摘要 全國現(xiàn)有鐵路站區(qū)車站的給排水系統(tǒng)以傳統(tǒng)人力投入型運維為主，設施設備運行風險隱患多，制約其行業(yè)服務能力的進一步提升，因此，亟需研發(fā)一套高效、智能的數(shù)字化運行維護服務管理平臺。文章研發(fā)了基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運維系統(tǒng)，充分利用5G無線通信網(wǎng)絡的優(yōu)點，融合多傳感器采集技術、圖像識別算法等技術與5G通信技術，實現(xiàn)對站區(qū)供水的智能化運維管理。

關鍵詞 軌道交通；鐵路供水；智慧泵房

中圖分類號 U284.48 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0021-03

0 引言

高鐵系統(tǒng)組成十分復雜，其中包括了站區(qū)的泵房、水泵、水質(zhì)消毒設備、戶外管道、消火栓等諸多設施設備，為高鐵線路、車站和生產(chǎn)單位提供防洪防澇排水、消防用水和生產(chǎn)生活用水服務，直接關乎高鐵線路安全、行車安全及車站客運服務質(zhì)量，責任重大[1]。

高鐵泵房[2]分布范圍廣、數(shù)量相對少。戶外管道設施一般沿著鐵路線埋設，多為細長的線狀分布。安全要求高，可靠性要求高，設備集中度低，具有鮮明的“兩高一低”行業(yè)特點。高鐵目前的給排水運維以粗放的人力投入型為主，依靠大量人力，人工值守泵房，人力定期檢修，人力定期巡檢線路，一旦遇到突發(fā)事故則緊急搶修，需要在每個車站都部署值班人員，人工監(jiān)測設備運行狀況，維修服務工作量很大。此外，人員編制數(shù)量相對有限，無法持續(xù)增加，人力成本也隨著勞動人口結構性短缺而不斷攀升。因此，現(xiàn)有給排水[3]運維服務越來越難以滿足新時代高鐵蓬勃發(fā)展的要求，已經(jīng)成為鐵路行業(yè)的全局性制約難題，亟需建設新的技術服務平臺體系。

1 鐵路站區(qū)供水的現(xiàn)存問題

高鐵泵房一般采用變頻柜控制機組[4]運行，通過壓力監(jiān)測裝置監(jiān)測給排水管道的壓力數(shù)據(jù)。供水環(huán)節(jié)部分配備了余氯計檢測水質(zhì)和投藥機完成水質(zhì)消毒。由于體制上諸多限制，如缺乏實際可用的數(shù)據(jù)傳輸通道等，難以真正全面地實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，現(xiàn)場設備信息無法及時傳送至給水服務管理單位[5]。另有部分泵房尚無遠程監(jiān)控設備。存在以下幾方面問題：

（1）機組運行和監(jiān)測方面，機組設備均未進行聯(lián)網(wǎng)，各泵站獨立運行，缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化管理服務平臺，無法集中調(diào)度，設備缺乏在線監(jiān)測[6]，水泵機組無法自動運行。

（2）管道運維和消火栓監(jiān)測[7]方面，高鐵站區(qū)管道閘閥不能遠程控制，無法及時發(fā)現(xiàn)設備故障情況。給水管道的壓力、流量缺乏覆蓋性的監(jiān)測網(wǎng)絡。室外消火栓缺乏設備狀況監(jiān)測，需要定期派人進行檢查和維護，存在消防安全隱患。

（3）水質(zhì)在線管控方面，現(xiàn)有的消毒投藥機和余氯計多為離線式設備，需要人工定期進行水質(zhì)檢測才能進行投藥，存在用水安全隱患。

（4）機房環(huán)境實時管控方面，現(xiàn)有的泵房基本設置有高清攝像機來監(jiān)視運行環(huán)境，但是其提供的海量實時監(jiān)控視頻缺乏自動分析。

（5）生產(chǎn)運維數(shù)據(jù)數(shù)字化管理[8]方面，現(xiàn)有泵站缺乏運維數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理平臺，設備運行情況和故障等均為人工紙質(zhì)記錄，屬于信息孤島，不能自動研判設備運行狀態(tài)和進行故障預警。

在普速鐵路和地鐵行業(yè)，也有類似需求。地鐵車站多為地下車站，容易進水，此類安全事故屢有發(fā)生，如2022年5月18日杭州地鐵進水造成大面積停運、2021年7月20日鄭州地鐵洪水倒灌造成特大事故等，嚴重影響列車的安全運行和乘客的生命安全，嚴重影響城市的正常生產(chǎn)生活秩序和平穩(wěn)運行，需要新型技術服務平臺裝備支撐地鐵給排水泵房的安全高效運行。

該研究項目建設的基于5G[9～11]的鐵路站區(qū)供水智能運維系統(tǒng)精準聚焦鐵路和地鐵行業(yè)需求，集“運行監(jiān)測、應急控制、智能維護”于一體，給排水泵房運行安全明顯提升，服務質(zhì)量明顯提升，為我國高鐵、普鐵和地鐵給排水行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供平臺性支撐裝備。

2 基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運維系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構

