城市轨道交通供电安全防误操作管控技术的研究与应用

王媛媛 魏略 刘剑龙

（长园共创电力安全技术股份有限公司，珠海 519000）

摘要本文针对城市轨道交通供电安全提出一套智能控制理论模型，以提高轨道交通供电智能化水平和安全性为目标，采用智能传感器对运行工状与操作行为进行监控，无线与有线相结合的数据传输方式，建立行为模式识别知识库，将人工智能技术与推理策略相结合，实现供电系统整体的安全管理，对可能误操作进行安全管控和预警，满足轨道交通供电系统安全、规范、可靠的运行要求，为轨道供电提供可靠保障，打造智慧、安全供电平台。

关键词：供电安全；防误操作；检修安全

Research and Application of Management and Control Technology for Power Supply Safety and Misoperation Prevention in Urban Rail Transit

WangYuanyuan Xia Rui Liu Jianlong

(CYG Contron Co., Ltd., Zhuhai519000)

AbstractAiming at the power supply security of urban rail transit, this paper proposes a set of intelligent control theory model, aiming at improving the intelligent level and security of power supply of urban rail transit. Intelligent sensors are used to monitor operation status and operation behavior, and data transmission mode combining wireless and wired is used to establish a knowledge base of behavior pattern recognition. Integrating artificial intelligence technology with reasoning strategy, we can realize the overall safety management of power supply system, carry out safety control and early warning for possible misoperation, meet the requirements of safe, standardized and reliable operation of rail transit power supply system, provide reliable guarantee for rail power supply, and build intelligent and safe power supply platform.

Keywords：Power Supply Safety; Misoperation Prevention; Maintenance Safety

1背景

城市轨道交通的安全运行离不开安全、规范、可靠的供电系统，供电系统是城市轨道交通运输的血液，是核心系统，供电系统一旦产生故障或中断，不仅会造成交通运输的瘫痪，而且还会危及乘客生命安全，并对地线公共交通运输带来巨大压力，对社会稳定和城市形象造成不良影响。随着城市轨道交通的发展，如何确保城市轨道交通供电安全成为一项意义重大的研究课题。目前针对此课题，国内外目前还没有类似的平台化产品和完善解决方案[1]。

本文针对城市轨道交通行业存在的生产运行安全管理薄弱环节，提出针对轨道交通行业的供电运行安全生产管理解决方案，其目的是通过技术手段，以构建安全专家库为核心，完善电力设备操作过程中的防误管理，确保操作过程的安全、高效。

2设计目标及技术路线

2.1总体目标

系统是基于行为模式的识别技术研究，通过图像识别和建立设备状态逻辑专家库，构建防误逻辑规则库，通过后台软件规约建立多种通讯规约支持库，实现与综合监控系统、PSCADA系统的多方接口，以物联网技术建立软件系统和硬件手持终端的通讯链接，采用自动化远程控制技术，实现接触网接地操作的远程控制可视化操作，加入操作过程的行为逻辑分析判断，对操作步骤实现有序的逻辑控制。系统总体目标如下：

1）构建基于图像识别和行为模式分析的行为专家库，实现操作安全逻辑判断；

2）建立基于模型的故障推理机制，结合数据挖掘和逻辑灰门故障树分析技术对监测数据进行分析挖掘，实现状态检修，提高设备运行可靠性；

3）建立牵引供电系统的半定量模型，融合马尔可夫模型和petri 网等成熟理论的精髓，研发出一种运算成本小、速度快、定位准确的新型预警算法；

4）采用智能控制技术实现作业现场电气设备的自动化控制；

5）采用Zigbee无线通讯技术，实现操作步骤的实时同步共享和在线监测，防止“走空程”、“假变位”等风险操作[2]。

2.2研究方法及技术路线

通过对事故致因“2-4”模型进行分析和研究[3]，深入分析事故发生的直接原因以及背后根源，针对模型中所述的“不安全动作”和“不安全物态”，进一步挖掘出在城市轨道交通电气设备操作过程中存在的安全隐患，采用相应的技术手段实现防范，防止这种不安全状态继续扩散导致的重大影响。

图1 事故致因“2-4”模型

3重点研发内容

3.1技术层面

1）基于ＳＯＡ架构的软件平台，系统采用基于服务的跨平台架构体系，满足系统的分布式构建与网络化的应用集成。

2）基于轨道交通供电管理运行模式的行为专家库，针对城市轨道交通供电系统运营管理模式，分析运行人员的行为习惯与风险水平，并抽象为强制执行的闭锁逻辑序列。

3）多维度的智能防误校核技术，通过与调度系统、管理信息系统、监控系统等的实时数据共享，实现现场操作点逻辑校验、后台遥信遥测潮流校验、视频监控行为校验等多维度防误校核，杜绝了现场操作的安全风险。

4）智能化系统运行状态分析技术，通过智能操作终端和系统网络和平台的冗余设计，可以很方便的对系统各个软硬件进行实时的状态监测，对设备异常或故障状态进行预警或处理，保证系统安全稳定的运行。

3.2应用层面

1）微机控制安全联锁方案：采用物联手持终端控制模式，通过供电运行安全管理系统模拟操作流程，以Zigbee无线专网为媒介，实现电力设备操作过程的实时监控，在操作过程加入专家库防误逻辑分析和判断，对可执行的合法操作由手持终端实现防误解锁[4]。

