房靈常，唐 煒，陳金水

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；2.河海大學(xué)計算機與信息學(xué)院，南京 210098)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們對泵站使用管理的需求不斷提高，泵站智能化的發(fā)展也存在一個不斷探索、豐富、創(chuàng)新和完善的過程。近年來，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)日臻成熟，新原理、新材料的智能傳感技術(shù)不斷進步，按照《全國現(xiàn)代灌溉發(fā)展規(guī)劃》[2]等國家發(fā)展要求，根據(jù)水利部《智慧水利總體方案》[3]的指導(dǎo)思想，我們開展了對智能泵站技術(shù)、技術(shù)體系和過程應(yīng)用的研究和實踐，持續(xù)提升泵站運行管理的集約化和智能化水平已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急。

1 智能傳感技術(shù)的應(yīng)用極大地提高泵站信息的處理能力

泵站實現(xiàn)智能化，不但要自動采集電壓、電流、功率、頻率等電氣量信號，還要采集大量的非電氣量信號，如溫度、液位、壓力、位移、速度、流量、位置等[4]。目前，泵站的自動化水平還比較低，大多數(shù)還處在半自動化水平，采用的傳感器多是模擬量信號輸出，每種傳感器完成一個物理量的測量，接線基本上采用二線制、三線制、四線制等方式，耗用大量的電纜。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，泵站二次儀表的故障多由傳感器引起，幾乎占到其故障的一半以上，且排除困難。智能泵站技術(shù)的重要特征之一在于各參量信息的數(shù)字化傳遞，現(xiàn)有的模擬量傳感器已無法滿足智能泵站的要求。

1.1 智能傳感器實現(xiàn)了感知與處理一體化

智能傳感器[5]將傳統(tǒng)傳感器的感知體、信號傳送電路和微處理器等集成一體，增強了抗干擾能力，二次儀表的功能更加強大。不僅具有數(shù)據(jù)處理、閾值判斷、邏輯組態(tài)、自身數(shù)據(jù)通信交互和多種形式數(shù)據(jù)輸出(如串行輸出、模擬量輸出、網(wǎng)絡(luò)通信等)的功能，而且還具有自描述功能。自描述功能不僅可以提供傳感信息、自身屬性、狀態(tài)信息等，還可以通過與系統(tǒng)交互，自我實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的選擇等，真正地實現(xiàn)了即插即用。

1.2 智能傳感器具有自我診斷能力

為了保證在正常使用時具有足夠的準(zhǔn)確度，根據(jù)規(guī)范和使用要求，普通傳感器在使用一段時間后需要進行檢驗和標(biāo)定，檢驗和標(biāo)定一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸后送到有資質(zhì)的實驗室或檢驗部門進行。在使用中，傳統(tǒng)傳感器出現(xiàn)問題時維護人員一般不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，故障排除也需要經(jīng)過一個復(fù)雜的分析處理過程，解決問題有時非常困難。智能傳感器在工作時能夠根據(jù)設(shè)定進行定時自檢，實時的向中心控制室發(fā)送自身的狀態(tài)信息，利用保存在 EPROM 內(nèi)的計量特性數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的比對，確定有無故障[6]，根據(jù)內(nèi)置的解決方案實現(xiàn)在線自動校正。

1.3 智能傳感器是復(fù)合型傳感器

隨著毫米或微米級的微機電系統(tǒng)[7](Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的迅速發(fā)展，微傳感器陣列和微執(zhí)行器陣列技術(shù)的出現(xiàn)，將多種功能的器件集成在一起成為可能，智能傳感器也進一步得到小型化甚至微型化，集成度大幅度提高。這種智能傳感器集成了多種敏感元件，具有多敏感的功能，能夠同時測量多種參量，有效減少智能泵站的傳感器數(shù)量，增強了可靠度和運維管理效率。

1.4 智能傳感器有較高的測量精度

智能傳感器內(nèi)置微處理器，以軟件做支撐，具有運算和控制功能，軟件固化在處理器中，其數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行糾錯，修正各種確定性的系統(tǒng)誤差(如輸入輸出的非線性誤差、漂移誤差、回程誤差等)，補償隨機誤差，降低噪音，提高傳感器精度。

智能傳感器對復(fù)雜信息的處理采用分散型處理方式，這樣既可保證處理的質(zhì)量，提高抗干擾能力，同時又降低了整個設(shè)備的成本。它使用多功能和多變量檢測，主動控制信號轉(zhuǎn)換，主動進行信息處理，避免了各環(huán)節(jié)間的轉(zhuǎn)換誤差，提高了整體精度。智能傳感器使傳感器由孤立的元件向高度集成化、裝置化[8]、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，也更加適合在智能泵站的應(yīng)用。

