基于大数据的城市轨道交通供电设备全寿命周期管理工业互联网平台


       当前,基于工业互联网的新业态新模式正处于喷薄欲出的起步阶段,供给侧服务商和需求侧工业企业都亟需标杆案例,工业互联网数据驱动型模式的实施效果也亟需标杆案例的显性化呈现。

       为落实《广东省人民政府关于深化“互联网+先进制造”发展工业互联网实施方案及配套政策措施的通知》(粤府〔2018〕23号),广东省工业互联网产业联盟根据《广东省工业互联网应用标杆培育工作方案》,按照“对接-培育-评价-挂牌-推广”要求,组织开展省工业互联网应用标杆培育对接工作。“美的集团南沙工厂工业互联网集成平台建设”等4个标杆项目符合要求的共性技术要求,基本完成项目实施,在特定场景实施得较全面或较深入。省联盟现已组织标杆实施单位(工业企业和工业互联网供应商,下同)进行标杆特色和行业推广场景梳理,大力支持标杆的工业互联网供应商单位开展行业推广和供需精准对接活动。本文为第一期标杆案例展示:基于大数据的城市轨道交通供电设备全寿命周期管理工业互联网平台;其余标杆案例将陆续在本网站,敬请密切关注。


白云电器】

  广州白云电器设备股份有限公司(以下简称“白云电器”或“公司”,股票代码603861)从1979年打铁起步,历经三代人、五个发展阶段,从打铁、到五金加工、生产电气三箱类产品、专业制造中低压配电设备,2002年开始通过合资合作、兼并重组,形成了完整的电力装备产业链,主要产品为高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)、中压成套开关设备、低压成套开关设备、轨道交通直流开关设备、变压器、电力电子设备、控制系统等七大类,成为中国电力装备制造领域的领军企业。


       随着竞争的加剧,单纯的装备制造业可持续发展乏力,特别是与基础设施投资关联性较大的行业,如何从传统的单纯装备制造型企业转型制造服务型企业,这是企业发展的一个重大课题,也是企业可持续发展的关键。现在,白云电器进入了第六个发展阶段,以实业为基石,围绕电力资产建设、电力资产管理、电力能源管理、节能、电力能源供给,为客户提供涵盖咨询、设计、采购、施工、安装调试、运维、培训、金融等的总包服务,致力于成为“世界领先的电力能源综合解决方案服务商”。

       为实现企业的战略转型目标,白云电器正全力实施数字化转型策略:第一,通过建设数字化工厂项目拉通了从营销、设计、生产、财务和物流等数据,解决生产方面的问题,提升生产的效率;第二,搭建基于大数据的城市轨道交通供电设备全寿命周期管理工业互联网平台,拉通了设备运行的状态数据,解决了维保方面的问题,提升了维保的效率、客户服务水平。通过数字化工厂和大数据平台将企业端和客户端联系起来,实现真正的全寿命周期管理,对这些数据的挖掘,也能够让我们更好的对产品进行改进和创新,同时也能够为客户提供更多的决策支撑和增值服务,从而提升公司整体竞争力。


一、项目概况
(一)项目背景  

  城市轨道交通供电设备的管理普遍依靠计划修,这种维修模式下,运维人员对设备实时状态掌握欠佳,大量有价值的数据未被采集和有效利用,潜力巨大的数据在眼前,得不到应有价值的发挥。计划修模式带来以下突出问题:第一,对设备可能的故障预见性不足,导致维修工作缺少针对性,过度维修和维修不足现象突出,设备使用和管理效率较低;第二,设备状态变化趋势未及时反映,安全隐患不容易发现,运营有风险;第三,何时该修、哪里该修、哪个最紧急修…等问题缺乏依据,轻重缓急不突出、工作量大,效率较低;第四,计划式的检查、维修工作,人力、设备、备品备件资源投入大,成本高。随着线网的扩大,设备管理工作量将大幅度提升,人工、备品配件等成本上升带来运营维护的成本不断攀升,计划修转变为状态修势在必行。



(二)项目简介
       该项目由白云电器、广州地铁集团有限公司、广州市扬新技术研究有限责任公司联合进行,以广州地铁一个完整的供电系统作为研究对象(从110kV进线到直流1500V接触网和400V开关柜),通过确定直接或间接表征供电设备健康状态的状态指标、建立城市轨道交通状态评价导则(标准),通过自主创新研发数据采集装置、集成成熟传感等设备采集大量反映设备本体的数据,自主开发在线监测系统实现实时报警和趋势分析,并搭建大数据平台对海量数据进行管理。结合大数据人工智能分析方法,以海量数据为基础,构建基于少量重要状态指标的、数据驱动的设备状态评估模型,自主开发状态评估系统对设备状态、寿命进行自动评估和预测,同时基于状态评价导则(标准)对设备进行状态评估;利用BIM技术自主开发BIM系统,实现故障定位及可视化以及维修指导。结合广州地铁线网运营的实际情况,在数据采集、存储、分析利用的基础上建立了分层分布式的供电系统全寿命周期管理系统,并实现了远程监测和诊断,逐步实现供电设备状态维护及管理,解决计划修模式下的诸多问题。

