数字孪生技术在城市轨道变电站调试质量监督中的应用

陈波，商兆涛，夏琴，张红彬，陈浩，孙辉

（ 1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站，安徽 芜湖 241005；3.国家电网六安供电公司，安徽 六安 237006 ）

0 引言

城市轨道变电站因轨道而设，处于城市之中，变电站中电力设备种类繁多，其可靠性与稳定性直接关系到轨道系统的安全运行。尤其是新建全自动驾驶的跨座式单轨道变电站新设备、新技术加快应用，轨道变电站设备状态质量管控智能化研究是轨道建设发展的必然趋势。从源头抓起，在设备安装、联调联试阶段开展质量分析方法的研究，有利于及时发现风险、排除风险进而预测风险，是城市轨道交通项目施工安全质量控制与管理研究的重要课题。随着技术的发展，智能化、模块化、数字化电力设备的使用，也对轨道变电站综合调试提出了更高的技术要求。

城市轨道变电站是轨道运行的动力源、专业范围广、线路复杂，工程安装管理又是整个轨道建设全过程中重要的环节，联调联试分析结果影响到变电站验收及应用安全。传统管理方式主要以监管单位、监理公司人工管理的方式为主，导致建设过程中的数据呈现碎片状，信息资源缺乏整合无法满足智能化、信息化和高质量控制与管理发展的需求。

云计算、物联网、智能化设备、虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)、建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术等现代信息、仿真技术、通信新技术为质量管理模式和技术实现的创新和发展带来了难得的历史机遇[1-2]。在此基础上，提出在轨道变电站电力设备安装阶段、设备试验、联调联试、系统验收各个阶段，采集变电站设备的各种运行状态数据信息，结合变电站BIM模型，实现施工过程可视化和动态数据透明化，完成从分离式带电测试向系统联调数字化设备监测转换，基于大量的设备静态信息和实时数据，实现工程建设从电力设备安装开始通过数字孪生技术建立设备动态运行状态和质量判断模型，探索轨道供电变电站施工安全质量控制与管理研究的一种方法。

1 轨道变电站监管现状

目前轨道变电站电力安装验收采用主要采用“各负其责”模式：轨道变电站（所）电力设备系统调试前，组织设备厂家人员到场，参与设备试验及调试工作。设备试验开始前将试验人员资质、试验设备、仪器校验报告、试验方案以及调试大纲报监理单位审核批准，试验过程严格按照试验方案及验收规范执行，所有试验、调试项目结束后，整理数据，邀请监理单位对所调试的项目进行现场检验验证，检验验证合格，出具试验合格报告，编制资料报监理单位审批。

常规的轨道交通电力设备质量检测方法，需要对不同种类设备、不同厂家设备分别进行检测，调试发现问题需要逐一排查故障，不仅影响整个交通系统建设过程，同时增加成本[3]。随着技术的不断更新，常规安装质量验收方法的高成本、低效率、及时性不足、需要专业人员操作等问题日益凸显。

由上可见，验收调试仅反映设备参数信息及当时的调试运行数据。设备验收、检修、维护等工作基于上述数据开展，轨道变电站设备质量判断、验收、维护等工作方式存在人工干预环节较多，依据设备静态信息和部分实时数据，影响故障预测、特征辨识等测试效率和测试结果的可信度。由于变电站企业设备类型繁多、型号各异，产生的海量数据无法统一、影响结果无法跟踪和追溯问题，存在大量的重复性测试，整体效率低下。此外，现有轨道变电站质量监管手段多以参数设置的静态测试为主，无法动态反演现场实际运行工况以及对设备运行的有效模拟和预测。

当前监测流程和调试验证方法需要依靠专业知识和从业经验综合判断，难以满足轨道安全、快速、智能化建设的要求。同时，全自动跨座式单轨道首次在芜湖建设，设备类型繁多、型号各异，动态运行过程复杂，影响系统运行状态的因素较多，联调联试复杂，迫切需要研究一种适用于轨道安装过程质量监控的系统化建模方法，推动设备状态感知技术与传统质量监督工作的整合，加快智能过程监控体系建设，以利于后续数字轨道建设的深入开展。

2 数字孪生技术监管研究

BIM 是以建立建筑物三维立体模型为载体，形成建筑设计、施工、管理有效衔接，同时协调不同工种的工作。三维立体模型具有一定的直观性和模拟性，可将建筑物的所有技术参数以空间立体模型的方式呈现在计算机中，对模型内的数据进行修改与更换，从而形成完整的数据库。BIM 技术在城市轨道交通中有着广泛应用，适用于轨道线缆的敷设及安装、疏散平台的碰撞设计、地铁施工技术工艺的可视化研究等，对提高城市轨道交通的施工效率、优化施工方案、合理配置施工资源都有着极为重要的作用[4]。

数字孪生又称为数字双胞胎，主要在数字空间构建虚实结合的全信息映射，同步反映物理系统的实时动态，在难以开展的真实环境中进行各种分析研究，为各种高级应用提供技术支撑。同时，数字孪生与通信技术、传感技术、仿真等技术相融合，充分利用该技术的特点和设备物理模型、设备运行时间、设备实时状态等采集的数据，集成多学科、多概率等仿真过程，反映实体装备在实际环境与虚拟空间映射下的全过程[5]。

