CZ33791U1 - Systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb - Google Patents

Description

Systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb

Oblast techniky

Technické řešení se týká problematiky diagnostikování a délky životního cyklu technologických celků, zejména pak technologického vybavení tunelových staveb na pozemních komunikacích. Systém zjednodušuje a zpřesňuje systém údržby technologických celků. Výstupní data přispívají k řízení dopravy.

Dosavadní stav techniky

Životnost vybraných dílčích systémů a komponent technologických celků tunelových staveb se pohybuje podle studií od 10 do 25 let. Podle druhu zařízení se životnost jednotlivých technologických subsystémů liší. U elektronických systémů, řízení osvětlení a SCADA systémů (Supervisory Control And Data Acquisition, dispečerské řízení a sběr dat) je počítáno s životností 10 let. U napájecích a sdělovacích kabelů se uvažuje životnost 20 až 25 let. Životnost ventilačního a bezpečnostního zařízení je odhadována na 15 až 20 let. Odchylky pro všechny uvedené technologické subsystémy se uvádějí s přesností od 3 do 5 let.

Náklady na služby spojené se servisem zařízení jsou podle zkušeností nejvyšší položkou z celkových provozních nákladů technologických systémů. Údržba technologických celků se často ne standardizuje a neoptimalizuje s přihlédnutím k predikci vzniku poruchy, ale spíše k definovaným pravidelným prohlídkám podle předpokládané životnosti daného zařízení, které bylo testováno výrobcem pro jednotlivé subsystémy. Přitom se životnost zařízení zpřesňuje při pravidelných prohlídkách, neboť na zařízení v tunelu má vliv agresivní prostředí (vlhkost, sole), které má zásadní vliv na životnost a kvalitu zařízení.

Záznamy o servisních zásazích jsou velmi často vedeny v papírové, eventuálně v elektronické formě, a jsou uloženy v mnoha dokumentech. Ruční prohlížení a přiřazování servisních akcí k určitému zařízení není příliš komfortní. Tímto postupem nelze získat ucelený datový model či informace o zařízení, jako je četnost poruch a časový odstup mezi poruchami. Tím se úloha stává obtížnou pro vhodnou automatickou analýzu poruchovosti a spolehlivosti zařízení.

V řídicím systému tunelu, ale i dalších technologických subsystémech, jsou integrována taková zařízení, u kterých se evidují provozní hodiny. Jedná se zejména o točivé stroje - ventilátory, čerpadla a systémy osvětlení. Operátor má zpravidla za povinnost po větším servisním zásahu nebo celkové výměně tyto provozní údaje ručně nastavit, aby informace zaznamenané v systému odpovídaly stavu zařízení. Hodnoty uložené v řídicím systému nejsou vždy po restartu systému či plánované údržbě obnoveny a ani nastaveny. Analýza spolehlivosti založená pouze na datech získaných přímo z řídicího systému by se proto dělala velmi obtížně a nejednalo by se o validní akceptovatelnou spolehlivostní metodu.

Nevýhodou dosud užívaných metod je nedostupnost všech potřebných dat pro analýzu a diagnostiku v elektronické podobě, případně chybějící či neaktuální data. Tímto způsobem není možné předcházet potenciálním kritickým problémům na všech zařízeních připojených na řídicí systém, ani není možné naplánovat údržbu nebo operativní servisní zásah před potenciálním vznikem poruchy.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb, který je tvořen prvním zařízením pro zpracování dat, zahrnujícím program pro

- 1 CZ 33791 Ul analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb; druhým zařízením pro zpracování dat, zahrnujícím program pro řízení technologických subsystémů tunelu; alespoň jedním monitorovacím zařízením technologického subsystému; a alespoň jedním senzorem, přičemž první zařízení pro zpracování dat je obousměrně propojeno jednak s druhým zařízením na zpracování dat, a jednak s výpočetní jednotkou dispečinku tunelu a/nebo s výpočetní jednotkou dopravní centrály, a dále je první zařízení pro zpracování dat propojeno s výpočetní jednotkou operativního servisu a/nebo s výpočetní jednotkou prediktivního servisu a/nebo s výpočetními jednotkami externích systémů; a druhé zařízení pro zpracování dat obsahuje modul expertních informací, který je obousměrně propojen s prvním zařízením pro zpracování dat, přičemž dále je druhé zařízení pro zpracování dat obousměrně propojeno s výpočetní jednotkou dispečinku tunelu a/nebo s výpočetní jednotkou dopravní centrály, monitorovací zařízení jsou propojena s prvním zařízením pro zpracování dat a s druhým zařízením pro zpracování dat; a senzor je propojen s prvním zařízením pro zpracování dat a obousměrně propojen s výpočetní jednotkou dispečinku tunelu.

