提高鐵路現代化管理水平,推動(dòng)鐵路高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

當前，鐵路無(wú)人值守牽引變電所利用輔助監控系統，可在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測監控牽引變電所設備運行情況和整體環(huán)境，及時(shí)發(fā)現并控制異常情況?，F有方案多已實(shí)現利用圖像視頻識別技術(shù)判斷現場(chǎng)狀態(tài)，并通過(guò)輔助監控系統與相關(guān)系統聯(lián)動(dòng)，來(lái)滿(mǎn)足巡視和安全需求。由于設施設備眾多且環(huán)境復雜多變，現有的無(wú)人值守牽引變電所的運行維護(簡(jiǎn)稱(chēng)：運維)效果還需進(jìn)一步改善。如何消除日常管理盲區，提供更加智能化的運維方案，是亟待解決的問(wèn)題。

云網(wǎng)邊端協(xié)同作為當前先進(jìn)的架構理念，已在越來(lái)越多的行業(yè)中落地，其可通過(guò)與先進(jìn)信息化技術(shù)的深度融合，構建開(kāi)放的立體感知、多域協(xié)同、判斷和持續進(jìn)化的智能系統。國家鐵路局在《“十四五"鐵路科技創(chuàng )新規劃》中將云網(wǎng)邊端協(xié)同作為前沿技術(shù)與鐵路領(lǐng)域深度融合的內容之一進(jìn)行推動(dòng)回。上述規劃文件都為云網(wǎng)邊端協(xié)同與鐵路信息化建設的結合指明了方向。

1. 無(wú)人值守牽引變電所現有問(wèn)題分析

1.1監控設備性能與運維效果不足

鐵路無(wú)人值守牽引變電所部署的監控設備涉及室內、室外等多種功能、多種款型的設備，且部署數量大。當前在設備選擇上，仍以傳統的監控產(chǎn)品為主，在事前預警、事中處理、事后取證上還存在不足。例如，由于清晰度不足，變電所出現保護裝置告警時(shí)，運維人員只能看到保護面板有指示燈點(diǎn)亮，不能確認所代表的具體含義；斷路器分合閘指示燈發(fā)生變化時(shí),無(wú)法通過(guò)進(jìn)行確認E同時(shí)，大量部署的監控設備使得運維工作量和檢測難度大，造成故障處理不及時(shí)，導致監控的效果未及預期。

1.2圖像智能分析算法的可用性不足

現有的智能識別算法還無(wú)法較好地解決對現場(chǎng)獲取圖像視頻的誤報、漏報情況，尤其是在雨、雪、霧、霾等惡劣天氣下，仍需供電段調度人員通過(guò)輔助監控系統提供的“遙視"進(jìn)行人工干預。牽引變電所需監控的設備設施較多，監控設備提供商往往僅針對單一設備單獨開(kāi)發(fā)智能分析算法，且對實(shí)際運行過(guò)程中產(chǎn)生的誤報、漏報等價(jià)值樣本沒(méi)有較好的積累措施，未能形成惠及鐵路牽引變電所需監控的全部設備的智能化分析能力。另外，各牽引變電所進(jìn)行算法更新時(shí)往往需要單獨操作，缺乏統一處理措施。上述情況導致輔助監控系統與其他系統間的聯(lián)動(dòng)機制雖已建立，但由于方案智能化能力不足,并未達到預期的效果。

1.3網(wǎng)絡(luò )通道帶寬難以滿(mǎn)足數據傳輸需求

輔助監控系統通過(guò)數據通信網(wǎng)并利用鐵路傳輸系統向線(xiàn)路區間的牽引變電所延伸，相鄰牽引變電所之間的牽引所亭均采用以太共享環(huán)網(wǎng)方式，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )接入臨近車(chē)站或通信站，各站點(diǎn)接入帶寬多為20Mbps,各車(chē)站、通信站、供電段、鐵路局集團公司間信息交互利用承載6C業(yè)務(wù)的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)(VPN,VirtualPrivateNetwork)信道，供電段和鐵路局集團公司接入數據通信網(wǎng)的帶寬多為100Mbpso數據傳輸通道上資源的不足已成為牽引變電所運維智能化提升的瓶頸之一，鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )也需支持更加豐富、靈活的終端接入方式。

