水工机械智能远程运维新模式

于创宇，江 南

(郑州大学机械工程学院，河南 郑州 450000)

水工机械是指在水利工程中，为实现防洪泄洪、调控船舶通航、水资源调配、发电等功能，而使用的金属结构及其动力、控制装置。包括闸门系统、船闸系统、发电系统、升船机系统等。水工机械工作环境恶劣，故障形式复杂，其故障引起的后果往往十分严重且损失巨大[1]。

由于技术及观念等的制约，我国大部分水利工程，对闸门等金属结构的运行监测，仍停留在人工目测阶段。长期的实时在线监测及更多类数据采集和关联并未进行，这也是限制水电站自动化无故障运行的一个关键因素[2]。

随着新一代信息技术的快速发展，以及物联网技术、大数据技术、云计算技术和人工智能技术在工业中的落地应用，水工机械设备的远程运维服务，也具备了进一步实现“数字化、信息化、智能化”的条件，最终达到电站“无人值班、少人值守”的状态[3-4]。

1 水工机械现状分析

水工机械装备属于国家的基础性产业，是人类管控利用水资源的重要工具。水工机械装备在防洪调度、水利发电、引水调配、生态保护方面具有重要的作用，对合理利用水资源及推动经济发展都有着重大意义。

1.1 水工机械基本情况

根据2017年水利发展统计公报，到目前为止，全国已建成各类水库98 795座，总库容9 035亿m3；全国已建成流量为5 m3/s及以上的水闸103 878座，其中大型水闸893座；按水闸类型分，分洪闸8 363座，排(退)水闸18 280座，挡潮闸5 130座，引水闸14 435座，节制闸57 670座。

中国已成为世界上水库大坝数量最多、农田灌溉面积最大、水电总装机容量最大、调水工程里程最长的国家[5]。随着我国“一带一路”战略的实施，“中国水电”更全面地进入国际市场，在“一带一路”沿线国家承建了多个“三峡工程”，如尼泊尔上马相迪A水电站、马来西亚巴贡水电站、苏丹麦洛维水电站等。目前为止，我国在水利水电装备产业方面，已拥有一半以上的国际市场份额。

随着我国水利事业的发展，水利建筑和水工机械也在向巨型化、复杂化、精密化的方向发展。例如在三峡升船机系统中，升船机一次安全运载总重量超过15 500 t，提升高度为113 m，包括：平衡重系统、长螺母柱短螺杆安全系统、齿轮齿条爬升驱动系统、充泄水系统、防撞系统、横向及纵向导向系统、间隙水封闭系统、闸首门及启闭系统等[6]。

1.2 水工机械的主要特征

1)在结构和工作条件上，水工机械装备通常由大型金属零部件和复杂启闭传动系统组成，工作环境恶劣，受动水载荷和振动影响，有些长期在水中工作，并且运动中负载大、惯性力大，工作频次高，对运动的精度和稳定性要求较高。如三峡升船机提升重量达到15 500 t，每年单程动作平均达12 060次，四个驱动爬升点同步精度小于2 mm[7]。

2)故障形式多样。复杂的水文环境、巨大的金属结构件、大载荷条件下的传动系统，使水工机械故障形式多样，系统中构件的变形、失稳、传动系统故障、动力与控制系统问题均会导致系统性的故障，尤其是不确定的动水载荷可能会引起金属构件的强烈振动，甚至共振，使故障的诊断过程更为复杂。

有关统计显示，在病险水库和水电站中，金属结构问题占40%，在病险水闸中占76.7%。影响水工机械安全的因素众多，除本身结构问题、应力问题、动力问题外，还有水文环境引起的腐蚀、动水载荷、振动和变形问题。

3)故障损失巨大。2009年萨扬水电站闸门不能关闭，导致水淹厂房，造成75人死亡，整个水电站被毁，直接经济损失130亿美元；2007年鱼剑口水电站闸门事故，导致水库漫顶1.21 m，造成巨大经济损失。1993年8月青海沟后水库发生溃坝事故，酿成300多人死亡的惨剧。板桥水库闸门故障，泄洪不及时造成垮坝，造成29个县市、1 100万人受灾，直接经济损失达百亿元[8]。三峡船闸启闭机的一次事故至少需要10 d才能完成疏散，曾经造成400余艘船滞留。国内外部分金属结构设备失事实例，见表1。