Program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb, jež je součástí prvního zařízení pro zpracování dat, shromažďuje a analyzuje data z monitorovacích zařízení technologických subsystémů, stanovuje hodnoty životního cyklu technologických subsystémů a/nebo hodnoty intenzity poruchovosti technologických subsystémů a/nebo parametry/hodnoty spolehlivosti technologických subsystémů, vyhodnocuje poruchy zařízení technologických subsystémů, upřesňuje počty technologických komponent v technologickém subsystému, varuje před nekvalitními výrobními sériemi konkrétních zařízení nebo problémovými částmi zařízení v technologickém subsystému.

Program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb, jež je součástí prvního zařízení na zpracování dat a program pro řízení technologických subsystémů tunelu, jež je součástí druhého zařízení pro zpracování dat, jsou ve výhodném provedení umístěny na vhodném výpočetním systému, např. na počítači, cloudu, serveru.

Program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb sestává z modulů: Data a informace, Porovnávací algoritmus, Optimální model sledovaných zařízení a/nebo veličin, Predikční algoritmus, Expertní systém, Výstup.

První zařízení pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb je obousměrně propojeno s druhým zařízením pro zpracování dat zahrnujícím program pro řízení technologických subsystémů tunelu, od kterého přijímá expertní informace z programu pro řízení technologických subsystémů tunelu, a současně je obousměrně propojeno s výpočetní jednotkou dopravní centrály a/nebo s výpočetní jednotkou dispečinku tunelu, přičemž výstupní data jsou přenášena na výpočetní jednotku operativního servisu a/nebo prediktivního servisu a/nebo externích systémů.

Program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb využívá data z programu pro řízení technologických subsystémů tunelu, včetně dat z modulu expertních informací.

Technologické subsystémy, jako je řízení dopravy, osvětlení tunelu, větrání tunelu, kabiny SOS, opatření proti vzniku námrazy, nouzový zvukový systém, spojovací a dorozumívací zařízení, systém videodohledu, řídicí systém, zásobování elektrickou energií, navrhování stavby z hlediska požární bezpečnosti, jsou opatřeny monitorovacími zařízeními dle potřeb jednotlivých technologických subsystémů, která snímají stav jednotlivých součástí technologického subsystému.

Technologické vybavení tunelu se skládá z heterogenních technologických subsystémů, které mohou mít rozdílně stanovené životnosti.

-2CZ 33791 U1

Data z monitorovacích zařízení technologických subsystémů jsou přenášena do druhého zařízení pro zpracování dat zahrnujícího program pro řízení technologických subsystémů tunelu a do prvního zařízení pro zpracování dat zahrnujícího program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb bezdrátovou technologií, např. loT, 3G-5G, Mesh sítě, nebo kabelově.

Data jsou následně analyzována v programu pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb. Analýzu dat sesbíraných ze subsystémů je možné realizovat různými metodami, ale jako vhodná a aplikovatelná metoda je dle principu CRISP-DM (Cross Industry Standard Process for Data Mining). Důvodem pro výběr této metody je zaměření se i na ekonomickou stránku a potenciální finanční aspekty spojené se servisem a výměnou zařízení než na pouhé modelování prediktivní životnosti. Princip CRISP-DM se skládá ze šesti kroků spočívajících ve stanovení základní premisy pro porozumění problematiky z naměřených dat, tj. obchodní a datové znalosti, příprava dat pro model, nastavení vlastního modelu a jeho vyhodnocení a zhodnocení pro nejlepší interpretaci a využití výsledků. Zahrnuje i porovnání se skutečností s použitím historicky naměřených dat včetně následné predikce a zahrnutí analýzy diagnostiky vlastních zařízení jednotlivých komponent a rozhraní. Systém také využívá otevřená rozhraní pro získávání dalších dat o životnosti zařízení či komponent pro další zpracovaní a přesnější predikci životnosti a vzniku poruchy. Navržený systém využívající prediktivní model a informační část pro jednotlivé technologické subsystémy obsahuje i historickou statistiku a expertní požadavky, které upřesní optimalizaci nákladů a služeb.

