唐鴻儒，趙林章，朱正偉，劉 軍，樊錦川，錢 江，包加桐

（1.揚州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225009；2.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；3.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 225321）

1 概 述

水利部“關(guān)于促進智慧水利健康發(fā)展的指導(dǎo)意見”指出全面促進智慧水利健康發(fā)展，是當(dāng)前和今后一個時期水利改革發(fā)展的重中之重［1］。水利部發(fā)布的《智慧水利總體方案》［2］標(biāo)志智慧水利建設(shè)進入實質(zhì)性研究和探索實踐的新階段。智慧水利是應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，對水利對象及水利活動進行透徹感知、全面互聯(lián)、智能應(yīng)用、泛在服務(wù)，促進水治理體系和治理能力現(xiàn)代化的新理念和新模式［3］。智能泵站建設(shè)是實現(xiàn)智慧水利的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)源頭之一，是智慧水利的典型應(yīng)用。智能泵站是利用先進測量、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一運行維護管理平臺上的泵站多系統(tǒng)智慧聯(lián)動、優(yōu)化運行、主設(shè)備預(yù)測性檢修、工程安全自動評估、智能檢查、智能管理等，保障泵站安全、高效、經(jīng)濟運行和標(biāo)準(zhǔn)化、精細化管理。

智能泵站建設(shè)目標(biāo)包括：①實現(xiàn)泵站的設(shè)備狀態(tài)、人員、管理過程的感知；②實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的可靠傳輸；③實現(xiàn)泵站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、機組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)融合、交換和分發(fā)；④實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢機器人、巡檢無人機、安防報警等智慧聯(lián)動；⑤實現(xiàn)泵站運行智能監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度運行、狀態(tài)檢修、智能管理；⑥實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)分析的泵站安全運行優(yōu)化模型、經(jīng)濟運行優(yōu)化模型等模型的知識積累和改進，并以形象直觀的集中顯示、三維動畫顯示；等等。

根據(jù)智能泵站建設(shè)目標(biāo)，本研究開展了智能泵站體系結(jié)構(gòu)研究，分析提出了數(shù)據(jù)資源共享和典型智能應(yīng)用的要求。

2 體系結(jié)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)”的要求，以及《水利信息化資源整合共享頂層設(shè)計》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)［4］，研究提出了如圖1 所示的智能泵站體系結(jié)構(gòu)，由感知層、通信層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層組成。

圖1 智能泵站體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of intelligent pump station

感知層是利用各種傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、自動控制裝置、智能終端設(shè)備等獲取的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)泵站設(shè)備、人員、管理狀況的感知。這些數(shù)據(jù)包括來自泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及智能機器人巡檢結(jié)果、人工巡查/電氣試驗/設(shè)備評級等錄入的數(shù)據(jù)、實時水情雨情水質(zhì)等共享數(shù)據(jù)，等等。

通信層實現(xiàn)泵站運行管理的多種系統(tǒng)的通信互聯(lián)，包括現(xiàn)場測控專網(wǎng)、管理網(wǎng)絡(luò)、wifi、Internet、4G/5G/NB-IOT等。

數(shù)據(jù)層是泵站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)泵站調(diào)度運行管理數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、分發(fā)等功能。存儲的數(shù)據(jù)包括泵站和機組的運行和狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻、管理數(shù)據(jù)、工程和設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、職工數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計分析等。數(shù)據(jù)交換是實現(xiàn)與上級調(diào)度管理部門的數(shù)據(jù)庫或者其他應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)分發(fā)則是按照泵站設(shè)備類型、以及應(yīng)用需求組織數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的格式和刷新頻率準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，供不同的應(yīng)用定制。

泵站數(shù)據(jù)還應(yīng)按照《江蘇省水利信息資源目錄》中關(guān)于泵站的運行、維護和管理數(shù)據(jù)要求將泵站基礎(chǔ)信息、運行信息等存入“水利云（省水利數(shù)據(jù)中心）”。

應(yīng)用層是由各種智能應(yīng)用APP 組成，包括智能監(jiān)控、優(yōu)化調(diào)度和運行、智能安全監(jiān)測、智能檢修、智能檢查、智能管理、數(shù)據(jù)分析和可視化、掌上泵站等智能應(yīng)用，是智能泵站的核心。

用戶層是泵站運行維護管理的用戶界面，以Web 網(wǎng)頁或者移動APP 的方式提供各種應(yīng)用服務(wù)。用戶可以包括泵站運行管理人員、維檢人員、設(shè)備制造商專家、上級管理部門專業(yè)人員、研究院和大學(xué)研究人員等，但應(yīng)賦予相應(yīng)的權(quán)限。

