電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維模式探討

王昕彬

國(guó)網(wǎng)南京供電公司，江蘇南京，210000

0 引言

隨著我國(guó)老舊鐵路改造政策的推行實(shí)施，電氣化鐵路成為現(xiàn)代鐵路交通的重要組成部分，具備環(huán)保、高效、低噪音、低維護(hù)成本、適應(yīng)性強(qiáng)和安全可靠等優(yōu)勢(shì)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為鐵路電力供應(yīng)系統(tǒng)的核心組成部分，能夠?yàn)榱熊囂峁┓€(wěn)定、可靠的電力供應(yīng)，是電氣化鐵路運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)施之一。

為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，接觸網(wǎng)系統(tǒng)往往具備較高的設(shè)計(jì)可靠性，但受極端天氣、設(shè)備老化、外力破壞等影響，接觸網(wǎng)系統(tǒng)仍存在相當(dāng)大的故障風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由接觸網(wǎng)引發(fā)的故障已經(jīng)占據(jù)牽引供電系統(tǒng)總故障的80%，接觸網(wǎng)一旦發(fā)生故障，將直接影響列車運(yùn)行時(shí)效及運(yùn)行安全，帶來嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能危及人員生命安全，因此，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行維保及故障勘察十分重要。

傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)運(yùn)維以定期定點(diǎn)巡檢為主要方式，耗時(shí)久、投入成本高。近年來，隨著智能技術(shù)的發(fā)展及智慧鐵路建設(shè)的要求，接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維正逐步向智能化、自動(dòng)化和高效化發(fā)展。本文首先對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)組成部分進(jìn)行介紹，總結(jié)接觸網(wǎng)系統(tǒng)常見典型故障，然后結(jié)合當(dāng)前接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維現(xiàn)狀，分析當(dāng)前運(yùn)維工作中存在的主要問題，最后提出接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維未來發(fā)展的主要方向，推進(jìn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維智能化、自動(dòng)化。

1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)的常見故障

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是電氣化鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，用于為電力機(jī)車和電動(dòng)列車提供動(dòng)力，通過接觸線與列車上的受電弓接觸，將電能傳輸給列車，從而實(shí)現(xiàn)電力牽引，為列車提供穩(wěn)定、高效的電力供應(yīng)，使列車運(yùn)行更加安全、快速和環(huán)保。然而，由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行且處于室外環(huán)境中，受到天氣、污染等復(fù)雜因素的影響，容易出現(xiàn)故障和問題，導(dǎo)致列車運(yùn)行中斷、能源浪費(fèi)、安全隱患等嚴(yán)重后果，因此，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)變得尤為重要。

圖1 接觸網(wǎng)

典型的接觸網(wǎng)系統(tǒng)組成部分一般包括：接觸懸掛、定位裝置、支持裝置、支柱和基礎(chǔ)等[4]。接觸懸掛是牽引變電所與電力機(jī)車之間的運(yùn)輸媒介，將電能傳輸至電力機(jī)車；支持裝置通常用于支持接觸懸掛，并向支柱與基礎(chǔ)傳遞所承載的負(fù)荷；支柱與基礎(chǔ)是接觸網(wǎng)重要的輔助裝置，用于保證接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性，并承受其余三個(gè)部分的全部負(fù)荷，使得接觸網(wǎng)系統(tǒng)能夠安全地置于預(yù)設(shè)地點(diǎn)；定位裝置面向?qū)ο鬄榻佑|線，通過固定接觸線的橫向位置，提高弓網(wǎng)受流性能，防止事故的發(fā)生。

目前，接觸網(wǎng)技術(shù)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，常見故障類型通常是外部環(huán)境變化引起的設(shè)備異常及設(shè)備老化故障[5-8]，根據(jù)異常類型可進(jìn)一步分為：弓網(wǎng)故障、導(dǎo)線斷裂、參數(shù)異常、接觸網(wǎng)污染、接觸線松動(dòng)等。接觸網(wǎng)常見故障可能原因及故障影響見表1。

表1 接觸網(wǎng)常見故障可能原因及故障影響

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維現(xiàn)狀

我國(guó)接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維方式主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)階段：2010年以前，接觸網(wǎng)系統(tǒng)的維保工作主要依靠沿線設(shè)置維修點(diǎn)，定期對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行人工巡檢，檢查設(shè)備狀態(tài)、連接情況和電力供應(yīng)等，并進(jìn)行維保修復(fù)工作，該方式人員需求較大，單次維護(hù)耗時(shí)長(zhǎng)；2010年后，6C接觸網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步應(yīng)用普及，能夠?qū)佑|網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行全方位、全覆蓋的綜合監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備和弓網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)[9-11]，提高了設(shè)備維修的精準(zhǔn)性，延長(zhǎng)維修周期，一定程度上降低了維保成本。但在實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在以下問題。

（1）數(shù)據(jù)管理不規(guī)范

目前，數(shù)據(jù)由各子系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備離散采集傳輸，各部分的回傳數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)，存在信息孤島，沒有統(tǒng)一的智能數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，缺乏數(shù)據(jù)共享機(jī)制，無法對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及智能分析。

（2）數(shù)據(jù)利用率低

運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)是指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修，但目前對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)利用率較低。一方面，因缺少規(guī)范的數(shù)據(jù)管理，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)被分散存儲(chǔ)，無法進(jìn)行有效的整合和共享；同樣的數(shù)據(jù)在不同的系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)中存在多份副本，造成資源的浪費(fèi)和數(shù)據(jù)更新的不一致；同時(shí)，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散且不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)難以共享，不同系統(tǒng)間獲取數(shù)據(jù)困難。另一方面，當(dāng)前數(shù)據(jù)質(zhì)量偏低，受數(shù)據(jù)傳輸因素的影響，當(dāng)前回傳數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤、缺失、重復(fù)等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度降低，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。

