李 曄 張凌云 劉國桐 王 忻 吉祥雨

(鐵科院(北京)工程咨詢有限公司, 100081, 北京∥第一作者, 助理研究員)

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的飛速發(fā)展伴隨著對(duì)能源管理要求的日益提高?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》提出,至2025年,交通運(yùn)輸行業(yè)單位運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量二氧化碳排放強(qiáng)度較2020年下降5%[1]?！吨袊鞘熊壍澜煌ňG色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》提出發(fā)展綠色城軌,2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄖ悄艹擒壈l(fā)展綱要》提出智慧城軌的發(fā)展需要與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈等計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合,建立智能能源系統(tǒng),至2025年運(yùn)營能耗下降指標(biāo)率達(dá)到15%的目標(biāo)[2]。

城軌行業(yè)的飛速發(fā)展導(dǎo)致運(yùn)營能耗的增加不容忽視,同時(shí)新能源、儲(chǔ)能等新技術(shù)的井噴式發(fā)展,使得電網(wǎng)特性日趨復(fù)雜[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)技術(shù)在各行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用,利用信息化手段優(yōu)化對(duì)城軌能源智能管控的方法,建立互聯(lián)網(wǎng)和能源網(wǎng)深度融合的能源互聯(lián)網(wǎng)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大勢所趨,傳統(tǒng)的能源管理方式亟待轉(zhuǎn)變[4]。

1 城軌能源管理現(xiàn)狀及需求分析

1.1 現(xiàn)狀分析

目前,國內(nèi)城軌能源管理的信息化程度不高,距離建設(shè)智能化的能源管理體系仍有很大差距,存在的具體問題如下:

1) 用能設(shè)備接入管控困難。國內(nèi)城軌在時(shí)間、地域上呈現(xiàn)不平衡發(fā)展,較早建立的城軌站房與線路的絕大部分用能設(shè)備智能化水平較低,自動(dòng)化節(jié)能措施不足。

2) 人工作業(yè)質(zhì)量難以保證。目前仍然存在相當(dāng)比例的車站與線路依賴人工抄表、人工檢修及人工記錄。人工作業(yè)的弊端較多,在抄表中容易造成錯(cuò)抄、漏抄等情況;定期檢修造成問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、故障原因分析效率低等;人工錄入的數(shù)據(jù)精度難以保證、數(shù)據(jù)格式不規(guī)范、信息傳遞效率較低,且在出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)無法有效溯源。

3) 信息壁壘難以打破。目前,一些城軌公司已建立的能源管理系統(tǒng)無法與其他信息系統(tǒng)形成有效的聯(lián)動(dòng),信息孤島現(xiàn)象仍然存在。

4) 數(shù)據(jù)資產(chǎn)的利用不充分。城軌行業(yè)現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析此類較為基礎(chǔ)的功能,智能化管控的手段不足,對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的利用不充分。

5) 能源管理系統(tǒng)定位模糊。城軌的能源消耗主要來源于電、水、氣,但在部分投入使用的能源管理系統(tǒng)中未能將水和氣納入管理范疇,導(dǎo)致管理對(duì)象不全面。

6) 能源管理方式落后。對(duì)于能源的管理方式較為傳統(tǒng),未形成依托信息化的能源管理制度,缺乏對(duì)新能源業(yè)務(wù)的管理經(jīng)驗(yàn)[5]。

1.2 需求分析

針對(duì)城軌能源管理的現(xiàn)狀,存在如下應(yīng)用需求:

1) 提升設(shè)備智能化水平。為建設(shè)基于數(shù)字孿生的城軌能源管理系統(tǒng)[6],提升各類設(shè)備的智能化水平,實(shí)現(xiàn)在虛擬空間的全方位映射。

2) 推進(jìn)能源全壽命周期數(shù)據(jù)貫通。推進(jìn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的能源全壽命周期數(shù)據(jù)貫通,把控整體能源流向信息。

3) 完善數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理機(jī)制。隨著設(shè)備智能化程度提高,結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長趨勢,需利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理機(jī)制。

4) 擴(kuò)大現(xiàn)有能源管理范圍。將除電能以外的其余能源納入管理范圍,擴(kuò)大能源管理范圍。

5) 研發(fā)自動(dòng)節(jié)能控能技術(shù)。研發(fā)節(jié)能算法,利用已有數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型,實(shí)現(xiàn)節(jié)能決策智能下發(fā)并對(duì)關(guān)鍵能耗設(shè)備的自動(dòng)控制。

6) 建立數(shù)字能源管理體系。改變現(xiàn)有的能源管理方式,建立以信息化手段為基礎(chǔ)的數(shù)字能源管理體系。

2 城軌能源管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

城軌能源管理系統(tǒng)圍繞“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”的能源流設(shè)計(jì)[7],以能量流和信息流為主線,實(shí)時(shí)監(jiān)控能源全壽命周期流向中的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)調(diào)配能源的分配與使用,以達(dá)到精準(zhǔn)化控制、精細(xì)化管理及常態(tài)化節(jié)能的目的[8]。

2.1 總體目標(biāo)

城軌能源管理系統(tǒng)基于對(duì)其能源管理現(xiàn)狀的深度分析及具體需求,提出以下3個(gè)總體目標(biāo):

