基于物聯網的水電企業一線班組智能管理

吳 凡

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江隔河巖水力發電廠位于湖北省宜昌市長陽土家族自治縣境內，安裝4臺300 MW混流式水輪發電機組，總裝機1 212 MW，設計年發電量30.4億kW·h，是華中電網骨干調峰調頻電廠。隔河巖水利樞紐控制流域面積14 430 km2，多年平均降水量1 380 mm，多年平均流量383 m3/s，多年平均徑流量120.76億m3。隔河巖大壩為混凝土重力拱壩，壩頂高程206 m，壩長653.5 m，正常蓄水位200 m，總庫容30.18億m3，屬年調節水庫[1]。隔河巖電廠1993年6月首臺機組投產發電，1994年11月4臺機組全部投產發電，電廠于2011年全面啟動監控系統、調速系統、勵磁系統、直流系統、機組保護系統、線路保護系統、同步向量測量系統、調度數據網系統以及自動化輔控系統的更新改造，截至2017年底，設備改造工作基本完成，在長達7年的設備集中改造周期內，電廠保持了良好的安全生產記錄，連續7年實現零非停、零障礙的雙零目標[2]。

1 班組智能化建設實踐

隔河巖電廠自動班做為一線核心生產班組，始終堅持對水電生產的各個環節實施精益管控，持續采用新技術、新工藝，不斷提高設備可靠性，嚴格堅持運維問題導向，密切關注設備生命周期，加強歷史數據趨勢分析，提前預判系統健康狀態，積極踐行智能管理、綠色檢修，圍繞自動化設備的運行維護、缺陷處理和隱患排查等發掘新方法、開拓新思路，有機結合互聯網新技術，推行班組智能化建設，不斷探索水電企業互聯網+一線班組管理的新模式。

1.1 班組智能化考勤管理

隔河巖電廠自動班共有8名員工，負責全廠計算機監控系統、勵磁系統、調速系統、自動化輔控系統等電氣設備的運行維護，所轄設備分布在大壩、廊道、進水口、廠房、尾水平臺等各個角落，點多面廣，時常需要深夜低谷消缺以及外出檢修維護，班組成員的工作時間和工作地點隨機性大，在辦公室集中辦公的時間受到一定限制，給傳統的考勤管理帶來挑戰。

清江公司于2017年5月正式實行手機刷卡考勤，在流域電廠范圍內統一采用RF-SIM卡，用手機替代考勤卡，同時具備門禁準入卡，食堂餐卡等功能。2018年5月，隔河巖電廠廠區全面實現WIFI無線網絡全覆蓋，在此基礎上，自動班根據班組管理實際需求，提出了班組智能考勤的目標，通過采用阿里巴巴集團免費提供的釘釘(DingTalk)多端協同平臺，較好解決了水電企業一線班組考勤管理的痛點，水電企業一線班組智能考勤管理主要具有以下特點：

1)系統具有DING公告功能，班組員工是否閱讀過公告內容清晰可見。

2)系統具有外勤簽到功能，班組管理者可快速查看班組成員外出工作的位置信息，實時掌握班組成員外出檢修及消缺情況。

3)班組管理者可開啟系統的極速打卡功能，班組成員到達考勤地點并打開釘釘APP后系統自動打卡。若班組成員外出檢修地點不在考勤范圍，可點擊上傳外勤位置信息，釘釘將自動記錄并上傳位置信息。

4)考勤系統會對手機的打卡環境做綜合判定，遇到手機刷機、系統升級、或者登陸他人設備等情況時會有人臉識別提示，確保考勤數據真實可靠。

采用該系統后，自動班可精確量化班組成員的工作時間，無論是正常工作時間的設備維護、外出檢修，還是深夜的低谷消缺、節假日加班，智能考勤系統都能根據位置信息和時間信息如實記錄，結合系統后臺的大數據統計及智能化分析功能，能夠為班組員工考核提供較大權重的數據支撐，同時還可以根據某項具體工作的耗時統計，精準分析工作強度，調整班組人力資源分配，優化班組管理流程，系統界面如圖1所示。

圖1 班組考勤智能化管理

1.2 班組智能化物資管理

為保障發電設備檢修維護及缺陷處理的及時性，水電企業一線班組都配備有班組倉庫，用于存儲備品備件、試驗儀器、專用設備等，但班組一般沒有配備專職倉庫管理員，倉庫管理需要依靠班組成員共同完成出入庫管理、庫存物資清點、消耗物資補充申報等，因為缺乏硬性約束和相應的技術手段，自動班于2013年7月發揮專業特長優勢，自行搭建了班組物資管理服務器，實現班組倉庫的電子化出入庫錄入和數據庫管理，但仍然缺乏統一的管控，很難真正實現帳卡物的嚴格對應。自動班的8名班組成員均承擔了不同的設備分工，在設備檢修維護尤其是深夜低谷消缺的過程中，不可避免的要消耗班組倉庫的物資，具體到一些緊急缺陷處理時為使得設備盡快恢復運行，班組成員一般暫不進行備品備件及設備物資的出庫登記，而是在相關工作完成后進行事后集中補登，另外在檢修過程中，各工作面需要交叉使用班組倉庫公共試驗設備和專用工具，因為缺少相關設備的實時追蹤和動態管理，班組人員無法做到對班組倉庫物資狀態和設備使用的精細化管理。