项目应用:嘉禾望岗地铁站


(三)项目目标 

  针对直流1500V牵引制式的城市轨道交通集中供电系统,对电气量、机械量及噪声、温度、振动、在线频谱等特征参数进行监测,全面研究、制订、验证、完善适合供电系统全寿命周期状态监测的技术标准,通过先试点性安装试用,再推广应用,研发管用、实用、好用的相应产品,研究运用计算机网络技术开发集成智能化的供电系统全寿命周期维修及管理平台。


二、项目实施概况

(一)项目方案  


1.技术架构



2.数据流向

3.现场情况


三、项目特色和实施效果

(一)方案特色

  该项目采用故障预测与健康管理、以可靠性为中心的维修和状态检修等方法,以及物联网、工业大数据等技术,在城市轨道交通供电系统领域首次构建了健康评价体系,形成了剩余寿命预估技术方案,完善了在线监测体系,为维护检修模式从计划修向状态修转变进行了有效的探索和实践。

1、利用故障预测与健康管理方法和大数据技术开发了整流器、干式变压器、110kV油浸式变压器、交流电缆等设备的状态预测及健康评估模型,并完成工程化应用,实现了整流器、干式变压器等设备的健康状态评估。

2、利用以可靠性为中心的维修方法开发了关键设备可靠性故障诊断模型、剩余寿命预估模型,并完成工程化应用。

3、编制了《城市轨道交通供电系统一次设备状态评价导则》和《城市轨道交通供电系统设备状态检修管理规范》,为设备状态评估和状态修模式建立了简单、便捷、有效的标准体系,实现了设备状态评估,为维修决策提供了辅助依据。

4、构建了城市轨道交通供电系统的高/中/低压的交/直流设备的电气、温度、振动、声音、局放等关键参数的在线监测体系,为设备健康状态预测技术研究奠定了基础。其中,自主研发了交流、直流断路器动作特性录波和直流设备框架绝缘监测等在线监测装置。

(二)实施效果

1、开发了机理驱动、统计驱动、数据驱动三种算法模型,开发了适合于城市轨道交通供电系统的数据结构的大数据平台,在大数据平台上实现了对每个供电设备采集的数据进行实时分析与挖掘,其中数据驱动中采用了CNN、XGBOOST、KNN等多种人工智能算法进行模型的设计。本项目开发了特殊的数据预处理算法,有效解决了负荷波动较大的情况,经过对数据的处理,过滤了大量基本无作用的突变,数据的质量提升了93%以上。

2、该平台已经成功应用于嘉禾望岗主变电所、车辆段牵引所,实现了从0.4kV-110kV的供电设备的状态监测及故障预测,经过一年多的实际运行与算法优化,已经达到且部分超过设计值,其中基于数据驱动算法模型的准确度超过97%,并且通过对结果数据的处理,使得现场精度达到100%,避免误报,具有实际工程化应用意义。

3、故障预测及健康管理系统可以对设备进行实时评估,实时判断设备的健康程度,根据评估数据将计划修转向状态修转移,如三年一检的设备,如果评估设备健康度没问题,可以延长到4年一检,提升检修效率30%以上。

4、通过在线数据监测及评估分析,可以准确、便捷的获得设备真实状态及剩余寿命,实时掌握设备的健康度,对寿命期短的配件及时更换,可以延长设备使用寿命,总体上可以将设备寿命从30年提升到40年。

5、若采用“基于大数据的供电系统全寿命周期管理系统”,一方面可以从巡视、检修人工方面直接节省人力成本,另一方面还可以通过减少备品备件、工具设备的用量来减少资金占用,同时可以避免大部分因故障带来的损失以及隐性问题,综合成本可降低30%以上。



四、推广场景

  城市轨道交通行业属于最具代表性的大型配用电客户,不仅具有普遍的交流设备,而且具有行业特殊的直流设备,因此最具示范效应,该平台不仅可应用于城市轨道交通供电领域,还可向其他发电、电网、工业用电等领域进行推广应用,能够确保安全、可靠的前提下,有效降低电站、电网、轨道交通等用电领域从投资建设到运营维护的全寿命周期成本。


五、在这个项目实施过程中印象最深刻的那些事

(一)以需求为导向

  需求是创新的源泉,表现为客户的痛点。该平台瞄准了计划修给客户带来的诸多问题和痛点,利用新一代信息技术搭建了全寿命周期智能管理系统,初步建立了计划修的技术和管理体系。对需求的准确把握是项目成功的基础,也是为客户创造价值的源泉。




(二)组建多专业团队共同解决难题

  对业务的理解和对大数据技术的掌握是研发模型的关键,在对业务充分了解的基础上才能够做出最准确的大数据分析,大数据是核心的技术。但目前既对地铁供电系统业务有深刻的认识,有熟悉掌握大数据技术的人才凤毛麟角,因此需要组建“供电工程师+大数据工程师+软件工程师”的联合团队共同克服技术难题。




(三)发扬“吃苦耐劳、专心专注”的打铁精神

  地铁项目的特殊之处在于实施的时间段比较特别,通常为凌晨一点到凌晨四点,项目团队克服种种困难,坚持深入一线,充分了解客户的业务模式及要求、设计方案并实施,这是团队成员发扬白云电器打铁精神的体现。