1.4采集數據缺乏價(jià)值挖掘

通過(guò)部署機、巡檢機器人、傳感器、動(dòng)環(huán)測控裝置等方式可在一定程度上獲取大量的牽引變電所現場(chǎng)數據，但所采集的數據只用于業(yè)務(wù)處理，并未進(jìn)行深入分析和價(jià)值挖掘。需進(jìn)一步采用泛在感知、智能監測、增強現實(shí)、事故預測及智聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現預測性運維、主動(dòng)性安全防控和智能化經(jīng)營(yíng)管理時(shí)。

2、云網(wǎng)邊端協(xié)同架構應用

2.1云網(wǎng)邊端協(xié)同概述

隨著(zhù)計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的持續演進(jìn)，面向客戶(hù)和業(yè)務(wù)的個(gè)性化需求，需靈活地支持計算、存儲和帶寬等資源在各類(lèi)終端形態(tài)、組網(wǎng)模式下，在云網(wǎng)邊端的分布和智能協(xié)同。云網(wǎng)邊端協(xié)同主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )在云、邊、端的分布和智能協(xié)同，實(shí)現計算和存儲等資源利用的效率和效益轉化，平衡整體的性能和成本四。

2.2無(wú)人值守牽引變電所運維設計

2.2.1架構設計

基于云網(wǎng)邊端協(xié)同的鐵路無(wú)人值守牽引變電所運維方案整體架構，如圖1所示。

1. 端

在牽引變電所部署視頻監控攝像機、巡檢機器人、環(huán)境或設備的傳感器、報警器等感知終端，采集牽引變電所的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，形成的智能終端感知體系，為整個(gè)方案提供數據來(lái)源。

圖1基于云網(wǎng)邊端協(xié)同架構的無(wú)人值守牽引變電所運維方案整體架構

1. 邊

通過(guò)部署在邊緣計算服務(wù)器上的邊緣節點(diǎn)管理程序及相應的邊緣應用，增強云端交互，通過(guò)下沉云側算力，大幅節省云側資源和信息化建設成本，并通過(guò)縮短傳輸路徑進(jìn)一步提升計算速度和響應速率，為端側感知數據提供實(shí)時(shí)分析和處理能力。

1. 網(wǎng)

通過(guò)基于5G的下一代鐵路移動(dòng)通信（5G-R）、數據通信網(wǎng)、分組增強型光傳送網(wǎng)（OTN,OpticalTransportNetwork）、吉比特無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )（GPON,Gigabit-CapablePON）及相應業(yè)務(wù)承載網(wǎng)等多種鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )為端、邊、云提供廣覆蓋、高可靠、低時(shí)延的傳輸通道，加速數據流轉。

1. 云

云是整個(gè)方案架構的“大腦"和決策系統，是海量數據的匯聚點(diǎn)，不僅提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )等基礎設施資源，同時(shí)提供數據使能、應用使能和人工智能（AI,ArtificialIntelligence）使能等服務(wù)，構建集數據匯聚、智能分析、場(chǎng)景應用于一體的“數據+AI"的信息集成平臺，讓數據和AI能力持續積累，不斷學(xué)習和改進(jìn)，幫助鐵路局集團公司及站段快速構建牽引變電所的數據資產(chǎn)，打破數據孤島，實(shí)現數據匯集，并通過(guò)將AI引入業(yè)務(wù)系統，輔助牽引變電所的智能化運維。

（5）智能應用

智能應用是整個(gè)方案的價(jià)值呈現，基于云所提供的基礎使能能力，提升數據采集與監視控制（SCADA,SupervisoryControlAndDataAcquisition）系統、輔助監控、監控等無(wú)人值守牽引變電所所需業(yè)務(wù)系統的智能化程度，持續匹配智能化運維需求，實(shí)現牽引變電所運維提質(zhì)、降本、增效。

