闸门及启闭机智能运维系统在陆浑水库的应用

赵留香

(河南省陆浑水库管理局，河南 洛阳 471003)

1 项目研究的必要性

陆浑水库位于黄河流域伊河支流的河南省嵩县境内，总库容13.20亿m3，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、城市供水等综合利用的大(1)型多年调节水库。水库于1959年12月开工,1965年8月建成。主要建筑物由大坝、输水洞、泄洪洞、灌溉洞、溢洪道及总装机容量12 200 kW的水电站组成。

陆浑水库输泄水建筑物较多，闸门和启闭机不仅种类齐全，而且数量众多(水库和灌区中型以上各种水闸多达90余套)。未来通过灌区向郑州输水的“西水东引工程”，要求水库以“常流水”的方式向郑州市供水，无疑加大了闸门和金属结构的管理任务。通常闸门和启闭机金属构件变形、疲劳或启闭传动故障等均会形成系统故障，尤其是不确定的动水载荷激振和腐蚀作用，更使设备故障模式复杂且难以预测。因此，为满足水工机械装备高负荷、高频率运行安全管理，实现闸门与启闭机运行过程动态监测和故障智能分析研究是十分必要的。

2018年国家工业和信息化部、财政部联合批准了《水工机械装备远程运维标准研究与试验验证项目》研究，郑州大学机械与动力工程学院作为标准化研究制定牵头单位，联合国内十余家相关研究单位在近三年开展了大量基础研究工作，并于2020年底完成中国水利水电工程水工机械装备远程智能运维标准化制定。在陆浑水库溢洪道三孔弧形工作闸门及启闭机开展远程智能化运维系统研究和应用，是项目组选定的第一批实现水工机械装备物联网运行管理的工程项目。项目组课题研究、开发单位，通过对国内水工机械安全运维领域相关技术应用的细致调研，结合下一步国家对水工机械装备远程智能运维标准化的要求，在2019年7-12月现场开展大量方案规划设计的基础上，开展了《陆浑水库闸门及启闭机远程智能运维系统研究》。

2 研究的目标和任务

项目的研究目标，是通过物联网技术和大数据分析模型构建闸门和启闭机智能运维系统，用在线监测和运行仿真代替人工目测，用智能诊断和决策代替人为的经验，用户主动预测维护代替定期维护，以实现水工机构装备运维的现代化。

研究任务，基于新一代信息技术，实现运行设备的数字化、网络化和智能化，形成在线监测、智能诊断和维护决策的安全新模式，提升机械装备运行的可靠性和稳定性，减少故障发生，降低故障损失和维护成本，保障工程的运行安全，也为设备设计及制造工艺改进优化提供大数据服务。

3 主要技术指标

陆浑水库闸门及启动机远程智能运维系统研究，重点实现和解决以下关键技术问题：

3.1 在线监测数据采集分析与集成技术

通过现场布设传感器、信号传输线路和后台数据库，基于物联网技术实现监测数据接口、集成等多数据源集成与自动流动，并在时间、空间上建立多数据源相关关系，为大数据分析提供支撑。

3.2 设备运行动态状态监测技术

建立设备运维状态监测的活动模型，通过人机交互界面、动态图表等形式展示设备的实时运行状态，同时也可以对设备故障处理等运维操作的结果进行管理和控制。

3.3 故障诊断技术

利用数据驱动和模型驱动耦合的方法，建立故障诊断预测的可靠模型和知识库，率定各类监测要素的预警值，实现发生故障的在线分析与预警实时发布。

3.4 预测性维护技术

基于主动维护思想，利用大数据、智能算法对设备性能衰退过程预测分析，预测设备或结构使用寿命等，使设备安全维护达到预防性要求。

3.5 信息服务技术

以工程建筑、闸门和启闭机的三维可视化为基础，进一步在软件系统中实现监测数据、分析数据、预警信息的渲染表达显示；基于云计算、移动互联、智能终端等先进应用技术，实现远程信息服务和多终端信息显示。

4 技术路线及主要实施内容

项目主要实施内容与技术线路，包括了在线实时监测、智能诊断分析、仿真显示分析服务三大部分，详见图1。

图1 项目实施主要内容及技术路线图

5 技术方案

5.1 基于物联网的数据采集分析与应用集成

实现对水工机械装备的全生命周期的动态信号采集和分析，远程运维要求智能设备能够自动、快速的接入，并解释物理单元中的数据(包括格式和语义)，实现互联互通和互操作，必须时刻保持连接在线，否则无法实时采集状态数据和进行远程控制。工业物联网网关能够实时监测所连接智能设备的在线状态，并维持跟智能设备的连接。工业物联网网关可以实时将智能设备的连接状态上报给数据层，进行稳态、动态数据的采集，在设备远程故障诊断系统中，实现实时监控以及在线调整，如图2所示。

图2 装备状态参数实时监测图

5.2 闸门及启闭机运行状态在线监测

在闸门和启闭机性能监测、运行可靠性监测、启停监测技术研究的基础上，在线获取数据采集单元和监控单元的输出，终端上显示设备运行状况和自我诊断信息。

结合其他各种控制程序以及第三方应用数据，构建动态自适应监测与托管服务系统，实现水工机械装备的局部监测托管、整机性能托管与异常服务托管。

通过网络获取信号采集，结合实时监测数据和历史监测数据，研究提供从局部到整机、从暂态到长周期的多种实时状态评估工具，自动辨识异常并发出报警，从而保障水工机械装备的安全生产，提高服务水平。