Systém je opatřen senzory pro měření fyzikálních veličin stavební části tunelové stavby, jako jsou teplota, vlhkost a pnutí, které mají vliv na stanovení servisních úkonů, přičemž data ze senzorů pro měření fyzikálních veličin stavební části tunelové stavby jsou přenášena do prvního zařízení pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb kabelově nebo bezdrátovou technologií. Následně jsou zpracována známými nástroji, jako je Microsoft EXCEL nebo Microsoft Power BI.

Druhé zařízení pro zpracování dat zahrnující program pro řízení technologických subsystémů tunelu obsahuje modul expertních informací, které zahrnují informace o provozu, správě a servisu tunelu, od údržby, z pravidelných prohlídek včetně informací od výrobce zařízení, které porovnává chování zařízení s určenou dobou jeho životnosti.

Na výpočetní jednotku Operativního servisu jsou přenášena výstupní data pro ohlášení nečekaných závad, jedná se o informace o závadách, které nastaly nečekaně.

Na výpočetní jednotku Prediktivního servisu jsou přenášena výstupní data pro stanovení plánů servisů, čímž se předchází neočekávaným závadám tím, že se stanovuje servis na konkrétních zařízeních, ato s předstihem.

Expertní systém se využívá pro napojení na mail servis, SMS bránu nebo software třetích stran, kterými jsou nouzový telefon, rozhlas, servisní organizace, správce tunelu, napájení zařízení technologických subsystémů. Tímto je umožněna flexibilita řešení dle individuálních potřeb.

Logicky se vnitřní moduly systému dále člení na moduly pro zpracování dat z provozu, servisu, analýzy a predikce dat i jejich správu, moduly pro detekce anomálií, které vedou na výstup, kde zobrazují naplánované údržby.

Ve výhodném provedení je systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb propojen s výpočetní jednotkou Integrovaného záchranného systému a/nebo s výpočetní jednotkou servisní organizace pro údržbu a/nebo poskytuje data výrobci zařízení nebo technologického subsystému.

Na základě diagnostiky stavu zařízení subsystémů prostřednictvím programu pro analýzu

-3 CZ 33791 U1 a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb jsou detekovány anomálie a incidenty, které mohou být vyhodnoceny jako předzvěst mimořádné události nebo jako porucha zařízení. Takto vyhodnocené události jsou zasílány dispečinku řízení tunelu a servisní organizaci jako požadavek na zásah. Na základě těchto požadavků a s využitím zkušeností příslušných pracovníků může být zintenzivněna údržba konkrétních prvků, doporučena úprava servisních zásahů nebo vyměněna konkrétní komponenta. Cílem včasné diagnostiky, predikce a simulace stavů tunelové technologie pomocí uvedeného technického řešení je, aby se předcházelo rizikovým a havarijním situacím a aby byl s dostatečným předstihem eliminován vznik poruch a zajištěna adekvátní reakce dispečera a údržby, které mohou mít zásadní dopad na celkové náklady na provoz tunelové technologie.

Systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb rozšiřuje a povyšuje základní funkcionality řídicího systému tunelu technologických subsystémů o nové funkce prediktivní diagnostiky poruchovosti zařízení na základě reálně zjištěného životního cyklu jednotlivých subsystémů. Dochází tak ke kvalitativně vyššímu stupni podpory rozhodovacích procesů pro dispečery a správce tunelového systému, kteří mají nejen online informace o aktuálním stavu technologických zařízení, ale současně mohou dostávat s předstihem formou vizuálního nebo textového upozornění varování o možné potenciální závadě nebo informaci o blížícím se konci životnosti konkrétního zařízení. Výhodou je, že lze předcházet potenciálním kritickým problémům na všech zařízeních připojených na řídicí systém, ale zejména lépe naplánovat údržbu nebo operativní servisní zásah ještě před potenciálním vznikem poruchy. Sledováním životního cyklu dílčích systémů a jednotlivých zařízení v tunelu, propojeným s predikcí poruch může dojít nejen k úspoře ceny za plánované servisní zásahy, ale i upřesnit budoucí požadavky na vyšší kvalitu dodávek technologických systémů.

