電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化中的應(yīng)用

王昊 WANG Hao；陳林霞 CHEN Lin-xia

（南瑞軌道交通技術(shù)有限公司，南京 210003）

0 引言

現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)中，軌道交通作為重要支柱，對于城市的連通性和運(yùn)行效率具有關(guān)鍵影響。然而，當(dāng)前軌道交通運(yùn)行面臨著故障頻發(fā)、安全性挑戰(zhàn)以及高昂的運(yùn)營成本等問題，盡管以往的研究在該領(lǐng)域取得進(jìn)展，但這些問題仍未得到全面解決，技術(shù)空白仍然存在。通過電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析技術(shù)探索新的解決途徑，本文將詳細(xì)闡述電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析技術(shù)的內(nèi)容與應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，可實(shí)現(xiàn)對軌道交通運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測分析，為運(yùn)營決策提供準(zhǔn)確依據(jù)，從而提高運(yùn)行效率與安全性。

1 軌道交通中的電力監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析的概述和工作原理

軌道交通的電力監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析，它們都屬于軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)（俗稱：SCADA 系統(tǒng)）的核心部分。電力監(jiān)控主要是對軌道交通供電系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的參數(shù)及數(shù)據(jù)等對象進(jìn)行監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析主要是根據(jù)采集的各種海量數(shù)據(jù)形成控制功能。因此軌道交通的電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析對于保障軌道交通運(yùn)行的安全具備十分重要的作用。

軌道交通中的電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析其主要實(shí)質(zhì)是一種電力大數(shù)據(jù)技術(shù)，它具備電力大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)，如：高價(jià)值性、高準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)即共情、數(shù)據(jù)即能量、數(shù)據(jù)即交互、類型多、數(shù)量大、速度快等特點(diǎn)。同時(shí)，軌道交通中的電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析主要延續(xù)了電力大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)技術(shù)的工作原理，第一步：梳理數(shù)據(jù)需求；第二步：梳理數(shù)據(jù)源；第三步：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第四步：設(shè)計(jì)分析算法；第五步：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)展示。

2 電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)

電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)大致分為八個(gè)部分：①數(shù)據(jù)感知采集技術(shù)：主要是通過相關(guān)技術(shù)對軌道交通運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行感知并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；②數(shù)倉技術(shù)：這里主要指數(shù)倉設(shè)計(jì)，通過對需求進(jìn)行數(shù)據(jù)集市分析，提取數(shù)據(jù)源相關(guān)特征，通過數(shù)據(jù)集市的建模形成數(shù)據(jù)倉庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證的過程；③ETL 技術(shù)：是指按照數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計(jì)要求，使用該技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、加載的過程；④多維建模技術(shù)：是指按照數(shù)倉設(shè)計(jì)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)CUBE 建模的過程；⑤報(bào)表技術(shù)：是指所有的數(shù)據(jù)集市展現(xiàn)的終端技術(shù)，一般以查詢報(bào)表的方式或者圖形方式呈現(xiàn)；⑥數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)：它是一門強(qiáng)大的算法模型技術(shù)；⑦編程技術(shù)：主要通過該技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)深度擴(kuò)展；⑧融合技術(shù)：主要是指與其他技術(shù)或者系統(tǒng)進(jìn)行融合對接?？傮w技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)

3 電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為客戶層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，其中客戶層主要進(jìn)行人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，主要由中央服務(wù)器和客戶服務(wù)站構(gòu)成；數(shù)據(jù)服務(wù)層主要是指通過控制活動對數(shù)據(jù)進(jìn)行掌握，主要由PLC、過程控制器、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，它們通過網(wǎng)絡(luò)或者專網(wǎng)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和現(xiàn)場各部分裝置設(shè)備的連通、協(xié)調(diào)工作。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行中的通用結(jié)構(gòu)主要分為硬件與軟件兩部分結(jié)構(gòu)，其中硬件部分結(jié)構(gòu)又分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式分層結(jié)構(gòu)，主要分為基礎(chǔ)自動化、場站監(jiān)控以及中央監(jiān)控三層；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也分為三層，分別是骨干、場站監(jiān)控以及中央監(jiān)控。硬件主要包括防火墻、系統(tǒng)服務(wù)器、系統(tǒng)維護(hù)工作站、前置服務(wù)器、操作員工作站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等設(shè)備。軟件部分結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)管和維保兩大部分，按系統(tǒng)軟件層次劃分其主要包括：共享數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、圖形管理子系統(tǒng)、報(bào)表管理子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)。

