袁志波，高 興，于洪亮

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

泵站智能化管理的概念在 20 世紀(jì) 60 年代末泵站自動化系統(tǒng)出現(xiàn)之后就被提出，發(fā)展模式隨著技術(shù)的發(fā)展也發(fā)生了很大的變化[1]。發(fā)達(dá)國家在泵站的運(yùn)行、管理方面自動化程度高，監(jiān)控系統(tǒng)完善。美國在 20 世紀(jì) 60 年代已經(jīng)在加州的調(diào)水工程中安裝了智能管理控制系統(tǒng)，智能管理控制系統(tǒng)包括計算機(jī)、通信和電子設(shè)備，可對該調(diào)水工程 17 座泵站（水電廠）、71 座節(jié)制閘的 198 個閘門及其他各種設(shè)備設(shè)施，實(shí)行計算機(jī)通信、監(jiān)控、調(diào)度和管理[2–5]。

我國泵站智能化技術(shù)的研究開展較晚，泵站的狀態(tài)分析、運(yùn)行控制等主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行管理，智能化管理理念還處于探討和摸索階段，王龍飛[6]、謝曉峰[7]、陳愛武[8]等對泵站的科學(xué)和安全管理進(jìn)行了探討與研究，認(rèn)為智能化技術(shù)研究是泵站管理精細(xì)化、調(diào)度精準(zhǔn)化的保證，具有十分重要的意義。

江都水利樞紐是江蘇省江水北調(diào)的龍頭，也是國家南水北調(diào)東線工程的源頭，4 座大型泵站是其核心工程部分。作為國家重要的水利工程，泵站工程的高效穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到我國社會的發(fā)展。目前江都水利樞紐泵站已實(shí)現(xiàn)工程運(yùn)行的自動化，但泵站總體智能化技術(shù)水平還不高，只是將泵站開停機(jī)操作從開關(guān)柜前手動操作移至計算機(jī)屏幕前鼠標(biāo)操作，而忽視了泵站的最大流量、定流量、經(jīng)濟(jì)、安全等運(yùn)行的核心需求。具體現(xiàn)狀如下：

1）數(shù)據(jù)處理簡單，運(yùn)行數(shù)據(jù)分析研判能力較差。目前，泵站已能夠?qū)χ鳈C(jī)組、電氣設(shè)備、輔機(jī)設(shè)備、清污機(jī)閘門、各類水工建筑物等智能感知體系數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)終端采集與存儲，但采集數(shù)據(jù)還停留在查詢、展示及簡單的匯總統(tǒng)計層面，缺乏對運(yùn)行數(shù)據(jù)的充分處理與分析，未能運(yùn)用相關(guān)后臺算法與計算模型實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效性研判，缺乏對數(shù)據(jù)的趨勢分析、預(yù)測評估及后期的預(yù)警警示能力。

2）缺乏對泵站不同模式運(yùn)行的深入研究，泵站智能化程度較低。江都水利樞紐泵站已建設(shè)了泵站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)控制開停機(jī)，增加了一定的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)展示、報警等功能，但較多考慮設(shè)備控制管理，較少考慮泵站的精準(zhǔn)執(zhí)行調(diào)度和一鍵啟停等現(xiàn)實(shí)需求，從而制約了工程運(yùn)行管理的水平和效益的充分發(fā)揮。

針對江都水利樞紐泵站群下游受江潮影響揚(yáng)程變幅較大，上游水位控制要求高的特點(diǎn)，深化智能控制技術(shù)與泵站運(yùn)行管理技術(shù)的融合，強(qiáng)化泵站數(shù)據(jù)研判和智能控制技術(shù)對泵站各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的服務(wù)與支撐，不斷提高泵站的智能化水平，最大程度地發(fā)揮泵站運(yùn)行管理中的效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 泵站智能化技術(shù)的研究思路

1.1 總體技術(shù)框架

為保證泵站智能化系統(tǒng)的擴(kuò)展，宜采用模塊化的體系進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。模塊化的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一了數(shù)據(jù)源，將分析的核心對象集中到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，簡化了整合共享的開發(fā)、維護(hù)和使用[9]。以此為出發(fā)點(diǎn)，江都水利樞紐泵站智能化技術(shù)框架如圖1 所示。

圖1 江都水利樞紐泵站智能化技術(shù)框架圖

1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

建成江都水利樞紐泵站智能化技術(shù)應(yīng)用體系，可切實(shí)提高泵站的智能化管理水平，促進(jìn)工程管理效率的提高?；诒谜緮?shù)據(jù)的智能化技術(shù)研究主要從以下 2 個方面進(jìn)行：