2 物聯(lián)網(wǎng)促進泵站設(shè)施設(shè)備的全面互通和聯(lián)動

物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳輸、智能處理三大特征，能完成人類社會信息與物理世界信息無處不在的連接和在線服務(wù)，實現(xiàn)了任何時間、任何地點與任何物體的連接[9]。泵站組成部分眾多，有基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備方面的，如機組、電氣設(shè)備、水工建筑物和對其進行控制、測量、監(jiān)視、保護的儀表和設(shè)備等；還有管理方面的，如人員定位、工作流程，決策指揮等。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)準(zhǔn)確、全面、實時地感知設(shè)備的運行狀態(tài)及人員的有關(guān)信息，就能實現(xiàn)對泵站所屬的物和物、人和物的信息互聯(lián)互通，實現(xiàn)泵站的精細化運行和集約化、智能化管理。

2.1 智能巡檢系統(tǒng)

智能巡檢系統(tǒng)綜合利用二維碼掃描、RFID、移動通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和便攜式移動巡檢終端，用于對建筑物、設(shè)備的日常巡檢管理，實現(xiàn)巡檢流程的規(guī)范化、自動化，巡測數(shù)據(jù)自動接收、分析、處理、存儲，自動形成智能化的運維決策。

2.2 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)利用了物聯(lián)網(wǎng)的定位追溯技術(shù)，對進入泵站區(qū)域的人員進行定位和跟蹤。利用RFID、WiFi、ZigBee等局域網(wǎng)絡(luò)無線通信、LoRa低功耗廣域網(wǎng)通信、4G/5G廣域移動通信等技術(shù)及相關(guān)定位算法，對站內(nèi)人員的行動軌跡及位置、進出泵站的時間及停留時間進行實時記錄和信息存儲，對危險區(qū)域或禁入?yún)^(qū)域進行動態(tài)監(jiān)控和自動報警，實現(xiàn)對站內(nèi)人員的動態(tài)管理，確?，F(xiàn)場工作人員按自身的權(quán)限在規(guī)定的時間到指定的工作區(qū)域工作。與安防系統(tǒng)聯(lián)動，可極大地提高泵站安全運行水平。

2.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般由大量的微型智能傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成多跳的網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測、感知節(jié)點的物理信號或環(huán)境參量，如振動、水壓力、機組出力、流速和溫度等，實現(xiàn)在線監(jiān)測、目標(biāo)跟蹤和報警監(jiān)控等。每個節(jié)點帶有無線電收發(fā)器或其他無線通信設(shè)備，把傳感數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫和用戶。在保證信息安全的前提下，智能泵站宜利用ZigBee、LoRa、5G等通信網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建運行控制區(qū)的低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對泵機組設(shè)備、廠房建筑狀態(tài)信息的全面感知。

對于小型單座泵站，因其要監(jiān)測的信息布點范圍小，一般都在匯聚節(jié)點附近，均可以“一跳”方式與匯聚節(jié)點交換信息。因此，小型單座泵站可以采用星型結(jié)構(gòu)[10]，如圖1所示。

圖1 星型結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)

圖2 鏈型結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)

對于大型的單座泵站，因其要監(jiān)測的信息布點范圍較廣，不能以“一跳”的方式與匯聚節(jié)點交換信息，必須“多跳”才能上傳數(shù)據(jù)，形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。因此，大型的單座泵站宜采用鏈型結(jié)構(gòu)。

對于泵站群，特別是大型的梯級泵站群，其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能是星型和鏈型的混合結(jié)構(gòu)，即星鏈型結(jié)構(gòu)。

圖3 星、鏈混合型結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)主要關(guān)注于硬件設(shè)備，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待完善，設(shè)備間的信息交互融合還未達到智能泵站的要求，其信息安全、運行可靠性等在智能泵站的應(yīng)用研究還有待深入。另外，智能泵站信息量和計算量均很大，而且實時性強，下一步還有賴于云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行分析處理，才能實現(xiàn)智能泵站運行的最優(yōu)化和決策智能化。

3 云計算技術(shù)充分運用公共資源實現(xiàn)泵站運行管理的泛在服務(wù)

按照美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)對云計算的定義[11]，云計算采用的是按量付費模式，這種模式可根據(jù)需要便捷的訪問所需的網(wǎng)絡(luò)與計算資源共享池(資源包括各網(wǎng)絡(luò)、各類服務(wù)器、應(yīng)用軟件、各種服務(wù)等)，這種共享池可按需配置，只需投入很少的管理工作或與服務(wù)供應(yīng)商進行很少的交互[12]，這些資源就能夠被快速的豐富。