3 泵站數(shù)據(jù)平臺

針對泵站目前存在泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、泵站信息管理系統(tǒng)、泵站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等多系統(tǒng)常常不能協(xié)同工作、數(shù)據(jù)不能共享的問題［5］，研究和建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺是實現(xiàn)泵站智能安全運行和管理的首要任務(wù)。建設(shè)數(shù)據(jù)平臺應(yīng)按對象或活動為實體存儲和管理泵站數(shù)據(jù)，與一個對象或活動相關(guān)的所有信息應(yīng)建立統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)。通過多種數(shù)據(jù)接口將來自泵站監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、信息管理等異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成和融合。建設(shè)數(shù)據(jù)平臺包括以下幾部分內(nèi)容：

（1）數(shù)據(jù)建模。按照泵站的工程類型、設(shè)備類型等進行建模，按照對象組織數(shù)據(jù)存儲和管理，實現(xiàn)泵站、水閘等水利設(shè)施和各種設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)的存儲和管理。

（2）異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和整合。目前泵站有多種類型數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)、智能終端，采用了控制網(wǎng)絡(luò)、3G/4G/5G、NBIOT、wifi等多種形式的通信方式，數(shù)據(jù)格式多樣，應(yīng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)多種異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，并按照工程、設(shè)備等對象進行數(shù)據(jù)整合、融合和存儲。

（3）智能存儲策略。除設(shè)備的基本信息、管理信息外，設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)采用智能存儲策略，即正常情況下存儲數(shù)據(jù)時間間隔大，出現(xiàn)狀態(tài)異常事件時增加采樣密度。

（4）數(shù)據(jù)共享發(fā)布。按照泵站的工程類型、設(shè)備類型、以及按照不同應(yīng)用訂閱的組織要求組織數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的格式和刷新頻率準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，供不同的應(yīng)用APP使用。

4 智能應(yīng)用

研究和開發(fā)泵站智能應(yīng)用APP，實現(xiàn)泵站安全運行、優(yōu)化運行、優(yōu)化調(diào)度和管理，是智能泵站建設(shè)的核心任務(wù)。

4.1 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控可以包括泵站機組智能控制、安全聯(lián)動、智能報警等。

（1）智能控制。是實現(xiàn)水泵機組開機、停機、以及意外（事故）停機過程的全流程自動順序控制和運行工況的自動調(diào)整，包括自動采集判斷主輔機及其變配電設(shè)備的狀態(tài)和參數(shù)，自動投切主輔機和變配電設(shè)備，并在開機和運行過程中能夠根據(jù)優(yōu)化調(diào)度指令自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、水泵葉片角度等。

（2）安全聯(lián)動。在優(yōu)先保護人員和設(shè)備安全的前提下，合理規(guī)劃聯(lián)動策略，實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、智能巡檢機器人、通風(fēng)采暖、安防報警、人員定位系統(tǒng)等之間的聯(lián)動。當(dāng)聯(lián)動策略觸發(fā)條件滿足時，能自動發(fā)出聯(lián)動控制指令至相應(yīng)聯(lián)動對象。聯(lián)動應(yīng)不影響各聯(lián)動對象自身的正常運行，任意聯(lián)動對象故障應(yīng)不影響其他聯(lián)動對象的正常運行［6］。涉及保護設(shè)備和人身安全的系統(tǒng)之間聯(lián)動信息傳輸應(yīng)采用硬接線。發(fā)生聯(lián)動時應(yīng)記錄整個聯(lián)動過渡過程，并以聲、光、文字、圖形方式顯示聯(lián)動觸發(fā)的原因、聯(lián)動動作的結(jié)果、以及聯(lián)動前后設(shè)備狀態(tài)的變化等信息。

例如，在機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)檢測到水泵機組發(fā)生振動嚴(yán)重超標(biāo)、或者發(fā)生異響時，應(yīng)及時發(fā)信號給計算機監(jiān)控系統(tǒng)，由計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制機組停機或調(diào)整運行工況；同時，發(fā)聯(lián)動命令給視頻監(jiān)控系統(tǒng)，控制攝像頭對準(zhǔn)發(fā)生振動超標(biāo)或者異響的機組或者部位，并將主監(jiān)視畫面切換至相應(yīng)視頻信號。其他需要聯(lián)動的情況可能包括：微機保護系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動；計算機監(jiān)控系統(tǒng)在進行重要設(shè)備操作時，聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)對操作過程和關(guān)鍵部位進行視頻監(jiān)視、追蹤；人員定位系統(tǒng)監(jiān)測到有人員進入非授權(quán)區(qū)域時，應(yīng)聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行視頻監(jiān)視、追蹤等。

