膠東調(diào)水工程智慧調(diào)水探析

馬英豪

(山東省膠東調(diào)水局威海分局,山東 威海 264200)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，長(zhǎng)距離輸水也應(yīng)實(shí)現(xiàn)智能化，以推動(dòng)調(diào)水的信息化、現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展，從而形成全新的調(diào)水綜合管理理念。通過(guò)構(gòu)建完整的調(diào)水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)、維護(hù)信息記錄，建立綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上建立調(diào)水GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)水系統(tǒng)現(xiàn)狀和未來(lái)資產(chǎn)信息的統(tǒng)一維護(hù)和綜合管理，將舊的以信息資源應(yīng)用為中心的數(shù)字化調(diào)水晉升為以更主動(dòng)的服務(wù)、智能應(yīng)用為中心的智慧調(diào)水。

1 工程概況

山東省膠東調(diào)水工程是南水北調(diào)東線工程中山東省“T”字形調(diào)水大動(dòng)脈的重要組成部分。輸水線路總長(zhǎng)482km，包括1989年通水的引黃濟(jì)青工程和2015年通水的膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程。工程設(shè)計(jì)時(shí)間較早，運(yùn)管模式較為傳統(tǒng)，運(yùn)行管理需要耗費(fèi)大量的人力資源，實(shí)際運(yùn)行管理人員超過(guò)500人。

2 智慧調(diào)水系統(tǒng)建設(shè)思路

智慧調(diào)水不但具有數(shù)字的特點(diǎn)，而且通過(guò)匯集數(shù)據(jù)形成知識(shí)，最終凝聚成解決問(wèn)題的智慧。建設(shè)智慧調(diào)水可以從物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能入手，萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，大數(shù)據(jù)技術(shù)作為平臺(tái)，而人工智能作為大腦，可以總結(jié)歸納并且靈活運(yùn)用各種知識(shí)。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)就要將現(xiàn)有的水情、工情、工程安全、遠(yuǎn)程監(jiān)控等不同系統(tǒng)建立互聯(lián)，打破數(shù)據(jù)管理困難的格局。首先要建設(shè)調(diào)水工程全覆蓋的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其次研發(fā)智能檢測(cè)設(shè)備，比如智能機(jī)器人等，最終實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的智能化。

2.1.1 萬(wàn)物接入

萬(wàn)物接入就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全覆蓋，包括對(duì)水流(流量、流速、水位)、對(duì)機(jī)電設(shè)備(泵站、閘站、閥站)、對(duì)水工結(jié)構(gòu)物、對(duì)調(diào)度管理人員，這些不同對(duì)象的檢測(cè)、控制、互動(dòng)接口的全部接入，包括水情、工情的檢測(cè)、視頻的檢測(cè)、安全的檢測(cè)、指控指令的形成、人員的互動(dòng)，以及相關(guān)的信息。由于長(zhǎng)距離輸水，工程跨越多個(gè)地市，各地工程管理單位可能分屬不同的網(wǎng)端，因此還要實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨網(wǎng)端接入萬(wàn)物。

2.1.2 萬(wàn)物聯(lián)動(dòng)

萬(wàn)物接入之后，就產(chǎn)生了萬(wàn)物聯(lián)動(dòng)的空間，例如調(diào)節(jié)閘門(mén)，除了反饋開(kāi)度的傳統(tǒng)的信息以外，還可以利用附近的攝象頭、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等智能設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，一旦出現(xiàn)故障，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)就能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急處理，調(diào)度中心可以通過(guò)多個(gè)途徑獲取現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)檢測(cè)、控制、場(chǎng)景等信息，全面地掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)控制的少人甚至無(wú)人值守。

2.2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)主要從數(shù)據(jù)清洗、融合和可視化等方面著手。

2.2.1 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)清洗實(shí)際上就是在碎片化數(shù)據(jù)里，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)好壞的過(guò)程。具體到調(diào)水大數(shù)據(jù)上，要在各類(lèi)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間、上下游之間，篩選出好壞數(shù)據(jù)?！昂脭?shù)據(jù)”表明工程運(yùn)行平穩(wěn)，而“壞數(shù)據(jù)”起的作用相對(duì)更大，可能反映出工程運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題，或是遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)生的故障。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合