為了充分發(fā)揮云計算的效能，智能泵站需要建設(shè)數(shù)據(jù)中心IDC。近年來，隨著泵站信息化的建設(shè)，越來越多的服務(wù)器及其他設(shè)備放置在泵站廠房內(nèi)，機房承載能力已近極限，管理人員和運維人員應(yīng)對高標(biāo)準(zhǔn)運維挑戰(zhàn)的壓力越來越大。

針對上述情況，云計算提供的虛擬化技術(shù)，搭建云計算平臺，采用新型托管運營模式，可以把泵站的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用集中或分布地部署在公有云或私有云(如水利云平臺)上，而不必在自己的數(shù)據(jù)中心配置高性能的存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)以及UPS、空調(diào)等設(shè)備，大大減少了數(shù)據(jù)中心建設(shè)、維護和管理的投資。對于已建泵站，原來的設(shè)備則可以進行資源置換、利舊整合、重派用場。

4 大數(shù)據(jù)及其挖掘技術(shù)為泵站智能化運行管理提供決策支持

大數(shù)據(jù)并非單指數(shù)據(jù)量大，其所蘊含的價值主要是對海量數(shù)據(jù)進行及時、有效挖掘與分析，滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用而創(chuàng)建數(shù)據(jù)挖掘算法的需求，如文本數(shù)據(jù)挖掘算法[13]。對于泵站，利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)模型建模方法、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及水文預(yù)測預(yù)報大數(shù)據(jù)分析手段對泵站的入出水量、電量等相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算和優(yōu)化分析，能夠為泵站的高效、穩(wěn)定、安全運行提供強有力的數(shù)據(jù)支撐，為泵站的日常維護提供數(shù)據(jù)保障。應(yīng)用在泵站中的大數(shù)據(jù)技術(shù)主要集中在規(guī)劃、管理、檢修、運維、服務(wù)等方面，可應(yīng)用于泵站全景展示、智能報警和綜合分析、安全防護、多系統(tǒng)聯(lián)動、多元信息融合的狀態(tài)評估、綜合故障診斷、調(diào)度優(yōu)化等方面。

4.1 大數(shù)據(jù)及其挖掘技術(shù)在智能泵站中應(yīng)用功能

大數(shù)據(jù)及其挖掘技術(shù)可提高對能耗、灌溉用水的預(yù)測精準(zhǔn)度，能夠快速識別運行過程中存在的安全隱患，指導(dǎo)檢修，可以提升泵站業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)分析能力和泵站的自動化程度。通過其大數(shù)據(jù)存儲、計算服務(wù)，可以形成泵站大數(shù)據(jù)平臺，建立全新的灌排業(yè)務(wù)的良性生態(tài)圈。

(1)支持多種參數(shù)接入。智能泵站中有很多種參數(shù)接入，利用大數(shù)據(jù)強大的存儲技術(shù)可很好的實現(xiàn)多參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲、管理和應(yīng)用，提升對泵站運行的感知度，在復(fù)雜水文氣象條件下，縮短泵站灌排調(diào)度的響應(yīng)時間，提高泵站運行的效率。

(2)監(jiān)測運行狀態(tài)與診斷故障。運用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲和處理分析，能夠?qū)崟r對泵站的運行情況進行監(jiān)測，出現(xiàn)故障及時診斷，可解決原泵站存在的響應(yīng)速度慢、文件處理復(fù)雜等劣勢問題，能夠更好地服務(wù)于預(yù)防型維護。

(3)地理信息系統(tǒng)與移動技術(shù)融合。有效地結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對天、空、地一體的空間大數(shù)據(jù)進行探索和研究；結(jié)合移動技術(shù)，對泵站巡檢時拍攝的照片和視頻進行處理、分析和研究。

(4)運行數(shù)據(jù)挖掘。根據(jù)泵站自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，未來泵站的日常維護人員可通過大數(shù)據(jù)的計算、分析和挖掘技術(shù)便捷地獲取泵站運行數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理分析，掌握泵站的日常運行規(guī)律，日積月累形成經(jīng)驗規(guī)律，結(jié)合實時監(jiān)控系統(tǒng)和運行調(diào)度系統(tǒng)，可對泵站的故障進行綜合診斷，生成指導(dǎo)性文件，實現(xiàn)故障實時預(yù)警并自動推送給重點用戶，減少或避免運行管理人員的重復(fù)勞動[14]。