2.2.2數據流向分析

云網(wǎng)邊端協(xié)同實(shí)現數據、應用、算法、管理等方面的多維協(xié)同，提供分布式算力，匹配不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景對算力、交互時(shí)延的需求?；谠凭W(wǎng)邊端協(xié)同的無(wú)人值守牽引變電所數據流向，如圖2所示。

部署在無(wú)人值守牽引變電所的攝像機、傳感器等設備實(shí)時(shí)記錄變電所設備設施及環(huán)境運行狀態(tài)，部署在牽引變電所的邊緣計算設備從端側獲取數據進(jìn)行智能識別，并進(jìn)行本地存儲。識別后存在異常的結構化數據可利用鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )提交至一體化信息集成平臺，由鐵路局集團公司/供電段調度中心的供電調度進(jìn)行響應和處理。其中，在運維過(guò)程中發(fā)現的漏報、誤報數據可由AI訓練開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行模型訓練并下發(fā)至邊緣智能平臺，提升對現場(chǎng)數據處理的精度，可利用長(cháng)期積累的運維大數據對設備運行過(guò)程中的異常進(jìn)行判斷，并提供智能化的處理措施。

圖2基于云邊協(xié)同的無(wú)人值守牽引變電所數據流向分析

3、場(chǎng)景實(shí)現分析

3.1前端智能提升環(huán)境適應性

無(wú)人值守牽引變電所涉及眾多具體場(chǎng)景的監控需求，例如，監控需對牽引變壓器油位刻度、戶(hù)外高壓斷路器的分/合指示牌、隔離開(kāi)關(guān)運行狀態(tài)、戶(hù)內高壓開(kāi)關(guān)柜分合指示牌、開(kāi)關(guān)柜指示燈、避雷器動(dòng)作計數器、氣壓表等各類(lèi)儀表讀數進(jìn)行識別；巡檢設備需判斷被檢設備外觀(guān)是否完好，有無(wú)傾斜、破損、膨脹、變形、漏油、冒煙、起火等情況。

隨著(zhù)前端設備芯片計算能力的日趨提升，對監控的智能分析已前移，前端設備的圖像處理能力、人工智能程度不斷提升，推動(dòng)了前端設備從“單維數據采集"到“維數據感知"的轉變。

（1）前端分析可*大化利用攝像機智能算力效能，算力性?xún)r(jià)比相對純后端模式提升30%?60%,減

輕邊緣節點(diǎn)的算力壓力。

（2）前端智能部署可對海量數據進(jìn)行初步的智能化篩選，把價(jià)值數據提取后送到后端，進(jìn)行判斷和綜合分析處理，有利于保障業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，提升系統的響應效率。

（3）前端智能設備通過(guò)輕量化容器技術(shù)構建面向多算法的集成框架，讓各算法運行，實(shí)現算法的快速加載與在線(xiàn)迭代，提供面向行業(yè)應用場(chǎng)景的智能能力選擇，同時(shí)，前端智能算法還可根據現場(chǎng)環(huán)境變化實(shí)時(shí)調節機圖像信號處理(ISP,SignalProcessing)參數，增強圖像質(zhì)量，適應牽引變電所復雜的工作環(huán)境。

視頻監控的前端智能在鐵路領(lǐng)域已得到逐步推廣，例如，基于“雷視擬合"算法的周界入侵警報系統叫通過(guò)端側和邊側智能實(shí)現對軌旁數據的實(shí)時(shí)感知和分析，實(shí)現智能從中間向端側和邊側的延伸。

3.2邊云協(xié)同滿(mǎn)足算法可用性

牽引變電所監測檢測場(chǎng)景眾多，無(wú)人值守的工作模式要求智能分析算法能夠提供更加準確的識別能力，適應各類(lèi)惡劣天氣，滿(mǎn)足“零漏報"和“低誤報"的運維要求，避免因關(guān)鍵異常信息的漏報、誤報導致現場(chǎng)安全事故的發(fā)生。