不同來(lái)源的數(shù)據(jù)各有優(yōu)勢(shì)，因此采用多元融合數(shù)據(jù)可以考慮不同觀測(cè)點(diǎn)的誤差特性和它的優(yōu)勢(shì)，正如長(zhǎng)距離的渠道、管道不可能全線密不透風(fēng)的布置觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)是最準(zhǔn)確的，但是由于空間特性，離開(kāi)這個(gè)測(cè)點(diǎn)一段距離數(shù)據(jù)精度就會(huì)降低，所以就需要融合其他觀測(cè)手段得來(lái)的數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)可視化

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘，使數(shù)據(jù)按照一定的邏輯表達(dá)出來(lái)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為人可以迅速理解的圖形和圖像，才能更好的為運(yùn)行調(diào)度、控制的科學(xué)決策提供有效的支撐。

2.3 “大腦”建設(shè)

智慧調(diào)水的另一個(gè)特點(diǎn)就是體現(xiàn)在人工智能，大腦建設(shè)從知識(shí)的建立儲(chǔ)備到分析總結(jié)，從而完成智能預(yù)測(cè)預(yù)警、問(wèn)題診斷和智慧控制。

2.3.1 智能預(yù)測(cè)預(yù)警

傳統(tǒng)的調(diào)水預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)主要是采用單一的、固定的參數(shù)化方案，面對(duì)不確定性，通過(guò)誤差控制，不讓它放大的一套預(yù)警手段，包括水量模擬、數(shù)據(jù)圖畫(huà)等，比如以降水對(duì)渠道輸水的影響為例，現(xiàn)有的預(yù)測(cè)預(yù)警模式都是采用觀測(cè)水位變幅，很難滿足量化條件下預(yù)警的精度要求。那么就需要進(jìn)行智能預(yù)測(cè)預(yù)警了，把典型的降雨按照渠道輸水動(dòng)力形式進(jìn)行聚類(lèi)，并且分別優(yōu)化參數(shù)化方案，在實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的時(shí)候，按輸水動(dòng)力形式縮影，動(dòng)態(tài)選取方案。

智能預(yù)測(cè)預(yù)警要著力研究人工智能方法和傳統(tǒng)方法相結(jié)合的智能預(yù)報(bào)技術(shù)，比如人工智能與傳統(tǒng)模型耦合的水位、水質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)大量的水質(zhì)水動(dòng)力模型模擬成果，訓(xùn)練人工智能模型，在優(yōu)化調(diào)度中，用人工智能模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水動(dòng)力模擬模型，可以把優(yōu)化調(diào)度方案的生成時(shí)間縮短到分鐘級(jí)，而且同時(shí)保證了精度。

2.3.2 運(yùn)行問(wèn)題的智能診斷

在數(shù)據(jù)清洗中篩選出的“壞數(shù)據(jù)”，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)時(shí)分析，診斷整體調(diào)水工程、機(jī)械設(shè)備潛在的問(wèn)題。根據(jù)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果將某一段甚至某一點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和使用信息加以反饋，特別是可以有效針對(duì)機(jī)械故障問(wèn)題，全面保障運(yùn)行安全。對(duì)于復(fù)雜的故障問(wèn)題，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程協(xié)助，并聯(lián)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，采取數(shù)字化分析和人工診斷結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)多端口的系統(tǒng)診斷。

2.3.3 智慧控制

智慧控制技術(shù)要基于智能調(diào)度決策系統(tǒng)，針對(duì)調(diào)水綜合調(diào)度所面臨的水質(zhì)預(yù)測(cè)、水量調(diào)度、應(yīng)急調(diào)控等問(wèn)題，提出多目標(biāo)綜合調(diào)度模型，運(yùn)用多要素過(guò)程聯(lián)合相似性分析技術(shù)，分析歷史調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，為當(dāng)前形勢(shì)的調(diào)度提供最優(yōu)方案，可以不斷的自學(xué)習(xí)、不斷的自總結(jié)，形成流域調(diào)度決策的智慧。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)控水電機(jī)組、閥門(mén)群自動(dòng)控制，同時(shí)提高閘、閥門(mén)的控制執(zhí)行成功率，方可實(shí)現(xiàn)少人或是無(wú)人值守。

