江都水利樞紐泵站智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建思路

華 駿，薛井俊，袁志波

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

江都水利樞紐是南水北調(diào)東線(xiàn)和江蘇江水北調(diào)的源頭工程，其核心為4座大型電力抽水站，裝機(jī)33臺(tái)套，容量55 800 kW，設(shè)計(jì)流量400 m3/s。為保證泵站工程安全運(yùn)行，建立了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程啟?？刂坪瓦\(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)視。隨著信息技術(shù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的不斷發(fā)展，江都水利樞紐泵站監(jiān)控系統(tǒng)的信息量日益增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)報(bào)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，但分析處理能力不足，使得運(yùn)行人員難以從中快速獲取真正有價(jià)值的信息，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處置設(shè)備故障隱患。面對(duì)類(lèi)似問(wèn)題，諸多大型泵站已經(jīng)或多或少地提出智能報(bào)警相關(guān)的需求。因此有必要建立智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，替代運(yùn)行人員人工監(jiān)屏，利用智能算法和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力，通過(guò)篩選設(shè)備重要特征信號(hào)、綜合判斷設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生成可靠預(yù)測(cè)預(yù)警信息及處理建議，指導(dǎo)運(yùn)維人員迅速定位和處理設(shè)備異常事件［1］。

江都水利樞紐泵站智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是依據(jù)已部署實(shí)施的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)和一體化管控平臺(tái)，結(jié)合實(shí)時(shí)庫(kù)、篩選分析、趨勢(shì)分析等先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足泵站運(yùn)行的智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件。智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件的基本功能是匯集泵站各生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)自身運(yùn)算智能判斷各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與趨勢(shì)，當(dāng)設(shè)備故障或運(yùn)行趨勢(shì)劣化時(shí)給予運(yùn)行人員預(yù)警報(bào)警，還可根據(jù)預(yù)案進(jìn)行故障時(shí)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)故障展示、故障處理及日常輔助設(shè)備管理。

1 需求分析

泵站智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)解決海量報(bào)警中無(wú)法人工尋找重要信息的問(wèn)題，提升泵站的自動(dòng)化管控水平及預(yù)防性維護(hù)決策能力，保障泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。具體功能需求如下：

（1）智能實(shí)時(shí)及趨勢(shì)報(bào)警：根據(jù)對(duì)象類(lèi)型、關(guān)鍵屬性和預(yù)定義的專(zhuān)家模板庫(kù)自動(dòng)生成報(bào)警判斷邏輯，同時(shí)允許用戶(hù)根據(jù)泵站的特殊性，添加判斷邏輯。判斷邏輯能夠以不同工況情況下數(shù)據(jù)的歷史統(tǒng)計(jì)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行判斷。根據(jù)不同工況條件下的實(shí)時(shí)值曲線(xiàn)與特征值曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)的異常報(bào)警功能。

（2）設(shè)備控制流程報(bào)警：整理標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)停機(jī)流程，包括操作輸出的信號(hào)清單，反饋信號(hào)的清單，延遲等待時(shí)間，形成開(kāi)停機(jī)操作庫(kù)，并提供錄入標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)停機(jī)流程庫(kù)組態(tài)工具。開(kāi)機(jī)失敗可以準(zhǔn)確定位未正常動(dòng)作的信號(hào)，確定出開(kāi)機(jī)失敗的根本原因。

（3）事故指導(dǎo)及多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)：提供事故指導(dǎo)庫(kù)與報(bào)警的聯(lián)動(dòng)組態(tài)接口，可以滿(mǎn)足報(bào)警發(fā)生時(shí)聯(lián)動(dòng)該事故報(bào)警自動(dòng)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事故指導(dǎo)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生緊急故障時(shí)，第一時(shí)間推送故障信息，監(jiān)視畫(huà)面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至故障設(shè)備界面，并推送相關(guān)故障處理建議及措施，緊急情況下推送相關(guān)的故障應(yīng)急預(yù)案，輔助運(yùn)行人員快速、正確地處理緊急異常事件。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，客戶(hù)端和服務(wù)端均采用Java語(yǔ)言設(shè)計(jì)。客戶(hù)端負(fù)責(zé)與用戶(hù)的交互任務(wù)，前端展示和設(shè)備模型組態(tài)采用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，服務(wù)端是后臺(tái)核心計(jì)算程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理和計(jì)算，見(jiàn)圖1。

圖1 智能告警系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的水利行業(yè)技術(shù)管理規(guī)范、規(guī)程和管理制度，貫徹應(yīng)用軟件組件共享的總體思路，促進(jìn)江都水利樞紐泵站預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，支撐環(huán)境設(shè)計(jì)主要包含實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)接口2個(gè)方面［3］。