（3）智能報警策略包括泵站運行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)的限值報警、變化率限值報警、變化趨勢預(yù)警等，各個報警限值應(yīng)結(jié)合設(shè)備運行規(guī)程要求、機組個性化差異、設(shè)備運行時長等因素進行分析確定。

4.2 優(yōu)化調(diào)度和優(yōu)化運行

對于具有多座泵站的水利樞紐工程和梯級泵站應(yīng)設(shè)置優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，在滿足調(diào)水總量、調(diào)水時長等調(diào)度要求的情況下，能夠根據(jù)最大調(diào)水量、最短調(diào)水時間、最大經(jīng)濟效益等優(yōu)化目標(biāo)，考慮每個泵站機組設(shè)備狀態(tài)、運行時長、機組效率、峰谷電價等因素，進行優(yōu)化調(diào)度模型計算，給出每個泵站每臺機組的開機時間、開機時長、開機臺數(shù)。對于單座泵站，應(yīng)建立上下游水位、水位差與水泵機組葉片角度、功率、效率、流量的關(guān)系模型，在滿足調(diào)度要求的前提下根據(jù)泵站或者機組最高經(jīng)濟效益、或者最大流量、或者最大抽水量等優(yōu)化目標(biāo)進行水泵機組運行開機臺數(shù)、葉片角度、機組轉(zhuǎn)速等優(yōu)化運行調(diào)節(jié)控制。

4.3 智能安全監(jiān)測

應(yīng)設(shè)置泵站水工建筑物的工程安全監(jiān)測評估系統(tǒng)，能自動監(jiān)測、分析和評價泵站水工建筑物的安全狀態(tài)，包括泵站廠房地板揚壓力、伸縮縫、沉降、位移等監(jiān)測量的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和存儲功能。具備監(jiān)測成果數(shù)據(jù)各類圖形、報表的組態(tài)、動態(tài)展示和打印功能。具備監(jiān)測數(shù)據(jù)時空規(guī)律分析、對比統(tǒng)計分析和相關(guān)回歸分析等。具備監(jiān)測量預(yù)測預(yù)報、監(jiān)測成果數(shù)據(jù)異常判別、監(jiān)測部位或監(jiān)測斷面異常識別、泵站整體安全狀況綜合評估及維修決策建議功能。建立泵站、水閘的水工建筑物的BIM 系統(tǒng)，在泵站虛擬的建筑工程三維模型上顯示工程安全監(jiān)測系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、多維度時空信息的相關(guān)性分析數(shù)據(jù)，以及建筑物穩(wěn)定狀態(tài)分析評估結(jié)果，實現(xiàn)泵站水工建筑物全生命周期管理。

4.4 智能檢修

智能檢修是在泵站實施主設(shè)備的預(yù)測性健康管理PHM，對泵站主機、輔機、變配電設(shè)備等設(shè)備實現(xiàn)狀態(tài)檢修及其檢修過程的智能管理。為此，應(yīng)設(shè)置泵站主設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站主設(shè)備運行過程中的振動、擺度、壓力脈動、溫度、絕緣狀態(tài)等狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、特征計算、實時監(jiān)測、狀態(tài)分析、故障數(shù)據(jù)記錄和故障診斷。能夠綜合利用來自計算機監(jiān)控系統(tǒng)、振動擺度狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、電氣試驗、定期檢查等多元數(shù)據(jù)進行設(shè)備狀態(tài)評價、狀態(tài)預(yù)測。能夠根據(jù)狀態(tài)評價結(jié)果，結(jié)合機組特點、運行時長等進行風(fēng)險評估，給出是否需要檢修和檢修等級的建議。同時，應(yīng)對狀態(tài)分析評價及其結(jié)果利用、狀態(tài)評估、維修建議等流程進行管理，包括評價評估的觸發(fā)機制、責(zé)任人、任務(wù)節(jié)點的提醒，以及狀態(tài)檢修流程的管理。

4.5 智能檢查

智能檢查則是利用智能巡檢設(shè)備配合檢查信息管理平臺按照設(shè)備管理的定點、定法、定標(biāo)、定期、定人要求開展檢查工作。智能巡檢設(shè)備可以包括便攜式智能巡檢儀、手機、智能安全帽、智能機器人、水下機器人、無人機等，可以通過機器視覺識別、紅外測溫、自動拍照、路徑和檢查點提示、拍照和檢查結(jié)果上傳等功能。檢查信息管理平臺能對泵站檢查的全流程閉環(huán)管理。檢查平臺按時或者由事件觸發(fā)啟動檢查流程，提醒檢查人員，并在檢查過程中實現(xiàn)與檢查人員互動，提醒檢查路徑、檢查部位、檢查內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)要求等，提供設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。建立智能檢查系統(tǒng)可以促進檢查工作的規(guī)范化、精細化，巡檢軌跡可追蹤，避免漏檢，為實現(xiàn)狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)。

