南水北調(diào)山東段工程大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用分析

劉建磊，張 楠，范 磊

（1.水發(fā)眾興集團有限公司，山東 濟南250109；2.南水北調(diào)山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南250109）

大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用通過研究海量的多種類型的數(shù)據(jù)，以發(fā)現(xiàn)其中隱藏的模式，未知的相互關(guān)系及其他有用信息，通過對大數(shù)據(jù)本身及其分析過程進行深層次剖析以及多維度展示，并將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果應(yīng)用在南水北調(diào)工程應(yīng)用領(lǐng)域。南水北調(diào)工程目前已經(jīng)實現(xiàn)了通過物聯(lián)網(wǎng)將各種各樣的傳感器的信息進行實時采集，但未來還需要進一步擴展，包括增加支持的設(shè)備類型和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。此外，由于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)屬性明顯，需要將行業(yè)知識和技術(shù)緊密結(jié)合。

1 可視化分析應(yīng)用

可視化分析主要應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，輔助人工操作將數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，并做出完整的分析圖表。海量數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，由于所涉及到的信息比較分散、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有可能不統(tǒng)一，而且通常以人工分析為主，加上分析過程的非結(jié)構(gòu)性和不確定性，所以不易形成固定的分析流程或模式，很難將數(shù)據(jù)調(diào)入應(yīng)用系統(tǒng)中進行分析挖掘。借助功能強大的可視化數(shù)據(jù)分析，可輔助人工操作將數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，并做出完整的分析圖表。圖表中包含所有事件的相關(guān)信息，也完整展示數(shù)據(jù)分析的過程和數(shù)據(jù)鏈走向。同時，這些分析圖表也可另存為其他格式，供相關(guān)人員調(diào)閱。大數(shù)據(jù)可視化分析，是通過分析和挖掘龐大的歷史數(shù)據(jù)量背后的關(guān)系和趨勢，以可視化的方式為管理層呈現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的最好工具，在南水北調(diào)工程的日常調(diào)度、應(yīng)急調(diào)度、工程安全分析、水質(zhì)影響分析、工程運維管理等方面發(fā)揮重要作用。

2 調(diào)度運行分析應(yīng)用

2.1 工程調(diào)度成果分析

南水北調(diào)工程東中兩線的調(diào)度方式不同，中線工程地理位置優(yōu)越，可基本自流輸水，主要以節(jié)制閘和分水口控制水量分配。東線工程從長江下游引水，水源豐沛，主要利用現(xiàn)有泵站和河道提水。但是，就目前看來，南水北調(diào)工程的水量調(diào)度系統(tǒng)及其模型在工程調(diào)度中尚未發(fā)揮核心作用，實際應(yīng)用還多以經(jīng)驗調(diào)度為主。主要原因在于模型調(diào)度有其局限性，特別是邊界條件對模型計算的影響較大，且用于模型參數(shù)率定的數(shù)據(jù)提取困難。

大數(shù)據(jù)技術(shù)將是解決這一問題的重要途徑，一方面，大數(shù)據(jù)能夠更好地挖掘經(jīng)驗調(diào)度的核心要素；另一方面，能夠更好地為水量調(diào)度模型提供必要的關(guān)鍵分析數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的調(diào)度優(yōu)化分析研究包括但不限于泵站開機或閘門啟閉對上下游的影響規(guī)律分析、水流演進規(guī)律分析、不同閘門開度下的水位流量關(guān)系、峰平谷電價不同的效益分析、不同負(fù)荷下機組效率的優(yōu)化分析、機組運行數(shù)據(jù)及能耗分析等基于大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的調(diào)度優(yōu)化研究等。兩者的組合應(yīng)用，契合調(diào)度模型參數(shù)率定的設(shè)計初衷。不僅能夠有效地改善現(xiàn)有水量調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)狀，還能夠顯著提高信息化建設(shè)的投資效益。

