基于WEB的水电站高位水渠智能巡检系统设计

国能大渡河新能源投资有限公司 舒晓东 姚福明 邹 浩 侯 璐

水电站是我国水利工程建设中的重要设施，可在水利工程建设运行中将水位动能转化为用户需求的电能。当水流从较高位置向下流或在其他水库内进行引水操作时，水体向下的压力与冲击力将带动水轮机发生旋转行为，此时水体的重力将带动前端机械转动，通过机械作用力带动发电机旋转，在此种条件下即可产生电能。为满足水电站稳定与可持续运行需求，大部分水电站具有运行环境复杂、水文地质条件多样化等特点[1]。

在开展此方面设计研究时发现，部分水电站会在运行中出现高尾水渠现象，此种现象会影响或干预水电站运行的安全性，尽管供电单位已针对此方面问题，采取调用技术人员与巡查人员及时进行现场巡查工作，但由于传统的巡查方案大多以人工的方式开展，此种巡查方式在实际应用中存在效率低、工作量大、巡查数据偏差等方面的问题[2]。随着智能化技术的应用，越来越多的水电站开始尝试将现代化技术与智能化技术应用到此项工作中，辅助终端计算机与PC 设备，对水电站在运行中的高位水渠进行实时监测，但现行的现代化技术辅助巡查工作在实施中由于缺少先进的技术作为支撑，导致巡查工作一直无法达到预计的效果，甚至终端无法实现在巡查过程中对结果数据进行统计与集中分析[3]。

为了提高水电站高位水渠巡检反馈结果的时效性，提升巡检作业综合水平，开展基于WEB 的水电站高位水渠智能巡检系统设计研究。为保证巡检结果在屏幕中显示具有较高的清晰度，选择由多个LED 点阵模块集成的屏幕作为显示屏。完成系统硬件设计后，在系统的WEB 端中生成一个DataSet文件夹，将水电站运行数据以XML 文档作为载体，设计水电站高位水渠巡检数据暂存方式、基于WEB进行巡检数据交互与同步处理、优化巡检冲突结果，确保巡检结果数据不存在冲突后，将对应的巡检结果与水渠预警界限值进行比对，超出预警界限后在显示端进行巡检结果的预警。通过对比实验证明，设计的巡检系统在进行巡检作业时所需的时间更少，可确保反馈的巡检结果具有较高的时效性。

1 设计原则

系统旨在代替人员完成巡检工作中对设备的望、闻、问、切等工作，通过采集图像、声音、温湿度和完善的电站数据，利用计算机视觉识别、机器学习、深度学习等技术，使之具备“智能”能力，代替人员的巡检工作。系统具备以下特征：

具备更明亮的“眼睛”：应用巡检机器人和电站工业电视高清摄像机，根据需要增加摄像机和红外热成像仪，完善视觉功能；具备更敏锐的“耳朵”：在风洞、水车室、水轮机人孔门等部位增加声音采集传感器，记录感知特殊工况下设备产生的异常声音；具备更灵敏的“鼻子”：合理选用传感器让系统能感知现场的特殊气体成分；具备更敏感的“触觉”：利用高精度的红外测温手段，让智能巡检系统具有更敏感的温度感知能力；具备更聪明的“大脑”：通过开发视觉识别算法模型、设备故障分析诊断模型、智能联动告警模型等，实现对采集数据、图像等信息的分析和识别，智能判别设备缺陷并及时发出预警信息通知生产人员处理。

2 硬件设计

水电站智能巡检系统硬件设备分为前端数据采集设备、网络传输系统和后端管理平台系统3部分，前端数据采集设备包括智能巡检机器人、高清可见光摄像机、红外热成像测温摄像机、声音监测装置等传感设备，网络传输系统包括交换机、无线WIFI设备、网线和光缆等，后端管理平台系统主要为服务器设备、存储设备。与其他巡检类系统存在差异的是，本文设计的水电站巡检系统在运行中需要满足工作周期不固定、反馈信息具有时效性等特点。因此在设计系统软件功能前，应进行系统硬件设备布设的规划（图1）。

图1 系统硬件结构

完成对系统硬件结构的描述后，以系统终端显示屏为例，对系统硬件设备进行设计。本次研究的显示屏通过驱动电路与系统保持通信连接，为保证巡检结果在屏幕中显示具有较高的清晰度，选择由多个LED 点阵模块集成的屏幕作为显示屏，屏幕显示电路采用1:16的扫描方式呈现，其中一行选通的信号作为通信信号。当终端显示屏在接收到前端巡检信号后，只需要在行、列的显示下，进行逐行与逐列的点阵点亮，即可为终端巡检人员提供一种相对连续的视觉显示效果[4]。

为确保显示的信息具有时效性，选择HEF5064型号寄存器作为信号存储器，引脚端负责进行串行数据的输入，CP 端负责进行信号的联级输出。对应的显示屏为16.0行×64.0列点阵，发出的信号由直流端驱动传输，以此种方式实现对前端巡检信息的可视化及时展示。

3 软件设计

3.1 水电站高位水渠巡检数据暂存

完成对系统硬件结构的设计后，下述将进行水电站高位水渠巡检数据的暂存。考虑到本文设计的系统需满足离线运行需求，因此要将常用的参照数据与水渠预警界限值等常规数据存储在客户端。对于处理后的数据信息，程序应在离线状态下实现对数据结构的保存，等待系统下次连线进行数据处理。