4.6 智能管理

智能管理是以設(shè)備為對象的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、電氣試驗數(shù)據(jù)、巡檢信息的全生命周期信息管理，以及基于流程驅(qū)動的設(shè)備缺陷處理、維修等全流程監(jiān)控和閉環(huán)管理，為水利工程精細化管理提供技術(shù)平臺。例如，缺陷處理流程應(yīng)由在運行監(jiān)控、巡檢、或者工程檢查時發(fā)現(xiàn)設(shè)備或者建筑物缺陷的事件時發(fā)起。缺陷處理流程應(yīng)包括缺陷發(fā)現(xiàn)、缺陷確認(rèn)、缺陷處置方案制定、缺陷處理、缺陷消除總結(jié)等節(jié)點。流轉(zhuǎn)過程中，需要相關(guān)職能部負(fù)責(zé)人審批審核。維修檢修項目管理流程則包括實施計劃制定和審批、招標(biāo)和確定施工單位、施工設(shè)計和施工組織、開工報告審批、施工過程記錄、質(zhì)量檢查、項目驗收、竣工總結(jié)、竣工決算、資料歸檔等流程節(jié)點，最終生成維修項目管理卡。對于需要定時開展的管理工作，應(yīng)具有自動提醒功能。提醒內(nèi)容應(yīng)包括要做的工作、預(yù)定時間、應(yīng)做的準(zhǔn)備工作等。應(yīng)具有系統(tǒng)提示、短信通知等功能［7］。

4.7 數(shù)據(jù)分析和可視化

數(shù)據(jù)平臺中按照對象建模和按照智能存儲策略存儲的水泵機組運行監(jiān)控數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢查數(shù)據(jù)等，可利用大數(shù)據(jù)算法對長期積累的機組運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行變化趨勢分析、狀態(tài)參數(shù)相關(guān)性分析、機組優(yōu)化運行算法建模、設(shè)備健康異化狀態(tài)評價和預(yù)警、建筑物安全穩(wěn)定性分析。同時，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺和統(tǒng)一監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)上，集中顯示泵站機組、輔機設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備、變配電設(shè)備、閘站水工建筑物等運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)、趨勢曲線、運行統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和流程等。顯示方式包括水利數(shù)字地圖顯示運行狀態(tài)、泵站平面圖上顯示設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、三維圖上顯示機組各個部分的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)、閘站水工建筑物剖面圖上模擬顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.8 掌上泵站

在掌上電腦和手機通過移動應(yīng)用APP 進行泵站運行監(jiān)視、報警通知、視頻監(jiān)控、移動巡檢、事務(wù)流程處理、及時通信等，以便泵站運行、維護和管理人員能夠隨時隨地掌握泵站機組運行狀態(tài)，處理相關(guān)的運行管理事務(wù)。

5 結(jié) 語

建設(shè)統(tǒng)一共享的數(shù)據(jù)平臺和研究智能應(yīng)用是研究智能泵站的兩個核心問題。本文針對智能泵站應(yīng)實現(xiàn)全面感知、互聯(lián)集成、智能應(yīng)用的建設(shè)目標(biāo)，提出了的基于web的智能泵站系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，分析了數(shù)據(jù)平臺的組成，提出了8個智能應(yīng)用功能要求。開放共享的數(shù)據(jù)平臺可以有效融合泵站多種監(jiān)控管理數(shù)據(jù)。智能監(jiān)控、智能檢查、智能檢修、智能管理等APP 為實現(xiàn)泵站安全運行、優(yōu)化運行、預(yù)測性檢修、精細化管理等提供了技術(shù)保障，促進泵站運行、維護模式的改進。

但是，智能泵站建設(shè)是一個長期研究和逐步深入細化完善的過程，必須有長期的規(guī)劃，有包括泵站運行維護管理人員參與的多層次和多學(xué)科的研究隊伍，進行體系架構(gòu)開放、技術(shù)先進的頂層設(shè)計，再以核心應(yīng)用需求驅(qū)動，以點帶面逐步展開。在持續(xù)研究和實踐中積累經(jīng)驗，逐步深入細化，以期適應(yīng)各個泵站的差異性和獨特性，保障泵站安全和經(jīng)濟運行。