4 電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化的應(yīng)用功能主要涵蓋運(yùn)管和維保兩大部分，其中優(yōu)化提升的應(yīng)用功能主要包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控功能、遠(yuǎn)程控制功能、電力負(fù)荷監(jiān)控與調(diào)度功能、狀態(tài)評估功能、供電可靠性管理功能、分級預(yù)報(bào)警功能、應(yīng)急處置功能、故障判定發(fā)布功能、事故障處理功能、智能化綜合調(diào)度功能、設(shè)備生命周期管理功能、供電與運(yùn)控管理功能。由于功能眾多，這里著重介紹電力負(fù)荷監(jiān)控與調(diào)度、分級預(yù)報(bào)警、事故障判定和處理功能三大功能。整個(gè)優(yōu)化應(yīng)用功能設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析在軌道交通運(yùn)行優(yōu)化中應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

4.1 電力負(fù)荷監(jiān)控與調(diào)度

該功能可以對各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的電力負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也可以通過電力負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行預(yù)測，并通過電力調(diào)度的方式提供供電策略，保證了各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備間的供電穩(wěn)定及用電安全。

4.2 分級預(yù)報(bào)警

分級預(yù)報(bào)警功能主要分為預(yù)警和報(bào)警兩大功能，預(yù)警是通過對歷史事故障情況數(shù)據(jù)進(jìn)行分級，當(dāng)達(dá)到某一級時(shí)，可以通過調(diào)動實(shí)際的資源進(jìn)行預(yù)處理動作。預(yù)警是十分重要的功能，它能起到在事故障發(fā)生之前進(jìn)行干預(yù)處置。報(bào)警是指突發(fā)事故障狀態(tài)發(fā)生，需要立即調(diào)動資源處理，一般報(bào)警跟預(yù)警一樣也會分級，并設(shè)置分級閾值。

4.3 事故障判定和處理

事故障判定是根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并生成事故障信息及預(yù)警信息，根據(jù)事故障的情況執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)案，經(jīng)過審核后，發(fā)布至相關(guān)區(qū)域維?；蛘咴诼肪€上的維保組。事故障處理是指維保中心接收到事故障信息，如：預(yù)警信息、報(bào)警信息、事故障智能判定信息等，維保中心通過相關(guān)工作組織流程對事故障進(jìn)行維修或者搶修工作。

5 上海地鐵1 號線的電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集優(yōu)化應(yīng)用案例

5.1 背景介紹

上海地鐵1 號線是中國歷史最悠久的地鐵線路之一。在其早期的運(yùn)營階段，受到當(dāng)時(shí)技術(shù)與資金投入的限制，1號線的電力監(jiān)控系統(tǒng)相對原始。1 號線的電力監(jiān)控主要依賴于人工巡檢和少量的基礎(chǔ)傳感設(shè)備進(jìn)行運(yùn)管和維保。這種方式存在著多個(gè)缺陷：數(shù)據(jù)更新不夠?qū)崟r(shí)，存在人為巡檢疏漏的風(fēng)險(xiǎn)，以及設(shè)備老化導(dǎo)致的監(jiān)測不準(zhǔn)確等。特別是在高峰時(shí)段，由于電力負(fù)荷大，一旦出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致大面積的服務(wù)中斷，給乘客帶來不便，甚至影響整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

5.2 數(shù)據(jù)采集優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和限制，上海地鐵1 號線在后期進(jìn)行了大規(guī)模的技術(shù)升級和改造。系統(tǒng)開始大量部署傳感器于車站、隧道及列車上。這些傳感器不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測基本的電流和電壓，還能夠獲取功率因數(shù)、溫度、濕度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這一變革極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。傳感器及設(shè)置參數(shù)如表1。

