陳波，商兆濤，夏琴，張紅彬，陳浩，孫輝

（ 1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.蕪湖市軌道（隧道）交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241005；3.國家電網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006 ）

0 引言

城市軌道變電站因軌道而設，處于城市之中，變電站中電力設備種類繁多，其可靠性與穩(wěn)定性直接關系到軌道系統(tǒng)的安全運行。尤其是新建全自動駕駛的跨座式單軌道變電站新設備、新技術加快應用，軌道變電站設備狀態(tài)質(zhì)量管控智能化研究是軌道建設發(fā)展的必然趨勢。從源頭抓起，在設備安裝、聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段開展質(zhì)量分析方法的研究，有利于及時發(fā)現(xiàn)風險、排除風險進而預測風險，是城市軌道交通項目施工安全質(zhì)量控制與管理研究的重要課題。隨著技術的發(fā)展，智能化、模塊化、數(shù)字化電力設備的使用，也對軌道變電站綜合調(diào)試提出了更高的技術要求。

城市軌道變電站是軌道運行的動力源、專業(yè)范圍廣、線路復雜，工程安裝管理又是整個軌道建設全過程中重要的環(huán)節(jié)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試分析結果影響到變電站驗收及應用安全。傳統(tǒng)管理方式主要以監(jiān)管單位、監(jiān)理公司人工管理的方式為主，導致建設過程中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)碎片狀，信息資源缺乏整合無法滿足智能化、信息化和高質(zhì)量控制與管理發(fā)展的需求。

云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化設備、虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，VR)、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術等現(xiàn)代信息、仿真技術、通信新技術為質(zhì)量管理模式和技術實現(xiàn)的創(chuàng)新和發(fā)展帶來了難得的歷史機遇[1-2]。在此基礎上，提出在軌道變電站電力設備安裝階段、設備試驗、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、系統(tǒng)驗收各個階段，采集變電站設備的各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，結合變電站BIM模型，實現(xiàn)施工過程可視化和動態(tài)數(shù)據(jù)透明化，完成從分離式帶電測試向系統(tǒng)聯(lián)調(diào)數(shù)字化設備監(jiān)測轉換，基于大量的設備靜態(tài)信息和實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程建設從電力設備安裝開始通過數(shù)字孿生技術建立設備動態(tài)運行狀態(tài)和質(zhì)量判斷模型，探索軌道供電變電站施工安全質(zhì)量控制與管理研究的一種方法。

1 軌道變電站監(jiān)管現(xiàn)狀

目前軌道變電站電力安裝驗收采用主要采用“各負其責”模式：軌道變電站（所）電力設備系統(tǒng)調(diào)試前，組織設備廠家人員到場，參與設備試驗及調(diào)試工作。設備試驗開始前將試驗人員資質(zhì)、試驗設備、儀器校驗報告、試驗方案以及調(diào)試大綱報監(jiān)理單位審核批準，試驗過程嚴格按照試驗方案及驗收規(guī)范執(zhí)行，所有試驗、調(diào)試項目結束后，整理數(shù)據(jù)，邀請監(jiān)理單位對所調(diào)試的項目進行現(xiàn)場檢驗驗證，檢驗驗證合格，出具試驗合格報告，編制資料報監(jiān)理單位審批。

常規(guī)的軌道交通電力設備質(zhì)量檢測方法，需要對不同種類設備、不同廠家設備分別進行檢測，調(diào)試發(fā)現(xiàn)問題需要逐一排查故障，不僅影響整個交通系統(tǒng)建設過程，同時增加成本[3]。隨著技術的不斷更新，常規(guī)安裝質(zhì)量驗收方法的高成本、低效率、及時性不足、需要專業(yè)人員操作等問題日益凸顯。

由上可見，驗收調(diào)試僅反映設備參數(shù)信息及當時的調(diào)試運行數(shù)據(jù)。設備驗收、檢修、維護等工作基于上述數(shù)據(jù)開展，軌道變電站設備質(zhì)量判斷、驗收、維護等工作方式存在人工干預環(huán)節(jié)較多，依據(jù)設備靜態(tài)信息和部分實時數(shù)據(jù)，影響故障預測、特征辨識等測試效率和測試結果的可信度。由于變電站企業(yè)設備類型繁多、型號各異，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一、影響結果無法跟蹤和追溯問題，存在大量的重復性測試，整體效率低下。此外，現(xiàn)有軌道變電站質(zhì)量監(jiān)管手段多以參數(shù)設置的靜態(tài)測試為主，無法動態(tài)反演現(xiàn)場實際運行工況以及對設備運行的有效模擬和預測。