2）综合自动化安全联锁方案：完成检修方式的自动化控制，通过供电运行安全管理系统的接口层实现多个子系统的接口，包括可视化接地控制、视频控制、门禁权限控制、车辆位置信息监视、音频广播控制。依赖系统中央集中处理模式，实现电气设备操作过程的专家逻辑分析和判断，以远动控制手段，实现各个系统设备的远方遥控控制和监视。

当综合自动化安全联锁方案的自动控制模式失效时，系统可以切换为微机控制安全联锁方式。

4实施方案

4.1系统架构

以服务器为系统中央核心、以逻辑专家库为系统支撑，具有多模块组件耦合特性，B/S、C/S混合模式，支持多系统多设备接口接入。

图2 系统架构

4.2设备物理部署

（1）电气防误操作安全联锁方案

图3 方案架构

（2）检修自动化安全联锁方案

图4 方案架构

4.3关键技术

（1）行为专家系统

通过图像识别技术记录操作人员的行为习惯，构建行为专家系统，存储轨道电气设备的运行方式和对应的操作逻辑，结合现场一次接线图设备状态以及操作规定，从行为专家库中匹配对用的操作逻辑规则，专家系统将行为记录入专家库，刷新自身专家库的知识池，形成行为自学。

（2）大数据异构处理

系统需对所有数据进行集中管理、统计、查询,为所有站提供安全控制和预警功能服务。异构业务数据分析并互融即把全网各类厂家系统的数据通过技术手段分析整合；各类品牌数据库通过数据访问封装技术实现数据集中管理。数据集成对各种异构数据提供统一的表示、存储和管理，这些功能在异构数据集成系统中实现[5]。

（3）故障诊断和大数据分析

建立基于模型的故障推理机制，结合数据挖掘和逻辑灰门故障树分析技术对监测数据进行分析挖掘，实现状态检修，提高设备运行可靠性。透过故障树的启发式搜索，最终查出故障的根本原因，同时，在充分利用系统定性定量信息的原则下，建立牵引供电系统的半定量模型，融合马尔可夫模型和petri网等成熟理论的精髓，对轨道供电系统设备信息数据进行挖掘。

（4）智能控制技术

系统结合行为模式的专家库，将行为专家库的知识经验与控制理论技术相结合,仿效专家的经验,实现对系统控制的一种智能控制。主体由知识库和推理机构组成,通过对知识的获取与组织，按某种策略适时选用恰当的规则进行推理，以实现对控制对象的控制[6]。

（5）新型无线通讯技术

系统在数据通讯上采用Zigbee无线通讯技术。Zigbee传输方式采用动态路由实现，在数据传输前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输，路径的选择使用的是“梯度法”。动态路由结合网状拓扑结构，可以很好解决无线通讯不稳定，从而保证数据的可靠传输。

5技术创新

（1）将全网拓扑分析引入轨道交通供电运行安全生产管理系统

供电运行安全生产管理系统加入全网设备拓扑关系逻辑分析模块，通过设备点与点、线与线之间的连接关系，在系统数据库中构建全网拓扑关系结构表：

1）实现全网设备状态在线实时检测；

2）为逻辑专家库的分析和判断提供实时数据；

3）支持多种一次电气接线方式的实现，当接线方式发生改变后，拓扑结构可根据实际的接线方式实现自适应。

4）支持全站停电状态下的安全操作。

5）支持跨站设备，站间联络设备的防误规则判断。

6）引入遥信遥测等电气量辅助逻辑校核。

图5 网络拓扑示意图

（2）建立安全规则专家库和设备状态实时库

图6 安全规则专家库和设备状态实时库

6 应用成效

目前该系统已在广州地铁、福州地铁、南京地铁、杭州地铁、郑州地铁、深圳地铁等十余项目运行使用。该系统与现有的地铁运营管理规章制度相结合，互为补充，目标是建立一个程序化、信息化、标准化的供电运行安全生产保障体系，提高轨道交通运行的可靠性。自投运以来，未发生一起恶性误操作事故，有效保障地铁安全供电，同时在安全基础上，系统还实现车辆检修库工作效率提高一倍以上，变电检修年人均工时和接触网检修年人均工时减少40%以上。由于该系统的设备复杂程度较高，因此安装施工周期长，效率偏低。但随着技术的发展，通过小型化，智能化优化提升，必将满足日新月异的智能运营管理模式。

参考文献

[1]兰慧峰;芮学宝.轨道交通供电安全生产管理体系探讨[J].电气化铁道,2016.15(4):28-32

[2]赖声钢.基于GPRS和ZigBee网络的地铁变电站防误闭锁系统设计[J].城市轨道交通研究,

2018.10(4):135-138

[3]事故致因2-4模型(24Model),中国安全生产科学技术,2019(4)193

[4]陈乃海.广州地铁电气微机防误系统设计[J].城市轨道交通研究, 2015.10(3):54-56

[5]王江丽;王俊;蒋帅.高速铁路安全防护系统设计研究[J].中国安全科学学报, 2019(S1):58-62

[6]唐鹏飞.城市轨道交通安全设备设施配置研究[D],广州：华南理工大学, 2018

作者简介

王媛媛（1983-），女，广东省珠海市，硕士，工程师，主要从事供电系统安全运行的研究设计。

研究与开发