水利工程设备智能监控与诊断系统分析

李庆涛，高 鑫，顾霄鹭

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

南水北调东线山东段工程运行管理具有管理机构地域分布广、层次多，管理内容复杂的特点[1]，为提高管理效率，需借助先进的科学技术手段，使管理信息及时、准确的上传下达，确保工程平稳运行[2]。针对各类工程设备故障，应采取有效的诊断措施。设备故障诊断的基本内容大致可分为以下几个方面：信号获取、特征参数提取、工况状态识别及故障诊断及预测[3]。当前水利工程中设备的运行监控工作需进一步加强对水利工程中设备的智能运行监测分析，强化预测性维护，以确保设备正常运行，提高设备的利用率，从而提升水利工程的经济效益与社会效益。

1 研究目标与内容

1.1 研究目标

设备监测与在线诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及原因，并能预报故障发展趋势的技术。随着现代科学技术不断进步和发展，尤其是监测技术、计算机技术的迅速发展和普及，设备的监测与在线诊断技术日趋成熟。针对南水北调东线山东段工程自动化、信息化建设现状，研究智能监测与在线诊断分析技术，搭建平台实现工程运行监测数据挖掘关联性分析，开发智能监测分析软件，探索监测数据之间的关联模型，找出存在的可能异常点，可为实现工程运行监测数据模型建立、预测及故障诊断提供技术支撑。

1.2 研究内容

1）监测数据之间的关联性。数据关联性分析是一种简单、实用的分析技术，其核心是通过大数据分析，获取数据间关联性或相关性，从而描述了一个事物中某些属性同时出现的规律和模式。通过数据关联性分析，可以明确设备运行监测数据之间的关系，建立数据关系模型。

2）关联性监测数据的拟合曲线。通过运行监测数据之间的关联性分析，以及形成的曲线拟合结果。充分考虑各种工况因素对数据关联性分析的影响，采用特定工况条件下，对监测数据进行组合分析的方式，以达到分析结果的准确性、合理性。

3）基于拟合曲线的离群点检测。根据所形成的拟合函数，针对不在该拟合函数对应拟合曲线上的点，计算该点与对应拟合函数上的点之间的距离标准差，该距离标准差超出允许范围的，即离群点。离群点即可视为可能异常点。

2 智能监控与在线诊断分析

2.1 技术架构

智能监控与在线诊断分析技术研究架构分为设备层、接入层、数据层、服务层、应用层5 个层级。基础设施层主要包括服务器、存储设备、操作系统、网络设备、监测站等软硬件相关设施，用于支撑平台环境搭建及部署使用。采集传输层采集实时及历史监测数据，部分业务数据可通过人工录入方式进行数据采集。基础数据层包括实时监测数据、设备基础资料、历史监测数据、其他基础数据库，数据层通过采集到的业务及监测数据等信息保存至服务器或数据库，并提供对系统的权限、日志的管理，提高系统安全性。服务层主要包括应用服务、数据交换服务、数据挖掘、大数据处理服务。应用服务层是系统的核心层，各项功能均由服务层的业务单元模块来实现。应用服务层主要包括设备管理、维修记录管理以及在线诊断分析。

2.2 运行监测与在线诊断分析系统

智能监控与在线诊断分析系统根据工程运行中监测的大量历史数据进行散点图分布，然后基于离群点监测相关技术，对监测数据进行正态分布，并形成多个两两参数关系的曲线拟合函数。监测过程中会将实时数据与这些已经拟合好的函数进行比较。正常的数据与相关的拟合函数相吻合，异常数据会偏离函数，在界面上形成离群点，从而触发异常数据报警。报警信息会根据该数据所偏离的拟合函数，显示可能影响数据异常的各类参数。运行人员可根据报警信息给出的内容有针性地进行问题原因排查，有助于及时发现并解决问题。

2.3 系统功能

1）设备管理。通过建立设备台账对各工程设备基础信息进行管理，包括设备添加、修改、删除等维护功能和查询功能。设备维护信息包括基本信息、设备技术参数。基础信息包括设备编号、名称、类型、分类、供应商、联系方式、安装时间、购买时间、质保期、使用寿命等信息；设备技术参数信息根据不同设备类型进行信息维护。

2）维修记录。维修记录是对设备维修的历史记录的汇总，有利于分析设备状况，是快速查找故障，缩短维修时间的重要保障。维修记录主要包括维修单号、设备名称、维修类型、下单人、下单时间、处理意见、维修情况说明、维修完成时间等信息。

3）在线诊断分析。智能监控与在线诊断分析系统以监测数据关联性分析为核心，提供可视化的数据关联性分析，实现在良好的交互性界面中分析与明确监测数据之间是否有关联以及影响程度。运用数据挖掘关联性分析技术明确各监测数据之间的关联性，有助于进行数据建模、预测性分析，故障诊断，实现科学管理、合理使用、预知检修和安全运转。通过数据生成的曲线拟合关系，找出离群点，及时发现设备运行过程中所出现的各类隐患、问题，并快速定位问题原因切入点。

4）系统管理。系统管理是整个系统的后台管理入口，为系统管理员机构用户、系统设置及日志查询等操作。机构用户管理包括账号管理、人员管理、机构管理和区域管理4 个部分，系统设置模块包括菜单管理、角色管理及字典管理3 个模块。平台为各类用户提供登录账号，账号作为用户使用该平台的唯一认证，账号管理为系统管理员提供了管理整个平台用户账号的管理，模块通过树状形式展示平台所有用户的组织架构，用户可以在该模块实现用户账号的新增、查询、信息修改及账号删除。

3 结 语

本文基于南水北调东线山东段工程现状，研究水利工程设备智能监控与诊断分析技术，通过设备运行数据的关联性分析，生成拟合曲线，找出离散点，为设备运行状态及故障诊断提供依据，目前完成设备故障诊断的单一维度分析技术研究，没有将业务维度纳入研究范围内，因此有一定的针对性，研究成果的应用推广可能会受到一定限制。后期需要结合本次研究成果和实际业务信息，从多维角度进一步深化设备健康诊断技术研究。