水利工程設備智能監控與診斷系統分析

李慶濤，高 鑫，顧霄鷺

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

南水北調東線山東段工程運行管理具有管理機構地域分布廣、層次多，管理內容復雜的特點[1]，為提高管理效率，需借助先進的科學技術手段，使管理信息及時、準確的上傳下達，確保工程平穩運行[2]。針對各類工程設備故障，應采取有效的診斷措施。設備故障診斷的基本內容大致可分為以下幾個方面：信號獲取、特征參數提取、工況狀態識別及故障診斷及預測[3]。當前水利工程中設備的運行監控工作需進一步加強對水利工程中設備的智能運行監測分析，強化預測性維護，以確保設備正常運行，提高設備的利用率，從而提升水利工程的經濟效益與社會效益。

1 研究目標與內容

1.1 研究目標

設備監測與在線診斷技術是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體或局部正常或異常，早期發現故障及原因，并能預報故障發展趨勢的技術。隨著現代科學技術不斷進步和發展，尤其是監測技術、計算機技術的迅速發展和普及，設備的監測與在線診斷技術日趨成熟。針對南水北調東線山東段工程自動化、信息化建設現狀，研究智能監測與在線診斷分析技術，搭建平臺實現工程運行監測數據挖掘關聯性分析，開發智能監測分析軟件，探索監測數據之間的關聯模型，找出存在的可能異常點，可為實現工程運行監測數據模型建立、預測及故障診斷提供技術支撐。

1.2 研究內容

1）監測數據之間的關聯性。數據關聯性分析是一種簡單、實用的分析技術，其核心是通過大數據分析，獲取數據間關聯性或相關性，從而描述了一個事物中某些屬性同時出現的規律和模式。通過數據關聯性分析，可以明確設備運行監測數據之間的關系，建立數據關系模型。

2）關聯性監測數據的擬合曲線。通過運行監測數據之間的關聯性分析，以及形成的曲線擬合結果。充分考慮各種工況因素對數據關聯性分析的影響，采用特定工況條件下，對監測數據進行組合分析的方式，以達到分析結果的準確性、合理性。

3）基于擬合曲線的離群點檢測。根據所形成的擬合函數，針對不在該擬合函數對應擬合曲線上的點，計算該點與對應擬合函數上的點之間的距離標準差，該距離標準差超出允許范圍的，即離群點。離群點即可視為可能異常點。

2 智能監控與在線診斷分析

2.1 技術架構

智能監控與在線診斷分析技術研究架構分為設備層、接入層、數據層、服務層、應用層5 個層級。基礎設施層主要包括服務器、存儲設備、操作系統、網絡設備、監測站等軟硬件相關設施，用于支撐平臺環境搭建及部署使用。采集傳輸層采集實時及歷史監測數據，部分業務數據可通過人工錄入方式進行數據采集。基礎數據層包括實時監測數據、設備基礎資料、歷史監測數據、其他基礎數據庫，數據層通過采集到的業務及監測數據等信息保存至服務器或數據庫，并提供對系統的權限、日志的管理，提高系統安全性。服務層主要包括應用服務、數據交換服務、數據挖掘、大數據處理服務。應用服務層是系統的核心層，各項功能均由服務層的業務單元模塊來實現。應用服務層主要包括設備管理、維修記錄管理以及在線診斷分析。

2.2 運行監測與在線診斷分析系統

智能監控與在線診斷分析系統根據工程運行中監測的大量歷史數據進行散點圖分布，然后基于離群點監測相關技術，對監測數據進行正態分布，并形成多個兩兩參數關系的曲線擬合函數。監測過程中會將實時數據與這些已經擬合好的函數進行比較。正常的數據與相關的擬合函數相吻合，異常數據會偏離函數，在界面上形成離群點，從而觸發異常數據報警。報警信息會根據該數據所偏離的擬合函數，顯示可能影響數據異常的各類參數。運行人員可根據報警信息給出的內容有針性地進行問題原因排查，有助于及時發現并解決問題。

2.3 系統功能

1）設備管理。通過建立設備臺賬對各工程設備基礎信息進行管理，包括設備添加、修改、刪除等維護功能和查詢功能。設備維護信息包括基本信息、設備技術參數。基礎信息包括設備編號、名稱、類型、分類、供應商、聯系方式、安裝時間、購買時間、質保期、使用壽命等信息；設備技術參數信息根據不同設備類型進行信息維護。

2）維修記錄。維修記錄是對設備維修的歷史記錄的匯總，有利于分析設備狀況，是快速查找故障，縮短維修時間的重要保障。維修記錄主要包括維修單號、設備名稱、維修類型、下單人、下單時間、處理意見、維修情況說明、維修完成時間等信息。

3）在線診斷分析。智能監控與在線診斷分析系統以監測數據關聯性分析為核心，提供可視化的數據關聯性分析，實現在良好的交互性界面中分析與明確監測數據之間是否有關聯以及影響程度。運用數據挖掘關聯性分析技術明確各監測數據之間的關聯性，有助于進行數據建模、預測性分析，故障診斷，實現科學管理、合理使用、預知檢修和安全運轉。通過數據生成的曲線擬合關系，找出離群點，及時發現設備運行過程中所出現的各類隱患、問題，并快速定位問題原因切入點。

4）系統管理。系統管理是整個系統的后臺管理入口，為系統管理員機構用戶、系統設置及日志查詢等操作。機構用戶管理包括賬號管理、人員管理、機構管理和區域管理4 個部分，系統設置模塊包括菜單管理、角色管理及字典管理3 個模塊。平臺為各類用戶提供登錄賬號，賬號作為用戶使用該平臺的唯一認證，賬號管理為系統管理員提供了管理整個平臺用戶賬號的管理，模塊通過樹狀形式展示平臺所有用戶的組織架構，用戶可以在該模塊實現用戶賬號的新增、查詢、信息修改及賬號刪除。

3 結 語

本文基于南水北調東線山東段工程現狀，研究水利工程設備智能監控與診斷分析技術，通過設備運行數據的關聯性分析，生成擬合曲線，找出離散點，為設備運行狀態及故障診斷提供依據，目前完成設備故障診斷的單一維度分析技術研究，沒有將業務維度納入研究范圍內，因此有一定的針對性，研究成果的應用推廣可能會受到一定限制。后期需要結合本次研究成果和實際業務信息，從多維角度進一步深化設備健康診斷技術研究。