智能時(shí)代風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備火災(zāi)消防監(jiān)控發(fā)展趨勢(shì)研究

引言

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮脑鲩L(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電成為綠色能源的代表。然而，風(fēng)電設(shè)備在運(yùn)行過程中存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，如何高效監(jiān)控和預(yù)防火災(zāi)成為風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。隨著智能時(shí)代的到來，自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)為風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備的火災(zāi)消防監(jiān)控提供了全新的解決方案。這些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的風(fēng)電環(huán)境中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、分析風(fēng)險(xiǎn)，并在火災(zāi)發(fā)生前自動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施，從而極大提高了監(jiān)控效率與精度。

一、智能時(shí)代風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備火災(zāi)消防監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)

（一）自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

自2000年起，在風(fēng)電領(lǐng)域，自動(dòng)化裝置逐漸廣泛應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的操作監(jiān)控及維護(hù)環(huán)節(jié)。在風(fēng)電場(chǎng)的配置中，至少有500臺(tái)風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)裝備有20個(gè)或更多的傳感器，這些傳感器每小時(shí)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總量超過5000條，內(nèi)容涵蓋溫度、濕度、氣壓以及振動(dòng)等信息。借助自動(dòng)化控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)能在5毫秒時(shí)限內(nèi)傳輸至中央控制室，隨后內(nèi)置算法對(duì)其進(jìn)行分析，以便自動(dòng)辨認(rèn)出任何異常狀況。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組溫度上升至 200% 以上或環(huán)境濕度驟降至 5% 以下時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)立即激活火警警報(bào)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)配置的自動(dòng)滅火裝置會(huì)在1秒之內(nèi)啟動(dòng)響應(yīng)程序。為了確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)需進(jìn)行全面檢查與調(diào)試[1]

(二)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合

在現(xiàn)代風(fēng)電場(chǎng)所設(shè)立的火災(zāi)監(jiān)控體系中，每一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)均裝配了超過30種傳感器，涵蓋了溫度、濕度監(jiān)測(cè)以及煙霧識(shí)別等多種功能，這些傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)與集控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。例如，在某個(gè)有兩百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，每秒鐘會(huì)產(chǎn)生60萬條以上的數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些數(shù)據(jù)在不到1秒鐘的時(shí)間內(nèi)被傳輸至監(jiān)控樞紐。物聯(lián)網(wǎng)能夠利用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控與處理，從而摒棄過往每周派遣至少10名運(yùn)維人員進(jìn)行人工巡檢的低效率做法[2]

（三)大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的支持

2005年成為大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)，得益于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理費(fèi)用的降低，風(fēng)電場(chǎng)開始普遍采用這兩項(xiàng)技術(shù)，以提升監(jiān)控與維護(hù)效率。風(fēng)電場(chǎng)中的每臺(tái)風(fēng)機(jī)平均每天產(chǎn)生超過100GB的數(shù)據(jù)，一個(gè)有200臺(tái)風(fēng)機(jī)的大型風(fēng)電場(chǎng)每日需處理超過20TB的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在過去，數(shù)據(jù)僅能儲(chǔ)存在本地并依靠人工進(jìn)行周期性分析。目前，得益于云計(jì)算技術(shù)，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行及時(shí)處理。分析表明，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)可在2秒內(nèi)接收到云計(jì)算系統(tǒng)處理海量數(shù)據(jù)后的反饋，借此實(shí)現(xiàn)精確的火災(zāi)預(yù)警[3]。在過去5年中，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的深入分析，云平臺(tái)能夠精確識(shí)別出溫度超過 150^°C 時(shí)某些設(shè)備部件出現(xiàn)故障的可能性，并能在事故發(fā)生前7天發(fā)出預(yù)警提示，有效降低了火災(zāi)事故的發(fā)生概率。

二、智能時(shí)代風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備火災(zāi)消防監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)

