水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的評估分析

石 欣

(宿州市水利局儲運(yùn)站,安徽 宿州 234000)

0 引 言

水利泵站是保障農(nóng)田灌溉和城市供水的重要設(shè)施,監(jiān)測和預(yù)警其運(yùn)行狀態(tài)對于保障水資源的有效利用和安全供應(yīng)至關(guān)重要[1]。但由于水利泵站一般位于偏遠(yuǎn)地區(qū),監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和管理存在一定的困難[2]。為了提高水利泵站的運(yùn)行效率和安全性,評估分析水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的性能和可行性十分重要[3-4]。

本文旨在研究評估水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的效果和作用,探討該系統(tǒng)在提高泵站運(yùn)行效率和減少事故風(fēng)險方面的潛力。通過團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站的工程現(xiàn)狀,分析該泵站存在的問題,然后對信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行評估并給出改進(jìn)的方案。改進(jìn)后的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),利用現(xiàn)代信息技術(shù),實時監(jiān)測泵站的運(yùn)行狀態(tài)、流量、水位等關(guān)鍵參數(shù),并通過預(yù)警系統(tǒng)及時報警和指導(dǎo)操作人員采取相應(yīng)的措施,提高泵站的運(yùn)行效率,降低事故風(fēng)險,進(jìn)而提高水利工程的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此,水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對于提高泵站運(yùn)行效率和保障供水安全具有重要意義[5-6]。

1 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建立及評估

1.1 水利樞紐泵站工程概況

團(tuán)結(jié)閘樞紐工程是新汴河最末級大型水利樞紐工程,坐落于江蘇省泗洪縣車門鄉(xiāng)陳龍村境內(nèi),集防洪、灌溉、供水于一體,整個樞紐工程主要由節(jié)制閘、翻水泵站、變電站等組成,通過控制水位和水流,實現(xiàn)對水資源的合理利用和調(diào)配,還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)上游的蓄水量和釋放量,確保上游農(nóng)田的灌溉需求及城市供水供應(yīng)。翻水泵站主體由進(jìn)水口、泵房、控制室、出水口等部分組成,主要建設(shè)內(nèi)容為水泵安裝、輸變電設(shè)備安裝、管道工程、道路工程等。團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站主要設(shè)備包括水泵、電動機(jī)、變壓器、開關(guān)柜等。水泵型號由國內(nèi)知名水泵生產(chǎn)廠家制造,性能優(yōu)良,運(yùn)行穩(wěn)定;電動機(jī)為高壓電機(jī),能夠滿足泵站正常運(yùn)行的需求;變壓器也能夠保證泵站用電的安全可靠;開關(guān)柜為真空開關(guān)柜,能夠?qū)崿F(xiàn)對泵站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測。團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站工程的主要功能見圖1。

圖1 團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站主要功能

圖1中,團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站的主要功能包括通過控制水泵的啟停和水流的調(diào)節(jié),使新汴河上游的水位保持在合適的范圍內(nèi),以滿足農(nóng)田灌溉、城市供水等需求。團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站工程的建設(shè)對于宿州市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市供水具有重要意義,不僅提供了可靠的水資源調(diào)節(jié)和保護(hù)措施,還推動了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步。泵站在運(yùn)行過程中,還需要考慮環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡,盡量減少對周圍環(huán)境的影響。泵站可以采用噪音隔離、振動控制和防止水污染等措施,保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境和水生物資源的安全。

為了及時發(fā)現(xiàn)和解決團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站運(yùn)行中的問題,確保泵站的正常運(yùn)行,水利泵站需要性能優(yōu)良的信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。一個好的水利泵站監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)設(shè)計是重要因素?，F(xiàn)場資料的收集和處理、水利工程泵機(jī)組的實時監(jiān)控、故障預(yù)警、相關(guān)設(shè)備的控制調(diào)整等都是水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分,該系統(tǒng)還可存儲并查詢歷史資料,以便及時與上級部門進(jìn)行信息交換。水利樞紐泵站監(jiān)測的內(nèi)容及預(yù)警的觸發(fā)條件見表1。

表1 監(jiān)控內(nèi)容和警報觸發(fā)條件

水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警所監(jiān)測的內(nèi)容大致分為:

水位監(jiān)測指監(jiān)測泵站周邊的水位變化情況,包括水位上升、下降的趨勢和幅度等。水位變化率為:

式中:Rw為水位變化率;Cw為當(dāng)前水位;Pw為上一時刻的水位;T為時間間隔。

流量監(jiān)測指監(jiān)測泵站進(jìn)出水口的流量變化情況,包括流量增加、減少的趨勢和幅度等。流量變化率為:

式中:Rf為流量變化率;Cf為當(dāng)前流量;Pf為上一時刻流量t為時間間隔。

壓力監(jiān)測指監(jiān)測泵站中各管道、閥門的壓力變化情況,以及泵的出水壓力等。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測指監(jiān)測泵站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),包括泵的運(yùn)行情況、電機(jī)的負(fù)荷、溫度等。在周圍水位超出或接近一定程度時,發(fā)出警報。當(dāng)進(jìn)出水口的水量超出預(yù)先設(shè)定的安全值或超過一定的閾值時,發(fā)出警報。當(dāng)管路和閥門的壓力超出預(yù)先設(shè)定的安全界限或者在一定的壓力下,警報就會被觸發(fā)。在水泵故障、電機(jī)過載等工況不正常時,報警信號也會被觸發(fā)。

1.2 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建及評估指標(biāo)選擇

目前,我國大多數(shù)水利泵站普遍存在低效率、高能耗的問題,長期大規(guī)模的排水操作造成大量的資源浪費(fèi)。如何在節(jié)約能源、減少能源消耗的同時,提升工作效能,更好地發(fā)揮最大效能,是目前水利泵站運(yùn)營管理工作中的重要課題。

研究針對某水利樞紐泵站的運(yùn)行效率,建立基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),通過分析泵站數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)異常模式和規(guī)律,及時預(yù)警并采取相應(yīng)措施[7-8]。實施步驟為收集水利泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù),包括泵機(jī)工作狀態(tài)、水位、流量等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過對頻繁項集和關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)一些異常模式,即與正常模式不符的數(shù)據(jù)組合。這些異常模式可能是設(shè)備故障、水位異常、流量異常等問題的先兆。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的異常模式和規(guī)律,設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以設(shè)置不同的預(yù)警級別和觸發(fā)條件,一旦檢測到異常模式,系統(tǒng)就會發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信號,提醒相關(guān)人員采取相應(yīng)措施。同時,對預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行測試和驗證,及時根據(jù)實際情況進(jìn)行反饋和改進(jìn)。通過不斷優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng),提高準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度?；贏priori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),可有效識別和預(yù)測泵站異常情況,幫助相關(guān)人員及時采取措施,保障水利工程的安全運(yùn)行。

研究針對團(tuán)結(jié)閘水利樞紐泵站存在的問題,建立基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),然后對水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行評估。水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)評估內(nèi)容見圖2。

圖2 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)評估

圖2中,水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)評估包括評估系統(tǒng)是否能夠準(zhǔn)確、及時地采集泵站的關(guān)鍵數(shù)據(jù),包括水位、流量、壓力、設(shè)備狀態(tài)等,并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心或相關(guān)人員。評估系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和處理過程中,是否能夠準(zhǔn)確判斷出潛在的問題和風(fēng)險,并及時觸發(fā)預(yù)警,需要考慮系統(tǒng)的算法準(zhǔn)確性、靈敏度和特異性。預(yù)警響應(yīng)與處理包括評估系統(tǒng)預(yù)警信息的傳遞方式和反應(yīng)速度,以及預(yù)警信息的準(zhǔn)確度和詳細(xì)程度,系統(tǒng)應(yīng)能夠迅速將預(yù)警信息傳遞給相關(guān)人員,并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施和建議。評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性包括硬件設(shè)備的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、系統(tǒng)的故障恢復(fù)能力等,系統(tǒng)應(yīng)能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行,對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和備份。用戶界面與操作性包括評估系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計和操作性是否易于使用和理解,系統(tǒng)應(yīng)提供直觀、簡潔、易于操作的界面,方便用戶查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警信息。評估系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性是否能夠適應(yīng)不同規(guī)模和類型的泵站,以及應(yīng)對不同的監(jiān)測需求和環(huán)境條件[9-10]。

綜合上述方面可知,對水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行評估,可以全面了解系統(tǒng)的性能和可行性。研究通過對當(dāng)前水利泵站信息化監(jiān)控與預(yù)警體系的評價,提出當(dāng)前信息化建設(shè)中存在的問題及其成因,具體見表2。

表2 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)存在的問題及原因

由表2可知,水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)存在的問題總結(jié)為數(shù)據(jù)質(zhì)量問題,系統(tǒng)可能存在數(shù)據(jù)采集不完整、準(zhǔn)確性不高、實時性不佳等問題,導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性受到影響。系統(tǒng)的預(yù)警算法可能存在不精確、誤報、漏報等情況,導(dǎo)致對泵站運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警判斷不準(zhǔn)確或不及時。系統(tǒng)可能存在故障率高、系統(tǒng)崩潰、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題,導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行或出現(xiàn)斷電、斷網(wǎng)等情況,影響監(jiān)測預(yù)警的連續(xù)性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示界面可能存在信息呈現(xiàn)不清晰、操作不便等問題,導(dǎo)致用戶無法直觀獲取泵站運(yùn)行狀態(tài)信息和預(yù)警信息。