1）智能研判體系。智能研判體系建設(shè)以一體化管控平臺軟件的實(shí)時、歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程管理的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)泵站的智能告警、預(yù)測分析、運(yùn)調(diào)建議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層、業(yè)務(wù)層的精準(zhǔn)研判。

2）智能控制系統(tǒng)。按照江都水利工程管理處調(diào)度要求的目標(biāo)水位和流量，根據(jù)主機(jī)組特性曲線、水文環(huán)境、泵站工況、安全運(yùn)行等條件，進(jìn)行智能調(diào)度控制的整體策略設(shè)計。

2 泵站智能化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

通過人工智能、大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開展泵站智能化技術(shù)研究，強(qiáng)化智能化對泵站各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的服務(wù)與支撐，不斷提高泵站的智能化水平，才能最大程度地發(fā)揮水利信息化資源在泵站管理中的效率。

2.1 智能研判體系建設(shè)

建立江都水利樞紐泵站關(guān)鍵信息標(biāo)準(zhǔn)化模型，對智能感知體系采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)、業(yè)務(wù)的研判，針對泵站主機(jī)、輔機(jī)、閘門、清污機(jī)、水工建筑等全站設(shè)備形成設(shè)備運(yùn)行分析告警知識庫，依托智能化抽取與分析算法，過濾信息系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)并從中挖掘設(shè)備運(yùn)行的特征數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)泵站的智能研判[10]。

2.1.1 智能數(shù)據(jù)抽取

采用智能抽取算法，對信息系統(tǒng)提供的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和抽取。有效性判斷策略包括：1）偏差篩選。剔除相同類型數(shù)據(jù)中偏差較大的數(shù)據(jù)，如剔除振動數(shù)據(jù)中變化幅值與其他測點(diǎn)存在明顯差別的信息。2）穩(wěn)定性篩選。剔除不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，比如機(jī)組開機(jī)非穩(wěn)態(tài)情況下的振動擺動或溫度。3）數(shù)值統(tǒng)計。將相同類型的數(shù)據(jù)通過數(shù)值統(tǒng)計方法整理成單個值，如 1 組振動數(shù)據(jù)最終形成 1 個值。

2.1.2 智能分析

采用人工智能分析算法與挖掘手段，對智能抽取過濾后的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，獲得能夠表達(dá)設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的特征信息。智能分析算法包括趨勢、極值、啟停、綜合計算、相關(guān)性、線性擬合、專業(yè)、數(shù)學(xué)模型等分析。

在智能分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際情況、理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立整體研判體系，形成告警庫。告警方式主要有：1）短期研判告警。對當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的斜率與分析獲得的標(biāo)準(zhǔn)趨勢進(jìn)行比較，如果短期階躍較大則進(jìn)行告警。2）長期趨勢告警。分析得到的長期趨勢如果超過閥值則進(jìn)行告警。3）故障診斷。得到與故障或事故關(guān)聯(lián)的信息，在故障發(fā)生時或發(fā)生前可以利用發(fā)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)規(guī)則準(zhǔn)確及時地進(jìn)行故障診斷，指導(dǎo)運(yùn)維人員及時、高效地處理事故或故障。

2.1.3 智能報告

利用電量、溫度、振動、擺度、噪聲、位移等數(shù)據(jù)趨勢和分級告警研究成果，以電氣設(shè)備、主機(jī)組、輔機(jī)和水工建筑物為單元，結(jié)合多個關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間的綜合分析，建立設(shè)備狀態(tài)分級評價模型，實(shí)現(xiàn)泵站安全評價。同時，研判結(jié)果通過系統(tǒng)故障樹和發(fā)光字圖形化展示，自動匯總當(dāng)日、當(dāng)月、當(dāng)年系統(tǒng)內(nèi)的報警情況，運(yùn)行管理人員可根據(jù)設(shè)備的報警狀態(tài)實(shí)時調(diào)整維修保養(yǎng)計劃，實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備的智能精準(zhǔn)維護(hù)，提高運(yùn)行設(shè)備的可靠性。

2.2 智能控制系統(tǒng)開發(fā)

建立夾江段及芒稻河段一維非恒定流模型，結(jié)合三江營附近水位站監(jiān)測的長江實(shí)時潮位，推求江都抽水站進(jìn)水池水位變化趨勢；利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主機(jī)組特性曲線進(jìn)行標(biāo)定，建立準(zhǔn)確的水泵運(yùn)行模型；利用優(yōu)化調(diào)度算法，對影響泵站出水口水位變化的關(guān)鍵因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，建立出水口水位變化趨勢的計算模型；利用運(yùn)行和計算模型，結(jié)合歷史調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計泵站智能調(diào)度的整體策略，最終實(shí)現(xiàn)泵站的智能調(diào)度控制。