（一)智能傳感與實(shí)時(shí)監(jiān)控

為了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的自動(dòng)化設(shè)備實(shí)施智能感知與連續(xù)監(jiān)控，選取適應(yīng)其特定環(huán)境的傳感器至關(guān)重要。建議選用霍尼韋爾5800系列的溫度檢測(cè)器、博世BMP388的濕度與氣壓測(cè)定器以及MS5611的高精度振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。這些傳感器能在極端溫度環(huán)境下，保持其濕度測(cè)量精度在±3% 以內(nèi)，響應(yīng)速度快至1毫秒以下。對(duì)0至10，000赫茲的振動(dòng)頻率具有檢測(cè)能力，并在惡劣條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器應(yīng)被安置在發(fā)電機(jī)、齒輪箱以及風(fēng)機(jī)葉片等關(guān)鍵部件上，以便對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面監(jiān)控。傳感器可以利用紫蜂或長(zhǎng)距離廣域網(wǎng)等工業(yè)級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[4]。每秒鐘各個(gè)傳感器大約產(chǎn)生2，000條數(shù)據(jù)，由思科工業(yè)無線3700系列網(wǎng)關(guān)收集并處理，進(jìn)而傳輸至本地邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。針對(duì)數(shù)據(jù)的高效處理與存儲(chǔ)需求，推薦使用搭載計(jì)算設(shè)備架構(gòu)圖形處理單元并能在毫秒級(jí)響應(yīng)的英偉達(dá)邊緣計(jì)算模塊，該模塊能夠每小時(shí)處理50GB的數(shù)據(jù)。傳感器系統(tǒng)需定時(shí)借助NIPXI-1033校準(zhǔn)裝置執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)，以維持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如表1所示。

(二)人工智能驅(qū)動(dòng)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

為了打造一個(gè)由人工智能驅(qū)動(dòng)的火災(zāi)預(yù)兆探測(cè)系統(tǒng)，配備一個(gè)處理能力強(qiáng)大的計(jì)算硬件，用以分析由各類傳感器搜集來的大量數(shù)據(jù)信息。選擇配備8個(gè)A100圖形處理單元(GPU)卡的英偉達(dá) dgx100 服務(wù)器，每個(gè)GPU卡具備40GB顯存容量，此服務(wù)器每天可處理 500TB 的數(shù)據(jù)量，并高效地訓(xùn)練及運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型。為了培養(yǎng)深度學(xué)習(xí)模型，系統(tǒng)對(duì)涵蓋過去三年至五年間的各類傳感器數(shù)據(jù)如溫度、濕度、煙霧及振動(dòng)進(jìn)行深入分析。在此過程中，大數(shù)據(jù)處理框架阿帕奇火花被用于優(yōu)化數(shù)據(jù)的清洗和處理環(huán)節(jié)。在訓(xùn)練AI模型過程中，可以選擇谷歌張量流圖或皮托克框架，并應(yīng)用長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)或門控循環(huán)單元模型，這兩種模型均支持時(shí)序分析，以便對(duì)火災(zāi)發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了使模型保持實(shí)時(shí)運(yùn)行，建立一個(gè)自動(dòng)化的系統(tǒng)，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的更新和模型的優(yōu)化，通過庫貝流實(shí)現(xiàn)模型的部署和自動(dòng)訓(xùn)練，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流直接輸送至訓(xùn)練模型中，同時(shí)模型的參數(shù)會(huì)根據(jù)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。風(fēng)電設(shè)備應(yīng)配備預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力檢測(cè)并比較設(shè)備異常振動(dòng)、溫度波動(dòng)及煙霧濃度數(shù)據(jù)與歷史記錄，以便在火災(zāi)發(fā)生前24小時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（三)邊緣計(jì)算與云計(jì)算的協(xié)同應(yīng)用

在風(fēng)電火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的關(guān)鍵在于邊緣計(jì)算與云計(jì)算的協(xié)作，建議選用戴爾EMCPowerEdgeXE2420服務(wù)器作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，該服務(wù)器具備24個(gè)雙列直插式內(nèi)存組件插槽，能夠安裝英特爾至強(qiáng)黃金6230R，每小時(shí)處理數(shù)據(jù)量超過 50GB 。在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的調(diào)控中心，安裝了多個(gè)端點(diǎn)設(shè)備，這些設(shè)備專門負(fù)責(zé)處理來自傳感器的數(shù)據(jù)，如識(shí)別氣溫、濕度和振動(dòng)等方面的關(guān)鍵信息。邊緣計(jì)算應(yīng)用程序在基于紅帽開放位移的容器平臺(tái)上得到部署，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效響應(yīng)和與中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高效同步。針對(duì)大規(guī)模存儲(chǔ)和計(jì)算需求，推薦采用微軟Azure或Amazon網(wǎng)絡(luò)服務(wù)云平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算資源的協(xié)同工作。每臺(tái)風(fēng)機(jī)每天產(chǎn)生100GB數(shù)據(jù)，通過高速光纖或5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，即云端。為了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在云端系統(tǒng)中采用了基于阿帕奇哈多普架構(gòu)的HDFS分布式文件系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用分布式計(jì)算系統(tǒng)或Apache閃爍進(jìn)行并行計(jì)算，對(duì)積累的數(shù)千臺(tái)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，旨在揭示其發(fā)展趨勢(shì)，并構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)模型。在邊緣節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到異常狀況時(shí)，能夠在短短3秒鐘內(nèi)啟動(dòng)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)。為了便于運(yùn)維團(tuán)隊(duì)監(jiān)控，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過BI以可視化形式展現(xiàn)[5]

