鐵路局集團公司供電設備安全綜合分析系統的研究

劉 軍，朱繼強，閆占強，蔚 嘉，邢曉東

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵路大數據研究與應用創新中心，北京 100081；2. 中國鐵路太原局集團有限公司，太原 030013）

安全是鐵路運輸管理永恒的主題，也是當前鐵路大數據應用的研究熱點之一[1-3]。供電設備對保障鐵路運輸安全具有重要作用，接觸網、變電所、作業車等重點設備的預警分析和風險研判一直是供電部門日常安全管理的重點工作，不少學者也對鐵路供電設備的風險分析、評估及狀態監測展開研究。程學慶等人[4]提出結合定性與定量分析的供電系統風險評估方法，王開銘[5]進行牽引變電所可靠性分析和風險評估，張克永[6]提出建立供電安全檢測監測體系，李耀云等人[7]對供電設備質量狀態進行分析。

本文結合中國鐵路太原局集團有限公司（簡稱：太原局集團公司）所屬供電部、供電段、各車間的安全管理需求，開展鐵路局集團公司供電設備安全綜合分析系統（簡稱：系統）的研究與開發，以支持對供電設備實施精準的安全管控，提高安全管理效能，保障鐵路供電設備的運營安全。

1 總體框架

1.1 系統建設目標

依托鐵路數據服務平臺，在實現供電設備安全管理相關數據的匯集與共享的基礎上，開發鐵路局集團公司供電設備安全綜合分析系統，以接觸網設備、變電所設備、作業車設備為重點，運用數據分析技術，提供便捷、高效的供電設備安全綜合分析信息化手段，指導供電部門實施精準的供電設備安全管控，提升供電設備安全管理效率和水平，促進供電設備安全管理的標準化與規范化。

1.2 總體框架

鐵路局集團公司供電設備安全綜合分析系統包括數據源、平臺層、應用層、用戶層，以及相關標準體系和保障體系，系統總體框架如圖1 所示。

圖1 系統總體框架示意

（1）數據源為鐵路局集團公司既有系統可提供的相關數據，主要包括供電設備基本臺賬、檢測數據、報警數據、隱患數據、故障數據等。

（2）平臺層依托太原局集團公司的鐵路數據服務平臺，實現基礎數據管理、數據集成、數據共享、數據清洗、大數據存儲與分析。

（3）應用層主要包括供電設備管理綜合分析、接觸網設備安全分析、變電所設備安全分析、作業車設備安全分析等應用功能。

（4）用戶層主要包括鐵路局集團公司領導決策層、安全監察室、供電部和各供電段。

（5）標準體系包括信息采集與分類規范和服務提供規范，規定數據采集與共享的接口內容與實現方式，描述系統提供的數據服務與應用服務接口，以及系統安全等級防護要求，提供信息集成和綜合應用的基礎技術條件。

（6）保障體系包括系統管理、運用和維護的相關管理制度與人員組織保證，明確數據分析、運用與考核流程及崗位職責，確保系統建成后能夠正常運用和發揮實效。

2 主要數據源

系統目前的數據源主要來自太原局集團有限公司所屬的太原供電段生產綜合信息管理系統、侯馬北供電段生產綜合信息管理系統、大同西供電段生產信息管理系統、鐵路供電安全檢測監測數據處理中心、牽引供電智能化管理系統、供電安全檢測監測系統（簡稱：6C）數據處理中心、接觸網作業車運用安全管理系統。

2.1 接觸網基本臺賬與安全數據

接觸網基本臺賬數據主要包括：支柱號、鐵路局集團公司名稱、站段名稱、車間名稱、運行工區、維修工區、線名、行別、公里標、股道、錨段號、導高、拉出值、接觸線高度、隔離開關、關節式分段/分相、器件式分段/分相、接觸網懸掛錨段、避雷器、絕緣子、27.4 kv 電纜、補償裝置等；

接觸網設備安全數據主要包括：動態檢測設備缺陷數據、6C 檢測設備缺陷數據、靜態巡檢數據、檢查維修數據、安全隱患數據、事故故障數據和壽命管理數據。

2.2 變電所基本臺賬與安全數據

變電所基本臺賬數據主要包括：所亭編號、鐵路局集團公司名稱、站段名稱、車間名稱、班組名稱、所亭名稱、供電范圍、供電方式、線名、線路類型、占地總面積、所亭公里標、電化開通日期、進線電壓等級、變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、綜自保護裝置、避雷器等。

變電所設備安全數據主要包括：實時報警數據、日常巡視數據、年度檢修數據、年度試驗數據、安全隱患數據、安全考核數據和事故故障數據。

2.3 作業車基本臺賬與安全數據

作業車基本臺賬數據主要包括：車輛編號、鐵路局集團公司名稱、配屬段、車輛名稱、規格型號、車輛狀態、車輛照片、有無動力、出廠日期、出廠序號、外形尺寸、固定資產號、生產廠家、投運日期、接觸網作業車類型等。

作業車設備安全數據主要包括：使用效率數據、維修保養數據、運用質量數據、出勤退勤數據、安全隱患數據、安全發牌數據和事故故障數據。

2.4 綜合數據

主要包括基礎字典信息，如鐵路線名、行別、安全隱患類型、安全隱患等級、安全考核類型、安全考核等級、事故故障類型、事故故障等級、設備缺陷類型、設備缺陷等級、作業車車型、GIS 基礎數據，以及單位名稱字典、站段名稱、車間名稱、工區名稱等。