智能分析算法的應用需要海量樣本的支持，在無(wú)人值守牽引變電所的運維過(guò)程中發(fā)現的漏報或誤報數據，尤其是小概率數據樣本，對提升算法能力至關(guān)重要，對鐵路類(lèi)似型號設施設備的應用場(chǎng)景也很有價(jià)值。部署在云側的AI訓練及邊緣推理與開(kāi)發(fā)平臺通過(guò)對價(jià)值樣本的訓練可持續提升既有算法的可用性，并通過(guò)該過(guò)程的持續迭代，形成統一的知識圖譜，惠及鐵路牽引變電所的無(wú)人值守運維場(chǎng)景,如圖3所示。

3.3高速傳輸信道保障通暢性性

基于云網(wǎng)邊端協(xié)同的無(wú)人值守牽引變電所方案對云、邊、端的數據傳輸均有實(shí)時(shí)、可靠、安全的傳輸要求。因此通信網(wǎng)絡(luò )不僅要提升帶寬，也要更新通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。國鐵集團已啟動(dòng)5G-R專(zhuān)網(wǎng)及相應承載網(wǎng)、數據通信網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)規范的制定與更新工作。其中，5G-R專(zhuān)網(wǎng)將會(huì )成為鐵路無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展方向，其廣應用、大連接、多切片的網(wǎng)絡(luò )特征,符合無(wú)人值守牽引變電所的站場(chǎng)覆蓋需求，為云網(wǎng)邊端協(xié)同連接提供更加安全、可靠、高速、暢通的傳輸信道。

圖3邊云協(xié)同滿(mǎn)足算法可用性示意

3.4“數據+AI"平臺挖掘數據的價(jià)值性

云網(wǎng)邊端的協(xié)同需構建“數據+AI"計算平臺，統一提供高算力。國鐵集團主數據已建成并投入使用，信息集成完成工程建設，鐵路大數據和AI應用水平得到顯著(zhù)提高。

無(wú)人值守牽引變電所運維研究依托于部署在云側的大數據和智能算法，通過(guò)對牽引變壓器、斷路器、開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器等供電設備的在線(xiàn)監測數據、離線(xiàn)檢測數據及保護動(dòng)作信息、斷路器分合狀態(tài)進(jìn)行分析，提供對現場(chǎng)設備的健康評估，判斷故障類(lèi)型、位置、時(shí)間、原因等，并分析設備狀態(tài)變化趨勢，及時(shí)發(fā)現故障隱患，識別可能的故障類(lèi)型及嚴重程度，綜合判斷故障發(fā)展變化趨勢，及時(shí)進(jìn)行預警，確?，F場(chǎng)設備設施持使用狀態(tài)，實(shí)現對運維研究的持續優(yōu)化。

4、安科瑞AcrelCloud-1000變電所運維云平臺

4.1概述

基于互聯(lián)網(wǎng)＋、大數據、移動(dòng)通訊等技術(shù)開(kāi)發(fā)的云端管理平臺，滿(mǎn)足用戶(hù)或運維公司監測眾多變電所回路運行狀態(tài)和參數、室內環(huán)境溫濕度、電纜及母線(xiàn)運行溫度、現場(chǎng)設備或環(huán)境視頻場(chǎng)景等需求，實(shí)現數據一個(gè)中心，集中存儲、統一管理，方便使用，支持具有權限的用戶(hù)通過(guò)電腦、手機、PAD等各類(lèi)終端鏈接訪(fǎng)問(wèn)、接收報警，并完成有關(guān)設備日常和定期巡檢和派單等管理工作。

