樊錦川，黃 蔚，馮宛露，干佳馨，邵知宇，唐鴻儒

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

1 概 述

水利部《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》要求按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵?，全面推進(jìn)算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有“四預(yù)”功能的智慧水利體系。明確要求到2025 年，通過建設(shè)數(shù)字孿生流域、“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、水利網(wǎng)絡(luò)安全體系、智慧水利保障體系，推進(jìn)水利工程智能化改造，建成七大江河數(shù)字孿生流域［1］。

根據(jù)數(shù)字孿生內(nèi)涵要求［2］，數(shù)字孿生泵站是以泵站主機(jī)組、輔機(jī)設(shè)備、變配電設(shè)備和水工建筑物為單元，以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、泵站信息管理系統(tǒng)等多種實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)為底座，以機(jī)電設(shè)備狀態(tài)評價(jià)模型、水工建筑物安全評估模型、優(yōu)化調(diào)度和運(yùn)行模型等為核心，以狀態(tài)分析和評價(jià)、優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度知識為驅(qū)動，對泵站運(yùn)行和維護(hù)管理活動全要素和管理活動全過程進(jìn)行數(shù)字化映射、智能化模擬，實(shí)現(xiàn)與物理泵站同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互和迭代優(yōu)化。

為此，高港泵站開展了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的泵站運(yùn)維一體化平臺研究和開發(fā)工作，其目的是利用系統(tǒng)提供的異構(gòu)系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)建模和管理工具集成數(shù)據(jù)，建設(shè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，可作為數(shù)字孿生泵站的數(shù)據(jù)底板。為方便使用，統(tǒng)一門戶，整合系統(tǒng)功能，并利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)開發(fā)工具，開發(fā)新的泵站運(yùn)維系統(tǒng)功能等。這些工作可為進(jìn)一步開展智能泵站研究和建設(shè)提供開放的數(shù)據(jù)平臺和各種優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行模型、設(shè)備狀態(tài)評價(jià)模型以及管理業(yè)務(wù)流程等提供模型引擎和流程驅(qū)動平臺，符合智能泵站建設(shè)趨勢要求。

2 泵站運(yùn)維平臺架構(gòu)

按照智慧水利建設(shè)提出的“透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)”要求、智能泵站的建設(shè)內(nèi)容，以及《水利信息化資源整合共享頂層設(shè)計(jì)》等提出的“一張圖、一個平臺、一個數(shù)據(jù)庫、一個門戶、統(tǒng)一身份認(rèn)證”的目標(biāo)［3-4］，研究提出了如圖1 所示的基于云技術(shù)的泵站運(yùn)維平臺架構(gòu)，包括物理泵站、IaaS平臺層、PaaS平臺層和SaaS平臺層。

圖1 泵站一體化運(yùn)維平臺架構(gòu)

物理泵站是水泵主機(jī)組、輔機(jī)設(shè)備、水閘、變配電設(shè)備等物理實(shí)體和各種運(yùn)行維護(hù)管理活動。

IaaS 平臺層是泵站信息基礎(chǔ)設(shè)施，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行控制系統(tǒng)，以及泵站測控專網(wǎng)、管理網(wǎng)絡(luò)、專用系統(tǒng)服務(wù)器等信息基礎(chǔ)設(shè)施。

PaaS平臺層是泵站運(yùn)維平臺的核心，采用了浙江藍(lán)卓的supOS 工業(yè)操作系統(tǒng)。supOS 是基于云計(jì)算、面向工業(yè)應(yīng)用的軟件平臺，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等存儲與應(yīng)用能力，提供IIOT物聯(lián)網(wǎng)接入能力，提供開發(fā)數(shù)字化工廠的工具包，是一款開放的工業(yè)操作系統(tǒng)，可管理工廠所有的設(shè)備，把工廠內(nèi)部所有東西連接在一起。

