水資源取水監(jiān)測體系故障監(jiān)測與運(yùn)維管理技術(shù)探討

王 銘 銘

[安徽省(水利部淮河水利委員會(huì))水利科學(xué)研究院，合肥 230094]

0 引 言

全面實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度以來，安徽省先后開展了多批次水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，截至目前已完成2 300余處取水監(jiān)測點(diǎn)建設(shè)。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，取水監(jiān)測站點(diǎn)省內(nèi)各市縣均有分布，存在著站點(diǎn)地域覆蓋范圍廣、運(yùn)維管理技術(shù)要求高、故障運(yùn)維效率低等問題，且取水計(jì)量及監(jiān)測設(shè)備大多安裝與取水戶內(nèi)，給運(yùn)行管理增加了困難，嚴(yán)重制約水資源取水監(jiān)控系統(tǒng)的效益發(fā)揮。

為科學(xué)評價(jià)各省水資源監(jiān)控能力建設(shè)效果，促使各省水資源取水監(jiān)控系統(tǒng)的效益發(fā)揮，水利部制定了取水在線監(jiān)測的到報(bào)率、完整率、及時(shí)率3項(xiàng)考核指標(biāo)，用來評價(jià)各省水資源取水監(jiān)控站運(yùn)行情況和效益發(fā)揮情況。安徽省前期雖然在水資源取水監(jiān)測體系運(yùn)維方面取得不錯(cuò)的成績，到報(bào)率、完整率、及時(shí)率等幾項(xiàng)考核指標(biāo)均位于全國前列，但主要是依靠一支穩(wěn)定的運(yùn)維管理團(tuán)隊(duì)，花費(fèi)了大量的精力和人力。隨著取水監(jiān)測規(guī)模在持續(xù)加大，水資源取水精細(xì)化管理、水資源費(fèi)規(guī)范化收取等管理工作的深入開展，水資源管理對水資源取水計(jì)量監(jiān)測要求進(jìn)一步提高，監(jiān)測設(shè)備故障巡查與維護(hù)工作量日益加重，依靠普通的人力已很難保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

為貫徹落實(shí)中央及省政府相關(guān)文件精神要求，提升全省水資源監(jiān)控能力，達(dá)到三條紅線控制、節(jié)水建設(shè)等多目標(biāo)服務(wù)的需求，開展了水資源取用水監(jiān)測體系運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要從運(yùn)維監(jiān)測與管理技術(shù)、運(yùn)維管理模式兩個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新，以提高運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本、提升水資源監(jiān)控運(yùn)維效果，保障水資源監(jiān)控能力建設(shè)效果。

1 水資源監(jiān)測體系運(yùn)維管理現(xiàn)狀

水資源取水監(jiān)測系統(tǒng)傳統(tǒng)的運(yùn)維管理方式包括人工發(fā)現(xiàn)故障、上報(bào)故障、協(xié)調(diào)維護(hù)、現(xiàn)場維護(hù)4個(gè)運(yùn)維管理工作流程(如圖1所示)。在傳統(tǒng)運(yùn)維模式中，故障主要依靠人員巡查和抄表人員進(jìn)行上報(bào)，因受實(shí)際巡查頻次和抄表頻次的影響，故障被發(fā)現(xiàn)的及時(shí)性嚴(yán)重滯后，影響水資源取水在線監(jiān)測管理和水資源費(fèi)用的正常征收。其次，故障上報(bào)及協(xié)調(diào)維護(hù)需要專人負(fù)責(zé)，在無法全面掌握故障站點(diǎn)情況的背景，難以合理的調(diào)度運(yùn)維人員、科學(xué)的安排運(yùn)維路線，無法實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維任務(wù)分配進(jìn)行統(tǒng)籌管理，在維護(hù)協(xié)調(diào)流程方面嚴(yán)重影響運(yùn)維時(shí)效性，且常出現(xiàn)因運(yùn)維工作安排不科學(xué)，造成運(yùn)維工作量及運(yùn)維成本大大增加的情況。再者，非取水監(jiān)測站運(yùn)維專業(yè)人員進(jìn)行故障上報(bào)，無法判別和上報(bào)故障類型，在未掌握現(xiàn)場情況的背景下，運(yùn)維人員無法提前做好準(zhǔn)備，則存在運(yùn)維時(shí)未攜帶配件及相應(yīng)的工具等問題，導(dǎo)致站點(diǎn)故障無法一次性修復(fù)完成，造成運(yùn)維效率的影響和人力、經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。

