國(guó)能大渡河新能源投資有限公司 舒曉東 姚福明 鄒 浩 侯 璐

水電站是我國(guó)水利工程建設(shè)中的重要設(shè)施，可在水利工程建設(shè)運(yùn)行中將水位動(dòng)能轉(zhuǎn)化為用戶(hù)需求的電能。當(dāng)水流從較高位置向下流或在其他水庫(kù)內(nèi)進(jìn)行引水操作時(shí)，水體向下的壓力與沖擊力將帶動(dòng)水輪機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)行為，此時(shí)水體的重力將帶動(dòng)前端機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械作用力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在此種條件下即可產(chǎn)生電能。為滿(mǎn)足水電站穩(wěn)定與可持續(xù)運(yùn)行需求，大部分水電站具有運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、水文地質(zhì)條件多樣化等特點(diǎn)[1]。

在開(kāi)展此方面設(shè)計(jì)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分水電站會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)高尾水渠現(xiàn)象，此種現(xiàn)象會(huì)影響或干預(yù)水電站運(yùn)行的安全性，盡管供電單位已針對(duì)此方面問(wèn)題，采取調(diào)用技術(shù)人員與巡查人員及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查工作，但由于傳統(tǒng)的巡查方案大多以人工的方式開(kāi)展，此種巡查方式在實(shí)際應(yīng)用中存在效率低、工作量大、巡查數(shù)據(jù)偏差等方面的問(wèn)題[2]。隨著智能化技術(shù)的應(yīng)用，越來(lái)越多的水電站開(kāi)始嘗試將現(xiàn)代化技術(shù)與智能化技術(shù)應(yīng)用到此項(xiàng)工作中，輔助終端計(jì)算機(jī)與PC 設(shè)備，對(duì)水電站在運(yùn)行中的高位水渠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但現(xiàn)行的現(xiàn)代化技術(shù)輔助巡查工作在實(shí)施中由于缺少先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，導(dǎo)致巡查工作一直無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)的效果，甚至終端無(wú)法實(shí)現(xiàn)在巡查過(guò)程中對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與集中分析[3]。

為了提高水電站高位水渠巡檢反饋結(jié)果的時(shí)效性，提升巡檢作業(yè)綜合水平，開(kāi)展基于WEB 的水電站高位水渠智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。為保證巡檢結(jié)果在屏幕中顯示具有較高的清晰度，選擇由多個(gè)LED 點(diǎn)陣模塊集成的屏幕作為顯示屏。完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，在系統(tǒng)的WEB 端中生成一個(gè)DataSet文件夾，將水電站運(yùn)行數(shù)據(jù)以XML 文檔作為載體，設(shè)計(jì)水電站高位水渠巡檢數(shù)據(jù)暫存方式、基于WEB進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)交互與同步處理、優(yōu)化巡檢沖突結(jié)果，確保巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)不存在沖突后，將對(duì)應(yīng)的巡檢結(jié)果與水渠預(yù)警界限值進(jìn)行比對(duì)，超出預(yù)警界限后在顯示端進(jìn)行巡檢結(jié)果的預(yù)警。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的巡檢系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)所需的時(shí)間更少，可確保反饋的巡檢結(jié)果具有較高的時(shí)效性。

1 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)旨在代替人員完成巡檢工作中對(duì)設(shè)備的望、聞、問(wèn)、切等工作，通過(guò)采集圖像、聲音、溫濕度和完善的電站數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，使之具備“智能”能力，代替人員的巡檢工作。系統(tǒng)具備以下特征：