基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運維系統(tǒng)集自動控制、連續(xù)監(jiān)測、應急供水、視頻監(jiān)控、智能識別等功能于一體，系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)包括給水泵房遠程監(jiān)控設備、車間集控中心設備、網(wǎng)絡、軟件、網(wǎng)絡攝像頭、消火栓和消火栓智能監(jiān)測終端、漏水監(jiān)測點和遠程抄表等部分。泵房和給水服務器之間通過5G無線通道連接，具有良好的適應性。

通常泵房在智能主機和變頻柜的控制下，自動運行、實時監(jiān)控并上傳相關數(shù)據(jù)給服務器。通過在泵房安裝遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集泵房視頻、水泵運轉參數(shù)、管網(wǎng)壓力、變頻器參數(shù)等運行工況信息，通過5G移動通信網(wǎng)絡上傳到服務器。調(diào)度員在大屏顯示器可以方便地瀏覽泵房的實時視頻和水泵運轉狀態(tài)。水泵或變頻器發(fā)生故障后，遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以自動觸發(fā)報警，泵房的遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動關閉故障水泵或變頻器，自動投入正常水泵，保持泵房的正常供水，也可以在調(diào)度員指揮下直接啟動和停止指定的水泵。

在消火栓增加物聯(lián)網(wǎng)傳感器，實時監(jiān)測消防水管的壓力、消火栓內(nèi)水流狀況及消火栓傾斜狀況。系統(tǒng)采用NB-IoT通訊方式，配置高性能加速傳感器和壓力傳感器，利用壓差原理來判斷消火栓腔體內(nèi)水流情況，真正做到對消火栓偷水、漏水或故障的實時監(jiān)測，又可單獨使用。系統(tǒng)可針對消火栓進行遠程監(jiān)控，一旦消火栓被破壞或有人非法取水，即時上報報警信息，通過GIS準確定位事發(fā)地點，使巡檢人員能快速、高效地進行處理，既節(jié)約了人力成本，也減少了盜用消防水、破壞消火栓等現(xiàn)象的發(fā)生，同時具備消火栓開水、開蓋、撞倒和傾斜監(jiān)測報警功能。

基于閉環(huán)反饋原理，對站區(qū)供水水質(zhì)實現(xiàn)自動消毒。該項目研發(fā)水質(zhì)智能管控軟件，通過余氯、pH值、濁度在線測量傳感器檢測二次供水的水質(zhì)，智能軟件自動控制消毒藥劑投放，投放過程采用二元控制的精確投藥濃度調(diào)節(jié)，確保余氯濃度維持在穩(wěn)定數(shù)值，保障站區(qū)特別是高鐵供水的衛(wèi)生安全。

泵房關鍵部位視頻自動分析，墻壁破損或滲水、管道漏水、污水位超限會自動告警，防止泵房被水淹。作業(yè)監(jiān)督通過視頻軌跡分析，自動錄制人員在泵房內(nèi)的活動視頻，為作業(yè)監(jiān)督考核提供數(shù)據(jù)。

自動門禁運用人臉識別和車牌識別，屬于授權人員車輛則自動打開電控門，自動記錄進入的人員姓名、車輛牌號、進入時間和離去時間，上傳服務器，實現(xiàn)智能巡檢管理。實現(xiàn)入侵自動檢測、自動拍照、自動告警，必要時遠程音視頻對講和喊話。

供水設備使用5G高可靠數(shù)據(jù)傳輸特別適合鐵路偏遠區(qū)域信號強度較弱的特點場景，解決了遠程監(jiān)測及管控的傳輸需求。泵房和管道安裝的各種采集裝置，輸出的設備狀態(tài)信息。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要由智能主機、大屏顯示器、通信板、采集分機、傳感器、網(wǎng)絡攝像頭、電磁流量計、多功能電力儀表、管網(wǎng)智能監(jiān)測終端、智能運維系統(tǒng)軟件、通信網(wǎng)絡等組成。系統(tǒng)具有以下16個功能：實時采集視頻，在泵房主機軟件界面上展現(xiàn)各網(wǎng)絡攝像頭實時監(jiān)控畫面；水源水位采集上傳至服務器；污水水位上傳至服務器；泵房水泵運轉狀態(tài)（揚水量、出口管網(wǎng)水壓）采集和上傳，變頻器故障信息采集和上傳；水泵故障自動告警；變頻器故障自動切換到備用柜，多種降級運行模式（主變頻器、備變頻器、工頻）自動切換；泵房控制參數(shù)遠程自動修改，無需人工到達泵房，調(diào)度員遠程遙控泵房水泵運轉/停止；管網(wǎng)關鍵點未安裝管網(wǎng)監(jiān)控終端；遠程遙控開關管道閥門；根據(jù)水平衡原理，查找漏水點；消防水管的壓力上傳至服務器；消火栓傾斜狀態(tài)監(jiān)測；余氯、pH、濁度采集并上傳到服務器；泵房墻壁破損監(jiān)測；給水管道漏水監(jiān)測；泵站大門車輛識別和泵房入口人臉識別。