2.2 水質(zhì)影響因素分析

南水北調(diào)工程信息化系統(tǒng)中水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、應(yīng)用水環(huán)境模型、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量模擬預(yù)測、建立污染源—水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系，結(jié)合周邊流域機構(gòu)各斷面自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、排向該水域的污染源廢水在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、移動巡查數(shù)據(jù)等，匯集整合河流斷面自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、手工監(jiān)測數(shù)據(jù)、排口監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)等，建立流域水系關(guān)系、河流與斷面的關(guān)系、斷面與排口關(guān)系、排口與調(diào)水管理機構(gòu)關(guān)系、調(diào)水管理機構(gòu)與污染因子關(guān)系等多種數(shù)據(jù)關(guān)系，分析水質(zhì)與社會經(jīng)濟發(fā)展的長期趨勢，并且根據(jù)監(jiān)測站點數(shù)據(jù)超過安全閾值或正常標(biāo)準(zhǔn)時，判定其污染程度，同時進行污染溯源，通過水環(huán)境模型預(yù)測出下游的污染水質(zhì)變化趨勢，給出應(yīng)急處置措施建議并提供評估管理。

2.3 工程設(shè)施安全分析

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析和評估建筑物的實際運行狀態(tài)，對建筑物及渠道變形、滲流等進行計算、分析處理。實現(xiàn)對測值及有關(guān)信息進行合理組織，如渠道水位變化過程中邊坡的穩(wěn)定情況分析、安全監(jiān)測讀數(shù)系統(tǒng)誤差分析、測點的（部位、過程）的自動推理結(jié)果等。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)預(yù)報未來一段時間內(nèi)的測值，將各種監(jiān)測設(shè)備采集的測量數(shù)據(jù)，包括滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對未來一段時間內(nèi)的趨勢（滲流、應(yīng)力應(yīng)變、變形、環(huán)境量）進行預(yù)報，為工程設(shè)施安全提供決策支持。

2.4 工程視頻安防分析

在實時調(diào)度方面，通過視頻監(jiān)視水體的當(dāng)前狀態(tài)、傳輸軌跡，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，快速分析水位、流量、水質(zhì)等特征數(shù)據(jù)，通過對海量調(diào)度監(jiān)視畫面的比對、分析和研判，實現(xiàn)實時水量調(diào)度的視頻分析支持功能。在視頻安防方面，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析與挖掘，可實現(xiàn)對非法入侵報警的智能分級，在日常入侵報警處理、突發(fā)事件指揮調(diào)度等方面有重要應(yīng)用價值。

2.5 工程網(wǎng)絡(luò)安全分析

南水北調(diào)工程調(diào)度運行需要匯集大量的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)帶來更為嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全問題，在網(wǎng)絡(luò)安全防御上也可以帶來新的變革。嘗試探索研究大數(shù)據(jù)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全方面的分析應(yīng)用，通過網(wǎng)絡(luò)安全方面的海量數(shù)據(jù)收集，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)受攻擊頻率、安全漏洞數(shù)量，分析網(wǎng)絡(luò)故障原因、隱患位置，提供科學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全防御保護策略。

3 運行維護管理分析

3.1 運維投入產(chǎn)出比分析

南水北調(diào)工程信息系統(tǒng)項目建設(shè)轉(zhuǎn)運維階段，有大量的運行維護管理作業(yè)，這些過程數(shù)據(jù)包括運行維護資金使用情況通過工程管理信息化系統(tǒng)，形成運行維護專業(yè)的大數(shù)據(jù)資源。通過對這些運行維護數(shù)據(jù)資源的投入產(chǎn)出比分析與挖掘，將為改正性、預(yù)防性、適應(yīng)性、完善性運行維護提供必要的數(shù)據(jù)導(dǎo)向，不僅有利于使得南水北調(diào)工程運行優(yōu)化穩(wěn)定、故障率下降、趨于穩(wěn)定并進入正常運行期，還能夠使南水北調(diào)的信息化資源緊隨信息技術(shù)的飛速發(fā)展，適應(yīng)信息系統(tǒng)的外部環(huán)境（硬件與軟件配置）和數(shù)據(jù)環(huán)境實際變化和技術(shù)發(fā)展。