具備更明亮的“眼睛”：應(yīng)用巡檢機(jī)器人和電站工業(yè)電視高清攝像機(jī)，根據(jù)需要增加攝像機(jī)和紅外熱成像儀，完善視覺(jué)功能；具備更敏銳的“耳朵”：在風(fēng)洞、水車(chē)室、水輪機(jī)人孔門(mén)等部位增加聲音采集傳感器，記錄感知特殊工況下設(shè)備產(chǎn)生的異常聲音；具備更靈敏的“鼻子”：合理選用傳感器讓系統(tǒng)能感知現(xiàn)場(chǎng)的特殊氣體成分；具備更敏感的“觸覺(jué)”：利用高精度的紅外測(cè)溫手段，讓智能巡檢系統(tǒng)具有更敏感的溫度感知能力；具備更聰明的“大腦”：通過(guò)開(kāi)發(fā)視覺(jué)識(shí)別算法模型、設(shè)備故障分析診斷模型、智能聯(lián)動(dòng)告警模型等，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)、圖像等信息的分析和識(shí)別，智能判別設(shè)備缺陷并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息通知生產(chǎn)人員處理。

2 硬件設(shè)計(jì)

水電站智能巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)備分為前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和后端管理平臺(tái)系統(tǒng)3部分，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括智能巡檢機(jī)器人、高清可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱成像測(cè)溫?cái)z像機(jī)、聲音監(jiān)測(cè)裝置等傳感設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包括交換機(jī)、無(wú)線(xiàn)WIFI設(shè)備、網(wǎng)線(xiàn)和光纜等，后端管理平臺(tái)系統(tǒng)主要為服務(wù)器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備。與其他巡檢類(lèi)系統(tǒng)存在差異的是，本文設(shè)計(jì)的水電站巡檢系統(tǒng)在運(yùn)行中需要滿(mǎn)足工作周期不固定、反饋信息具有時(shí)效性等特點(diǎn)。因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件功能前，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)硬件設(shè)備布設(shè)的規(guī)劃（圖1）。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

完成對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的描述后，以系統(tǒng)終端顯示屏為例，對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次研究的顯示屏通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與系統(tǒng)保持通信連接，為保證巡檢結(jié)果在屏幕中顯示具有較高的清晰度，選擇由多個(gè)LED 點(diǎn)陣模塊集成的屏幕作為顯示屏，屏幕顯示電路采用1:16的掃描方式呈現(xiàn)，其中一行選通的信號(hào)作為通信信號(hào)。當(dāng)終端顯示屏在接收到前端巡檢信號(hào)后，只需要在行、列的顯示下，進(jìn)行逐行與逐列的點(diǎn)陣點(diǎn)亮，即可為終端巡檢人員提供一種相對(duì)連續(xù)的視覺(jué)顯示效果[4]。

為確保顯示的信息具有時(shí)效性，選擇HEF5064型號(hào)寄存器作為信號(hào)存儲(chǔ)器，引腳端負(fù)責(zé)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的輸入，CP 端負(fù)責(zé)進(jìn)行信號(hào)的聯(lián)級(jí)輸出。對(duì)應(yīng)的顯示屏為16.0行×64.0列點(diǎn)陣，發(fā)出的信號(hào)由直流端驅(qū)動(dòng)傳輸，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)前端巡檢信息的可視化及時(shí)展示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 水電站高位水渠巡檢數(shù)據(jù)暫存

完成對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)后，下述將進(jìn)行水電站高位水渠巡檢數(shù)據(jù)的暫存?？紤]到本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需滿(mǎn)足離線(xiàn)運(yùn)行需求，因此要將常用的參照數(shù)據(jù)與水渠預(yù)警界限值等常規(guī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在客戶(hù)端。對(duì)于處理后的數(shù)據(jù)信息，程序應(yīng)在離線(xiàn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的保存，等待系統(tǒng)下次連線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在此過(guò)程中，可在系統(tǒng)的WEB 端中生成一個(gè)DataSet 文件夾，將水電站運(yùn)行數(shù)據(jù)以XML 文檔作為載體，利用XML 書(shū)寫(xiě)方式，將巡檢得到的數(shù)據(jù)以XML 文件的格式錄入本地文件夾中。再使用WEB 端中的只讀文件夾將文本信息進(jìn)行封裝，將封裝后的文件信息與顯示端建立直接聯(lián)系，待系統(tǒng)下次運(yùn)行或啟動(dòng)時(shí)聯(lián)系端直接連線(xiàn)通信，此時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)或文件夾中裝載的數(shù)據(jù)信息將建立與后端的直接連接，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的需求數(shù)據(jù)的暫存處理。