2.2.1 泵站優(yōu)化調(diào)度

實(shí)現(xiàn)泵站不同模式下的運(yùn)行是優(yōu)化調(diào)度模塊的總體目標(biāo)，即依據(jù)電價、調(diào)度等要求確定每天某一固定時段所需要的抽水量，在每一個固定時段再根據(jù)此時段所需要的抽水量、水泵自身的功率約束、水泵水量與功耗的對照表，選擇最經(jīng)濟(jì)的、安全可靠的，最大流量的泵站配置方案。泵站優(yōu)化調(diào)度主要實(shí)現(xiàn)能耗、費(fèi)用、效率、排澇 4 個方面的優(yōu)化，每個方面的優(yōu)化均通過以下 3 個步驟實(shí)現(xiàn)：

1）下游潮位預(yù)測。未來時段下游水位的預(yù)測采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）中的長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）完成，該網(wǎng)絡(luò)適合處理和預(yù)測時間序列中間隔和延遲非常長的場景。下游潮位預(yù)測，將結(jié)合上下游水位長序列實(shí)測值，以及最近 72 h 實(shí)測值，預(yù)測未來時段下游水位變化趨勢。

2）上游水位計算。上游水位的推求要根據(jù)河網(wǎng)初始條件、多變量尋優(yōu)時假定的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合時間步長依次求解，求解時采用簡化的水動力模型，結(jié)合邊界條件及開機(jī)狀況計算得到上游水位變化。上游水位計算結(jié)果既是河網(wǎng)水位約束的判定依據(jù)，也是假定的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際揚(yáng)程計算依據(jù)。

3）優(yōu)化求解。優(yōu)化求解是對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整次數(shù)，以及單個狀態(tài)的持續(xù)時長、葉角和開機(jī)臺數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，提供不同模式運(yùn)行的泵站最優(yōu)配置方案，達(dá)到泵站的等流量和等水位控制目標(biāo)?？紤]到機(jī)電設(shè)備的性能，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的次數(shù)為有限值。單個狀態(tài)的持續(xù)時長、葉角、開機(jī)臺數(shù)，屬于多變量非線性優(yōu)化問題，采用遺傳算法求解。同時，在算法的求解過程中也要考慮揚(yáng)程、峰谷電價、機(jī)組效率和設(shè)備安全等約束條件。通過優(yōu)化求解，可實(shí)時計算出泵站優(yōu)化運(yùn)行的葉角、臺數(shù)及時段。

2.2.2 泵站智能控制

梳理泵組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，研究電氣設(shè)備、主機(jī)組、油氣水等系統(tǒng)的最佳啟停策略，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備、主機(jī)組、輔機(jī)的自動閉環(huán)控制和智能保護(hù)。制定泵站的“一鍵啟?！遍_機(jī)、停機(jī)、事故停機(jī)等流程，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟?！敝噶钕掳l(fā)后，主機(jī)、輔機(jī)設(shè)備，工作、事故閘門按照設(shè)定的流程自動操作，減少或杜絕人工干預(yù)，從而提高開停機(jī)過程的智能化程度，減輕運(yùn)行維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度。事故停機(jī)流程也可由觸發(fā)條件自動觸發(fā)，自動斷開斷路器，關(guān)閉輔機(jī)、閘門等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個過程的無人干預(yù)。

1）“一鍵啟停”控制體系的建立。常規(guī)而言，在 PLC 子站中可以實(shí)現(xiàn)泵站的供水、勵磁、葉片調(diào)節(jié)裝置、真空等系統(tǒng)的控制，為設(shè)計功能組提供足夠的控制信號及信息。“一鍵啟動”基本完成機(jī)組啟動任務(wù)，表現(xiàn)在機(jī)組已投入運(yùn)行并穩(wěn)定在一定流量狀態(tài)；“一鍵停止”應(yīng)以水泵主機(jī)停運(yùn)、破壞真空為終點(diǎn)?！耙绘I啟?！笨刂企w系由以下 2 個模塊組成：a.“一鍵啟?！蹦K，各水泵機(jī)組在不同狀態(tài)實(shí)現(xiàn)全程無人干預(yù)的啟停自動控制，運(yùn)行人員只要操作1 個控制鍵就可完成全部系統(tǒng)和設(shè)備的控制過程；b.控制巡檢聯(lián)動模塊，對泵站“一鍵啟停”控制系統(tǒng)與巡檢系統(tǒng)進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，提高對泵站設(shè)備的監(jiān)控能力[11]。