當前監(jiān)測流程和調(diào)試驗證方法需要依靠專業(yè)知識和從業(yè)經(jīng)驗綜合判斷，難以滿足軌道安全、快速、智能化建設的要求。同時，全自動跨座式單軌道首次在蕪湖建設，設備類型繁多、型號各異，動態(tài)運行過程復雜，影響系統(tǒng)運行狀態(tài)的因素較多，聯(lián)調(diào)聯(lián)試復雜，迫切需要研究一種適用于軌道安裝過程質(zhì)量監(jiān)控的系統(tǒng)化建模方法，推動設備狀態(tài)感知技術與傳統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督工作的整合，加快智能過程監(jiān)控體系建設，以利于后續(xù)數(shù)字軌道建設的深入開展。

2 數(shù)字孿生技術監(jiān)管研究

BIM 是以建立建筑物三維立體模型為載體，形成建筑設計、施工、管理有效銜接，同時協(xié)調(diào)不同工種的工作。三維立體模型具有一定的直觀性和模擬性，可將建筑物的所有技術參數(shù)以空間立體模型的方式呈現(xiàn)在計算機中，對模型內(nèi)的數(shù)據(jù)進行修改與更換，從而形成完整的數(shù)據(jù)庫。BIM 技術在城市軌道交通中有著廣泛應用，適用于軌道線纜的敷設及安裝、疏散平臺的碰撞設計、地鐵施工技術工藝的可視化研究等，對提高城市軌道交通的施工效率、優(yōu)化施工方案、合理配置施工資源都有著極為重要的作用[4]。

數(shù)字孿生又稱為數(shù)字雙胞胎，主要在數(shù)字空間構建虛實結合的全信息映射，同步反映物理系統(tǒng)的實時動態(tài)，在難以開展的真實環(huán)境中進行各種分析研究，為各種高級應用提供技術支撐。同時，數(shù)字孿生與通信技術、傳感技術、仿真等技術相融合，充分利用該技術的特點和設備物理模型、設備運行時間、設備實時狀態(tài)等采集的數(shù)據(jù)，集成多學科、多概率等仿真過程，反映實體裝備在實際環(huán)境與虛擬空間映射下的全過程[5]。

本文提出安裝階段充分發(fā)揮BIM在軌道變電站設計實現(xiàn)的優(yōu)勢，試驗與聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，運用數(shù)字孿生技術對軌道變電站設備進行建模分析，實現(xiàn)遠程管理，建立數(shù)字化的變電站模型，跟蹤并在一定程度上實現(xiàn)運行狀態(tài)預測，提供智能化的質(zhì)量監(jiān)控分析服務。

首先，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫，應用數(shù)據(jù)分析處理技術實現(xiàn)有效預處理，研究數(shù)據(jù)之間的相關關系；其次，基于信息流、能量流分析設備物理模型，構建對應的故障結構樹，融合BIM、VR等技術實現(xiàn)實際運行調(diào)試環(huán)境與虛擬空間映射下的全過程，實現(xiàn)智能化質(zhì)量監(jiān)控。

2.1 數(shù)據(jù)預處理研究

智能化過程監(jiān)控需要在測量獲得大數(shù)據(jù)基礎上建立一個完全覆蓋軌道變電、用電設備等多個環(huán)節(jié)的全景感知網(wǎng)絡，擺脫以往數(shù)據(jù)獲取不全面，數(shù)據(jù)分析、應用不立體的困局，以海量數(shù)據(jù)為依托，相關性分析為切入點，統(tǒng)籌分析，綜合評價。因此，對測量獲得的數(shù)據(jù)進行有效處理是智能監(jiān)控分析的基礎。

電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集呈現(xiàn)以下特點：

1）數(shù)據(jù)多源化

智能化軌道系統(tǒng)要求能夠盡可能全面、詳細了解系統(tǒng)內(nèi)的微小變化，為此需要布置盡可能多的采樣點。監(jiān)測的設備數(shù)量多且裝有各類傳感器以獲得多源數(shù)據(jù)。不同設備采集的不同狀態(tài)數(shù)據(jù)具有不同的量綱，或?qū)俨煌姆秶?，即使同類對象的同一信號，通過不同型號的測量設備獲得的結果也不盡相同。

2）數(shù)據(jù)多樣化

監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)包括電氣量數(shù)據(jù)、非電氣量數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)，多源異構的大數(shù)據(jù)是數(shù)字建模分析的基礎。

為保證數(shù)據(jù)正確處理，應對傳感器采集到的多源海量數(shù)據(jù)進行一致性預處理，刪除因環(huán)境干擾而產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，獲得有效融合計算的標準樣本數(shù)據(jù)。

