水資源取水監測體系故障監測與運維管理技術探討

王 銘 銘

[安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學研究院，合肥 230094]

0 引 言

全面實行最嚴格的水資源管理制度以來，安徽省先后開展了多批次水資源監控能力建設項目，截至目前已完成2 300余處取水監測點建設。根據調查統計，取水監測站點省內各市縣均有分布，存在著站點地域覆蓋范圍廣、運維管理技術要求高、故障運維效率低等問題，且取水計量及監測設備大多安裝與取水戶內，給運行管理增加了困難，嚴重制約水資源取水監控系統的效益發揮。

為科學評價各省水資源監控能力建設效果，促使各省水資源取水監控系統的效益發揮，水利部制定了取水在線監測的到報率、完整率、及時率3項考核指標，用來評價各省水資源取水監控站運行情況和效益發揮情況。安徽省前期雖然在水資源取水監測體系運維方面取得不錯的成績，到報率、完整率、及時率等幾項考核指標均位于全國前列，但主要是依靠一支穩定的運維管理團隊，花費了大量的精力和人力。隨著取水監測規模在持續加大，水資源取水精細化管理、水資源費規范化收取等管理工作的深入開展，水資源管理對水資源取水計量監測要求進一步提高，監測設備故障巡查與維護工作量日益加重，依靠普通的人力已很難保證系統長期穩定、高效的運行。

為貫徹落實中央及省政府相關文件精神要求，提升全省水資源監控能力，達到三條紅線控制、節水建設等多目標服務的需求，開展了水資源取用水監測體系運維管理關鍵技術的研究，主要從運維監測與管理技術、運維管理模式兩個方面進行創新，以提高運維效率、降低運維成本、提升水資源監控運維效果，保障水資源監控能力建設效果。

1 水資源監測體系運維管理現狀

水資源取水監測系統傳統的運維管理方式包括人工發現故障、上報故障、協調維護、現場維護4個運維管理工作流程(如圖1所示)。在傳統運維模式中，故障主要依靠人員巡查和抄表人員進行上報，因受實際巡查頻次和抄表頻次的影響，故障被發現的及時性嚴重滯后，影響水資源取水在線監測管理和水資源費用的正常征收。其次，故障上報及協調維護需要專人負責，在無法全面掌握故障站點情況的背景，難以合理的調度運維人員、科學的安排運維路線，無法實現對運維任務分配進行統籌管理，在維護協調流程方面嚴重影響運維時效性，且常出現因運維工作安排不科學，造成運維工作量及運維成本大大增加的情況。再者，非取水監測站運維專業人員進行故障上報，無法判別和上報故障類型，在未掌握現場情況的背景下，運維人員無法提前做好準備，則存在運維時未攜帶配件及相應的工具等問題，導致站點故障無法一次性修復完成，造成運維效率的影響和人力、經濟的浪費。

圖1 水資源取水監測體系傳統運維模式示意圖

在目前的運維管理模式和運維技術手段下，面對規模龐大、站點分散、專業性強的取水監測體系運維管理，各級水資源管理部門常疲于管理，容易導致水資源取水監測體系崩潰，嚴重影響最嚴格水資源管理制度的執行。

2 運維監測與管理關鍵技術

經過長期跟蹤安徽省水資源取水監測項目建設與運維管理，統計分析發現水資源取水監測站點主要故障原因分為設備故障、SIM卡故障、數據故障三類。其中設備故障經對其故障種類、故障原因及對應的設備運行狀態進行分析，可采用嵌入式、物聯網等技術，實現設備運行狀態的實時監測；SIM卡故障經與運營商聯合研究，開展SIM卡欠費及工作狀態實時監測與診斷，對接運營商診斷結果，實現對SIM卡故障的診斷；數據故障則經對取水數據進行巡查、對比、分析，得到取水故障數據特征，采用計算機軟件技術實現對異常采集數據的監測。本課題研究基于對大量數據的分析，設計針對取水監測設備運行狀態及取水異常數據的故障診斷系統，開發系統故障監測與運維管理一體化軟件，從而實現水資源取水監測的智能運維管理。

智能運維系統主要包括故障信息采集、故障診斷、故障處理3個模塊組成。根據對故障的分類和分析，采用在線監測的方式實時采集取水監測站點運行狀態信息。監測信息經專家診斷系統診斷，甄別故障分類，并進行統計、報警。實現故障信息的實時查詢、智能管理。水資源取水監測體系運維監管架構如圖2所示。

圖2 水資源取水監測體系運維監管結構圖

2.1 故障信息采集

故障信息采集主要是包括計量監測設備故障信息、SIM卡故障信息、數據故障信息；其中SIM卡故障信息通過與運營商對接即可獲取故障診斷結果，數據故障信息系通過監測站點原始上傳數據進行分析獲取，信息采集較易實現。計量監測設備故障采集則為水資源取水監測體系故障診斷課題研究的重點和難點。

計量監測設備故障信息采集重要的分析故障種類和各設備運行狀態之間的關聯關系，并通過對設備運行中的特征狀態進行檢查、變換、傳輸、存儲和分析，最終實現對故障的診斷。其中特征狀態指的是現場設備運行中的各種特征信號，如設備供電狀態、RTU工作狀態、計量設備工作狀態、市電電壓、蓄電池電壓等。這些取水計量監測設備的特征信號一般通過安裝于取水監測現場的傳感器或采集器采集，并將獲取的特征信號做經過必要的處理，傳輸至運維管理平臺。