圖1 水資源取水監(jiān)測體系傳統(tǒng)運(yùn)維模式示意圖

在目前的運(yùn)維管理模式和運(yùn)維技術(shù)手段下，面對規(guī)模龐大、站點(diǎn)分散、專業(yè)性強(qiáng)的取水監(jiān)測體系運(yùn)維管理，各級水資源管理部門常疲于管理，容易導(dǎo)致水資源取水監(jiān)測體系崩潰，嚴(yán)重影響最嚴(yán)格水資源管理制度的執(zhí)行。

2 運(yùn)維監(jiān)測與管理關(guān)鍵技術(shù)

經(jīng)過長期跟蹤安徽省水資源取水監(jiān)測項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)維管理，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)水資源取水監(jiān)測站點(diǎn)主要故障原因分為設(shè)備故障、SIM卡故障、數(shù)據(jù)故障三類。其中設(shè)備故障經(jīng)對其故障種類、故障原因及對應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，可采用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測；SIM卡故障經(jīng)與運(yùn)營商聯(lián)合研究，開展SIM卡欠費(fèi)及工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與診斷，對接運(yùn)營商診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對SIM卡故障的診斷；數(shù)據(jù)故障則經(jīng)對取水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行巡查、對比、分析，得到取水故障數(shù)據(jù)特征，采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對異常采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測。本課題研究基于對大量數(shù)據(jù)的分析，設(shè)計(jì)針對取水監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及取水異常數(shù)據(jù)的故障診斷系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)故障監(jiān)測與運(yùn)維管理一體化軟件，從而實(shí)現(xiàn)水資源取水監(jiān)測的智能運(yùn)維管理。

智能運(yùn)維系統(tǒng)主要包括故障信息采集、故障診斷、故障處理3個(gè)模塊組成。根據(jù)對故障的分類和分析，采用在線監(jiān)測的方式實(shí)時(shí)采集取水監(jiān)測站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)信息。監(jiān)測信息經(jīng)專家診斷系統(tǒng)診斷，甄別故障分類，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)警。實(shí)現(xiàn)故障信息的實(shí)時(shí)查詢、智能管理。水資源取水監(jiān)測體系運(yùn)維監(jiān)管架構(gòu)如圖2所示。

圖2 水資源取水監(jiān)測體系運(yùn)維監(jiān)管結(jié)構(gòu)圖

2.1 故障信息采集

故障信息采集主要是包括計(jì)量監(jiān)測設(shè)備故障信息、SIM卡故障信息、數(shù)據(jù)故障信息；其中SIM卡故障信息通過與運(yùn)營商對接即可獲取故障診斷結(jié)果，數(shù)據(jù)故障信息系通過監(jiān)測站點(diǎn)原始上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲取，信息采集較易實(shí)現(xiàn)。計(jì)量監(jiān)測設(shè)備故障采集則為水資源取水監(jiān)測體系故障診斷課題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

計(jì)量監(jiān)測設(shè)備故障信息采集重要的分析故障種類和各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過對設(shè)備運(yùn)行中的特征狀態(tài)進(jìn)行檢查、變換、傳輸、存儲(chǔ)和分析，最終實(shí)現(xiàn)對故障的診斷。其中特征狀態(tài)指的是現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行中的各種特征信號，如設(shè)備供電狀態(tài)、RTU工作狀態(tài)、計(jì)量設(shè)備工作狀態(tài)、市電電壓、蓄電池電壓等。這些取水計(jì)量監(jiān)測設(shè)備的特征信號一般通過安裝于取水監(jiān)測現(xiàn)場的傳感器或采集器采集，并將獲取的特征信號做經(jīng)過必要的處理，傳輸至運(yùn)維管理平臺(tái)。