(5)運行數(shù)據(jù)分析。運用大數(shù)據(jù)技術(shù)對零散的數(shù)據(jù)進行分析和整理，進而能夠形成合理的聯(lián)動方案，通過執(zhí)行聯(lián)動方案的一體化管控平臺和各個子系統(tǒng)之間進行聯(lián)動信息的交互，實現(xiàn)泵站監(jiān)控、操作、巡檢等子系統(tǒng)的統(tǒng)一行動，提升泵站運行管理人員的工作效率，使得泵站運行更加的安全和可靠。

(6)用戶行為分析。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對用戶行為的記憶與分析，提高智能化程度，能夠幫助用戶很快地對智能測點進行歸類，生成歸類報告，自動推薦給用戶，同時也可以根據(jù)用戶選擇相符的站點，以此來提高業(yè)務(wù)工作效率，改善人機交互的友好性。

4.2 大數(shù)據(jù)在智能泵站中的應(yīng)用模式

單個泵站的數(shù)據(jù)量和類型相對較少，僅當(dāng)長序列時，數(shù)據(jù)量才會劇增。但是，對于梯級泵站群其數(shù)據(jù)在量、類及挖掘、分析、管理方面就凸顯大數(shù)據(jù)的特性，需要采用大數(shù)據(jù)技術(shù)來處理。

(1)梯級泵站群大數(shù)據(jù)平臺。用于梯級泵站群優(yōu)化調(diào)度的數(shù)據(jù)具有規(guī)模性、復(fù)雜性、多樣性及長序列性[15]。涉及水文、氣象、工程安全、電量、運行參數(shù)、運行規(guī)則等各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式包括簡單數(shù)值、視頻、圖片等多種，這些龐大的數(shù)據(jù)集合構(gòu)成了泵站群大數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺對梯級泵站所在流域的降雨量、河道流量、供電狀況、氣候條件、設(shè)備運行情況等信息與往年進行對比分析，預(yù)測水量變化，生成梯級各泵站的調(diào)水目標(biāo)和計劃，降低能耗、節(jié)水提效，可以取得顯著效益。

(2)泵站業(yè)務(wù)托管服務(wù)。利用具有大規(guī)模分布式集群計算能力的云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建云模式的灌排大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，數(shù)據(jù)采集、存儲、處理一站式托管服務(wù)，既安全、可靠、使用方便，又能降低成本?？膳c其他傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)無縫連接，收集有用數(shù)據(jù)，為灌排行業(yè)提供相關(guān)的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析和挖掘服務(wù)。借助該服務(wù)平臺，泵站運維人員可快速完成業(yè)務(wù)部署以及托管計劃。

5 一體化技術(shù)加快智能泵站的實現(xiàn)

隨著土建、機電、信息工程技術(shù)的進步及工業(yè)化進程的加快，一體化的水利工程正迅速實用化，這極大地促進了泵站智能化，乃至水利智能化及現(xiàn)代化的發(fā)展[16]。

5.1 傳統(tǒng)泵站的缺陷

傳統(tǒng)泵站除了機電設(shè)備外，其他結(jié)構(gòu)的建造過程全部在現(xiàn)場制作和施工，建設(shè)周期取決于現(xiàn)場場地、氣候條件、施工人員配備等，經(jīng)常不能按照計劃施工，造成周期拖長，完工不及時。

傳統(tǒng)泵站施工過程中土建和機電分離，環(huán)節(jié)之間銜接困難，不能做到無縫銜接，整體性能差。由于都是固定裝置，不能移動和復(fù)用，因此，裝置化程度低。

5.2 一體化泵站的特點

如圖4所示，由于實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，中小型泵站均可以根據(jù)需要在工廠定制，形成系列，滿足不同場景的需要。

圖4 工業(yè)化制造的一體式泵站

由于泵站全部在工廠定制，現(xiàn)場開挖基礎(chǔ)，所有的裝置集成在“安裝體”中，只要運輸?shù)浆F(xiàn)場，裝配于基礎(chǔ)上，進、出水連接好即可投入運行并實現(xiàn)遠程管理。

6 結(jié) 語

智能泵站的建設(shè)目標(biāo)是緊跟新興技術(shù)，特別是信息技術(shù)的發(fā)展步伐，在降低能源消耗的前提下，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，不斷改進系統(tǒng)功能和性能，提高泵站主設(shè)備運行可靠性和水的利用率，提升運行保障、安全管理和應(yīng)急響應(yīng)能力，促進泵站向一體化、智能化高效運行和安全管理模式轉(zhuǎn)變。

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