2.2 故障信息診斷

故障診斷是水資源取水運維監管中的核心，包括故障診斷模型建設、故障診斷評價2個部分。

故障模型建設包括計量監測設備故障診斷模型與數據故障診斷模型，其中計量監測設備故障診斷模型是將計量監測設備運行狀態與設備運行特征信息之間的關聯關系，轉變成數學關系模型。系統可通過向該模型輸入實時采集的設備運行狀態數據，輸出設備是否發生故障及故障種類的結果。數據故障診斷是將實際采集的瞬時流量數據、累計流量數據與正常數據演變趨勢關系，轉變成數據關系模型。系統通過向該模型輸入實際采集的取水量數值，輸出數據是否發生故障及故障種類的結果。

故障評價主要是完成故障分類、展示等故障信息管理工作，即系統自動對故障模型的輸出結果進行分析和管理，剔除非故障結果，并對故障結果按照站點屬地、站點故障類型、站點故障時間等關鍵要素進行評價、分類、存儲、展示，為故障處理提供支撐。

2.3 故障處理

故障處理屬于故障診斷信息與用戶交互模塊，為用戶提供運維管理平臺。平臺提供人工運維模塊和系統遠程運維模塊，對于部分站點可以通過遠程升級程序、遠程設置參數等方式進行站點修復的，則用戶可以通過系統提供的接口進行升級和修復；對于取水計量的畸變數據系統支持自動修復+人工確認的方式進行運維管理；對于硬件設備故障，系統則提供運維管理流程輔助人工運維管理，系統支持自動關聯取水監測故障點運維管理人員、運維人員，并可借助平臺發送故障運維指令或運維詳細信息，運維人員則可在系統調用故障點故障診斷結果、預判故障類型，準備故障維護工具和配件，合理規劃維護路徑，實現科學維護、精準維護、高效維護的目的。

3 運維管理模式創新

基于水資源取水監測體系運行監測與管理技術的研究和應用，可推動水資源取水監測體系運維監管模式的創新與變革，將傳統依靠人力的與運維管理模式轉變成依靠運維管理平臺，采用自動巡查與人工巡查相結合、遠程維護與現場維護相結合的運維管理模式。實行內業巡查、遠程維護、現場維護相結合的方式，可變被動維護為主動維護，改變故障信息獲取方式，壓縮運維流程，提升運維效率，降低運維成本，保障水資源取水監測體系高效運轉。

如圖3所示，通過系統自動巡查與人工故障巡查相結合的方式，主動發現故障站點，并對故障信息進行匯總統計，統計結果及時反饋至維護人員，維護人員根據反饋信息、查看監測點維護日志等，并實現對故障類型的預判。對于可以遠程維護的故障，先采用遠程維護的方式，若遠程無法維護則進行現場維護。維護流程詳見圖3所示。

圖3 水資源取水監測體系創新運維模式流程圖

3.1 故障巡查與故障統計

采用系統自動巡查及人工故障巡查兩種方式，其中系統自動巡查系對故障診斷模塊進行巡查，診斷模塊發現站點故障后，自動反饋給運維管理模塊，完成故障的分析、存儲、統計及展示，形成自動巡查統計結果；人工故障巡查是對系統自動巡查的一種補充，針對一些系統無法識別的故障，運維組巡查人員主動巡查站點實時監測數據，自動監測站每24 h巡查一次，巡查取水監測站點的數據采集狀況、數據突變、故障信息等內容，若發現故障，則進行人工統計。

3.2 運維信息管理

系統自動向運維管理組推送其自動統計的故障結果，運維管理組用戶亦可主動進入系統查詢統計信息；人工統計結果則由故障統計員主動反饋至運維管理組，保障運維管理組可及時獲取實時故障統計結果。運維管理組負責每天對系統自動巡查結果和人工巡查結果進行匯總，并對所有故障點進行統籌管理，實現維護任務的科學分配。

3.3 遠程維護

遠程維護是基于故障診斷技術的一種高效運維模式，對于經診斷結果判別為程序升級、DTU參數設置、站點斷電等類型的故障，可采用遠程程序升級、遠程設置參數、遠程安排對接人檢修線路的方式實現遠程維護的目的。遠程運維具有及時、高效、成本低的特點，有助于大幅度降低水資源取水監測體系的運維成本及壓力。

3.4 現場維護

對于無法采用遠程運維的取水計量監測故障類型則需采用現場維護的模式，基于運維管理平臺診斷的故障原因和各取水計量監測站點歷史運維日志，綜合評價現場運維需帶的配件、工具等，實現取水監測故障的精準維護，保障維護工作一步到位。

4 結 論

水資源取水監測站點星羅密布，運維管理困難。本文提出的結合人機自動巡查和主動運維的全新取水運維監測與管理模式，形成了故障自動采集、智能診斷、高效運維管理的體系化技術成果，可有效解決故障無法及時發現、無法準確預判、無法科學調度等關鍵問題。故障信息在線采集及故障診斷模型完善是影響最終應用效果的關鍵，需根據取水監測站點實際情況進行反復校核，成果經過技術完善同樣適用于雨量、水位等在線監測體系的運維管理。所探討的技術成果在安徽省水資源取水計量監測運維中已得到推廣應用，在提升運維效率、降低運維成本、減輕運維壓力等幾個方面效果顯著，保障安徽省水資源取水監測數據的到報率、完整率、及時率等技術指標持續保持在95%以上。

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