最終通過(guò)大數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)，梳理數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)，形成知識(shí)，以控制調(diào)水運(yùn)行，這樣就形成了物聯(lián)網(wǎng)的檢測(cè)、大數(shù)據(jù)的分析、智慧大腦的決策，最后形成物聯(lián)網(wǎng)的控制，一個(gè)完整的閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)。

3 智慧調(diào)水設(shè)計(jì)

智慧調(diào)水的實(shí)施應(yīng)本著“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、持續(xù)完善”的原則，以保障智慧調(diào)水的建設(shè)穩(wěn)步進(jìn)行，不斷提升調(diào)水綜合管理能力和科學(xué)調(diào)度水平。

3.1 規(guī)劃階段

按照科學(xué)性、實(shí)用性和可靠性的原則，進(jìn)行智慧調(diào)水工程規(guī)劃，從建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容、預(yù)算到建設(shè)進(jìn)程等方面，為后續(xù)智慧調(diào)水建設(shè)提供依據(jù)。膠東調(diào)水工程主要為膠東四市供水，輸水干線在濰坊宋莊鎮(zhèn)“兵分兩路”，其中一路為青島供水，另一路為煙威地區(qū)供水；膠東調(diào)水工程的水源有通過(guò)南水北調(diào)東線工程北上的長(zhǎng)江水，也有在濱州打漁張引調(diào)的黃河水，還有特殊時(shí)期在濰坊峽山水庫(kù)的引水，所以還要做好多水源復(fù)雜水系統(tǒng)的規(guī)劃。

3.2 建設(shè)階段

按照規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，分階段進(jìn)行智慧調(diào)水建設(shè)，首先全面進(jìn)行工程普查，更新?lián)Q代陳舊設(shè)施，其次進(jìn)行子系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理單元建設(shè)，然后在此基礎(chǔ)上完善模擬診斷功能，最后實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化智慧運(yùn)行。

(1)工程普查及設(shè)施更新，主要開(kāi)展工程測(cè)繪，普查與整理入庫(kù)工作，打破設(shè)施“家底”不清、信息利用率低的壁壘。同時(shí)，將超聲波、電磁、紅外等先進(jìn)的遙測(cè)技術(shù)設(shè)備和有線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更新到工程各個(gè)環(huán)節(jié)，確保實(shí)時(shí)采集終端數(shù)據(jù)；構(gòu)建基于GIS技術(shù)的管理平臺(tái)，保障信息的有效共享和使用，可以更直觀、更精細(xì)的全面掌握和管理工程運(yùn)行信息，為優(yōu)化調(diào)度科學(xué)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)子系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理單元建設(shè)，主要是數(shù)字化管理發(fā)生的各業(yè)務(wù)過(guò)程，獲取完整數(shù)據(jù)。膠東調(diào)水482km的工程中有83處控制性節(jié)點(diǎn)(其中10座泵站、6座大型渡槽、12處分水閘、51座倒虹和4座管道調(diào)流調(diào)壓站)，每個(gè)控制點(diǎn)都作為獨(dú)立的業(yè)務(wù)單元，現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)系統(tǒng)將運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)已建專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)上傳中心服務(wù)器，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。如圖1所示?？刂茊卧獞?yīng)針對(duì)不同的任務(wù)進(jìn)行不同的分解，保證各項(xiàng)任務(wù)不沖突，能夠協(xié)調(diào)有序進(jìn)行。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元應(yīng)獨(dú)立控制，更利于高效連接。由于工程控制點(diǎn)多的特性，可以進(jìn)行泵閘閥群自動(dòng)控制體系研究，通過(guò)對(duì)水量、水位、水情等的分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)施精準(zhǔn)調(diào)控，進(jìn)一步提高運(yùn)管水平。

圖1 自動(dòng)控制單元示意圖

由于感知點(diǎn)多且雜，其數(shù)據(jù)量大，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，構(gòu)建動(dòng)態(tài)可維護(hù)的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，為智慧調(diào)水提供數(shù)據(jù)交換和共享的場(chǎng)所。設(shè)施應(yīng)采用先進(jìn)的PLC、以太網(wǎng)技術(shù)和WEB技術(shù)，避免傳統(tǒng)控制帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，采用C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)WEB方式訪問(wèn)。同時(shí)建立有效的數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制，長(zhǎng)期定量化的運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)管，及時(shí)掌握工程動(dòng)態(tài)。