在此过程中，可在系统的WEB 端中生成一个DataSet 文件夹，将水电站运行数据以XML 文档作为载体，利用XML 书写方式，将巡检得到的数据以XML 文件的格式录入本地文件夹中。再使用WEB 端中的只读文件夹将文本信息进行封装，将封装后的文件信息与显示端建立直接联系，待系统下次运行或启动时联系端直接连线通信，此时数据库或文件夹中装载的数据信息将建立与后端的直接连接，以此种方式实现对数据的需求数据的暂存处理。

3.2 基于WEB 的数据交互与同步处理

考虑到WEB 端与服务器的频繁交互可能会影响到系统软件的功能，为确保巡检结果数据与服务器端之间保持良好的通信关系，需在WEB 端建立数据交互与同步处理渠道，保证巡检信息之间的良好交互。在此过程中，巡检的重点应放在服务器请求方，当巡检端直接面向用户服务时，可采用将本地缓存的方式进行WEB 端交互，不必要等待巡检信息的返回便可执行巡检中的其他操作。

在图2提出的内容中，巡检端存在一个客户代理，可根据巡检系统的请求服务需求创建一个请求服务对象，此时代理端对象负责执行数据主动交互指令。当确保对端在运行过程中保持良好通信状态时，即可实现对水电站高位水渠巡检的实时化。

图2 巡检端与WEB 端的直接面向架构

3.3 巡检冲突结果优化

完成对系统巡检端操作功能的布设后，执行系统高位水渠智能巡检作业，并获取显示端的巡检结果数据。考虑到在此种条件下获取的巡检结果在WEB 端传输存在冲突，需赋予客户端数据更改能力，对存在冲突问题的巡检结果进行优化。优化巡检冲突结果的行为可被划分为四个步骤：

获取显示端巡检结果数据，完成获取后的数据需通过服务器进行时间与数据同步；巡检结果数据的提交，将对应的数据信息提交给服务器，启动服务器主动接收程序或指令，进行信息的共享；巡检数据结果的同步，服务器可根据前端提供的最后巡检结果进行时间的合并化处理，以此种方式确保更新后的数据可满足数据共享与数据库调用信息的需求；冲突数据结果的分装，其流程为：建立分装表A 与分装表B，更新A 与B 中的数据，根据数据的展示性能将结果划分到不同表结构中。

确保巡检结果数据不存在冲突后，将对应的巡检结果与水渠预警界限值进行比对，超出预警界限后在显示端进行巡检结果的预警。通过此种方式实现对水电站高位水渠的智能预警，完成系统软件功能的开发。

3.4 数据分析与管理

综合智能分析。系统对设备进行图像识别结果、温度、声音等数据综合分析，判断出设备异常状态，并提醒生产人员，提高故障的分析和处理效率；历史数据分析。根据巡检机器人、智能监测设备采集的数据信息，系统可按照设备树进行设备历史数据、缺陷分析，同时也具备同类设备的横向对比功能；报告自动生成功能。智能巡检系统每执行一次巡检任务自动生成巡检报告。报告格式按用户需求设计，主要内容包括：本次巡检任务的巡检地点、巡检时间、本次任务完成的巡检点、每个巡检点中的设备读数值、判断读数是否在阈值范围内。巡检报告中附有系统巡检时拍摄并经过视觉识别处理的图片。

4 对比实验

本次实验选择的水电站为某地区大型建设工程，水电站中的装机总容量为3500.0MW，最高堤坝的高度为245.6m，水库在运行中的总容量为120.0亿m3，截至2014年水电站首次蓄至正常蓄水位。此水电站在此后一段时间中，多次发生由于高位水渠超出预设造成的安全事故。为及时解决此方面问题，解决高位水渠对水电站稳定运行的负面影响，管理方引进了基于BIM+3DGIS 的巡检系统，进行水电站水位的实时监测。但此系统在实际应用中存在明显的反馈信息时效性低的问题，在本次实验中，将上文提出的系统作为传统系统，将本文系统与传统系统在巡检作业中反馈信息时效作为评价指标，进行此次实验的设计。

实验中需先选定巡检系统的有效作业范围，明确系统分部工程的巡检区间，在巡检作业端输入预设的高位水渠信息。将两个系统分别与监控端建立直接通信连接，确保系统在PC 终端上稳定运行后，记录系统在巡检过程中发生巡检行为的时间点、记录高位水渠位置的时间点、显示端接收巡检结果信息的时间点，使用接收的时间减去发生巡检行为的时间，即可得到系统完成一次完整巡检行为所需要的时间。调用时间点信息时，可直接通过检索终端计算机暂存空间内的系统运行历史数据即可实现，将调用的时间点信息统计成表格。

综合表1所示实验结果可看出，本文系统执行一次完整巡检行为所需时间为68.0s，传统系统执行一次完整巡检行为所需时间为425.0s。由此可见，相比传统的巡检系统，本文设计的巡检系统在进行巡检作业时所需的时间更少，可确保反馈的巡检结果具有较高的时效性。

表1 系统执行一次完整巡检行为所需时间对比

综上，为提高水电站高位水渠巡检作业综合水平，本文在研究中引进了WEB 技术，基于传统巡查模式设计一种针对水电站高位水渠的全新智能巡查系统。并在完成对系统的设计后，通过对比实验的方式，对本文系统与传统系统执行一次完整巡检行为所需时间进行对比。综合对比结果发现，本文设计的巡检系统在进行巡检作业时所需的时间更少，可确保反馈的巡检结果具有较高的时效性。以此种方式，实现对传统巡查模式的优化与功能改进。