基于上述班組倉庫管理難題，自動班在班組物資倉庫數據服務器管理的基礎上，提出了班組物資智能化管理的目標，設計出基于RFID和ZigBee技術的互聯網+班組物資倉庫智能化管理系統[3]。RFID(Radio Frequency Identification)是構建物聯網(Internet of Things)的核心射頻識別技術，其利用近場電磁感應交換數據，通過射頻讀寫器識別并傳輸電子標簽內存儲的物資和設備信息。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網通信技術，具有遠距離自適應組網、數據采集、無線定位等功能，班組物資倉庫智能化管理系統將RFID射頻識別和ZigBee無線傳感器網絡進行技術融合，實現班組物資倉庫內備品備件、試驗儀器、專用工具等的批量自動識別、實時定位跟蹤、遠程監控管理等。自動班將班組倉庫內的備品備件、試驗儀器、專用工具等關鍵物資與無源RFID電子標簽綁定，通過安裝在倉庫貨架的多臺固定式RFID射頻讀寫器天線，配合ZigBee低功耗無線網絡，實時讀取物資參數信息，動態感知物資庫存狀態，智能定位并追蹤物資使用情況，實現了班組物資的自動識別、智能盤點，流通統計，以及庫存定位，消耗預警等[4]，完全省去了人工出入庫登記和物資清點環節，結合智能終端的班組物資管理APP，班組成員可隨時隨地查看物資倉庫內的庫存物資狀態，真正實現全天候24小時監控，任一備品備件、試驗設備、專用工具等離開班組倉庫范圍，固定式RFID射頻讀寫器天線便感應不到相應物資的RFID電子標簽，后臺程序自動標記該物資為出庫或者消耗狀態，全程無需班組成員人工參與，系統自動完成出入庫登記。班組根據APP的庫存物資預警提示，能夠實時掌握庫存物資消耗情況并及時向物資采購部門申報物資補充計劃，實現班組物資倉庫的智能化精細化管理，系統界面如圖2所示。

圖2 班組倉庫智能化管理

1.3 班組智能化巡檢管理

隔河巖電廠2016年完成了生產區域工業電視系統的升級改造，基于海康威視的水電站安全防范整體解決方案實現了電廠視頻監控的全覆蓋，廠區內重要區域高清攝像頭可通過人臉識別、車牌識別等確定進入區域人員的身份信息，支持行為分析和可視化定位[5]，一旦發現異常情況能夠及時推送預警畫面。

基于生產區域的視頻監控工業電視系統，自動班提出了設備智能化巡檢的目標，實現了基于視頻圖像識別的常規巡檢路線智能化分析和設備異常狀態智能化推送功能。隔河巖電廠視頻監控系統集成了遠動系統所不具有的前端圖像智能分析功能，系統通過圖像識別和智能分析，可遠程監控電廠環境、設備、人員等實時狀態，構建獨立于計算機監控系統遙信、遙測信號以外的獨立視覺監控體系，系統主要涉及下述關鍵技術：

1)圖像預處理算法。以攝像頭捕獲圖像的邊緣檢測為核心，以圖像分割為突破點，在圖像變換、圖像增強、圖像恢復上進行剖析和建模，使其適應水電廠設備的特定環境，提高預處理的效果和準確度。

2)圖像識別檢測。系統通過分析預置的圖像識別規則，使用圖像視覺解析技術對水電廠視頻圖像中的目標物體進行分離、偵測、監控、追蹤，解決水電廠內設備狀態以及運維人員的操作行為問題。

3)前端視頻設備預處理。系統可智能降低正常狀態下的圖像刷新次數，濾除正常視頻畫面以減少傳輸帶寬占用，當異常發生時，自動將異常畫面實時推送至視頻監控主站，實現視頻監控系統的智能化。

結合上述技術手段，自動班利用巡檢人員進入特定監控區域的人臉識別和行為分析技術，可準確判斷巡檢人員的作業過程和作業軌跡，利用重點設備視頻監控畫面的運動檢測功能，可及時發現設備工作狀態的細微變化，引導巡檢人員有針對性的現場查看異常設備狀態，以實現班組的智能化巡檢管理，系統界面如圖3所示。

圖3 班組巡檢智能化管理

2 班組安全生產業績

隔河巖電廠連續7年雙零目標的實現，聚焦到一線班組，聚焦到自動班，就是監控系統、調速系統、勵磁系統、直流系統、同步向量測量系統、調度數據網系統以及自動化輔控系統的安全穩定運行，需要數百個盤柜、數千條電纜，數萬個端子、以及不計其數的回路、節點、邏輯、代碼等所有環節的精確可靠和準確執行，需要繁瑣復雜的數據采集、流程優化、異常處理、可靠性測試。基于與物聯網技術深度融合的一線班組智能化管理，在電廠長達7年的二次設備集中改造周期內，自動班承擔了占二次設備絕大多數的電氣自動化設備改造任務，全面更新存在安全隱患的設備及系統，徹底清理停機回路，整治端子箱、電纜、接地、防雷、絕緣。隔河巖電廠水輪機端子箱整治、發電機端子箱整治、示流計改造、同期裝置改造完成于2009-2011年間，調速系統電氣部分改造完成于2010至2012年間，調速器油壓控制系統改造完成于2011-2012年間，勵磁系統改造完成于2011至2013年間，監控系統改造完成于2013至2016年間，110V直流系統、同步向量采集系統、高低壓氣控制系統、電制動空壓機系統、檢修滲漏排水控制系統、交直流電源屏改造完成于2014至2016年間，大壩廊道排水控制系統、機組技術供水控制系統改造完成于2017年，如此的主輔設備分批次，分階段改造，自動班完成了所轄設備共計150余面盤柜的整體更換，為本質安全型電廠提供了可靠的設備及技術支撐，成就了機組的最優運行狀態，全廠設備缺陷數量更是從2011年的133項下降至2017年的40項[6]，班組智能化管理成果顯著。