5.3 传感器布设

此项目在陆浑水库溢洪道进口的三口弧形工作闸门进行试验研究，在闸门和启闭机上布设各类传感器，实时采集闸门、启闭机运行监测数据。

5.3.1 实时在线应力监测

在闸门及启闭机的主要受力构件不同位置上布置应变片，在闸门及启闭机受力发生变形后，应变片采集不同位置的应变，将应变数据传输给应变计，通过补偿平衡电桥，应变放大器和电荷放大器将不同位置的应变数据传输给处理器，处理器根据所采集的数据进行滤波、清噪、平均、回归等后处理得到各测点、各方向的应变实测值，根据实测应变计算出相应的应力值。

5.3.2 实时在线变形监测

在弧形工作闸门上选取合适的标志点，布置具有夜视红外功能的工业相机，在闸门启闭和受到水流震荡时，通过近景摄影测量技术，采用线中心投影的推扫方式，进行垂直位移观测和水平位移的观测，监测不同标志点的静态变形和动态变形情况。将不同位置的变形图片传输给处理器，处理器再根据所采集的图片进行相机检校、特征点、线的标定、影像匹配等处理后得到各测点、各方向的三维坐标。最终像方、物方点的一系列坐标变换成像，得到主要设备的实时立体三维模型，经过对比和放大处理，根据弧形工作闸门及启闭机结构形式和受力特点得到几何变形数据。

5.3.3 实时在线动力响应监测

在弧形工作闸门上不同位置安装加速度计，在闸门启闭以及受到水流冲击时，加速度计采集到不同位置的正弦振动和随机振动数据。将不同位置的振动数据传输给处理器，处理器再根据所采集的数据进行滤波、清噪、平均、回归等后处理得到各测点、各方向的振动实测值，根据实测值以及金属结构的共振频率和共振点，计算工作闸门在不同运行工况下水流脉动压力诱发的振动应力、振动位移。

5.3.4 实时在线启闭力监测

在闸门及启闭机的合适位置布置压力传感器、闸门开度传感器(光电编码器)、浮子式水位传感器，监测启闭力数据。包括闸门在实际挡水水头下的启门力、持住力、闭门力、最大启门力、最大持住力、最大闭门力。将不同位置的启闭力数据传输给处理器，处理器再根据所采集的数据进行滤波、清噪、平均、回归等后处理，得到各测点的启闭力实测值，根据实测值绘制出相应的启闭力过程线。

5.4 基于知识库的故障诊断和预测性维护分析

基于知识库实现健康状态评估技术和动态诊断技术研究，依托业务库、数据库、用例库和知识库，围绕设备健康状态管理、分析诊断，实现水工机械装备的全生命周期诊断服务。

水工机械装备的健康状态评估，主要利用非线性知识挖掘和推理技术，对装备的远程监测数据、历史数据(尤其是机组故障突发前后的原始数据)等进行分析，找出其中的关联规则，融合多种信息对机组系统运行状况做出评估。

水工机械装备故障诊断与预测分析功能架构如图3所示。

图3 故障诊断与预测分析功能架构图

水工机械装备的故障诊断分析则是综合数据库访问、信号分析等方面技术，构建基于虚拟仪器的诊断分析平台，实现基于运行状态的动态诊断分析。大数据，模型和算法是进行知识发现的重要手段，建立设备评估模型和故障预测模型，最终基于数据驱动的预测诊断实现设备智能运维。

预测性维护分析研究，可以确保闸门和启闭机产品符合设计容差，提升产品的生产的质量，同时也将考虑过于频繁的预防性维护会受到制造商保修要求的限制，增加系统的停机时间，对可用性也会有负面影响。

6 研究成果及意义

通过研究和实际运用表明，该系统在工程与金属结构设备三维数字化孪生平台、运行状态监测及异常预警/报警、故障诊断与分析、健康诊断与预测性维护、虚拟运维与运行仿真、远程运维知识库、运维过程管理等功能应用方面，使用效果良好、达到预期效果，同时帮助陆浑水库实现了常态运行数据的积累，为保障设备的常态、稳定、可靠运行起到了积极的作用，提升了管理效率、运维响应及处理效率，提升了水库设备数字化运维及管控能力，具有很好的实用性和推广应用价值。该研究项目的成功试验和推广应用，不仅可对全国水工机械进行高效地智能化全方位监测，最大限度地防范和控制运行风险。同时，对水利工程补短板、水利行业强监管和促进水利工程现代化管理，具有十分重要的意义。

7 系统的发展方向和发展空间

7.1 进一步提升基于专家系统的异常维护过程智能决策能力

在系统运行过程中，一方面，进一步加强系统故障诊断及预测性维护模型的优化，立足国家智慧水利建设目标，面向水工机械装备智能远程运维，在“数字孪生、AR/VR”、“5G+数字化水电站”等方面持续拓展应用，实现创新技术应用示范；另一方面，在工程运行及管理过程中，基于系统的实施，实现人工巡检、定期检测、故障异常及处理方式等人员经验、方法的数字化转化与知识经验沉淀，进一步提升基于专家系统的异常维护过程智能决策能力。

7.2 全面推广实施系统，提升整体工程安全运行及数字化管理能力

下一阶段，推进水工机械装备智能运维系统在陆浑水库、灌区闸门、启闭机等设备的全面普及及推广实施，提升整个工程安全运行及全局数字化管理能力。