智能泵站研究

唐鸿儒，赵林章，朱正伟，刘 军，樊锦川，钱 江，包加桐

（1.扬州大学电气与能源动力工程学院，江苏扬州 225009；2.江苏省泰州引江河管理处，江苏泰州 225321；3.南水北调东线江苏水源有限责任公司，南京 225321）

1 概 述

水利部“关于促进智慧水利健康发展的指导意见”指出全面促进智慧水利健康发展，是当前和今后一个时期水利改革发展的重中之重［1］。水利部发布的《智慧水利总体方案》［2］标志智慧水利建设进入实质性研究和探索实践的新阶段。智慧水利是应用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，对水利对象及水利活动进行透彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务，促进水治理体系和治理能力现代化的新理念和新模式［3］。智能泵站建设是实现智慧水利的基础和数据源头之一，是智慧水利的典型应用。智能泵站是利用先进测量、工业互联网、数据融合、人工智能、大数据等技术实现在统一数据库和统一运行维护管理平台上的泵站多系统智慧联动、优化运行、主设备预测性检修、工程安全自动评估、智能检查、智能管理等，保障泵站安全、高效、经济运行和标准化、精细化管理。

智能泵站建设目标包括：①实现泵站的设备状态、人员、管理过程的感知；②实现多种网络协同的可靠传输；③实现泵站基础数据、运行数据、机组状态监测数据、工程安全监测数据和管理数据等多元数据融合、交换和分发；④实现监控系统、视频监视系统、机电设备状态监测系统、智能巡检机器人、巡检无人机、安防报警等智慧联动；⑤实现泵站运行智能监控、优化调度运行、状态检修、智能管理；⑥实现基于大数据分析的泵站安全运行优化模型、经济运行优化模型等模型的知识积累和改进，并以形象直观的集中显示、三维动画显示；等等。

根据智能泵站建设目标，本研究开展了智能泵站体系结构研究，分析提出了数据资源共享和典型智能应用的要求。

2 体系结构

按照智慧水利建设提出的“透彻感知、全面互联、智能应用、泛在服务”的要求，以及《水利信息化资源整合共享顶层设计》提出的“一张图、一个平台、一个数据库、一个门户、统一身份认证”的目标［4］，研究提出了如图1 所示的智能泵站体系结构，由感知层、通信层、数据层、应用层和用户层组成。

图1 智能泵站体系结构Fig.1 Architecture of intelligent pump station

感知层是利用各种传感器、数据采集装置、自动控制装置、智能终端设备等获取的数据，实现泵站设备、人员、管理状况的感知。这些数据包括来自泵站计算机监控系统、微机保护系统、视频监视系统、机电设备状态监测系统、工程安全监测系统的数据，以及智能机器人巡检结果、人工巡查/电气试验/设备评级等录入的数据、实时水情雨情水质等共享数据，等等。

通信层实现泵站运行管理的多种系统的通信互联，包括现场测控专网、管理网络、wifi、Internet、4G/5G/NB-IOT等。

数据层是泵站统一的数据平台，实现泵站调度运行管理数据采集、存储、处理、分发等功能。存储的数据包括泵站和机组的运行和状态数据、视频、管理数据、工程和设备的基础数据库、职工数据库等。数据处理功能包括数据整合、数据融合、数据分析、统计分析等。数据交换是实现与上级调度管理部门的数据库或者其他应用系统之间的数据交换。数据分发则是按照泵站设备类型、以及应用需求组织数据，按照预定的格式和刷新频率准备数据，供不同的应用定制。

泵站数据还应按照《江苏省水利信息资源目录》中关于泵站的运行、维护和管理数据要求将泵站基础信息、运行信息等存入“水利云（省水利数据中心）”。

应用层是由各种智能应用APP 组成，包括智能监控、优化调度和运行、智能安全监测、智能检修、智能检查、智能管理、数据分析和可视化、掌上泵站等智能应用，是智能泵站的核心。

用户层是泵站运行维护管理的用户界面，以Web 网页或者移动APP 的方式提供各种应用服务。用户可以包括泵站运行管理人员、维检人员、设备制造商专家、上级管理部门专业人员、研究院和大学研究人员等，但应赋予相应的权限。

3 泵站数据平台

针对泵站目前存在泵站计算机监控系统、微机保护系统、视频监视系统、泵站信息管理系统、泵站设备状态监测系统等多系统常常不能协同工作、数据不能共享的问题［5］，研究和建立统一的数据平台是实现泵站智能安全运行和管理的首要任务。建设数据平台应按对象或活动为实体存储和管理泵站数据，与一个对象或活动相关的所有信息应建立统一的关联。通过多种数据接口将来自泵站监控系统、微机保护系统、状态监测系统、信息管理等异构数据进行集成和融合。建设数据平台包括以下几部分内容：