3 主要功能

3.1 供電設備安全管理綜合分析

分析供電專業重點設備的安全管理狀況，對所屬站段和線路的安全指標進行排名，以便指導制定及時有效的安全防控措施。

（1）接觸網設備安全管理分析：從動態檢測、6C 檢測、靜態巡檢、檢查維修、安全隱患、事故故障、壽命管理等方面，對各站段、線路的安全管理狀況進行分析和排名。

（2）變電所設備安全管理分析：根據變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、綜自保護裝置、避雷器等變電所設備關鍵部件的監測報警和缺陷，對各站段的安全管理狀況進行分析和排名。

（3）作業車設備安全管理分析：從作業車設備的使用效率、維修保養、運用質量、安全隱患、事故故障、出勤退勤等方面，對各站段的安全管理狀況進行分析和排名。

3.2 接觸網設備安全分析

以接觸網單支柱為設備單元，建立接觸網設備安全評價指標體系，對各站段、線路的接觸網設備進行安全評價，確定實施精準盯控的問題。

（1）接觸網安全電子地圖：可在GIS 地圖上查詢各線路上不合格支柱分布情況，以及單個支柱設備安全狀態評價結果。

（2）接觸網安全綜合分析：分析接觸網單個支柱的基本信息、主要部件、各維度評分結果、歷史缺陷占比等，自動統計動態檢測、6C 檢測、靜態檢測、檢查維修、安全隱患、事故故障、壽命管理等多方面的安全評價指標，記錄安全評分。

3.3 變電所設備安全分析

以單個變電所作為安全評估單元，建立基于變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、綜自保護裝置、避雷器等主要部件的安全評估，從日常巡檢、年度檢修、年度試驗、安全隱患、事故故障、壽命管理等多個方面進行安全分析。

（1）變電所安全電子地圖：在GIS 電子地圖上分段別、分線別綜合查詢變電所的各類相關信息，標注出存在缺陷問題的變電所。

（2）變電所安全綜合分析：從日常巡檢、年度檢修、年度試驗、安全隱患、事故故障、壽命管理等方面對變電所開展安全評估，分析不同類型缺陷和報警占比，給出管轄范圍內重點盯控的變電所。

3.4 作業車設備安全分析

以單個作業車作為安全評估單元，建立作業車安全評價指標體系，對作業車設備管理、運用、維護進行安全評價，幫助安全管理部門確定應重點盯控的問題。

（1）作業車安全電子地圖：利用采集的作業車位置信息，可在GIS 電子地圖上實時顯示在線作業車的作業位置，追蹤作業車運行軌跡，方便供電部、各供電段掌握作業車的作業動態。

（2）作業車安全綜合分析：建立基于作業車基本信息、使用記錄、維修保養、安全隱患、事故故障、壽命質量等多方面的作業車安全評價指標，提供分供電段、分車間的作業車信息綜合查詢，給出安全管理不合格、應重點盯控的作業車。

4 關鍵技術

通過匯集接觸網、變電所、作業車等設備單元的基本臺賬、6C 檢測數據、設備缺陷數據、安全隱患數據、安全發牌數據、事故故障數據等，建立接觸網支柱、變電所、作業車的安全管理畫像分析模型。該模型結合直接獲取、按規則計算、基于神經網絡的分類器，可自動生成供電設備的單項和復合型安全標簽，全面刻畫供電關鍵設備的安全管理狀況，如圖2 所示。

圖2 供電設備安全管理畫像分析技術

4.1 單項安全標簽

供電設備的單項安全標簽通過直接取值，或按規則計算確定。對于文字型、非數字型數據，通過直接獲取方式生成設備安全標簽；對于單項數字型的安全標簽，定義單項標簽生成規則：

其中，x為安全數據，a1、a2、an為不同設備標簽分類， ξ1、 ξ2、 ξn為不同標簽分類的閾值。

例如，接觸網檢測缺陷類型是字符型數據，對應的缺陷類型標簽定義為“一級缺陷”和“二級缺陷”；接觸網安全隱患數量類型為“數字型”，其標簽規則為：設備安全隱患數量不大于3個，標簽定義為“隱患少”，大于3個，標簽定義為“隱患多”。

4.2 復合型安全標簽

復合型安全標簽是基于神經網絡的分類器生成的標簽，標簽分類器的神經網絡由輸入層、隱藏層、輸出層構成，如圖3所示。

圖3 基于神經網絡的復合型安全標簽分類器

作為分類器訓練集的輸入數據包括供電設備單元的一級缺陷數量、二級缺陷數量、設備故障數量、設備隱患數量、超周期時間等；輸出數據是由業務專家共同確定的標簽分類結果；隱藏層的節點數量可根據訓練精度進行調整，傳遞函數為Logsig；輸出層的節點數量為2，傳遞函數為Hardlim。標簽分類器的目標函數為網絡輸出值和目標值的平方差之和，采用差分進化優化算法調整標簽分類器中權值和閾值。通過對供電設備畫像標簽分類器的訓練，對于測試樣本給出標簽分類器的分類結果。

供電設備安全管理畫像分析模型在數據層面全面刻畫供電設備的綜合安全狀況，是實現快捷、高效的供電設備安全綜合分析的基礎。

5 結束語

本文結合太原局集團公司供電專業關鍵設備安全管理需求，開展鐵路局集團公司供電安全綜合分析系統的研究，明確系統建設目標和總體架構，全面調查太原局集團公司既有信息系統中的相關數據源，分析設計系統主要功能，并對供電設備安全管理畫像分析模型等關鍵技術進行深入研究，下一步將完成系統開發。

系統通過供電設備安全管理數據匯集和共享，利用大數據技術實現供電安全綜合分析，支持對供電設備實施精準的安全管控，有助于提升供電設備安全管理效能。