Navržený prediktivní informační systém je doplněn o historickou statistiku či o expertní požadavky, které upřesní optimalizaci nákladů a služeb. Výsledkem může být upřesnění počtu komponent v systému, varování před nekvalitními výrobními sériemi konkrétních zařízení nebo problémovými částmi zařízení. Uplatní se i zkušenosti operátorů a servisních techniků, které výrazně zpřesní prediktivní diagnostiku zařízení v tunelu.

Na základě zjištěných průměrných životností zařízení mohu pak být použity další strategie údržby. Výsledkem je softwarová podpora provozu, správy a servisu tunelu. Podporuje řešení zvláštních a havarijních situací, a to formou krizového plánu. Veškerá dokumentace je vedena v elektronické podobě na definovaném jednotném úložišti, což zajistí snadnou dostupnost. Díky analytickým výstupům lze vyhodnotit provoz tunelu. Další výhodou je detailní znalost technologického systému, která umožní poskytnout zákazníkovi nový typ záruky nebo přístupu k servisním zásahům včetně modifikace a reálné hodnoty pro nastavení záručních požadavků na zařízení, které si následně může zákazník nastavit při nových nebo obdobných instalacích.

Objasnění výkresů

Technické řešení je podrobněji přiblíženo na přiloženém obrázku č. 1, kde je znázorněno schéma systému.

Příklad uskutečnění technického řešení

V příkladu provedení jsou uvedeny pro názornost technologické subsystémy ventilace, videodetekce a řízení dopravy. Při použití uvedeného technického řešení jsou samozřejmě zahrnuty i další technologické subsystémy a prvky nebo zařízení tunelové stavby.

Systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb je tvořen monitorovacími zařízeními subsystému ventilace 3, videodetekce 4 a řízení dopravy 5.

-4CZ 33791 U1

Monitorovací zařízení 3, 4, 5 snímají stav uvedených technologických subsystémů, přičemž data z monitorovacích zařízení 3, 4, 5 subsystémů jsou přenášena do druhého zařízení 2 pro zpracování dat zahrnující program pro řízení technologických subsystémů tunelu a do prvního zařízení ]_ pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb. Monitorovací zařízení 3 subsystému ventilace sledují např. počet otáček ventilátorů a další. Monitorovací zařízení 4 subsystému videodetekce sledují např. vyhodnocení obrazu, stav zařízení, směr natočení, detekci definovaných funkcí a další. Monitorovací zařízení 5 subsystému řízení dopravy sledují např. stav značení, intenzitu a rychlost dopravy, imise, jízdu v jízdním pruhu, skladbu dopravního proudu a další. Monitorovací zařízení 3, 4, 5 sledují stav napájení jednotlivých zařízení technologických subsystémů. Monitorovací zařízení 3, 4, 5 reagují na pravidelné dotazy a díky datové komunikaci je lze ovládat.

Dále je systém tvořen senzory 6 pro měření fýzikálních veličin stavební části tunelových staveb, přičemž data ze senzorů 6 pro měření fyzikálních veličin stavební části tunelových staveb jsou přenášena do prvního zařízení j. pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb. Senzory 6 pro měření fýzikálních veličin stavební části tunelových staveb sledují např. směr a rychlost proudění vzduchu, teplotu vzduchu, a další.

Druhé zařízení 2 pro zpracování dat zahrnující program pro řízení technologických subsystémů tunelu je obousměrně propojeno s výpočetní jednotkou 12 dispečinku tunelu, obsahuje modul expertních informací 7, a je obousměrně propojeno s prvním zařízením 1 pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb. Propojení je provedeno po kabelových sítích a ovládání se děje přes server nebo distribuce probíhá přes routery.

První zařízení 1 pro zpracování dat zahrnující program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb shromažďuje a analyzuje data z monitorovacích zařízení 3, 4, 5 technologických subsystémů, stanoví hodnoty životního cyklu technologických subsystémů a hodnoty intenzity poruchovosti technologických subsystémů a parametry/hodnoty spolehlivosti technologických subsystémů a vyhodnotí poruchy zařízení technologických subsystému a upřesní počet technologických komponent v technologickém subsystému a varuje před nekvalitními výrobními sériemi konkrétních zařízení nebo problémovými částmi zařízení v technologickém subsystému.