2.2 故障信息診斷

故障診斷是水資源取水運(yùn)維監(jiān)管中的核心，包括故障診斷模型建設(shè)、故障診斷評價(jià)2個(gè)部分。

故障模型建設(shè)包括計(jì)量監(jiān)測設(shè)備故障診斷模型與數(shù)據(jù)故障診斷模型，其中計(jì)量監(jiān)測設(shè)備故障診斷模型是將計(jì)量監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行特征信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，轉(zhuǎn)變成數(shù)學(xué)關(guān)系模型。系統(tǒng)可通過向該模型輸入實(shí)時(shí)采集的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出設(shè)備是否發(fā)生故障及故障種類的結(jié)果。數(shù)據(jù)故障診斷是將實(shí)際采集的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)、累計(jì)流量數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)演變趨勢關(guān)系，轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)關(guān)系模型。系統(tǒng)通過向該模型輸入實(shí)際采集的取水量數(shù)值，輸出數(shù)據(jù)是否發(fā)生故障及故障種類的結(jié)果。

故障評價(jià)主要是完成故障分類、展示等故障信息管理工作，即系統(tǒng)自動(dòng)對故障模型的輸出結(jié)果進(jìn)行分析和管理，剔除非故障結(jié)果，并對故障結(jié)果按照站點(diǎn)屬地、站點(diǎn)故障類型、站點(diǎn)故障時(shí)間等關(guān)鍵要素進(jìn)行評價(jià)、分類、存儲(chǔ)、展示，為故障處理提供支撐。

2.3 故障處理

故障處理屬于故障診斷信息與用戶交互模塊，為用戶提供運(yùn)維管理平臺(tái)。平臺(tái)提供人工運(yùn)維模塊和系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維模塊，對于部分站點(diǎn)可以通過遠(yuǎn)程升級程序、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)等方式進(jìn)行站點(diǎn)修復(fù)的，則用戶可以通過系統(tǒng)提供的接口進(jìn)行升級和修復(fù)；對于取水計(jì)量的畸變數(shù)據(jù)系統(tǒng)支持自動(dòng)修復(fù)+人工確認(rèn)的方式進(jìn)行運(yùn)維管理；對于硬件設(shè)備故障，系統(tǒng)則提供運(yùn)維管理流程輔助人工運(yùn)維管理，系統(tǒng)支持自動(dòng)關(guān)聯(lián)取水監(jiān)測故障點(diǎn)運(yùn)維管理人員、運(yùn)維人員，并可借助平臺(tái)發(fā)送故障運(yùn)維指令或運(yùn)維詳細(xì)信息，運(yùn)維人員則可在系統(tǒng)調(diào)用故障點(diǎn)故障診斷結(jié)果、預(yù)判故障類型，準(zhǔn)備故障維護(hù)工具和配件，合理規(guī)劃維護(hù)路徑，實(shí)現(xiàn)科學(xué)維護(hù)、精準(zhǔn)維護(hù)、高效維護(hù)的目的。

3 運(yùn)維管理模式創(chuàng)新

基于水資源取水監(jiān)測體系運(yùn)行監(jiān)測與管理技術(shù)的研究和應(yīng)用，可推動(dòng)水資源取水監(jiān)測體系運(yùn)維監(jiān)管模式的創(chuàng)新與變革，將傳統(tǒng)依靠人力的與運(yùn)維管理模式轉(zhuǎn)變成依靠運(yùn)維管理平臺(tái)，采用自動(dòng)巡查與人工巡查相結(jié)合、遠(yuǎn)程維護(hù)與現(xiàn)場維護(hù)相結(jié)合的運(yùn)維管理模式。實(shí)行內(nèi)業(yè)巡查、遠(yuǎn)程維護(hù)、現(xiàn)場維護(hù)相結(jié)合的方式，可變被動(dòng)維護(hù)為主動(dòng)維護(hù)，改變故障信息獲取方式，壓縮運(yùn)維流程，提升運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本，保障水資源取水監(jiān)測體系高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

如圖3所示，通過系統(tǒng)自動(dòng)巡查與人工故障巡查相結(jié)合的方式，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障站點(diǎn)，并對故障信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果及時(shí)反饋至維護(hù)人員，維護(hù)人員根據(jù)反饋信息、查看監(jiān)測點(diǎn)維護(hù)日志等，并實(shí)現(xiàn)對故障類型的預(yù)判。對于可以遠(yuǎn)程維護(hù)的故障，先采用遠(yuǎn)程維護(hù)的方式，若遠(yuǎn)程無法維護(hù)則進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)。維護(hù)流程詳見圖3所示。