(3)完善模擬診斷功能，主要建立模擬綜合評(píng)估分析系統(tǒng)，診斷存在問(wèn)題和排查風(fēng)險(xiǎn)隱患點(diǎn)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成在GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“一張圖”展現(xiàn)，更方便管理人員準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)多點(diǎn)位的過(guò)程數(shù)據(jù)(流量、流速、水位、壓力、開(kāi)度、轉(zhuǎn)速和水質(zhì)等數(shù)據(jù))進(jìn)行高頻次監(jiān)測(cè)，通過(guò)深入挖掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析長(zhǎng)期調(diào)水運(yùn)行規(guī)律，不但能夠反映當(dāng)前狀態(tài)和問(wèn)題，而且能進(jìn)行短期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，提前預(yù)判渠道溢流、管道負(fù)壓等風(fēng)險(xiǎn)。

(4)業(yè)務(wù)化智慧運(yùn)行須在上述階段基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，完善數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，形成一套規(guī)范化軟件體系，構(gòu)建智慧調(diào)水綜合管理系統(tǒng)，最終建立有效的評(píng)估決策手段，摒棄主觀判斷為主的決策模式，更科學(xué)地判斷泵閘閥站調(diào)控、區(qū)域分水等措施對(duì)調(diào)水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，為常態(tài)化運(yùn)行提供決策支持。同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)合調(diào)度中心三級(jí)控制體系，以應(yīng)對(duì)突發(fā)應(yīng)急情況處置。

4 智慧調(diào)水建設(shè)中應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 總體規(guī)劃和具體實(shí)施階段各有側(cè)重

總體規(guī)劃上，應(yīng)在工程整體的基礎(chǔ)上進(jìn)行，充分考慮到地域、上下游的綜合調(diào)度需求等。但在具體實(shí)施階段，側(cè)重點(diǎn)應(yīng)在多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的調(diào)水系統(tǒng)內(nèi)如何科學(xué)細(xì)致劃分，推動(dòng)調(diào)水、分水和機(jī)械設(shè)備之間的有機(jī)融合，促進(jìn)內(nèi)部協(xié)同，減少重復(fù)動(dòng)作，提高效率。

4.2 建立完善評(píng)估指標(biāo)體系

建立科學(xué)的評(píng)估指標(biāo)體系，有利于避免低水平重復(fù)建設(shè)，有利于促進(jìn)工程管理單位提高管理水平，通過(guò)開(kāi)放咨詢平臺(tái)和第三方監(jiān)督等手段，接受公眾監(jiān)督，更能推動(dòng)智慧調(diào)水事業(yè)健康發(fā)展。

4.3 突破關(guān)鍵技術(shù)

云技術(shù)是大數(shù)據(jù)建設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)和改變傳統(tǒng)應(yīng)用管理方式的重要手段，也是制約智慧調(diào)水發(fā)展的瓶頸。目前與世界先進(jìn)水平還存在差距，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)聯(lián)合攻關(guān)、加速科技成果轉(zhuǎn)化。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧調(diào)水整體建設(shè)投資較大，可按照規(guī)劃先易后難去落實(shí)，按照膠東調(diào)水工程的實(shí)際情況，在遙測(cè)系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更新改造后，約200名運(yùn)管人員即可滿足需求，而在全部完成智慧化改造后，預(yù)計(jì)60～80名甚至更少的運(yùn)管人員即可勝任全線調(diào)度任務(wù)，在大幅降低人工成本的同時(shí)，更能科學(xué)合理的調(diào)水。

建設(shè)智慧調(diào)水就需要破除原始的信息管理觀念，解決數(shù)據(jù)分散的“信息孤島”問(wèn)題。在實(shí)施過(guò)程中，須加強(qiáng)智慧建設(shè)的專(zhuān)業(yè)化程度，避免只引入了智能的概念和科技的名詞，而沒(méi)有真正解決智慧化的需求。同時(shí)還應(yīng)改變運(yùn)行管理人才隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，加大應(yīng)用技術(shù)力量的培養(yǎng)力度，能夠結(jié)合工程持續(xù)更新完善管理軟件，以真正的智慧提升綜合管理能力和科學(xué)決策水平，實(shí)現(xiàn)智慧調(diào)水。