2.3 系統(tǒng)關鍵技術

（1）傳輸通道。供水設備5G高可靠數(shù)據(jù)傳輸。鐵路站區(qū)供水泵房、管道多數(shù)位于站區(qū)偏僻位置，容易存在信號盲區(qū)。需要研究自動適配5G-NR-NSA和SA雙模組網(wǎng)，支持雙卡，適合鐵路偏遠區(qū)域信號強度較弱的特定場景，解決了遠程監(jiān)測及管控的傳輸需求。

（2）遠程監(jiān)測。采集工作由采集分機實現(xiàn)，內(nèi)置低功耗CPU，具有良好的穩(wěn)定性和算力。

（3）遠程控制。智能主機通過5G無線通信或有線網(wǎng)絡接口，收集調(diào)度員命令。當收到指令時，智能主機向水泵驅采分機發(fā)送控制指令。

（4）給水數(shù)據(jù)庫管理。給水數(shù)據(jù)庫是給水運行生產(chǎn)過程中所有運行參數(shù)存儲、交換、運算的中樞，記錄和保存著給水運行生產(chǎn)過程中的所有參數(shù)和所有過程。

（5）智能運維與實時監(jiān)控軟件部署在智能主機上，是泵房管理員對該泵房各設備實時工況查看的窗口。通過該軟件，泵房管理員可以查看各水泵運行工況和實時參數(shù)、監(jiān)控視頻、戶外消火栓和漏水監(jiān)測點的狀態(tài)以及對各硬件運行產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)進行分析。

（6）深度學習人工智能技術。泵房和管道安裝的各種采集裝置，輸出的設備狀態(tài)信息通過深度學習人工智能技術，自動辨識人臉和車輛身份，從而實現(xiàn)智能化的泵房門禁、人員巡檢自動登記等功能。人員在泵房的作業(yè)實時視頻，通過深度學習自動分析，可以提取人員移動軌跡，提取特定動作，進行作業(yè)標準化考核，自動打分評判，為作業(yè)監(jiān)督考核提供數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)技術創(chuàng)新

該系統(tǒng)創(chuàng)新化地提出5G無線通信和鐵路專網(wǎng)接口融合的方法，實現(xiàn)了高鐵各種通信條件泵房的無縫接入，同時提供了強大的服務器分析軟件和手機App軟件，真正實現(xiàn)隨時隨地瀏覽管轄的泵房狀態(tài)，緊急時遠程啟停水泵，確保高鐵不間斷供水。該項目主要具有以下四個創(chuàng)新點：

（1）普適性泵房數(shù)據(jù)安全接口技術，實現(xiàn)了遠程聯(lián)網(wǎng)和信息互聯(lián)服務。

（2）泵房狀態(tài)無感采集技術。使用了視覺傳感器監(jiān)視整個泵房態(tài)勢，自動分析當前信息和狀態(tài)，實現(xiàn)智能巡檢管理；使用了毫米波測距技術，采集關鍵區(qū)域的水位狀態(tài)實現(xiàn)非接觸式采集；使用了紅外熱成像技術測溫，提前預警設備的潛在故障。

（3）基于數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)谋梅窟h程應急處置技術。泵房嵌入式主機針對運行參數(shù)超限時自動保護設備，產(chǎn)生告警時，自動生成應急方案并執(zhí)行。

（4）一站式給排水數(shù)字化管理平臺技術。以物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術支撐，在整個鐵路局管轄范圍內(nèi)連接成百上千座泵房和戶外監(jiān)測終端，完整覆蓋了高鐵泵房全流程生產(chǎn)場景，實現(xiàn)了一站式集成管理。如圖2所示。

3 供水智能化運維系統(tǒng)趨勢建議

目前，高鐵和地鐵行業(yè)泵房的自動化和數(shù)字化程度不夠高，仍需較多人力進行管理維護服務，同時給排水能力和安全性不足，服務能力有限，難以適應高鐵和地鐵的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，急需數(shù)字化牽引和數(shù)據(jù)賦能，提升產(chǎn)業(yè)能級。因此，數(shù)字化智慧運維是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然結果。

該項目基于5G的鐵路站區(qū)供水智能運維系統(tǒng)，能夠顯著提升高鐵和地鐵車站給排水服務能力和服務質(zhì)量，具有良好的市場前景，同時對未來的系統(tǒng)發(fā)展提出以下建議：

（1）采用5G無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控功能。

（2）摒棄傳統(tǒng)接觸式采集方法，采用多傳感器實現(xiàn)無感采集，提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）在完善智慧泵房智能運維的基礎上增加遠程應急處置方案，確保在特殊情況下，泵房仍可正常運行且損失最小。

（4）將系統(tǒng)的各個數(shù)字化服務集成管理，節(jié)約人力物力資源，提高效率。

4 結語

該研究項目對合肥東站既有給水泵房的工作現(xiàn)狀進行了深入研究，提出了基于5G的鐵路站區(qū)供水智能化運維系統(tǒng)建設的方案，完成了試點運用，為高速鐵路給水遠程管控一體系統(tǒng)的標準化奠定基礎。系統(tǒng)試用至今，效果良好且運行穩(wěn)定。

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