圖3 水資源取水監(jiān)測體系創(chuàng)新運(yùn)維模式流程圖

3.1 故障巡查與故障統(tǒng)計(jì)

采用系統(tǒng)自動(dòng)巡查及人工故障巡查兩種方式，其中系統(tǒng)自動(dòng)巡查系對故障診斷模塊進(jìn)行巡查，診斷模塊發(fā)現(xiàn)站點(diǎn)故障后，自動(dòng)反饋給運(yùn)維管理模塊，完成故障的分析、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)及展示，形成自動(dòng)巡查統(tǒng)計(jì)結(jié)果；人工故障巡查是對系統(tǒng)自動(dòng)巡查的一種補(bǔ)充，針對一些系統(tǒng)無法識(shí)別的故障，運(yùn)維組巡查人員主動(dòng)巡查站點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動(dòng)監(jiān)測站每24 h巡查一次，巡查取水監(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集狀況、數(shù)據(jù)突變、故障信息等內(nèi)容，若發(fā)現(xiàn)故障，則進(jìn)行人工統(tǒng)計(jì)。

3.2 運(yùn)維信息管理

系統(tǒng)自動(dòng)向運(yùn)維管理組推送其自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的故障結(jié)果，運(yùn)維管理組用戶亦可主動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)信息；人工統(tǒng)計(jì)結(jié)果則由故障統(tǒng)計(jì)員主動(dòng)反饋至運(yùn)維管理組，保障運(yùn)維管理組可及時(shí)獲取實(shí)時(shí)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果。運(yùn)維管理組負(fù)責(zé)每天對系統(tǒng)自動(dòng)巡查結(jié)果和人工巡查結(jié)果進(jìn)行匯總，并對所有故障點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)維護(hù)任務(wù)的科學(xué)分配。

3.3 遠(yuǎn)程維護(hù)

遠(yuǎn)程維護(hù)是基于故障診斷技術(shù)的一種高效運(yùn)維模式，對于經(jīng)診斷結(jié)果判別為程序升級、DTU參數(shù)設(shè)置、站點(diǎn)斷電等類型的故障，可采用遠(yuǎn)程程序升級、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)、遠(yuǎn)程安排對接人檢修線路的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)的目的。遠(yuǎn)程運(yùn)維具有及時(shí)、高效、成本低的特點(diǎn)，有助于大幅度降低水資源取水監(jiān)測體系的運(yùn)維成本及壓力。

3.4 現(xiàn)場維護(hù)

對于無法采用遠(yuǎn)程運(yùn)維的取水計(jì)量監(jiān)測故障類型則需采用現(xiàn)場維護(hù)的模式，基于運(yùn)維管理平臺(tái)診斷的故障原因和各取水計(jì)量監(jiān)測站點(diǎn)歷史運(yùn)維日志，綜合評價(jià)現(xiàn)場運(yùn)維需帶的配件、工具等，實(shí)現(xiàn)取水監(jiān)測故障的精準(zhǔn)維護(hù)，保障維護(hù)工作一步到位。

4 結(jié) 論

水資源取水監(jiān)測站點(diǎn)星羅密布，運(yùn)維管理困難。本文提出的結(jié)合人機(jī)自動(dòng)巡查和主動(dòng)運(yùn)維的全新取水運(yùn)維監(jiān)測與管理模式，形成了故障自動(dòng)采集、智能診斷、高效運(yùn)維管理的體系化技術(shù)成果，可有效解決故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、無法準(zhǔn)確預(yù)判、無法科學(xué)調(diào)度等關(guān)鍵問題。故障信息在線采集及故障診斷模型完善是影響最終應(yīng)用效果的關(guān)鍵，需根據(jù)取水監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)校核，成果經(jīng)過技術(shù)完善同樣適用于雨量、水位等在線監(jiān)測體系的運(yùn)維管理。所探討的技術(shù)成果在安徽省水資源取水計(jì)量監(jiān)測運(yùn)維中已得到推廣應(yīng)用，在提升運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本、減輕運(yùn)維壓力等幾個(gè)方面效果顯著，保障安徽省水資源取水監(jiān)測數(shù)據(jù)的到報(bào)率、完整率、及時(shí)率等技術(shù)指標(biāo)持續(xù)保持在95%以上。

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