（1）数据建模。按照泵站的工程类型、设备类型等进行建模，按照对象组织数据存储和管理，实现泵站、水闸等水利设施和各种设备的基础数据、运行数据、状态数据、管理数据等多元数据的存储和管理。

（2）异构系统的数据采集和整合。目前泵站有多种类型数据采集、监控系统、智能终端，采用了控制网络、3G/4G/5G、NBIOT、wifi等多种形式的通信方式，数据格式多样，应采用统一数据平台实现多种异构系统的数据采集，并按照工程、设备等对象进行数据整合、融合和存储。

（3）智能存储策略。除设备的基本信息、管理信息外，设备的运行数据、状态数据应采用智能存储策略，即正常情况下存储数据时间间隔大，出现状态异常事件时增加采样密度。

（4）数据共享发布。按照泵站的工程类型、设备类型、以及按照不同应用订阅的组织要求组织数据，按照预定的格式和刷新频率准备数据，供不同的应用APP使用。

4 智能应用

研究和开发泵站智能应用APP，实现泵站安全运行、优化运行、优化调度和管理，是智能泵站建设的核心任务。

4.1 智能监控

智能监控可以包括泵站机组智能控制、安全联动、智能报警等。

（1）智能控制。是实现水泵机组开机、停机、以及意外（事故）停机过程的全流程自动顺序控制和运行工况的自动调整，包括自动采集判断主辅机及其变配电设备的状态和参数，自动投切主辅机和变配电设备，并在开机和运行过程中能够根据优化调度指令自动调节转速、水泵叶片角度等。

（2）安全联动。在优先保护人员和设备安全的前提下，合理规划联动策略，实现计算机监控系统、微机保护系统、机组状态监测系统、视频监视系统、智能巡检机器人、通风采暖、安防报警、人员定位系统等之间的联动。当联动策略触发条件满足时，能自动发出联动控制指令至相应联动对象。联动应不影响各联动对象自身的正常运行，任意联动对象故障应不影响其他联动对象的正常运行［6］。涉及保护设备和人身安全的系统之间联动信息传输应采用硬接线。发生联动时应记录整个联动过渡过程，并以声、光、文字、图形方式显示联动触发的原因、联动动作的结果、以及联动前后设备状态的变化等信息。

例如，在机组状态监测系统检测到水泵机组发生振动严重超标、或者发生异响时，应及时发信号给计算机监控系统，由计算机监控系统控制机组停机或调整运行工况；同时，发联动命令给视频监控系统，控制摄像头对准发生振动超标或者异响的机组或者部位，并将主监视画面切换至相应视频信号。其他需要联动的情况可能包括：微机保护系统与计算机监控系统、视频监控系统的联动；计算机监控系统在进行重要设备操作时，联动视频监控系统对操作过程和关键部位进行视频监视、追踪；人员定位系统监测到有人员进入非授权区域时，应联动视频监控系统进行视频监视、追踪等。

（3）智能报警策略包括泵站运行参数、状态参数的限值报警、变化率限值报警、变化趋势预警等，各个报警限值应结合设备运行规程要求、机组个性化差异、设备运行时长等因素进行分析确定。

4.2 优化调度和优化运行

对于具有多座泵站的水利枢纽工程和梯级泵站应设置优化调度系统，在满足调水总量、调水时长等调度要求的情况下，能够根据最大调水量、最短调水时间、最大经济效益等优化目标，考虑每个泵站机组设备状态、运行时长、机组效率、峰谷电价等因素，进行优化调度模型计算，给出每个泵站每台机组的开机时间、开机时长、开机台数。对于单座泵站，应建立上下游水位、水位差与水泵机组叶片角度、功率、效率、流量的关系模型，在满足调度要求的前提下根据泵站或者机组最高经济效益、或者最大流量、或者最大抽水量等优化目标进行水泵机组运行开机台数、叶片角度、机组转速等优化运行调节控制。

4.3 智能安全监测

应设置泵站水工建筑物的工程安全监测评估系统，能自动监测、分析和评价泵站水工建筑物的安全状态，包括泵站厂房地板扬压力、伸缩缝、沉降、位移等监测量的数据采集、传输、处理和存储功能。具备监测成果数据各类图形、报表的组态、动态展示和打印功能。具备监测数据时空规律分析、对比统计分析和相关回归分析等。具备监测量预测预报、监测成果数据异常判别、监测部位或监测断面异常识别、泵站整体安全状况综合评估及维修决策建议功能。建立泵站、水闸的水工建筑物的BIM 系统，在泵站虚拟的建筑工程三维模型上显示工程安全监测系统采集的实时数据、历史数据、多维度时空信息的相关性分析数据，以及建筑物稳定状态分析评估结果，实现泵站水工建筑物全生命周期管理。