本文提出安装阶段充分发挥BIM在轨道变电站设计实现的优势，试验与联调联试阶段，运用数字孪生技术对轨道变电站设备进行建模分析，实现远程管理，建立数字化的变电站模型，跟踪并在一定程度上实现运行状态预测，提供智能化的质量监控分析服务。

首先，采集现场数据建立大数据库，应用数据分析处理技术实现有效预处理，研究数据之间的相关关系；其次，基于信息流、能量流分析设备物理模型，构建对应的故障结构树，融合BIM、VR等技术实现实际运行调试环境与虚拟空间映射下的全过程，实现智能化质量监控。

2.1 数据预处理研究

智能化过程监控需要在测量获得大数据基础上建立一个完全覆盖轨道变电、用电设备等多个环节的全景感知网络，摆脱以往数据获取不全面，数据分析、应用不立体的困局，以海量数据为依托，相关性分析为切入点，统筹分析，综合评价。因此，对测量获得的数据进行有效处理是智能监控分析的基础。

电力系统的数据采集呈现以下特点：

1）数据多源化

智能化轨道系统要求能够尽可能全面、详细了解系统内的微小变化，为此需要布置尽可能多的采样点。监测的设备数量多且装有各类传感器以获得多源数据。不同设备采集的不同状态数据具有不同的量纲，或属不同的范围，即使同类对象的同一信号，通过不同型号的测量设备获得的结果也不尽相同。

2）数据多样化

监测系统采集数据包括电气量数据、非电气量数据、文本数据以及图像数据，多源异构的大数据是数字建模分析的基础。

为保证数据正确处理，应对传感器采集到的多源海量数据进行一致性预处理，删除因环境干扰而产生的错误数据，获得有效融合计算的标准样本数据。

轨道变电站要求获取电力系统内全面的基础信息，以便进行大量信息的相关性分析。因此目前的非电参量 (热学、力学、化学量)和非结构化参量 (视频、图像、声音)等加入到电力设备状态数据库中，众多的电力设备监测系统产生多元、海量、异构的数据,包括电气量数据、状态量数据和过程量数据等[6]。

传感器、电源、无线通信等受现场安装环境的制约，其系统本身存在不稳定性，再加上传感器测量系统一般都暴露在外部环境中，采集精度易受外部环境的干扰。

有效完成数据预处理是基于数字孪生的城市轨道变电站综合调试质量分析系统需要解决的关键基础。轨道变电站数字孪生技术数据预处理需要开展的各个单元，如图1所示。

图1 轨道变电站数字孪生技术数据预处理

2.2 状态监控模型

轨道变电站设备运行状态建模需要全方位获取各类设备的相关状态信息，包括数据层、网络层、应用层，具体表现为运行工况状态、故障信息、设备出厂信息等。因此变电站设备全维度状态监控需要设备的全方位信息，包括时间空间信息、信息空间信息和物理空间信息。同时，对变电站状态评估进行发展预测，相关领域学者已经开展设备状态评研究。研究过程中使用了多种数据分析的模型，如：马尔可夫（Markov）方法、Topsis模型、概率模型、故障树、支持向量机、神经网络、贝叶斯网络等。上述模型和方法均需要一定规模的历史数据作为训练数据，支撑数据训练过程，才能得到有效评估和识别模型结果。目前，评估和诊断方法逐渐向着数据驱动方式和基于大数据分析的方向发展。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统数字映射系统[7]。因此BIM技术构建的变电站，可以通过研发变电站动态运行状态模拟系统，实现运转设备的控制状态的可视化；研究各部件运行状态及状态转换关系，以及部件运行状态对功能的耦合关系，研究通用系统化建模方法，探索数字孪生技术，构建变电站安全、有序、动态化通用模型，在质量控制与过程监督中实现设备运行的有效模拟和行为预测策略。数字孪生技术在轨道变电站的应用流程如图2所示。

图2 数字孪生技术在轨道变电站的应用

目前，轨道变电站状态分析及系统建模研究并未充分利用数据间的相关性，总是以独立的个体为作为分析对象，除大规模联调联试以外，较少将这些分散的系统作为统一的整体进行研究。变电站设备存在多种应用模式，在数字化、智能化用电系统的基础上研究典型设备的工作模式，根据实际调查研究设备的各种工况，确认动态监控点和状态特征变量选择，从理论上分别研究这些不同工作模式下的特性，构建信息流模型。

轨道变电站进行产品数字孪生开发，在充分分析多种电力设备特性的基础上，结合轨道输供电系统的响应特性，控制系统的逻辑与算法等多个方面开展仿真验证技术。实现完备且完善的基于数字孪生的轨道变电站安装质量控制与过程监督，还需要建模和仿真之外的其他技术，如：基于历史数据的仿真结果校准技术、VR等。

3 结语

随着轨道建设智能化、信息化程度不断加深，大量数据被采集、上传、计算、分析。探索BIM与数字孪生等现代信息技术融合方式，可实现集供电、电力、信息、通信、控制核心系统一体的轨道变电站质量控制与过程监督智能化。

在轨道设备安装过程质量监控中，推动设备状态感知技术与传统质量验收工作相互融合，可实现综合分析和快速定位，提供全生命周期管理，有效保障轨道交通安全。