在泵站運(yùn)維平臺架構(gòu)中，PaaS平臺包括泵站數(shù)據(jù)平臺、模型平臺、知識平臺和應(yīng)用開發(fā)工具4 個部分。

泵站數(shù)據(jù)平臺是利用supOS提供異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成工具采集來自多個測量和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類建模、數(shù)據(jù)融合分類存儲，并以統(tǒng)一的方式向各種運(yùn)行維護(hù)管理提供數(shù)據(jù)。泵站數(shù)據(jù)平臺也可以作為建設(shè)數(shù)字孿生泵站的數(shù)據(jù)底板。

模型平臺是泵站智能控制、優(yōu)化調(diào)度、機(jī)組狀態(tài)評估、泵站安全評估、事務(wù)處理流程等模型庫，由數(shù)字模擬仿真引擎驅(qū)動。泵站知識平臺提供泵站運(yùn)行維護(hù)管理時(shí)需要用到各個泵站、機(jī)組、水工建筑物等專業(yè)領(lǐng)域的知識和診斷、評估方面的知識。模型平臺和知識平臺也是建設(shè)數(shù)字孿生泵站的基礎(chǔ)。

應(yīng)用開發(fā)工具是supOS提供的圖形化、組件化、模塊化向?qū)綉?yīng)用開發(fā)工具，利用它可以快速進(jìn)行應(yīng)用APP開發(fā)、工作流定義和移動應(yīng)用開發(fā)。

PaaS 平臺層是各種泵站運(yùn)行維護(hù)管理的智能應(yīng)用APP，可包括泵站綜合運(yùn)行監(jiān)視、優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行、設(shè)備管理、工程安全管理、泵站信息管理、掌上泵站等應(yīng)用APP。

3 基于supOS 的泵站智能運(yùn)維平臺建設(shè)

3.1 supOS簡介

supOS我國首個具備自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)操作系統(tǒng)，是制造業(yè)“智慧大腦”的核心平臺。supOS 以企業(yè)為中心構(gòu)建面向過程監(jiān)控、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策的一體化應(yīng)用平臺，通過“平臺+工業(yè)智能Apps”新型業(yè)務(wù)模式實(shí)現(xiàn)企業(yè)客戶的信息化、數(shù)字化、智能化升級轉(zhuǎn)型。supOS提供的橫向和縱向彈性擴(kuò)展能力，可滿足企業(yè)從小到大，從單一優(yōu)勢業(yè)務(wù)發(fā)展到多元化集團(tuán)型應(yīng)用的場景需求。主要功能包括：

（1）異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成管理。SupOS 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入和預(yù)處理，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)驅(qū)動框架和不同的接入驅(qū)動實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的清洗，并利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，在平臺上通過對象化模型將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)等多種來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，能進(jìn)行時(shí)序、關(guān)系型、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化等多元數(shù)據(jù)管理。

（2）統(tǒng)一門戶。能夠集成多個應(yīng)用系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的用戶體系，提供單點(diǎn)登錄功能、用戶管理、消息通知等功能。一次登錄即可訪問各個系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的統(tǒng)一訪問，統(tǒng)一登錄、界面集成、應(yīng)用導(dǎo)航、消息通知等功能。主要功能包括統(tǒng)一授權(quán)、單點(diǎn)登錄、界面集成、應(yīng)用導(dǎo)航、消息通知。

（3）組態(tài)開發(fā)。提供智能APP 應(yīng)用的組態(tài)式開發(fā)環(huán)境，通過圖形化、組件化、模塊化的向?qū)綉?yīng)用構(gòu)建，有效降低應(yīng)用開發(fā)和設(shè)計(jì)的IT門檻。使用戶只需要關(guān)注應(yīng)用場景分析和設(shè)計(jì)，利用平臺提供的表單設(shè)計(jì)工具，就可快速開發(fā)應(yīng)用。

（4）移動平臺。用戶可以在移動端便捷地查看監(jiān)控畫面、趨勢圖、過程報(bào)警、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)報(bào)表，能進(jìn)行協(xié)同辦公、交流等。