2）優(yōu)化調(diào)度模型的集成。依據(jù)需要，優(yōu)化調(diào)度模型在泵站原監(jiān)控系統(tǒng)中可以將優(yōu)化調(diào)度模型直接嵌入泵站自動化系統(tǒng)中，根據(jù)泵站現(xiàn)有狀況及要求計算出不同運(yùn)行模式的參數(shù)，這種方式雖然比較直接，但是計算耗時，實(shí)時性較差，常用于不需頻繁更改泵站參數(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式中。各種狀況下不同要求的運(yùn)行參數(shù)都可以利用優(yōu)化調(diào)度模型計算出，匯總成經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫，在泵站自動化運(yùn)行系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)有狀況及要求從數(shù)據(jù)庫中提取經(jīng)濟(jì)運(yùn)行參數(shù)，即可實(shí)施針對性的運(yùn)行模式，這種方式雖然比較繁瑣，但是實(shí)時性較好，大多用于需要實(shí)時調(diào)整泵站參數(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式中。

2.2.3 泵站設(shè)備管理

江都水利樞紐泵站設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)是指將分布在不同位置的各種類型的設(shè)備統(tǒng)一管理起來，這樣可以對設(shè)備進(jìn)行以下管理和評估：

1）設(shè)備運(yùn)行管理。對機(jī)組累計總運(yùn)行時長、單月運(yùn)行時長、維修時間、運(yùn)行狀態(tài)評估等進(jìn)行對比，運(yùn)行人員可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)合理選擇機(jī)組設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行。

2）設(shè)備拆換管理。根據(jù)機(jī)組的檢修周期要求進(jìn)行拆換維修，記錄拆換的設(shè)備號、所處現(xiàn)場位置、設(shè)備功能、技術(shù)改造部位等。

3）設(shè)備狀態(tài)實(shí)時評估。機(jī)組設(shè)備狀態(tài)實(shí)時評估是對整個機(jī)組全生命周期的歷史狀態(tài)結(jié)合當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行的評價，根據(jù)評價結(jié)果顯示當(dāng)前各機(jī)組狀態(tài)。根據(jù)機(jī)組安裝驗(yàn)收數(shù)據(jù)、振動、擺度、溫度、維護(hù)拆換數(shù)據(jù)等參數(shù)建立設(shè)備狀態(tài)評價模型，對采集的實(shí)時數(shù)據(jù)提取狀態(tài)特征參數(shù)，計算當(dāng)前的狀態(tài)特征值，調(diào)用相應(yīng)的狀態(tài)評價模型，得出機(jī)組的狀態(tài)評估結(jié)果。

3 泵站智能化技術(shù)研究的成果分析

江都水利樞紐通過智能研判體系建設(shè)和控制系統(tǒng)開發(fā)的研究，可實(shí)現(xiàn)的具體成果如下：

1）實(shí)現(xiàn)了泵站多角度、多維度的數(shù)據(jù)分析。通過對采集數(shù)據(jù)的智能抽取與提取，對過濾后的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，獲得能夠表達(dá)設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的特征信息，并通過多角度的研判分析挖掘采集數(shù)據(jù)之間的趨勢、關(guān)聯(lián)關(guān)系等，為通用業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供輔助決策。

2）提出了一種基于預(yù)測技術(shù)的告警策略。運(yùn)行過程可對閾值參數(shù)智能優(yōu)化，利用預(yù)測模型對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合評判并提前預(yù)警，解決了傳統(tǒng)泵站控制方式的人工經(jīng)驗(yàn)依賴性問題，并根據(jù)現(xiàn)場在線實(shí)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況，迅速將相關(guān)故障反饋給運(yùn)行人員，提高了運(yùn)行管理水平。

3）提出了泵站優(yōu)化調(diào)度方法?？筛鶕?jù)某時段實(shí)際工況，求解優(yōu)化調(diào)度方案，計算出最優(yōu)的運(yùn)行方案，從而提升泵站優(yōu)化運(yùn)行模式的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為今后設(shè)備改造投資的盈虧分析提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本研究針對江都水利樞紐泵站的控制應(yīng)用需求，從智能研判和控制 2 個方面，重點(diǎn)解決了泵站由自動化向智能化跨越這一水利信息化發(fā)展必須面對的問題和挑戰(zhàn)，構(gòu)建了泵站智能化技術(shù)應(yīng)用體系，提高了工程調(diào)度決策、指令執(zhí)行的精準(zhǔn)性，加強(qiáng)了泵站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)管，促進(jìn)了泵站工程安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。盡管本研究提出了部分關(guān)鍵的泵站智能化技術(shù)，但研究還不夠全面，如移動機(jī)器人巡檢、與視頻系統(tǒng)聯(lián)動等還未進(jìn)行深入的研究。下一步，江都水利樞紐將繼續(xù)進(jìn)行更多方面的探索，努力通過智能化技術(shù)研究不斷提高工程管理水平。