3.2 基于WEB 的數(shù)據(jù)交互與同步處理

考慮到WEB 端與服務(wù)器的頻繁交互可能會(huì)影響到系統(tǒng)軟件的功能，為確保巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)與服務(wù)器端之間保持良好的通信關(guān)系，需在WEB 端建立數(shù)據(jù)交互與同步處理渠道，保證巡檢信息之間的良好交互。在此過(guò)程中，巡檢的重點(diǎn)應(yīng)放在服務(wù)器請(qǐng)求方，當(dāng)巡檢端直接面向用戶(hù)服務(wù)時(shí)，可采用將本地緩存的方式進(jìn)行WEB 端交互，不必要等待巡檢信息的返回便可執(zhí)行巡檢中的其他操作。

在圖2提出的內(nèi)容中，巡檢端存在一個(gè)客戶(hù)代理，可根據(jù)巡檢系統(tǒng)的請(qǐng)求服務(wù)需求創(chuàng)建一個(gè)請(qǐng)求服務(wù)對(duì)象，此時(shí)代理端對(duì)象負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)主動(dòng)交互指令。當(dāng)確保對(duì)端在運(yùn)行過(guò)程中保持良好通信狀態(tài)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站高位水渠巡檢的實(shí)時(shí)化。

圖2 巡檢端與WEB 端的直接面向架構(gòu)

3.3 巡檢沖突結(jié)果優(yōu)化

完成對(duì)系統(tǒng)巡檢端操作功能的布設(shè)后，執(zhí)行系統(tǒng)高位水渠智能巡檢作業(yè)，并獲取顯示端的巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)。考慮到在此種條件下獲取的巡檢結(jié)果在WEB 端傳輸存在沖突，需賦予客戶(hù)端數(shù)據(jù)更改能力，對(duì)存在沖突問(wèn)題的巡檢結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化巡檢沖突結(jié)果的行為可被劃分為四個(gè)步驟：

獲取顯示端巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)，完成獲取后的數(shù)據(jù)需通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間與數(shù)據(jù)同步；巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)的提交，將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息提交給服務(wù)器，啟動(dòng)服務(wù)器主動(dòng)接收程序或指令，進(jìn)行信息的共享；巡檢數(shù)據(jù)結(jié)果的同步，服務(wù)器可根據(jù)前端提供的最后巡檢結(jié)果進(jìn)行時(shí)間的合并化處理，以此種方式確保更新后的數(shù)據(jù)可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用信息的需求；沖突數(shù)據(jù)結(jié)果的分裝，其流程為：建立分裝表A 與分裝表B，更新A 與B 中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的展示性能將結(jié)果劃分到不同表結(jié)構(gòu)中。

確保巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)不存在沖突后，將對(duì)應(yīng)的巡檢結(jié)果與水渠預(yù)警界限值進(jìn)行比對(duì)，超出預(yù)警界限后在顯示端進(jìn)行巡檢結(jié)果的預(yù)警。通過(guò)此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站高位水渠的智能預(yù)警，完成系統(tǒng)軟件功能的開(kāi)發(fā)。

