水资源取水监测远程故障诊断技术研究——以安徽省为例

王铭铭

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，230094，合肥)

一、背 景

安徽省水资源总量784.9亿m3，境内虽有长江、淮河及新安江三大水系，但全省人均水资源占有量较低，且水资源分布不均，制约着安徽省的经济社会发展。据统计，2017年安徽省人均水资源量为1 254.88 m3，约为全国人均水平的1/2，皖北平原区水源主要以地下水为主，人均水资源占有量更低。近年，淮北平原浅层、中层及深层地下水水位逐年降低，漏斗面积逐年增加，安徽省水资源管理面临形势依然严峻。

实行最严格水资源管理制度，是促进发展方式转变的战略举措。最严格水资源管理设立了水资源开发利用控制红线，水资源取水监测则是红线管理的必要手段。安徽省依托省、市、县各级开展水资源取水计量监测项目，目前已建设完成1 900余处取水监测点，监测站点分布在全省16个地（市）105个县（区），地域覆盖范围广、涉及专业性强，运行管理较为困难。随着国家水资源监控能力建设二期及省、市、县水资源取水监测项目的持续推进，取水监测规模持续加大，监测设备故障巡查与维护工作量日益增大，依靠原始的人力很难保证系统的正常运行。目前，水资源取水监测站点运维管理只能采用人工巡查、现场维护的方法，时效性、经济性均无法满足用水户管理要求，严重影响国家取水总量红线控制战略和最严格水资源管理制度的实施。

为此，开展了水资源取水监测站远程故障诊断技术研究，基于对安徽省水资源取水计量监测故障大数据的长期研究，利用物联网、云平台等技术手段，结合取水计量监测站点自身软硬件资源，创新设备运行状态采集方法和故障分级诊断方式，实现对取水监测设备故障的准确诊断、及时预警与维护，从而提升水资源监管能力。

二、取水监测故障分类

基于取水监测站故障发生类型，可将取水监测故障源分为硬件设备故障、设备断电故障及监测数据故障三类。其中，硬件故障主要为计量、监测、传输、供电等硬件设备故障导致站点无法正常运行的故障；设备断电故障主要是站点所在区域断电或因管理人员误操作导致设备供电切断无法正常工作的故障；数据故障则是因计量数据传输信号干扰等因素，导致计量采集数据、系统展示数据等与实际取水数据存在差异的故障。

1.硬件设备故障

水资源取水监测系统主要包括计量设备、供电设备、遥测终端、无线传输、监测平台等部分，其中遥测终端采集计量读数并进行预处理，无线传输模块传输遥测端采集的数据，监测平台主要完成监测数据的采集及分析处理。监测站硬件设备维护是水资源取水监测系统运维的重点任务，根据状态监测主体不同，取水监测硬件故障可分为计量设备故障、监测设备故障、传输设备故障、供电故障等。

2.设备断电故障

水资源非农业取水监测站点均建设于取水户管理区域，多由取用水户提供常备电源。因此，在日常运维管理中，站点所在区域断电、管理人员误操作断电甚至用水户故意断电等原因导致设备供电切断等情况时有发生，是水资源取水监测站运维管理的重要故障之一。

3.数据异常

在实际应用中，取水数据在计量、采集、传输、处理等环节均会产生异常，计量失准、采集数据错判、传输数据丢失、数据跳变、流量数据归零等原因均会导致系统取水数据异常。

根据对运行维护数据的统计分析，2018年6—12月，安徽省1 900余处水资源非农业取水监测站平均故障率约为6.67%，断电故障占比最大，约为4.39%，其次为设备故障，约为1.32%，数据故障最少，约为0.86%。

三、取水监测三级故障信息采集

水资源取水监测站故障信息的获取是实现远程故障诊断的基础。要实现对设备运行状态的监测，需要对设备运行中产生的特征信号进行采集、变换、传输、显示和存储，为故障诊断系统提供基础数据。常规情况下，运行状态信息需通过现场的传感器或采集器采集，并配置传输终端将故障信息传输至监测中心。但水资源取水监测站已配备遥测终端（RTU）及无线传输模块（GPRS），二者均可实现设备运行状态的采集与传输。因此，利用监测站自身配置的RTU及传输设备实现对站点运行状态的监控和传输，可有效节约故障采集的成本，有利于技术的推广应用。

不同故障种类的诊断方式各有不同。数据故障信息可通过对取水监测数据的解析实现故障诊断，而硬件设备故障和断电故障则需现场采集设备信息及供电运行状态才可诊断。综合分析水资源取水监测站常规站点设备配置和常规故障类别，水资源取水监测站故障诊断可采用遥测终端、无线传输模块、系统平台三级故障信息采集方案进行，三者之间前后呼应，各设备充分发挥自身功能，最终实现对水资源取水监测站运行状态的完整采集，见图1。