表1 傳感器及設(shè)置參數(shù)

5.3 電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)感知與采集

在所有數(shù)據(jù)被傳感器采集后，它們首先被儲存于車站附近的局部存儲設(shè)備中，然后通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)中心。在這里，一個(gè)高性能的時(shí)序數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)處理和存儲數(shù)據(jù)，以支持實(shí)時(shí)的監(jiān)控和長期的數(shù)據(jù)分析。此外，上海地鐵1 號線還利用云計(jì)算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和冗余存儲，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

5.4 數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用優(yōu)化

上海地鐵1 號線利用采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的數(shù)據(jù)分析，使其運(yùn)營更加智能和高效。以下介紹數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化應(yīng)用的主要方向。

5.4.1 能耗優(yōu)化分析

通過歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合，對每個(gè)車站、列車以及關(guān)鍵設(shè)備的電力消耗進(jìn)行了深入研究。特定時(shí)段，如上下班高峰期，或特定天氣條件下的能耗模式都被詳細(xì)分析。例如，冷熱天氣下空調(diào)系統(tǒng)的功耗與客流量的關(guān)系，以及夜間維護(hù)時(shí)段的能耗減少策略。

5.4.2 預(yù)測性維護(hù)

通過對電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)的長期監(jiān)控，利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，上海地鐵1 號線成功預(yù)測了多次設(shè)備的潛在故障，這些設(shè)備包括變壓器、供電線路和開關(guān)設(shè)備等。預(yù)測性維護(hù)減少了突發(fā)故障的可能性，提高了運(yùn)營的穩(wěn)定性。

5.4.3 客流與電力需求關(guān)系分析

通過對客流數(shù)據(jù)和電力消耗數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，地鐵團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了某些車站在特定時(shí)段內(nèi)的客流與電力需求并不完全同步，這為節(jié)能提供了新的思路。例如，某些車站在早高峰期雖然客流量巨大，但由于其特有的微氣候和建筑結(jié)構(gòu)，其電力需求實(shí)際上低于預(yù)期。

5.4.4 安全監(jiān)測

利用傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測軌道交通系統(tǒng)中的過電壓、過電流、短路等異常情況，及時(shí)發(fā)出警告，并通過自動化控制系統(tǒng)，自動切斷有問題的部分，以保證運(yùn)營的安全性。綜上所述，上海地鐵1 號線在電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析的應(yīng)用上，不僅提高了運(yùn)營效率，降低了運(yùn)營成本，更重要的是為保障乘客的安全出行提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

5.5 優(yōu)化應(yīng)用效益

電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析使得上海地鐵1 號線能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電力使用情況，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，從而提高了運(yùn)營效率和節(jié)能效果。對比實(shí)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析技術(shù)前后的數(shù)據(jù)，電力消耗下降了約12%。同時(shí)，對于突發(fā)的電力故障和安全隱患，通過此技術(shù)的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，響應(yīng)時(shí)間縮短了60%，大大減少了安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，該系統(tǒng)通過歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘，預(yù)測未來的電力需求，使得電力資源分配更加合理，進(jìn)一步降低運(yùn)營成本。與此同時(shí)，跨系統(tǒng)的集成使得不同子系統(tǒng)間的協(xié)同工作更為順暢，為乘客提供了更加穩(wěn)定、安全的乘車環(huán)境。

6 結(jié)束語

本文從電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析的角度探討了軌道交通運(yùn)行優(yōu)化中應(yīng)用的解決方案，并通過具體案例，展現(xiàn)了電力監(jiān)控系統(tǒng)如何助力上海地鐵1 號線提升運(yùn)營效率、確保安全穩(wěn)定運(yùn)行并降低能耗。數(shù)據(jù)分析在軌道交通中不僅有助于實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障預(yù)警，更為重要的是，它能夠從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息，為運(yùn)營決策提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，電力監(jiān)控系統(tǒng)的跨系統(tǒng)集成與協(xié)同工作確保了各子系統(tǒng)之間的高效溝通。面對未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析將持續(xù)為軌道交通帶來更大的應(yīng)用價(jià)值，推動其朝著更綠色、更智能的方向發(fā)展。