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★北京和利時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的產業化落地示范應用，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實現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、華南廣場商圈、西安路商圈、星海廣場、東北財經大學、大連海事大學、大連高新技術產業園區等區域，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。

供電系統作為軌道交通關鍵系統之一，承擔著全線牽引系統和動力照明系統供電的首要任務，其運行安全性、可靠性直接關系到軌道交通的運營安全。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變電所設備進行巡視工作，確認設備運行狀態及環境安全情況。但是，人工巡檢存在巡檢工作量大、手動錄入數據巡檢效率低、定期巡視無法滿足實時掌握設備運行情況等問題。

針對巡檢現狀，為滿足智能化及無人值守的牽引變電所的發展需求，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的試點站，開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，實現變電所可視化智能巡檢的功能，提高地鐵線路供電系統巡檢效率，減少運營維護成本，提高運維整體安全性和質量。

2　項目實施與應用

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、網絡、操作系統等選型上注重標準化和通用性。軟件從設計到實現充分考慮模塊化、接口化、盡量遵循相關標準規范，充分利用現有開源軟件資源，為今后的應用發展和第三方系統集成預留足夠的開放接口，保障系統的可持續發展和用戶投資的持續有效。

同時針對使用者、工程實施人員提出的靈活性需求，通過精心的前期設計使系統具備足夠的靈活性，從而做到后期滿足用戶的各種臨時性需求，保證系統安全性可靠性的同時滿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現對變電所綜合自動化系統既有數據的采集，以及視頻攝像頭等滿足巡檢需求新增傳感器數據的采集，實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、箱變通過所在變電所的交換機鏈接巡檢專用網絡，接入核心站牽引降壓所EIC，實現1套EIC巡檢2~4個變電所的目標。系統具備如下優勢：

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

（2）統一控制網絡：基于邊緣智能控制系統的物聯網絡整合傳統PSCADA控制網絡、環境監測網絡及視頻分析網絡，實現生產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；云邊數據的分發和協同，降低中心數據處理壓力，提高數據質量；

（4）統一開發平臺：符合IEC61131-3國際標準的低代碼開發環境，內置上百種工業控制及智能診斷算法庫，降低開發難度，提升開發質量與效率。

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、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，最終實現無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關柜、直流開關柜、低壓開關柜、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，通過智能算法識別現場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關識別

圖4 變電所智能巡檢系統對表計進行讀數

2.2.3　視頻監控

完全實現攝像機功能，邊緣智能控制器智能控制攝像機等監控設備實現智能巡檢功能，調用查看系統內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備實現對攝像機視角、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至EIC邊緣智能控制器，讓系統按計劃實時或定期巡檢，或者手工選擇某個計劃立即執行。系統按計劃配置的設備檢測項順序，按每個檢測項對應的巡檢點位置控制固定攝像頭運動到位，執行檢測項規定的任務（拍照、識別、測溫），如異常則產生報警，并將結果記錄到數據庫中以供后續查詢。

圖6 變電所智能巡檢系統實現巡檢管理功能

圖7 變電所智能巡檢系統生成巡檢報告

2.2.5　歷史查詢

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

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

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

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

（4）視頻回放：系統能隨時查詢并回放視頻網絡錄像機上存儲的所有攝像頭的歷史視頻數據；

（5）操作記錄：系統能按時間段查詢用戶的操作記錄。

圖8 變電所智能巡檢系統歷史查詢

2.2.6　配置管理

系統具有參數配置管理頁面，包括視頻管理、報警管理、用戶管理、設備管理。

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

（2）報警管理功能可以查詢、選擇并配置系統報警器的相關參數；

（3）用戶管理功能實現用戶管理；

（4）設備管理功能可以對變電所巡檢設備的新建、查詢、刪除、編輯操作。

圖9 變電所智能巡檢系統配置管理功能

3　項目創新

3.1　硬件設備創新

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務。邊緣控制器（EIC）是緊湊的工業尺寸，融合工業控制、邊緣計算、邊云協同、物聯網絡、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：

（1）PLC技術：采用工業級硬件架構，通過結構、電源、散熱等設計滿足工業運行環境要求，依托成熟PLC的冗余技術，實現邊緣控制器的冗余，提高系統可靠型和可用性；

（2）網絡技術：基于時間敏感網絡（TSN）技術，時隙分配和管理軟件，實現實時、非實時數據的獲取、交互，支持主流現場總線協議用于匯聚現場監控設備，支持Lora、5G、Wi-Fi等無線網絡用于匯聚現場無線物聯設備，支持標準以太網用于匯聚現場IT設備；

（3）虛擬化技術：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、調度和管理，實現基于網絡的算力優化調度和動態重構，形成與硬件無關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。實現以下創新功能：

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

（2）設備狀態識別、異常報警：自動讀取表計數據，設備面板指示燈狀態、壓板狀態，圖像識別準確率約為95%，24小時實時設備狀態全看護，及時發現設備運行隱患并報警；

（3）巡視報表智能生成及分析：巡視報表自動生成，減少人員統計錄入環節，保證數據準確性，巡視報表可通過同比、環比等多種途徑進行分析，實時判斷設備運行狀況。

4　項目效益分析

邊緣智能控制系統整合算法服務器、控制器、診斷器及網絡接入。通過云、邊協同的變電站智能圖像分析實現變電所智能化巡檢，提高地鐵線路供電系統巡檢效率。

以大連1號線全線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%。

通過變電站智能圖像分析體系，不斷擴充圖像倉庫，不斷優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用效果不斷提升。現有巡檢211項，自動巡檢覆蓋率94.3%，可從傳統人工現場巡檢模式轉向更精準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的產業化落地示范應用。

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建智能巡檢系統，實現相鄰4個變電所的全景感知。通過智能識別算法，實現自動化的系統巡檢功能，并實現巡檢報表的自動填報，避免了人工巡檢存在巡檢工作量大、手動錄入數據巡檢效率低、定期巡視無法滿足實時掌握設備運行情況等問題。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