Výstupními daty pro technologický subsystém ventilace jsou např. velikost otáček, směr otáček, množství vzduchu a další. Výstupními údaji pro technologický subsystém videodetekce jsou např. vyhodnocený obraz, detekce pohybu, směr natočení, kolize aut, protijedoucí auta, osoby, stav sledovaného objektu a další. Výstupními daty pro technologický subsystém řízení dopravy jsou např. intenzita, obsazenost a rychlost vozidel, skladba dopravního proudu, stav zařízení a značení v tunelu pro dopravu, detekce kolony, vznik nehody a další.

Přičemž výstupní data jsou přenášena na výpočetní jednotku 8 operativního servis a na výpočetní jednotku 9 prediktivního servisu a na výpočetní jednotky 10 externích systémů v tomto příkladu provedení, nouzový telefon, rozhlas, servisní organizace / správce.

Data jsou získávána během provozu i během údržby. Tyto technologické subsystémy mají na základě historických dat a zkušeností nejvíce alarmů a vyžadují pravidelné i mimořádné servisní zásahy. Problémy se týkají zejména spouštění ventilátorů z klidového stavu, což patří mezi nej častější poruchy, kdy se ventilátor nespustí nebo dojde k výpadku napájení. Obdobné je to u videodetekčních systémů, kde často dochází k výpadku videosignálu.

Systém provede analýzu problému startu ventilace, aby se zabránilo dalším výpadkům, a systém predikuje vznik poruchy.

-5 CZ 33791 U1

Pro prediktivní diagnostiku je použita analýza časových řad, která předpovídá hodnotu alarmů/poruch technologických zařízení na základě různých přístupů a metod jako je využití statistického ARIMA modelu a modelu s exponenciálním vyhlazováním (ETS). Alarmy generované při pravidelné údržbě tunelu jsou filtrovány. Intenzita dopravy má v průběhu roku 5 sezónní trendy a může ovlivnit výsledky.

Průmyslová využitelnost to Technické řešení nalezne využití v oblasti tunelových staveb pozemních komunikací jako podpora získávání informací o stavu technologických zařízení v rámci životního cyklu daného dílčího systému a na základě výsledků prediktivní diagnostiky dokáže sledovat stav v on-line režimu a vyhodnocovat životnost včetně návrhu na údržbu či výměnu. Systém analýzy a diagnostiky je možné využít i v energetických systémech, průmyslových celcích na provozní 15 lince, v dopravních systémech, telekomunikačních systémech.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Systém pro analýzu a diagnostiku technologických zařízení tunelových staveb, vyznačující se tím, že je tvořen prvním zařízením (1) pro zpracování dat, zahrnujícím program pro analýzu a diagnostiku technologických subsystémů tunelových staveb;

   druhým zařízením (2) pro zpracování dat, zahrnujícím program pro řízení technologických subsystémů tunelu;

   alespoň jedním monitorovacím zařízením (3, 4, 5 ... n) technologického subsystému; a alespoň jedním senzorem (6), přičemž první zařízení (1) pro zpracování dat je obousměrně propojeno jednak s druhým zařízením (2) na zpracování dat, a jednak s výpočetní jednotkou (12) dispečinku tunelu a/nebo s výpočetní jednotkou dopravní centrály, a dále je první zařízení (1) pro zpracování dat propojeno s výpočetní jednotkou (8) operativního servisu a/nebo s výpočetní jednotkou (9) prediktivního servisu a/nebo s výpočetními jednotkami (10) externích systémů; a druhé zařízení (2) pro zpracování dat obsahuje modul (7) expertních informací, který je obousměrně propojen s prvním zařízením (1) pro zpracování dat, přičemž dále druhé zařízení (2) pro zpracování dat je obousměrně propojeno s výpočetní jednotkou (12) dispečinku tunelu a/nebo s výpočetní jednotkou dopravní centrály;

   monitorovací zařízení (3, 4, 5 ... n) jsou propojena s prvním zařízením (1) pro zpracování dat a s druhým zařízením (2) pro zpracování dat; a senzor (6) je propojen s prvním zařízením (1) pro zpracování dat a obousměrně propojen s výpočetní jednotkou (12) dispečinku tunelu.
2. 2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že je obousměrně propojen s výpočetní jednotkou (11) integrovaného záchranného systému a/nebo s výpočetní jednotkou servisní organizace pro údržbu a/nebo je propojen s výpočetní jednotkou výrobce zařízení nebo technologického subsystému.