3.2 設(shè)備及人力資源配置分析

南水北調(diào)工程運行維護管理作業(yè)形成大量的人員作業(yè)巡查頻率、設(shè)備維護保養(yǎng)周期及保養(yǎng)過程數(shù)據(jù)、備品備件的品牌型號與規(guī)格性能、備品備件的采購、設(shè)備倉儲的出入庫使用情況。對南水北調(diào)工程運行維護數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析與挖掘，優(yōu)化工程設(shè)備、備品備件及運維人力資源的配置，對指導(dǎo)編制設(shè)備維修養(yǎng)護計劃，監(jiān)督、檢查、指導(dǎo)、考核運維工作、技術(shù)更新與改造，保障工程調(diào)度正常運行，指導(dǎo)專項維護項目立項包括項目的必要性和可行性、技術(shù)方案、費用估算、項目組織、計劃完成時間等都有重要意義。

3.3 設(shè)備質(zhì)量調(diào)查分析

南水北調(diào)工程有建筑、水力機械和電氣設(shè)備等大量不同專業(yè)、不同類型、不同廠家、不同施工單位安裝的設(shè)備設(shè)施。設(shè)備設(shè)施的質(zhì)量是南水北調(diào)工程安全運行的關(guān)鍵因素，運行維護期的巡查、維修、養(yǎng)護過程中積累大量的設(shè)備故障特征、故障率、設(shè)備兼容性、設(shè)備升級能力等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是檢驗這些設(shè)備質(zhì)量最有力的評價依據(jù)?；诖髷?shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，形成設(shè)備質(zhì)量多維度的調(diào)查分析結(jié)果，在追溯設(shè)備產(chǎn)品來源、對供貨商進行資格評價、指導(dǎo)設(shè)備采購、指導(dǎo)工程設(shè)備設(shè)計選型等方面有重要應(yīng)用價值。

3.4 設(shè)備故障成因分析

設(shè)備故障成因分析是設(shè)備維修必須的過程，在采用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等技術(shù)的基礎(chǔ)上，已從早期的事后維修到定期維修，逐步轉(zhuǎn)向具有預(yù)知性的視情維修階段。而視情維修的關(guān)鍵在于提前預(yù)知故障及其成因預(yù)防，例如，通過數(shù)據(jù)挖掘分析閘門開度數(shù)據(jù)波動變化加大與閘門左右荷重變化、上下游水位變化的關(guān)系和成因機理等，實現(xiàn)在發(fā)生自動控制閘門到達目標(biāo)位置準(zhǔn)確度下降情況時能夠提前進行預(yù)判告警，避免工程設(shè)備損壞進一步加劇。

因此，將設(shè)備全生命周期的狀態(tài)監(jiān)測與大數(shù)據(jù)故障診斷技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的劣化趨勢分析與故障成因分析，對于延長設(shè)備生命周期、保障安全生產(chǎn)過程將會發(fā)揮更大的作用。應(yīng)用大數(shù)據(jù)理論與技術(shù)，結(jié)合分析模型，通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘和分析，對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與運維數(shù)據(jù)進行分析處理，達到優(yōu)化運維管理過程的目的。

4 結(jié) 語

大數(shù)據(jù)不僅是一項綜合性技術(shù)，也是一門科學(xué)。大數(shù)據(jù)有廣泛、深厚的哲學(xué)和數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，但其理論體系尚未形成，隨著新的理論和方法的形成，也會催生新的技術(shù)。不僅應(yīng)緊密跟蹤大數(shù)據(jù)理論和技術(shù)的發(fā)展，還要掌握南水北調(diào)工程特性以及水利系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，為有效利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，做充分的技術(shù)儲備。