3.1 實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基于泵站已建監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的分布、功能、運(yùn)行情況，采集電氣設(shè)備、主機(jī)組、油氣水等系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量、電量、溫度、振動(dòng)、擺動(dòng)、噪聲、效率、葉片角度等，以及水位、流量等數(shù)據(jù)，達(dá)到數(shù)據(jù)采集全覆蓋。根據(jù)泵站電氣設(shè)備、主機(jī)組、輔機(jī)、水工建筑等數(shù)據(jù)處理流程，采用啟停分析、極值分析、相關(guān)性分析等算法，對(duì)系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩選策略包括偏差性篩選和穩(wěn)定性篩選。偏差性篩選是剔除相同類(lèi)型數(shù)據(jù)中偏差較大的數(shù)值，如剔除振動(dòng)數(shù)據(jù)中變化幅值與其他測(cè)點(diǎn)存在明顯差別的數(shù)值；穩(wěn)定性篩選是剔除不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，如剔除機(jī)組開(kāi)機(jī)非穩(wěn)態(tài)情況下的振動(dòng)、擺動(dòng)和溫度。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)合理性分析，為智能告警系統(tǒng)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)接口為后臺(tái)計(jì)算程序和前端展示程序提供歷史數(shù)據(jù)入庫(kù)及查詢(xún)服務(wù)。主要包含：

（1）設(shè)備對(duì)象屬性基礎(chǔ)值入庫(kù)及查詢(xún)功能：該功能主要實(shí)現(xiàn)將所有設(shè)備對(duì)象模型中的輸入屬性進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄，供特征值整編和前端展示使用。后臺(tái)需要使用記錄和查詢(xún)功能，前端使用查詢(xún)功能；

（2）設(shè)備對(duì)象特征值入庫(kù)及查詢(xún)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)后臺(tái)計(jì)算生成的特征值記錄和查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口功能。后臺(tái)需要使用記錄和查詢(xún)功能，前端使用查詢(xún)功能；

（3）設(shè)備對(duì)象曲線(xiàn)采樣入庫(kù)及查詢(xún)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)采樣曲線(xiàn)的記錄和查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口功能。后臺(tái)需要使用記錄和查詢(xún)功能，前端使用查詢(xún)功能；

（4）設(shè)備對(duì)象曲線(xiàn)特征入庫(kù)及查詢(xún)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)特征曲線(xiàn)的記錄和查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口功能。后臺(tái)需要使用記錄和查詢(xún)功能，前端使用查詢(xún)功能；

（5）設(shè)備對(duì)象告警事件入庫(kù)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)后臺(tái)告警計(jì)算產(chǎn)生的告警信號(hào)的入庫(kù)接口；

（6）設(shè)備對(duì)象告警斷面查詢(xún)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)前端對(duì)告警發(fā)生時(shí)的斷面數(shù)據(jù)集進(jìn)行查詢(xún)的接口；

（7）設(shè)備對(duì)象層級(jí)關(guān)系入庫(kù)及查詢(xún)接口：該功能主要實(shí)現(xiàn)前端對(duì)設(shè)備對(duì)象層級(jí)關(guān)系進(jìn)行寫(xiě)入和查詢(xún)的接口。

4 策略設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)

4.1 泵站告警策略分類(lèi)

4.1.1 綜合告警

綜合告警邏輯判斷主要包括告警點(diǎn)狀態(tài)判斷、關(guān)系判斷、抖動(dòng)過(guò)濾、延時(shí)判斷，以及告警點(diǎn)組合計(jì)算后邏輯的判斷等。

綜合告警計(jì)算框架，主要為支撐泵站主輔設(shè)備的故障診斷及設(shè)備評(píng)估等業(yè)務(wù)，提供基于可視化模型的診斷分析和告警追溯功能。每個(gè)綜合告警點(diǎn)通過(guò)組態(tài)形成如圖2所示的告警流程，綜合告警計(jì)算框架通過(guò)每個(gè)綜合告警點(diǎn)層級(jí)關(guān)系梯形圖的根節(jié)點(diǎn)運(yùn)算框，按照遞歸函數(shù)算法將每個(gè)告警點(diǎn)層級(jí)樹(shù)形圖的運(yùn)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，形成一個(gè)綜合的總告警信號(hào)。同時(shí)當(dāng)有告警發(fā)生時(shí)，也會(huì)將當(dāng)前斷面時(shí)刻的該綜合告警點(diǎn)的各個(gè)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)的斷面狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于故障告警追溯展示［4］。綜合邏輯告警運(yùn)算框支持基礎(chǔ)邏輯判斷、基礎(chǔ)算術(shù)計(jì)算、基本關(guān)系判斷等計(jì)算方法。

圖2 綜合告警邏輯

4.1.2 設(shè)備流程監(jiān)視告警

針對(duì)單設(shè)備制定控制流程告警策略，對(duì)某個(gè)設(shè)備動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行一系列反饋信號(hào)的檢測(cè)。該反饋可能是有時(shí)間先后關(guān)系進(jìn)行觸發(fā)的順序流程反饋，如圖3中的S-0，S-1，S-2，S-3，S-4。只有前一個(gè)反饋滿(mǎn)足才會(huì)觸發(fā)后一個(gè)反饋的判斷,還有可能是同時(shí)對(duì)一系列信號(hào)的反饋判斷，如S-0，S-1，S-5。當(dāng)S-0動(dòng)作之后，同時(shí)觸發(fā)判斷S-1，S-5，只有當(dāng)這2個(gè)反饋同時(shí)滿(mǎn)足才認(rèn)為流程成功。

