智慧泵站一体化平台在水利工程中的应用研究

干佳馨 蔡振宇 黄蔚 王宇凡 江苏省泰州引江河管理处

1.应用背景

随着物联网（IOT）、云计算、人工智能、大数据、BIM等新一代信息技术的不断发展，水利事业走上了数字化、智能化的道路，智慧水利应时而生，智慧水利建设成为水利数字化转型的重要任务，成为水利高质量发展的实施路径之一，而泵站智慧化建设则是智慧水利建设的基础和典型应用。智慧泵站是指通过利用智能传感器、工业互联网、自动控制、大数据分析和智能算法等软硬件技术对泵站主辅机、配电设备、水工建筑物等对象透彻感知，实现全面互联，泵站运行调度管理活动实现精细化、智能化管理[1]。目前，不少水利工程管理单位均配备了泵站自动化监控系统、机组振动摆度监测系统、工程安全监测系统等，但由于各个系统均在不同时期建设，缺少统一的规划，不能进行高效的共享互用，存在数据孤岛，所以需要构建一个泵站智慧管理一体化平台，实现在统一运行管理平台的多业务系统智慧互联，优化调度运行、机组智能诊断、智慧管理等，全面保障泵站安全、高效、经济运行。

2.应用意义

智慧泵站一体化平台的建设有利于消除泵站“信息孤岛”，针对泵站内部微机保护系统、自动化监控系统、机组振动摆度监测系统等各系统数据不能互通共享，高效利用的问题，利用统一的数据平台对异构系统的数据进行采集和整合，实现多元数据融合共享。

智慧泵站一体化平台的建设有利于全面监测泵站运行过程中的设备状态和数据，通过透彻挖掘数据价值，结合机组历史检修数据库和专家数据库，利用人工智能算法，为泵站智能运行，安全管理，分析决策提供智库支撑。

智慧泵站一体化平台的建设有利于实现泵站各设备设施的全面互通与联动，利用物联网技术将主辅机、电气设备、水工建筑物、传感器仪表等设备信息及值班人员、工作进度流程等管理信息联通，实现泵站设备设施的全生命周期管理，实现泵站精细化、集约化管控。

智慧泵站一体化平台的建设有利于实现泵站三维可视化管理与运维，通过一体化平台实时显示工情数据，水泵机组的在线状态，包含主电机温度、振动幅度、上下油缸油位、励磁电流、累计运行天数等，结合智能算法，融合三维设备模型与实时工情数据，实现虚拟泵站内设备的可视化故障诊断。

3.平台框架

智慧泵站一体化平台基于云技术进行总体设计，包含设备感知层、IaaS平台层、PaaS平台层和SaaS平台层[2]。每个层的功能均不同：（1）设备感知层主要包括泵站现场的各个主机、辅机、电气设备、及各类测量传感器等感知设备。（2）IaaS平台层主要包括计算机监控系统、机组振动摆度监测系统、微机保护系统、工程安全监测系统、视频监视系统、泵站信息管理系统等数据采集和运行控制系统，以及工控网络、各系统服务器等信息基础设施。（3）PaaS平台层是智慧泵站一体化平台的核心，主要包括泵站数据平台、模型平台、知识平台及应用开发工具四个部分。（4）SaaS平台层主要是智能监控、优化运行、智能诊断、智能检修、智能管理等用于智慧泵站运维管理的智能应用APP。智慧泵站一体化平台系统框架图如图1所示。

图1 智慧泵站一体化平台系统框架

4.智能应用

智慧泵站运维一体化平台采用工业操作系统，利用“平台+工业智能Apps”新模式，进行智能应用开发，主要包含智能监控、优化运行、智能诊断、智能巡检、智能管理等智慧应用。

4.1 智能监控

智能监控是指实现包括一键启停控制、智能报警、辅机自动闭环调节、视频分析行为等功能。通过根据泵站主机组的工况、开机需求等，利用人工智能技术分析开机模式及开机步骤，实现主设备的一键启停，兼顾开、停、紧急停机的控制优先级、事故停机的自启动流程等，确保主机组安全运行；通过pid等优化算法，实现油、气、水、叶调等辅助设备自动闭环调节，实现备用设备的冗余切换；将各个工控系统的监测数据，脱敏清洗后推送到数据仓库中，重新整理、分类与建库，形成统一的数据资源中心，通过将实时生产数据进行阈值对比、相关性等分析，将历史数据进行趋势、极值、综合分析计算，实现设备运行趋势的自动分析，并将预警和预判结果及时提醒值班人员，由“常规实时数据告警”向“智能告警”转变；利用图像分析处理技术、机器学习等人工智能技术，对视频监控系统采集的实时影像数据进行7＊24小时智能分析和处理，实时发现安防入侵、安全隐患、违章作业，并及时通知值班人员。