4.2應用場(chǎng)所

適用于電信、金融、交通、能源、衛生、文體、教育科研、農林水利、商業(yè)服務(wù)、公用事業(yè)等行業(yè)變配電運行維護系統的新建、擴建和改建。

4.3系統結構

系統可分為四層：即感知層、傳輸層、應用層和展示層。

感知層：包含變電所安裝的多功能儀表、溫濕度監測裝置、攝像頭、開(kāi)關(guān)量采集裝置等。除攝像頭外，其它設備通過(guò)RS485總線(xiàn)接入現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)RS485端口。

傳輸層：包含現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)和交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現場(chǎng)設備層設備的數據，并可進(jìn)行規約轉換，數據存儲，并通過(guò)交換機把數據上傳至的服務(wù)器端口，網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)數據可存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務(wù)器端數據不丟失。

應用層：包含應用服務(wù)器和數據庫服務(wù)器，若變電所數量小于30個(gè)則應用服務(wù)器和數據庫服務(wù)器可以合一配置。服務(wù)器需要具備固定IP地址，以接收各智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)傳送過(guò)來(lái)的數據。

展示層：用戶(hù)通過(guò)手機、平板、電腦等多終端的方式訪(fǎng)問(wèn)平臺信息。

4.4系統功能

4.4.1用能月報

用能月報支持用戶(hù)按總用電量、變電站名稱(chēng)、變電站編號等查詢(xún)所管理站所的用電量，查詢(xún)跨度可設置為月。

4.4.2站點(diǎn)監測

站點(diǎn)監測包括概況、運行狀態(tài)、當日事件記錄、當日逐時(shí)用電曲線(xiàn)、用電概況。

4.4.3變壓器狀態(tài)

變壓器狀態(tài)支持用戶(hù)查詢(xún)所有或某個(gè)站所的變壓器功率、負荷率、等運行狀態(tài)數據，支持按負荷率、功率等升、降序排名。

4.4.4運維

運維展示當前用戶(hù)管理的有關(guān)變電所在地圖上位置及總量信息。

4.4.5配電圖

配電圖展示被選中的變電所的配電信息，配電圖顯示各回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電流等運行狀態(tài)及信息，支持電壓、電流、功率等詳細運行參數查詢(xún)。

4.4.6視頻監控

視頻監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（視頻直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內視頻信息。

4.4.7電力運行報表

電力運行報表顯示選定站所選定設備各回路采集間隔運行參數和電能抄表的實(shí)時(shí)值及平均值行統計。

4.4.8報警信息

對平臺所有報警信息進(jìn)行分析。

4.4.9任務(wù)管理

任務(wù)管理頁(yè)面可以發(fā)布巡檢或消缺任務(wù)，查看巡檢或消缺任務(wù)的狀態(tài)和完成情況，可以點(diǎn)擊查看任務(wù)查看具體的巡檢信息。

4.4.10用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)月的運行數據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進(jìn)行統計分析，并列出在該周期內巡檢時(shí)發(fā)現的各類(lèi)缺失及處理情況。

4.4.11APP監測

電力運維手機支持“監控系統"、“設備檔案"、“待辦事項"、“巡檢記錄"、“缺失記錄"、“文檔管理"和“用戶(hù)報告"七大模塊，支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)、用戶(hù)報告、文檔管理等。

4.5系統硬件配置

5、結語(yǔ)

基于云網(wǎng)邊端協(xié)同的鐵路無(wú)人值守牽引變電所運維研究可較好地滿(mǎn)足無(wú)人值守牽引變電所的智能化運維要求，切實(shí)保障電氣化鐵路的安全穩定運行，具備可實(shí)施性?？梢灶A見(jiàn)，云網(wǎng)邊端協(xié)同架構可與包括鐵路無(wú)人值守牽引變電所在內的更多需求相結合，實(shí)現從技術(shù)到數據、從數據到應用的多域協(xié)同，釋放數據價(jià)值，賦能鐵路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)在模式、業(yè)態(tài)、產(chǎn)品、服務(wù)等方面的聯(lián)動(dòng)創(chuàng )新，滿(mǎn)足智能鐵路建設要求。

參考文獻

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[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用設計,2019,11版.
作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現任職與安科瑞電氣股份有限公司