3.4 數(shù)據(jù)分析與管理

綜合智能分析。系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行圖像識(shí)別結(jié)果、溫度、聲音等數(shù)據(jù)綜合分析，判斷出設(shè)備異常狀態(tài)，并提醒生產(chǎn)人員，提高故障的分析和處理效率；歷史數(shù)據(jù)分析。根據(jù)巡檢機(jī)器人、智能監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)可按照設(shè)備樹(shù)進(jìn)行設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、缺陷分析，同時(shí)也具備同類(lèi)設(shè)備的橫向?qū)Ρ裙δ?；?bào)告自動(dòng)生成功能。智能巡檢系統(tǒng)每執(zhí)行一次巡檢任務(wù)自動(dòng)生成巡檢報(bào)告。報(bào)告格式按用戶(hù)需求設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括：本次巡檢任務(wù)的巡檢地點(diǎn)、巡檢時(shí)間、本次任務(wù)完成的巡檢點(diǎn)、每個(gè)巡檢點(diǎn)中的設(shè)備讀數(shù)值、判斷讀數(shù)是否在閾值范圍內(nèi)。巡檢報(bào)告中附有系統(tǒng)巡檢時(shí)拍攝并經(jīng)過(guò)視覺(jué)識(shí)別處理的圖片。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)選擇的水電站為某地區(qū)大型建設(shè)工程，水電站中的裝機(jī)總?cè)萘繛?500.0MW，最高堤壩的高度為245.6m，水庫(kù)在運(yùn)行中的總?cè)萘繛?20.0億m3，截至2014年水電站首次蓄至正常蓄水位。此水電站在此后一段時(shí)間中，多次發(fā)生由于高位水渠超出預(yù)設(shè)造成的安全事故。為及時(shí)解決此方面問(wèn)題，解決高位水渠對(duì)水電站穩(wěn)定運(yùn)行的負(fù)面影響，管理方引進(jìn)了基于BIM+3DGIS 的巡檢系統(tǒng)，進(jìn)行水電站水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在明顯的反饋信息時(shí)效性低的問(wèn)題，在本次實(shí)驗(yàn)中，將上文提出的系統(tǒng)作為傳統(tǒng)系統(tǒng)，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在巡檢作業(yè)中反饋信息時(shí)效作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行此次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)中需先選定巡檢系統(tǒng)的有效作業(yè)范圍，明確系統(tǒng)分部工程的巡檢區(qū)間，在巡檢作業(yè)端輸入預(yù)設(shè)的高位水渠信息。將兩個(gè)系統(tǒng)分別與監(jiān)控端建立直接通信連接，確保系統(tǒng)在PC 終端上穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄系統(tǒng)在巡檢過(guò)程中發(fā)生巡檢行為的時(shí)間點(diǎn)、記錄高位水渠位置的時(shí)間點(diǎn)、顯示端接收巡檢結(jié)果信息的時(shí)間點(diǎn)，使用接收的時(shí)間減去發(fā)生巡檢行為的時(shí)間，即可得到系統(tǒng)完成一次完整巡檢行為所需要的時(shí)間。調(diào)用時(shí)間點(diǎn)信息時(shí)，可直接通過(guò)檢索終端計(jì)算機(jī)暫存空間內(nèi)的系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)，將調(diào)用的時(shí)間點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)成表格。

綜合表1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文系統(tǒng)執(zhí)行一次完整巡檢行為所需時(shí)間為68.0s，傳統(tǒng)系統(tǒng)執(zhí)行一次完整巡檢行為所需時(shí)間為425.0s。由此可見(jiàn)，相比傳統(tǒng)的巡檢系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的巡檢系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)所需的時(shí)間更少，可確保反饋的巡檢結(jié)果具有較高的時(shí)效性。

表1 系統(tǒng)執(zhí)行一次完整巡檢行為所需時(shí)間對(duì)比

綜上，為提高水電站高位水渠巡檢作業(yè)綜合水平，本文在研究中引進(jìn)了WEB 技術(shù)，基于傳統(tǒng)巡查模式設(shè)計(jì)一種針對(duì)水電站高位水渠的全新智能巡查系統(tǒng)。并在完成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)執(zhí)行一次完整巡檢行為所需時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。綜合對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的巡檢系統(tǒng)在進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)所需的時(shí)間更少，可確保反饋的巡檢結(jié)果具有較高的時(shí)效性。以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)巡查模式的優(yōu)化與功能改進(jìn)。