智能泵站研究

唐鴻儒，趙林章，朱正偉，劉 軍，樊錦川，錢 江，包加桐

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

1 概 述

水利部“關于促進智慧水利健康發展的指導意見”指出全面促進智慧水利健康發展，是當前和今后一個時期水利改革發展的重中之重［1］。水利部發布的《智慧水利總體方案》［2］標志智慧水利建設進入實質性研究和探索實踐的新階段。智慧水利是應用云計算、物聯網、大數據、移動互聯網和人工智能等新一代信息技術，對水利對象及水利活動進行透徹感知、全面互聯、智能應用、泛在服務，促進水治理體系和治理能力現代化的新理念和新模式［3］。智能泵站建設是實現智慧水利的基礎和數據源頭之一，是智慧水利的典型應用。智能泵站是利用先進測量、工業互聯網、數據融合、人工智能、大數據等技術實現在統一數據庫和統一運行維護管理平臺上的泵站多系統智慧聯動、優化運行、主設備預測性檢修、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、經濟運行和標準化、精細化管理。

智能泵站建設目標包括：①實現泵站的設備狀態、人員、管理過程的感知；②實現多種網絡協同的可靠傳輸；③實現泵站基礎數據、運行數據、機組狀態監測數據、工程安全監測數據和管理數據等多元數據融合、交換和分發；④實現監控系統、視頻監視系統、機電設備狀態監測系統、智能巡檢機器人、巡檢無人機、安防報警等智慧聯動；⑤實現泵站運行智能監控、優化調度運行、狀態檢修、智能管理；⑥實現基于大數據分析的泵站安全運行優化模型、經濟運行優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。

根據智能泵站建設目標，本研究開展了智能泵站體系結構研究，分析提出了數據資源共享和典型智能應用的要求。

2 體系結構

按照智慧水利建設提出的“透徹感知、全面互聯、智能應用、泛在服務”的要求，以及《水利信息化資源整合共享頂層設計》提出的“一張圖、一個平臺、一個數據庫、一個門戶、統一身份認證”的目標［4］，研究提出了如圖1 所示的智能泵站體系結構，由感知層、通信層、數據層、應用層和用戶層組成。

圖1 智能泵站體系結構Fig.1 Architecture of intelligent pump station

感知層是利用各種傳感器、數據采集裝置、自動控制裝置、智能終端設備等獲取的數據，實現泵站設備、人員、管理狀況的感知。這些數據包括來自泵站計算機監控系統、微機保護系統、視頻監視系統、機電設備狀態監測系統、工程安全監測系統的數據，以及智能機器人巡檢結果、人工巡查/電氣試驗/設備評級等錄入的數據、實時水情雨情水質等共享數據，等等。

通信層實現泵站運行管理的多種系統的通信互聯，包括現場測控專網、管理網絡、wifi、Internet、4G/5G/NB-IOT等。

數據層是泵站統一的數據平臺，實現泵站調度運行管理數據采集、存儲、處理、分發等功能。存儲的數據包括泵站和機組的運行和狀態數據、視頻、管理數據、工程和設備的基礎數據庫、職工數據庫等。數據處理功能包括數據整合、數據融合、數據分析、統計分析等。數據交換是實現與上級調度管理部門的數據庫或者其他應用系統之間的數據交換。數據分發則是按照泵站設備類型、以及應用需求組織數據，按照預定的格式和刷新頻率準備數據，供不同的應用定制。

泵站數據還應按照《江蘇省水利信息資源目錄》中關于泵站的運行、維護和管理數據要求將泵站基礎信息、運行信息等存入“水利云（省水利數據中心）”。

應用層是由各種智能應用APP 組成，包括智能監控、優化調度和運行、智能安全監測、智能檢修、智能檢查、智能管理、數據分析和可視化、掌上泵站等智能應用，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 網頁或者移動APP 的方式提供各種應用服務。用戶可以包括泵站運行管理人員、維檢人員、設備制造商專家、上級管理部門專業人員、研究院和大學研究人員等，但應賦予相應的權限。