4)运维成本高且难度大。在大坝和水电站中，每年的定期检查维护,通常需要设置一个月以上的停航停运期，影响了水电枢纽的工作，给通航带来不便。检修维护期间通常需要专业的人员组成的几十人的队伍，在各个设备现场进行轮值，其成本甚至高于设备本身。另外，受人工经验和素质不稳定性的影响，设备的健康状况难以通过人工全面检测和诊断。

长期以来，我国水利工程中的水工设备监控，仍以人工目测检查为主。闸门等设备的应力、变形、门槽水力学参数、启闭力等关键参数并未能进行实时检测，更没有系统的数据积累和数据关系的挖掘、验证。目前，具备长期实时在线监测，具有预报、预警功能的水工金属结构设备安全运行管理系统在国内外还是空白。

2 智能远程运维新模式

传统远程运维技术的研究和应用，主要侧重于信号和数据的采集和处理、智能算法研究以及远程监控方面。而对于水工机械而言，更为重要的是，故障诊断、故障成因分析、衰退过程预测、预测性维护、主动推送建议和预警，通过主动的分析数据进行预测仿真，达到主动维护和接近零故障的目的。

随着物联网、大数据、云计算和人工智能技术的进一步成熟和落地应用，远程运维新模式将能更加系统地解决数据、关联、衰减规律、数学模型、人工交互、辅助决策的问题，将分散的系统与数据打通形成统一体，真正做到智能化运维。

2.1 远程运维新模式

基于新一代信息技术实现水工设备的数字化、网络化和智能化，在此基础上形成异地运行管理、智能诊断和决策维护的远程运维新模式，提升设备的稳定性和可靠性，降低维护成本，减少故障损失，同时全面分析现场设备的工作状况，为设备的全生命周期优化提供数据基础。

实现水工设备智能化监测、分析、维护、优化的远程运维新模式主要包括六大部分。

表1 国内外部分金属结构设备失事实例表

1)数据的采集和融合。广泛地传感器采集系统，并通过接口、集成、数据字典、数据模型等实现多源数据的自动流通和融合。

2)实时动态监测反馈。实时进行数据的采集处理，并建立活动模型，提供人机交互界面、动态图表等实时展示设备状态并提供状态建议和评估，同时可以对故障处理的结果进行反馈。

3)数据驱动仿真故障诊断。建立针对各设备的数学模型，利用数据和模型耦合的方式，通过实时数据进行故障预测和诊断。

4)预测性维护。利用智能算法对各设备建立疲劳衰退模型，通过数据分析实时预测设备的健康状况，对设备主动实施预防性维护优化，从而达到设备的自我维护和近乎零故障的目的。

5)虚拟运维技术。通过机器学习或设备本身属性建立相应的整体式的数值仿真模型，对设备在实时数据获取后进行仿真预测，并对比设备实际状况数据进行修正，达到动态仿真运维优化的目的。

6)行业标准制订。行业企业和用户在构建远程运维系统时因缺乏统一规范，导致系统架构及通信协议各不相同，造成了大量关键技术的重复研究，同时企业在跨平台、跨系统部署设备时面临因没有统一规范而产生的巨大技术难题，导致设备彼此之间形成信息孤岛。因此，制定统一的远程运维标准，对于行业企业和用户将起到指导规范的作用，加快行业的智能化升级，保障设备的安全稳定，同时降低设备及运维的成本。

2.2 智能远程运维实施的迫切性

对水工机械而言，由于其特殊的工作环境和特征，高质量的产品设计只是保障水工机械安全高效运行的一部分，后续的安装调试、运行过程中的基于数据的监测和预测性诊断，对于水工机械的安全性、可靠性有着重要的意义。随着水工机械日益变得庞大和复杂，传统的现场工人维护方式，已经逐渐无法满足水工机械的运维需求，加上专家人才的稀缺及分布不均，难以满足水工机械的运维需求，而对于水工设备安全性和稳定性要求又很高，设备制造厂商和水电管理企业也急需通过有效的远程运维系统进一步提升设备的售后服务、设计质量和管理水平。