此外，還提供工作流定義、多種對外數(shù)據(jù)的接口等功能。

3.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2是泵站運(yùn)維平臺組成結(jié)構(gòu)示意圖，主要的硬件設(shè)備包括一臺supOS服務(wù)器、一臺supLink服務(wù)器、一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器、一臺數(shù)據(jù)采集器，以及網(wǎng)絡(luò)通信和安全設(shè)備。

圖2 泵站運(yùn)維平臺組成結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集器利用OPC 方式通過單向網(wǎng)閘與泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，獲取泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時(shí)利用KEPServer 方式與泵站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信，獲取泵站機(jī)組運(yùn)行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

supOS 服務(wù)器既用于系統(tǒng)組態(tài)和開發(fā)，也用于應(yīng)用APP 服務(wù)。開發(fā)階段可進(jìn)行泵站組織機(jī)構(gòu)建模、設(shè)備建模、數(shù)據(jù)建模，監(jiān)控操作界面組態(tài)、報(bào)表組態(tài)、工作流定義、移動APP 開發(fā)等。運(yùn)行階段supOS服務(wù)器通過數(shù)據(jù)采集器獲取泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以直接調(diào)用工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及直接調(diào)用顯示視頻監(jiān)視系統(tǒng)指定的攝像頭畫面。

supLink服務(wù)器作為移動服務(wù)平臺，用于提供移動應(yīng)用APP服務(wù)。移動應(yīng)用APP可以提供報(bào)警、工作流程、視頻監(jiān)控、趨勢圖、移動巡檢、安全管理、IM協(xié)同等應(yīng)用服務(wù)。

在安全方面，設(shè)置了DMZ 區(qū)，隔離了管理區(qū)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測、控制區(qū)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。

3.3 應(yīng)用APP開發(fā)

圖3~5是利用supOS的組態(tài)開發(fā)工具開發(fā)的部分應(yīng)用界面。圖3 是高港泵站運(yùn)維平臺總貌界面，直觀顯示出泵站運(yùn)行維護(hù)相關(guān)的多種信息，包括泵站運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行概況、機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測概況、工程安全監(jiān)測概況、主要實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視畫面等多系統(tǒng)來的數(shù)據(jù)和信息。通過本界面頂部的4個按鈕可以分別進(jìn)入各個泵站運(yùn)維的專用APP，包括泵站運(yùn)行監(jiān)控評價(jià)、視頻監(jiān)視、設(shè)備管理、工程安全管理。

圖3 高港泵站運(yùn)維平臺總貌界面

圖4是高港閘站揚(yáng)壓力監(jiān)測界面。圖4中左側(cè)是高港泵站運(yùn)維平臺各個專用系統(tǒng)功能的導(dǎo)航樹，右側(cè)給出了查詢得到的指定時(shí)段的多個測壓管液位變化曲線和對應(yīng)的數(shù)據(jù)列表。

圖4 高港閘站揚(yáng)壓力監(jiān)測界面

圖5是泵站運(yùn)行監(jiān)控移動APP 界面，通過手機(jī)或者移動終端可以看到泵站運(yùn)行監(jiān)控界面、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面、工程安全監(jiān)測界面等，還可以進(jìn)行泵站運(yùn)維事務(wù)流轉(zhuǎn)、巡檢等工作。

圖5 泵站運(yùn)行監(jiān)控移動APP界面

4 結(jié) 語

采用supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)進(jìn)行泵站運(yùn)維平臺的開發(fā)，可以有效整合泵站現(xiàn)有的多個信息化專業(yè)系統(tǒng)，可以方便開發(fā)新的應(yīng)用APP，并以統(tǒng)一的門戶實(shí)現(xiàn)多個專業(yè)化系統(tǒng)的用戶管理和導(dǎo)航。已經(jīng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的部分泵站運(yùn)維平臺功能表明，系統(tǒng)可以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)資源整合，保護(hù)已有的投資和與已有信息化系統(tǒng)有效銜接，還可為研究和開發(fā)數(shù)字孿生泵站提供數(shù)據(jù)和模型平臺，為建設(shè)智能泵站奠定基礎(chǔ)。