3 泵站數據平臺

針對泵站目前存在泵站計算機監控系統、微機保護系統、視頻監視系統、泵站信息管理系統、泵站設備狀態監測系統等多系統常常不能協同工作、數據不能共享的問題［5］，研究和建立統一的數據平臺是實現泵站智能安全運行和管理的首要任務。建設數據平臺應按對象或活動為實體存儲和管理泵站數據，與一個對象或活動相關的所有信息應建立統一的關聯。通過多種數據接口將來自泵站監控系統、微機保護系統、狀態監測系統、信息管理等異構數據進行集成和融合。建設數據平臺包括以下幾部分內容：

（1）數據建模。按照泵站的工程類型、設備類型等進行建模，按照對象組織數據存儲和管理，實現泵站、水閘等水利設施和各種設備的基礎數據、運行數據、狀態數據、管理數據等多元數據的存儲和管理。

（2）異構系統的數據采集和整合。目前泵站有多種類型數據采集、監控系統、智能終端，采用了控制網絡、3G/4G/5G、NBIOT、wifi等多種形式的通信方式，數據格式多樣，應采用統一數據平臺實現多種異構系統的數據采集，并按照工程、設備等對象進行數據整合、融合和存儲。

（3）智能存儲策略。除設備的基本信息、管理信息外，設備的運行數據、狀態數據應采用智能存儲策略，即正常情況下存儲數據時間間隔大，出現狀態異常事件時增加采樣密度。

（4）數據共享發布。按照泵站的工程類型、設備類型、以及按照不同應用訂閱的組織要求組織數據，按照預定的格式和刷新頻率準備數據，供不同的應用APP使用。

4 智能應用

研究和開發泵站智能應用APP，實現泵站安全運行、優化運行、優化調度和管理，是智能泵站建設的核心任務。

4.1 智能監控

智能監控可以包括泵站機組智能控制、安全聯動、智能報警等。

（1）智能控制。是實現水泵機組開機、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整，包括自動采集判斷主輔機及其變配電設備的狀態和參數，自動投切主輔機和變配電設備，并在開機和運行過程中能夠根據優化調度指令自動調節轉速、水泵葉片角度等。

（2）安全聯動。在優先保護人員和設備安全的前提下，合理規劃聯動策略，實現計算機監控系統、微機保護系統、機組狀態監測系統、視頻監視系統、智能巡檢機器人、通風采暖、安防報警、人員定位系統等之間的聯動。當聯動策略觸發條件滿足時，能自動發出聯動控制指令至相應聯動對象。聯動應不影響各聯動對象自身的正常運行，任意聯動對象故障應不影響其他聯動對象的正常運行［6］。涉及保護設備和人身安全的系統之間聯動信息傳輸應采用硬接線。發生聯動時應記錄整個聯動過渡過程，并以聲、光、文字、圖形方式顯示聯動觸發的原因、聯動動作的結果、以及聯動前后設備狀態的變化等信息。

例如，在機組狀態監測系統檢測到水泵機組發生振動嚴重超標、或者發生異響時，應及時發信號給計算機監控系統，由計算機監控系統控制機組停機或調整運行工況；同時，發聯動命令給視頻監控系統，控制攝像頭對準發生振動超標或者異響的機組或者部位，并將主監視畫面切換至相應視頻信號。其他需要聯動的情況可能包括：微機保護系統與計算機監控系統、視頻監控系統的聯動；計算機監控系統在進行重要設備操作時，聯動視頻監控系統對操作過程和關鍵部位進行視頻監視、追蹤；人員定位系統監測到有人員進入非授權區域時，應聯動視頻監控系統進行視頻監視、追蹤等。

（3）智能報警策略包括泵站運行參數、狀態參數的限值報警、變化率限值報警、變化趨勢預警等，各個報警限值應結合設備運行規程要求、機組個性化差異、設備運行時長等因素進行分析確定。