圖3 智能告警系統(tǒng)設(shè)備流程監(jiān)視告警

4.1.3 數(shù)據(jù)趨勢(shì)告警

數(shù)據(jù)趨勢(shì)告警分析對(duì)象包括主機(jī)電流、溫度（推力瓦、水導(dǎo)）、供水水壓等。根據(jù)當(dāng)前溫度梯度變化的趨勢(shì)計(jì)算溫度曲線(xiàn)在未來(lái)一段時(shí)間的趨勢(shì)，當(dāng)趨勢(shì)超過(guò)越限值時(shí)，進(jìn)行預(yù)警，將預(yù)警信號(hào)自動(dòng)推送到光字展示畫(huà)面。以溫度為例，溫度的趨勢(shì)分析應(yīng)該具備以下基本屬性：溫度在機(jī)組開(kāi)機(jī)后的平均值、最大值、最小值，此3個(gè)數(shù)據(jù)為長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)得出；當(dāng)前溫度每分鐘上升變化速率值、下降值；根據(jù)每分鐘上升變化率，預(yù)測(cè)下一分鐘溫度值。

4.1.4 其他告警策略

針對(duì)一些通用性比較強(qiáng)的邏輯組合策略形成通用的告警策略。例如各類(lèi)泵的告警策略類(lèi)，系統(tǒng)組態(tài)時(shí)預(yù)先選擇相應(yīng)的函數(shù)接口，后臺(tái)計(jì)算時(shí)就能根據(jù)組態(tài)定義的輸入源進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生輸出結(jié)果。

4.2 泵站預(yù)測(cè)預(yù)警策略設(shè)計(jì)

預(yù)測(cè)預(yù)警策略主要是用于建立系統(tǒng)告警點(diǎn)時(shí)選擇采用何種策略進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警信號(hào)的觸發(fā)，本文以勵(lì)磁系統(tǒng)及技術(shù)供水系統(tǒng)為例，列舉了泵站常見(jiàn)設(shè)備的預(yù)測(cè)預(yù)警策略，見(jiàn)表1～2。

表1 江都四站勵(lì)磁系統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)警策略

4.3 泵站交互模塊設(shè)計(jì)

交互模塊分為預(yù)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)及接收模塊、預(yù)測(cè)預(yù)警展示模塊、人機(jī)交互模塊。（1）預(yù)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)及接收模塊，負(fù)責(zé)與后臺(tái)計(jì)算服務(wù)的數(shù)據(jù)交互，并將數(shù)據(jù)更新到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中供人機(jī)交互模塊使用；（2）預(yù)測(cè)預(yù)警展示模塊，負(fù)責(zé)告警信息的展示包括:各分系統(tǒng)的當(dāng)前告警與預(yù)警數(shù)，全站設(shè)備整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)，通過(guò)光字牌形式顯示當(dāng)前所有告警，當(dāng)前具體的設(shè)備運(yùn)行告警或預(yù)警，在展示界面中對(duì)報(bào)警結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)、屏蔽等操作，通過(guò)彈出窗口的形式展示事故指導(dǎo)等信息；（3）人機(jī)交互模塊，提供可視化監(jiān)視手段，報(bào)警信息源頭自動(dòng)追溯，告警發(fā)生時(shí)，提供告警點(diǎn)相關(guān)量的測(cè)值展示，利用直觀可見(jiàn)的線(xiàn)路圖，清晰觀察當(dāng)前告警產(chǎn)生的根本原因，同時(shí)提供歷史曲線(xiàn)查詢(xún)功能，查看當(dāng)前告警點(diǎn)相關(guān)量的歷史變化情況并分析告警產(chǎn)生的原因。人機(jī)交互模塊還可在預(yù)測(cè)預(yù)警信號(hào)發(fā)生時(shí)自動(dòng)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的事故指導(dǎo)，推送相關(guān)故障處理建議及措施，緊急情況下推送相關(guān)的故障應(yīng)急預(yù)案，輔助運(yùn)行人員快速、正確地處理緊急異常事件。

表2 江都四站技術(shù)供水系統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)警策略

5 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)泵站智能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)將對(duì)確保江都水利樞紐安全高效運(yùn)行提供重要技術(shù)支撐，也將促進(jìn)泵站運(yùn)管智能化，改變?cè)械谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用率不足的局面，強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析、健康管理及異常處置，提高工程管理技術(shù)水平和運(yùn)行管理保障能力，促進(jìn)工程效益充分發(fā)揮，也可為全國(guó)類(lèi)似泵站自動(dòng)化智能化建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。