现阶段水工机械设备的数据采集处于不均衡的发展状态，新建水库、水电站多采用了先进的设备和技术，传感器及数据采集相对完善，而对于修建时间较早的水库及水电站则数据采集的基础设施相对匮乏，而这些水利工程恰好是更需要进行故障防范和及时预警的。新建水电站的设备往往更加庞大复杂，传统人工维护方式难度巨大，一旦故障产生，损失巨大且维修成本很高，急需有效的远程运维方式解决这些问题。传统远程运维主要关注信号处理、算法研究及远程监控，而对水工设备而言，更需要进行故障诊断、预测性仿真、主动预警及数据的广泛采集融合，因此，传统远程运维的实际使用效果并不好，甚至有些水电站出现了弃用远程运维，改为人工监测的方式。

伴随着我国水电事业的快速发展，中国水电已占据国际水电市场一半以上的份额，更广阔的国际平台对水工设备及安全也有了更高的要求。保证设备更高的安全性、稳定性，依靠传统人工检测或间断性的数据采集，已经无法满足更高的要求。与此同时，形成远程运维行业的标准，促进行业的快速发展，避免关键技术研发工作的重复进行，统一技术规范和模式，对我国水电事业的发展升级也至关重要。

2.3 智能远程运维的先进性

在水工机械设备远程运维的故障诊断方面，国内外还没有完整的针对水工机械故障的监控系统，虽然有相关的采集设备，但是采集信号量还比较少，而且还没有更好地通过接口与相关水工机械设备进行交互。对于数据的处理，已有专家系统，但是无法实现故障诊断经验的网络共享，即无法实现诊断知识的重用。在预警方面，已经有较完善的预警系统，但有时不能及时进行故障状态的推送，对故障的分析不够全面。在数据分析方面，能够进行实时对数据进行监控，但是无法准确地对故障发展过程进行评估。

在运维仿真方面，传统远程运维仿真主要针对部分机构进行开发设计、机构动作、安装调试等方面的模拟仿真，主要用于设备的安全风险评估，以水工机械的实际机电设备为依托，来实现机械设备的主要机构的动作模拟。智能远程运维提供了整个水利工程中机械设备的运行仿真系统，集运行工艺、数据监控、故障报警等功能于一体，并且具有良好的人机界面，依托于水工机械设备的监控系统文件，随着运行经验的增加，运行仿真系统的模拟试验将会更加接近真实[9]。

2.4 智能远程运维预期解决的重大问题

1)系统通用性。构建智能远程运维系统时，要使用开放性的基于标准的协议、平台、工具和方法，形成远程运维服务和技术的系统标准，实现更加透明规范，促进水工机械远程运维的快捷高效。

2)智能预测。基于数据采集系统采集来的实时数据及历史数据，通过构建的数据模型、知识库、专家系统结合机器学习算法，对设备的状态及故障进行有效的预测和智能决策，并构建出友好的人机交互模式。

3)运维智能化。将物联网、大数据、云计算、仿真预测和人工智能技术广泛地应用到水工机械远程运维中，更加深度的推进远程运维的自动化、信息化、智能化，实现装备的“无人值班，少人值守”。

4)信息实时传递。将制造企业制造信息、产品运行信息、用户需求信息实时传递给制造企业，以便进行设备的改进设计和功能优化。

5)主动维护。实现基于主动维护理念的智能维护，通过广泛的信号采集，数据关联、分析，性能衰退过程建模，数据驱动仿真分析，应需式监测等技术实现运维的优化，体现主动维护的理念，达到近乎零故障的目的。

3 结 语

水工机械装备的安全运行是保障水库大坝安全运行的首要条件。伴随着我国水电工程技术达到国际领先水平，水工机械也在向巨型化、复杂化、精密化的方向发展，加之复杂的水文环境的影响，传统人工目测或间断性的采集监测已无法满足水电厂安全和自动化运行的要求。智能远程运维新模式基于水工机械远程运维现有部署状态，对远程运维系统中的通用性、数据采集、状态监测、故障诊断、知识库、预测维护、虚拟运维等方面的关键技术问题进行规范和研究，指导智能远程运维的高效实施，进一步实现水电站“无人值班、少人值守”自动化运行目标，助力中国水电的智能化升级。