4.2 優化調度和優化運行

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

4.3 智能安全監測

應設置泵站水工建筑物的工程安全監測評估系統，能自動監測、分析和評價泵站水工建筑物的安全狀態，包括泵站廠房地板揚壓力、伸縮縫、沉降、位移等監測量的數據采集、傳輸、處理和存儲功能。具備監測成果數據各類圖形、報表的組態、動態展示和打印功能。具備監測數據時空規律分析、對比統計分析和相關回歸分析等。具備監測量預測預報、監測成果數據異常判別、監測部位或監測斷面異常識別、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，在泵站虛擬的建筑工程三維模型上顯示工程安全監測系統采集的實時數據、歷史數據、多維度時空信息的相關性分析數據，以及建筑物穩定狀態分析評估結果，實現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備的預測性健康管理PHM，對泵站主機、輔機、變配電設備等設備實現狀態檢修及其檢修過程的智能管理。為此，應設置泵站主設備狀態監測評估系統，實現泵站主設備運行過程中的振動、擺度、壓力脈動、溫度、絕緣狀態等狀態數據的采集、特征計算、實時監測、狀態分析、故障數據記錄和故障診斷。能夠綜合利用來自計算機監控系統、振動擺度狀態監測系統、巡檢系統、電氣試驗、定期檢查等多元數據進行設備狀態評價、狀態預測。能夠根據狀態評價結果，結合機組特點、運行時長等進行風險評估，給出是否需要檢修和檢修等級的建議。同時，應對狀態分析評價及其結果利用、狀態評估、維修建議等流程進行管理，包括評價評估的觸發機制、責任人、任務節點的提醒，以及狀態檢修流程的管理。

4.5 智能檢查

智能檢查則是利用智能巡檢設備配合檢查信息管理平臺按照設備管理的定點、定法、定標、定期、定人要求開展檢查工作。智能巡檢設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管理。檢查平臺按時或者由事件觸發啟動檢查流程，提醒檢查人員，并在檢查過程中實現與檢查人員互動，提醒檢查路徑、檢查部位、檢查內容、標準要求等，提供設備的實時運行數據、歷史數據等。建立智能檢查系統可以促進檢查工作的規范化、精細化，巡檢軌跡可追蹤，避免漏檢，為實現狀態檢修提供數據。

4.6 智能管理

智能管理是以設備為對象的基礎數據、運行數據、狀態數據、電氣試驗數據、巡檢信息的全生命周期信息管理，以及基于流程驅動的設備缺陷處理、維修等全流程監控和閉環管理，為水利工程精細化管理提供技術平臺。例如，缺陷處理流程應由在運行監控、巡檢、或者工程檢查時發現設備或者建筑物缺陷的事件時發起。缺陷處理流程應包括缺陷發現、缺陷確認、缺陷處置方案制定、缺陷處理、缺陷消除總結等節點。流轉過程中，需要相關職能部負責人審批審核。維修檢修項目管理流程則包括實施計劃制定和審批、招標和確定施工單位、施工設計和施工組織、開工報告審批、施工過程記錄、質量檢查、項目驗收、竣工總結、竣工決算、資料歸檔等流程節點，最終生成維修項目管理卡。對于需要定時開展的管理工作，應具有自動提醒功能。提醒內容應包括要做的工作、預定時間、應做的準備工作等。應具有系統提示、短信通知等功能［7］。

4.7 數據分析和可視化

數據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控數據、狀態監測數據、檢查數據等，可利用大數據算法對長期積累的機組運行狀態數據進行變化趨勢分析、狀態參數相關性分析、機組優化運行算法建模、設備健康異化狀態評價和預警、建筑物安全穩定性分析。同時，在統一數據平臺和統一監控平臺的基礎上，集中顯示泵站機組、輔機設備、金屬結構設備、變配電設備、閘站水工建筑物等運行數據、狀態參數、趨勢曲線、運行統計分析數據、管理數據和流程等。顯示方式包括水利數字地圖顯示運行狀態、泵站平面圖上顯示設備運行狀態數據、三維圖上顯示機組各個部分的狀態監測參數、閘站水工建筑物剖面圖上模擬顯示監測數據。

4.8 掌上泵站

在掌上電腦和手機通過移動應用APP 進行泵站運行監視、報警通知、視頻監控、移動巡檢、事務流程處理、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，處理相關的運行管理事務。

5 結 語

建設統一共享的數據平臺和研究智能應用是研究智能泵站的兩個核心問題。本文針對智能泵站應實現全面感知、互聯集成、智能應用的建設目標，提出了的基于web的智能泵站系統體系結構，分析了數據平臺的組成，提出了8個智能應用功能要求。開放共享的數據平臺可以有效融合泵站多種監控管理數據。智能監控、智能檢查、智能檢修、智能管理等APP 為實現泵站安全運行、優化運行、預測性檢修、精細化管理等提供了技術保障，促進泵站運行、維護模式的改進。

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