（3）實(shí)時(shí)狀態(tài)難以獲得

基于車輛運(yùn)行安全性考慮，運(yùn)行工況動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸，車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)難以獲得。由于車輛運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，特別是在地形、天氣、交通狀況等方面的變化，接觸網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸面臨一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)，受傳輸帶寬、傳輸信號(hào)等因素限制，部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸；而非運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)通常無法反映車輛運(yùn)行的動(dòng)態(tài)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，難以對(duì)列車運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行有效分析。

（4）數(shù)據(jù)挖掘分析不足

目前，接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘分析缺乏深度，難以推廣應(yīng)用[12]。首先，缺乏清晰的分析目標(biāo)，目前數(shù)據(jù)分析主要針對(duì)故障數(shù)據(jù)，未能對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行建模及趨勢(shì)分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)指導(dǎo)有限。第二，當(dāng)前對(duì)數(shù)據(jù)篩選預(yù)處理工作不完善，存在錯(cuò)誤、重復(fù)數(shù)據(jù)，影響分析的準(zhǔn)確性。第三，接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)中存在干擾信息，因此，需對(duì)數(shù)據(jù)特征及機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)一步對(duì)比選擇，進(jìn)一步篩選剔除冗余特征及不相關(guān)特征，在充分考慮不同類型數(shù)據(jù)的差異性及具體問題的基礎(chǔ)上選擇不同的診斷算法。第四，模型應(yīng)用困難，因缺乏對(duì)模型進(jìn)行充分的評(píng)估驗(yàn)證，模型泛化能力及診斷準(zhǔn)確性難以評(píng)估，診斷結(jié)果可解釋性低，無法將分析結(jié)果有效地轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)決策或?qū)嶋H應(yīng)用。

3 接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)維發(fā)展方向

（1）建立健全的數(shù)據(jù)管理體系

明確接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理目標(biāo)，將各檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)分析整合，保障數(shù)據(jù)的有效性、提高數(shù)據(jù)使用率；制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸記錄標(biāo)準(zhǔn)，保障各子模塊間數(shù)據(jù)穩(wěn)定回傳，確保各子模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和一致性，避免數(shù)據(jù)丟失或傳輸錯(cuò)誤；建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，將各模塊數(shù)據(jù)規(guī)范存儲(chǔ)，這有利于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和檢索，提高數(shù)據(jù)的可訪問性和利用效率，同時(shí)也能夠確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性；數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控管理，制定數(shù)據(jù)質(zhì)量管理策略，包括數(shù)據(jù)清洗、去重、修正等步驟，定期檢查評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的有效性和完整性，提高數(shù)據(jù)的可信度和準(zhǔn)確性。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能分析研究

利用智能分析技術(shù)對(duì)接觸網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)于能夠?qū)崟r(shí)回傳的數(shù)據(jù)，如電流、電壓、溫度、接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控分析平臺(tái)，通過調(diào)用預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)挖掘模型，對(duì)實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析識(shí)別，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，輔助進(jìn)行維護(hù)決策。

對(duì)于無法實(shí)時(shí)回傳的數(shù)據(jù)，一方面，通過引入多種車載傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等方式，建立多源數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過深入研究應(yīng)用無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，建立安全高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸通道；另一方面，開展邊緣側(cè)智能分析技術(shù)研究[13-14]，利用邊緣計(jì)算技術(shù)，將數(shù)據(jù)處理和智能分析等任務(wù)從監(jiān)控中心轉(zhuǎn)移到車輛端，在車輛端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能分析，從而減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲，提高響應(yīng)速度，輔助車輛端的決策制定和問題解決。

（3）開展數(shù)據(jù)融合應(yīng)用研究

接觸網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)由各子系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備離散采集，因此，需對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合應(yīng)用研究，通過整合和利用多源信息數(shù)據(jù)，從中提取有價(jià)值的知識(shí)和洞見，以支持決策和問題解決。以基于統(tǒng)計(jì)信息方法、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到更全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和應(yīng)用提供更可靠的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)管理和維護(hù)提供更全面的支持。此外，還可以利用多源信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)多源信息數(shù)據(jù)的整合和分析，可以發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)律，提取出有價(jià)值的知識(shí)和洞見。例如，可以通過挖掘接觸網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們之間的依賴關(guān)系和影響因素，從而優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)策略。

（4）預(yù)測(cè)性運(yùn)維管理

通過對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和模型建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)未來可能出現(xiàn)的故障和問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷，并采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以提前預(yù)防和避免潛在的故障和事故的發(fā)生，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)策略。如基于接觸網(wǎng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立壽命預(yù)測(cè)模型，擬合生命周期曲線，制定預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，對(duì)當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維保，可以有效地提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和可用性，減少故障和事故的發(fā)生，降低維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。同時(shí)，還可以為運(yùn)營(yíng)商提供決策支持，優(yōu)化資源配置和運(yùn)維策略，提升整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

4 結(jié)論

電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維模式是保障電氣化鐵路運(yùn)行安全和效率的重要環(huán)節(jié)，隨著科技的發(fā)展，未來運(yùn)維需注重?cái)?shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能分析和智能化運(yùn)維等方面的研究。通過建立健全的數(shù)據(jù)管理體系、發(fā)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)、開展數(shù)據(jù)融合應(yīng)用研究及實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)管理，推進(jìn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化運(yùn)維，提升接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率，降低運(yùn)維成本，為鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩透咝峁┯辛χС帧?/p>