4.4 智能检修

智能检修是在泵站实施主设备的预测性健康管理PHM，对泵站主机、辅机、变配电设备等设备实现状态检修及其检修过程的智能管理。为此，应设置泵站主设备状态监测评估系统，实现泵站主设备运行过程中的振动、摆度、压力脉动、温度、绝缘状态等状态数据的采集、特征计算、实时监测、状态分析、故障数据记录和故障诊断。能够综合利用来自计算机监控系统、振动摆度状态监测系统、巡检系统、电气试验、定期检查等多元数据进行设备状态评价、状态预测。能够根据状态评价结果，结合机组特点、运行时长等进行风险评估，给出是否需要检修和检修等级的建议。同时，应对状态分析评价及其结果利用、状态评估、维修建议等流程进行管理，包括评价评估的触发机制、责任人、任务节点的提醒，以及状态检修流程的管理。

4.5 智能检查

智能检查则是利用智能巡检设备配合检查信息管理平台按照设备管理的定点、定法、定标、定期、定人要求开展检查工作。智能巡检设备可以包括便携式智能巡检仪、手机、智能安全帽、智能机器人、水下机器人、无人机等，可以通过机器视觉识别、红外测温、自动拍照、路径和检查点提示、拍照和检查结果上传等功能。检查信息管理平台能对泵站检查的全流程闭环管理。检查平台按时或者由事件触发启动检查流程，提醒检查人员，并在检查过程中实现与检查人员互动，提醒检查路径、检查部位、检查内容、标准要求等，提供设备的实时运行数据、历史数据等。建立智能检查系统可以促进检查工作的规范化、精细化，巡检轨迹可追踪，避免漏检，为实现状态检修提供数据。

4.6 智能管理

智能管理是以设备为对象的基础数据、运行数据、状态数据、电气试验数据、巡检信息的全生命周期信息管理，以及基于流程驱动的设备缺陷处理、维修等全流程监控和闭环管理，为水利工程精细化管理提供技术平台。例如，缺陷处理流程应由在运行监控、巡检、或者工程检查时发现设备或者建筑物缺陷的事件时发起。缺陷处理流程应包括缺陷发现、缺陷确认、缺陷处置方案制定、缺陷处理、缺陷消除总结等节点。流转过程中，需要相关职能部负责人审批审核。维修检修项目管理流程则包括实施计划制定和审批、招标和确定施工单位、施工设计和施工组织、开工报告审批、施工过程记录、质量检查、项目验收、竣工总结、竣工决算、资料归档等流程节点，最终生成维修项目管理卡。对于需要定时开展的管理工作，应具有自动提醒功能。提醒内容应包括要做的工作、预定时间、应做的准备工作等。应具有系统提示、短信通知等功能［7］。

4.7 数据分析和可视化

数据平台中按照对象建模和按照智能存储策略存储的水泵机组运行监控数据、状态监测数据、检查数据等，可利用大数据算法对长期积累的机组运行状态数据进行变化趋势分析、状态参数相关性分析、机组优化运行算法建模、设备健康异化状态评价和预警、建筑物安全稳定性分析。同时，在统一数据平台和统一监控平台的基础上，集中显示泵站机组、辅机设备、金属结构设备、变配电设备、闸站水工建筑物等运行数据、状态参数、趋势曲线、运行统计分析数据、管理数据和流程等。显示方式包括水利数字地图显示运行状态、泵站平面图上显示设备运行状态数据、三维图上显示机组各个部分的状态监测参数、闸站水工建筑物剖面图上模拟显示监测数据。

4.8 掌上泵站

在掌上电脑和手机通过移动应用APP 进行泵站运行监视、报警通知、视频监控、移动巡检、事务流程处理、及时通信等，以便泵站运行、维护和管理人员能够随时随地掌握泵站机组运行状态，处理相关的运行管理事务。

5 结 语

建设统一共享的数据平台和研究智能应用是研究智能泵站的两个核心问题。本文针对智能泵站应实现全面感知、互联集成、智能应用的建设目标，提出了的基于web的智能泵站系统体系结构，分析了数据平台的组成，提出了8个智能应用功能要求。开放共享的数据平台可以有效融合泵站多种监控管理数据。智能监控、智能检查、智能检修、智能管理等APP 为实现泵站安全运行、优化运行、预测性检修、精细化管理等提供了技术保障，促进泵站运行、维护模式的改进。

但是，智能泵站建设是一个长期研究和逐步深入细化完善的过程，必须有长期的规划，有包括泵站运行维护管理人员参与的多层次和多学科的研究队伍，进行体系架构开放、技术先进的顶层设计，再以核心应用需求驱动，以点带面逐步展开。在持续研究和实践中积累经验，逐步深入细化，以期适应各个泵站的差异性和独特性，保障泵站安全和经济运行。