上述問題的原因可能包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備質(zhì)量不高、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)存在干擾或延遲、預(yù)警算法不夠精確或未能及時更新、系統(tǒng)硬件或軟件故障等因素。此外,缺乏全面、系統(tǒng)的維護(hù)和管理也可能導(dǎo)致這些問題的存在,特別是在主汛期,作業(yè)人員的工作量較大,而且準(zhǔn)確性和及時性得不到保證,造成一定的安全隱患。因此,水利建設(shè)項目管理中存在大數(shù)據(jù)分析與評估能力不足、信息共享不足、公共服務(wù)缺失等諸多問題,嚴(yán)重制約了水利項目管理工作的開展。

2 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的性能和效果評估

基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)性能和效果,評估需要選擇合適的評估指標(biāo)。常用的評估指標(biāo)有:準(zhǔn)確率是系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警結(jié)果與實際情況相符的比例;靈敏度是系統(tǒng)檢測到真正預(yù)警的能力;特異度是系統(tǒng)正確判斷無預(yù)警的能力;誤報率是系統(tǒng)錯誤地發(fā)出預(yù)警的比例;預(yù)警延遲時間是系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警與實際事件發(fā)生之間的時間差;預(yù)警漏報率是系統(tǒng)未能發(fā)出預(yù)警的比例;預(yù)警準(zhǔn)確性是系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警中真正預(yù)警的比例。評估指標(biāo)具體見表3。

表3 水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)評估指標(biāo)

由表3可知,基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確率平均值為93.04%;靈敏度平均值為90.95%;特異度平均值為91.69%;誤報率平均值為6.96%;預(yù)警延遲時間平均值為0.74s;預(yù)警準(zhǔn)確性平均值為92.37。結(jié)果表明,該水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較高,性能優(yōu)良,能夠滿足水利泵站的日常監(jiān)測預(yù)警。

研究選取某一天的水利泵站信息監(jiān)測情況進(jìn)行分析,將水利泵站的水位監(jiān)測報警情況真實值與預(yù)測值進(jìn)行對比,具體見圖3。

圖3 某一天的水利泵站信息監(jiān)測報警情況

圖3(a)為全天的水位報警實際數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)的擬合曲線。由圖3(a)可知,預(yù)測值與實際值擬合較好,擬合精度在90%以上,殘差的波動較小。圖3(b)為實際水位監(jiān)測報警值與預(yù)測值之間的散點圖。顯然,這些散點都位于測量線附近,沒有較大的偏差,表明某一天的水利泵站信息監(jiān)測報警情況的預(yù)測效果較好。

水利泵站對水質(zhì)的監(jiān)測也極為重要。研究分析了該水利泵站某五日的各監(jiān)測因子、水質(zhì)類別的優(yōu)劣程度,監(jiān)測因子類別的等級越大,代表水質(zhì)越劣。該水利泵站監(jiān)測水質(zhì)情況見圖4。

圖4 某五日水利泵站監(jiān)測水質(zhì)的情況

圖4中,水利泵站監(jiān)測了某五日水質(zhì)的水溫、渾濁度、pH值及電導(dǎo)率。由圖4可知,水溫和電導(dǎo)率處于一個正常的區(qū)間;渾濁度在第四天有超過正常區(qū)間出現(xiàn)異常情況,但是波動在可控范圍內(nèi);pH值在第一天有超過正常區(qū)間出現(xiàn)異常情況,但異常波動較小。以上結(jié)果表明,這五日該水利泵站的水質(zhì)屬于正常情況。

3 結(jié) 論

為了解決水利泵站故障監(jiān)測和預(yù)警的問題,本文提出了基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)果顯示,基于Apriori算法的水利泵站信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警平均準(zhǔn)確率為96%,準(zhǔn)確率平均值為93.04%,靈敏度平均值為90.95%,特異度平均值為91.69%,誤報率平均值為6.96%,預(yù)警延遲時間平均值為0.74s,預(yù)警準(zhǔn)確性平均值為92.37。研究表明,該系統(tǒng)能夠判斷泵站是否存在故障風(fēng)險,并及時發(fā)出預(yù)警信號,保障水利工程的正常運(yùn)行,提高了泵站運(yùn)行效率和保障供水安全。