1.第一级故障信息采集

遥测终端对流量计通信状态、供电状态、站点供电状态、电源模块输出状态、箱门开启状态等运行状态的监测，构成第一级故障信息采集。一是增配电压转换模块，将流量计供电状态、站点供电电压、电压模块输出电压转换为遥测终端可检测识别的电压，利用芯片的空置I/O口，实现对供电信息的采集。二是增配监测项目开启检测开关，利用遥测终端核心芯片的空置I/O口和寄存器，实现对项目开启状态的监测。三是通过完善遥测终端软件，甄别流量计信息回复状态，并利用剩余遥测终端的空置寄存器实现对流量计通信状态的记录。最终实现取水监测站点前端基础硬件设备的故障信息采集。

2.第二级故障信息采集

利用GPRS通信端自身的计算及存储资源，并完善GPRS设备软件，增加对遥测终端数据回复及时性、稳定性、数据规范性三项指标进行甄别的功能，实现对遥测终端的故障监测，构成第二级故障信息采集。

3.第三级故障信息采集

GPRS通信模块运行状态及入库数据故障诊断由故障诊断系统进行监测，构成第三级故障信息采集。基于现有水资源取水监测平台系统软件，增加对GPRS通信模块数据传输及时性、稳定性、数据规范性三项指标的甄别功能，实现对GPRS运行状态的监管；此外，对采集到的计量数据进行规范性审核，记录疑似故障信息，最终转至系统故障诊断模型进行甄别。

四、远程故障诊断系统架构设计

故障信息是故障诊断的基础，而远程故障诊断系统则是故障诊断的灵魂，它包括取水数据解析、故障诊断模型及故障统计展示预警等模块。取水数据解析即解析站点故障信息后，按照数据传输协议实现数据解码，转换成故障模型可识别的数据类型；故障诊断模型是取水监测站远程故障诊断的核心，将采集的各站点取水数据、运行状态数据通过取水监测诊断模型进行 “诊疗”，判别故障类别，并为故障统计展示预警模块进行处理；故障统计展示预警模块则是实现与系统运维管理用户的交互，发挥故障站点的统计、管理、展示、告警等功能，提供故障统计及查询等服务。水资源取水远程故障诊断系统架构如图2所示。

图1 取水监测设备运行状态远程监测示意图

图2 水资源取水监测远程故障诊断系统架构

五、故障智能诊断与处理

1.数据解析

取水监测站点故障信息与取水计量数据一起传输至监测平台，数据解析模块按照取水站点通信终端匹配的通信协议实现数据的转换。安徽省主要应用的协议为水利部制定的《水资源监测数据传输规约》（SYZ206—2016及 SYZ206—2012），协议采用异步式传输帧格式，并明确规定了终端状态和报警状态的命令格式和响应帧格式。其中，协议的响应帧格式中规定了流量仪表运行状态等主要故障信息的状态标识位，并预留12个备用状态标识位。对于协议中未明确的流量计蓄电池电压异常、开关电源输出电压异常两种故障，开发系统时选取了响应帧数据域中前2个字节的D14、D15位作为它们的识别位，由此形成了完整的取水监测站点故障信息通信协议，数据解析模块可根据此协议对站点发送的数据完成解析，并得到原始的故障信息和取水数据，供故障模型进行诊断。

2.故障诊断模型

故障诊断的核心是故障模型，包括硬件设备故障诊断模型和数据故障诊断模型。其中，硬件设备故障诊断模型是建立硬件设备运行状态与其对应故障特征值的数学关系，形成可通过采集计量设备及监测设备的运行状态而发现硬件设备故障，并且诊断故障类别的数据模型库。同理，数据故障诊断是建立取水监测数据与其对应的数据演变趋势的数学模型，形成可通过采集取水数据而发现数据故障，并且诊断故障类别的数据模型库。系统可基于模型的建设，利用诊断模型实现对各类运行状态信息的诊断，并生成故障站点、故障时间、故障种类等诊断结果，反馈至故障告警统计模块进行处理。

3.故障告警及处理

故障诊断结果统一反馈至告警及故障统计模块，系统自动对故障进行统计与记录，且可按区域、类别、时间等多个要素进行故障统计和展示，支持系统用户或运维人员对统计结果进行分类查询。此外，系统可自动按照站点编码及站点名称进行故障记录，形成取水监测站点“病历”，将历史故障，维护时间、频次，故障类别及设备更换情况等信息展示给维护人员，帮助运维人员提升运维效率。

此外，为了保障故障信息能够及时、准确地被运维管理人员掌握，可建立故障信息触发机制，当系统确认故障后，即触发短信发生模块，由短信平台自动将故障信息发送给相关的运维管理人员，提醒系统远程维护和维护人员做好故障跟踪服务，保障系统效益的发挥。

图3 故障告警及处理流程图

六、技术应用

依托安徽省水资源取水计量监测平台的现有软件硬件环境，利用省级平台已有的短信、报表等应用支撑软件，开发并部署含有数据解析、诊断模型建设、故障告警统计等功能的故障诊断系统，形成取水监测与故障管理一体化的水资源取水监测管理平台。在此应用环境下，在合肥市、宿州市等地选取30处重点取水监测点进行了故障诊断监测试验，实现了对现场设备的故障诊断类型判别，故障远程诊断准确率达到95%以上。成果的应用在降低运维管理成本、提升运维效率方面效益显著。