1) 擴(kuò)大能源數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理范圍。在城軌站房及沿線增加分布式光伏組件、逆變器、雙向電表、充電樁等智能設(shè)備,將新能源設(shè)備及下一年度充電設(shè)備納入城軌能源使用范圍以內(nèi);對(duì)既有老舊電氣設(shè)備進(jìn)行更新,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)控關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2) 完善智能節(jié)能算法。在形成對(duì)能源數(shù)據(jù)資產(chǎn)的治理機(jī)制后,利用海量數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練優(yōu)化各類分析、預(yù)測及控制模型,實(shí)現(xiàn)以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)能源的精準(zhǔn)調(diào)配,最大限度地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3) 構(gòu)建數(shù)字能源管理體系。新能源在城軌上的應(yīng)用及管理仍處于初級(jí)階段,還未形成有效的管理模式。項(xiàng)目深層次目標(biāo)在于依托信息化平臺(tái),結(jié)合目前的業(yè)務(wù)需求和功能需求,建立設(shè)備資產(chǎn)臺(tái)賬,構(gòu)建數(shù)字化新能源設(shè)備運(yùn)維管理體系;深挖新能源管理業(yè)務(wù)(包括合同能源管理業(yè)務(wù)、財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)及碳交易業(yè)務(wù)等),形成完善的能源管理體系。

2.2 總體架構(gòu)

城軌能源管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)突出了海量能源數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、調(diào)度等能力,自下而上劃分為數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用層及表示層[9-11]。城軌能源管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

注:GIS為地理信息系統(tǒng);BIM為建筑信息模型;CIM為城市信息模型;4G為第4代移動(dòng)通信技術(shù);5G為第5代移動(dòng)通信技術(shù);LTE為長期演進(jìn);GSM為全球移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

1) 數(shù)據(jù)感知層。對(duì)老舊電氣設(shè)備進(jìn)行更換或改造,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集能源流向節(jié)點(diǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù),為城軌能源管理系統(tǒng)模型的建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸層。在原有通信方式上增加5G傳輸方式,保證設(shè)備、服務(wù)器與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和即時(shí)性。

3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)深度挖掘能源管理業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù),對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ),并建立合理的數(shù)據(jù)管理機(jī)制。

4) 數(shù)據(jù)處理層。利用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

5) 數(shù)據(jù)分析層。建立不同能源管理場景下的算法模型,進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。

6) 應(yīng)用層。加強(qiáng)城軌能源設(shè)備的運(yùn)用、維護(hù)、檢修等業(yè)務(wù),以及能源管理中的能源調(diào)配、財(cái)務(wù)管理、合同能源管理等業(yè)務(wù)的智能化建設(shè)。

7) 展示層。利用折線圖、柱狀圖及餅圖等進(jìn)行不同維度的統(tǒng)計(jì)分析,利用GIS、BIM對(duì)線路與建筑進(jìn)行可視化建模,把握能源在各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重要信息及整體流向。

3 城軌能源管理系統(tǒng)的主要功能

城軌能源管理系統(tǒng)利用數(shù)字孿生技術(shù),建立綠色節(jié)能的數(shù)字化城軌,以豐富的數(shù)據(jù)資產(chǎn)及強(qiáng)大的云計(jì)算能力作為支點(diǎn),改變以人為控制為主導(dǎo)的能源管理模式,實(shí)現(xiàn)信息流和能源流的深度融合。城軌能源管理系統(tǒng)的主要功能如下:

1) 智能調(diào)配。結(jié)合能源峰谷價(jià)格以及產(chǎn)能測、儲(chǔ)能側(cè)與用能測的能源信息,對(duì)能源的可靠性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合研判,利用最優(yōu)化方法建立數(shù)學(xué)模型,制定當(dāng)前最佳能源調(diào)配策略。

2) 智能巡檢。利用VCA(智能視頻分析)技術(shù),對(duì)城軌站房、線路布設(shè)的高清視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立災(zāi)害監(jiān)測、異物入侵監(jiān)測、人員行為監(jiān)測等模型,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能巡檢,提高巡檢效率。

3) 智能運(yùn)維。利用PHM(故障預(yù)測與健康管理)技術(shù),結(jié)合各類設(shè)備傳輸?shù)降孛娴倪\(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù),建立各關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷、故障預(yù)測及健康狀態(tài)評(píng)估模型,以保證硬件的運(yùn)行狀態(tài)良好,防止因設(shè)備故障導(dǎo)致的能源損耗。

4) 智能控制。利用邊緣計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)及深度學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)技術(shù),結(jié)合客流、環(huán)境等因素對(duì)關(guān)鍵用能場景進(jìn)行深入分析,為主要用能設(shè)備建立節(jié)能模型,實(shí)時(shí)規(guī)劃用能策略并對(duì)用能設(shè)備進(jìn)行智能控制。

4 結(jié)語

全面發(fā)展各類綠色節(jié)能新技術(shù),推動(dòng)建設(shè)綠色智能城軌是雙碳背景下能源管理發(fā)展的必然要求。通過分析能源管理現(xiàn)狀,總結(jié)今后建設(shè)能源管理系統(tǒng)的普適性規(guī)律,研究城軌行業(yè)能源管理平臺(tái)總體架構(gòu),以達(dá)到建設(shè)綠色城軌,提高能源管理水平的目的。