軌道變電站要求獲取電力系統(tǒng)內(nèi)全面的基礎信息，以便進行大量信息的相關性分析。因此目前的非電參量 (熱學、力學、化學量)和非結構化參量 (視頻、圖像、聲音)等加入到電力設備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，眾多的電力設備監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生多元、海量、異構的數(shù)據(jù),包括電氣量數(shù)據(jù)、狀態(tài)量數(shù)據(jù)和過程量數(shù)據(jù)等[6]。

傳感器、電源、無線通信等受現(xiàn)場安裝環(huán)境的制約，其系統(tǒng)本身存在不穩(wěn)定性，再加上傳感器測量系統(tǒng)一般都暴露在外部環(huán)境中，采集精度易受外部環(huán)境的干擾。

有效完成數(shù)據(jù)預處理是基于數(shù)字孿生的城市軌道變電站綜合調(diào)試質(zhì)量分析系統(tǒng)需要解決的關鍵基礎。軌道變電站數(shù)字孿生技術數(shù)據(jù)預處理需要開展的各個單元，如圖1所示。

圖1 軌道變電站數(shù)字孿生技術數(shù)據(jù)預處理

2.2 狀態(tài)監(jiān)控模型

軌道變電站設備運行狀態(tài)建模需要全方位獲取各類設備的相關狀態(tài)信息，包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、應用層，具體表現(xiàn)為運行工況狀態(tài)、故障信息、設備出廠信息等。因此變電站設備全維度狀態(tài)監(jiān)控需要設備的全方位信息，包括時間空間信息、信息空間信息和物理空間信息。同時，對變電站狀態(tài)評估進行發(fā)展預測，相關領域?qū)W者已經(jīng)開展設備狀態(tài)評研究。研究過程中使用了多種數(shù)據(jù)分析的模型，如：馬爾可夫（Markov）方法、Topsis模型、概率模型、故障樹、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯網(wǎng)絡等。上述模型和方法均需要一定規(guī)模的歷史數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)，支撐數(shù)據(jù)訓練過程，才能得到有效評估和識別模型結果。目前，評估和診斷方法逐漸向著數(shù)據(jù)驅(qū)動方式和基于大數(shù)據(jù)分析的方向發(fā)展。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)數(shù)字映射系統(tǒng)[7]。因此BIM技術構建的變電站，可以通過研發(fā)變電站動態(tài)運行狀態(tài)模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)運轉設備的控制狀態(tài)的可視化；研究各部件運行狀態(tài)及狀態(tài)轉換關系，以及部件運行狀態(tài)對功能的耦合關系，研究通用系統(tǒng)化建模方法，探索數(shù)字孿生技術，構建變電站安全、有序、動態(tài)化通用模型，在質(zhì)量控制與過程監(jiān)督中實現(xiàn)設備運行的有效模擬和行為預測策略。數(shù)字孿生技術在軌道變電站的應用流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生技術在軌道變電站的應用

目前，軌道變電站狀態(tài)分析及系統(tǒng)建模研究并未充分利用數(shù)據(jù)間的相關性，總是以獨立的個體為作為分析對象，除大規(guī)模聯(lián)調(diào)聯(lián)試以外，較少將這些分散的系統(tǒng)作為統(tǒng)一的整體進行研究。變電站設備存在多種應用模式，在數(shù)字化、智能化用電系統(tǒng)的基礎上研究典型設備的工作模式，根據(jù)實際調(diào)查研究設備的各種工況，確認動態(tài)監(jiān)控點和狀態(tài)特征變量選擇，從理論上分別研究這些不同工作模式下的特性，構建信息流模型。

軌道變電站進行產(chǎn)品數(shù)字孿生開發(fā)，在充分分析多種電力設備特性的基礎上，結合軌道輸供電系統(tǒng)的響應特性，控制系統(tǒng)的邏輯與算法等多個方面開展仿真驗證技術。實現(xiàn)完備且完善的基于數(shù)字孿生的軌道變電站安裝質(zhì)量控制與過程監(jiān)督，還需要建模和仿真之外的其他技術，如：基于歷史數(shù)據(jù)的仿真結果校準技術、VR等。

3 結語

隨著軌道建設智能化、信息化程度不斷加深，大量數(shù)據(jù)被采集、上傳、計算、分析。探索BIM與數(shù)字孿生等現(xiàn)代信息技術融合方式，可實現(xiàn)集供電、電力、信息、通信、控制核心系統(tǒng)一體的軌道變電站質(zhì)量控制與過程監(jiān)督智能化。

在軌道設備安裝過程質(zhì)量監(jiān)控中，推動設備狀態(tài)感知技術與傳統(tǒng)質(zhì)量驗收工作相互融合，可實現(xiàn)綜合分析和快速定位，提供全生命周期管理，有效保障軌道交通安全。