4.2 优化运行

泵站的经济运行和优化运行有利于节约能源、降低运行成本，有利于提高泵站运行效率与经济效益。优化运行的实现，首先可以基于监控系统历史数据对泵组实际运行特性曲线进行校正；其次，通过结合潮汐扬程变化、径流预报利用动态规划或智能算法求解泵站最优运行方案；最后，根据各泵站效率，对泵站群联合运行方案进行优化；同时利用在线监测等技术，实现泵站的预测性告警及维护。从简单的泵组特性曲线的插值计算实现理论效率的估算向结合监测数据利用人工智能技术实现泵组运行特性曲线的校正，进行实际效率再评估。还可结合峰谷电价、潮位变化对单站开机时段组合运行及单机最优运行工况给出指导意见并实现自调节。

4.3 智能诊断

智能诊断就是指对泵站内的各主要设备进行健康诊断分析，按照对象进行建模，将水泵机组的电流、功率、转速、温度等运行监控数据和振动、摆度、噪声等状态监测数据以及检查数据按照智能存储策略进行存储，同时利用大数据算法对长期累积的水泵机组状态数据进行趋势分析、状态参数相关性分析、AI分析，机组的性能分析及故障分析，并结合水泵机组特点、故障频次、运行时长等进行风险评估，综合判断机组是否需要检修以及所需检修等级，为机组状态检修提供技术保障，向泵站管理者提供维护决策支持，提升机组合理安排检修，降低维修投入[3]。

4.4 智能巡检

智能巡检是指通过利用巡检机器人、水下机器人、无人机、智能安全帽、便携智能巡检仪等设备进行巡检，并将检查数据传输至平台进行统一处理，智能巡检与智能诊断联动，主动推送设备维保时间节点信息，以便辅助运管人员及时进行设备试机、维养、更换的方案。机组开机运行时，利用智能巡检机器人进行智能巡查，取代了原先低效率、不精准、高耗时的人工巡查方式。极大程度地减少了人力的投入，使得工作的高效率化，实现实时采集，分类分项统计，方便查看每小时、天、月的使用数据情况，为泵站运行数据汇总分析管理带来便利。

4.5 智能管理

智能管理包含工程精细化管理和智能运维管理两部分。工程精细化管理具体表现为实现工程全生命周期的基础信息维护、运行监管、项目管理、维修养护以及组织机构管理等，能提高工程管理效率，实时掌握工程信息，有效地规范日常管理活动。智能运维管理主要是实现对信息系统及现地监测设备等所有资源进行7＊24小时全面监控，提供系统性能监控与分析、现地设备故障监控、运维台账、运维知识库等功能，帮助运维人员快速定位与解决故障，提升工作效率。针对泵站运行管理单位，开发运维指导知识库，运维人员可以贡献运维经验，挂靠登记与设备关联，当新职工操作时，可直接通过扫码或搜索关键字，按运维库指导意见自己处理问题，提高泵站的整体管理及解决问题的能力。

4.6 可视化展示

按实际尺寸对水工、设备零部件、机组、装置、设施等进行BIM建模，并增加位置信息和状态信息，实现泵站三维虚拟仿真漫游、实时运行数据的关联集成展示、实时监控视频关联集成展示、泵组细部结构展示培训等功能，使虚拟现实成为更敏感、更有价值的数字孪生体，成为智慧泵站的重要组成部分，同时整合工程当前的运行状态信息、监测信息、视频监控、报警状态等数据信息，形成全局状态监控模式，实现对工程、工况、设备等全覆盖、无遗漏的监管，实现对整个泵站运行状态信息的全方位展现，为工程能够安全、可靠、高效的运行提供保障[4]。

5.结语

智慧泵站一体化平台的关键在于统一的数据平台和智能应用的开发，统一的数据平台为后续新系统的建设提供了统一的标准的数据接口，智能应用的开发为泵站运行管理人员带来了技术决策支撑。本文针对平台的架构和6项智能应用的功能进行了讲述，智慧泵站建设的道路还很长，智慧泵站是数字孪生水利工程建设的一部分，是水利工程管理单位数字化转型的关键。