(四)無人機(jī)與機(jī)器人技術(shù)的引入

引人無人機(jī)與機(jī)器人技術(shù)，能顯著提升風(fēng)電場(chǎng)在巡檢與火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)方面的效率與能力。在選擇無人機(jī)時(shí)，應(yīng)選用大疆Matrice300RTK型號(hào)，并配備ZenmuseH20T紅外成像相機(jī)與激光雷達(dá)設(shè)備，該無人機(jī)能在極端天氣環(huán)境下保持穩(wěn)定飛行，僅需20分鐘便能對(duì)50臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面巡檢。操作無人飛行器時(shí)，需利用大疆飛行員軟件對(duì)其進(jìn)行程序編寫，預(yù)設(shè)無人機(jī)的自主檢查路徑，同時(shí)將收集的檢查數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至大疆特拉云系統(tǒng)進(jìn)行加工。一般情況下，每次檢查過程將產(chǎn)生大約200GB的數(shù)據(jù)量。搭載了高精度紅外傳感器的無人機(jī)能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度進(jìn)行精確測(cè)定，其檢測(cè)精度高達(dá) ±0.1^°C ，一旦監(jiān)測(cè)到風(fēng)機(jī)溫度超出設(shè)定閾值 180^°C ，該無人機(jī)即刻觸發(fā)警報(bào)機(jī)制，并通過大疆飛行管家平臺(tái)，將所收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至中央監(jiān)控系統(tǒng)。在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)急滅火系統(tǒng)中，采用國(guó)產(chǎn)四足機(jī)器人，該機(jī)器人配備了熱成像相機(jī)和滅火噴灑裝置，其容量足以裝載10升二氧化碳滅火劑。這款機(jī)器人能夠在復(fù)雜地形條件下靈活移動(dòng)，結(jié)合熱成像技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源，并迅速進(jìn)行滅火操作，提高風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)急響應(yīng)能力和安全性。一旦無人機(jī)或傳感器系統(tǒng)啟動(dòng)火災(zāi)警報(bào)，機(jī)器人能在3分鐘以內(nèi)自主前往火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，并通過ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程滅火操作。使用英偉達(dá)JetsonXavier處理單元，機(jī)器人能夠規(guī)劃路徑，即便在復(fù)雜地形下也能保證順暢運(yùn)作。將無人機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)整合，能夠降低人工干預(yù)的需求，并將火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間縮短至5分鐘以內(nèi)。

（五）自主防火與智能維護(hù)技術(shù)

在風(fēng)機(jī)內(nèi)部，安裝FirePro滅火系統(tǒng)的自動(dòng)滅火裝置，該系統(tǒng)采用固體氣溶膠技術(shù)進(jìn)行滅火。在風(fēng)機(jī)的發(fā)電設(shè)備、齒輪變速箱及電氣設(shè)備控制盒周邊，須分別安裝最多4個(gè)消防專業(yè)人員模塊。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到溫度超出200% 閾值時(shí)，內(nèi)置模塊將自主激活，釋放二氧化碳滅火劑，只需15秒即可滅火，效果顯著。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的智能維護(hù)，推薦采用IBM最大值資產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠每周從傳感器收集超過1TB的數(shù)據(jù)，并利用人工智能算法對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而制定出自動(dòng)化的維護(hù)計(jì)劃。將馬克西莫系統(tǒng)與以AI為核心的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合，能夠基于過往數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備部件的磨損狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并自動(dòng)地進(jìn)行維護(hù)工作。在檢測(cè)到設(shè)備部件老化或異常磨損的情況下，智能系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將相關(guān)任務(wù)指派給維護(hù)機(jī)器人或者自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，以提前進(jìn)行零部件的更換，從而保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)語

智能時(shí)代為風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備火災(zāi)消防監(jiān)控系統(tǒng)帶來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。通過智能傳感器、人工智能、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、無人機(jī)、機(jī)器人、自主防火等技術(shù)的融合應(yīng)用，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析，還能主動(dòng)預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。這些技術(shù)的發(fā)展使得風(fēng)電場(chǎng)的火災(zāi)預(yù)防更加智能化和自動(dòng)化，極大地提升了設(shè)備的安全性和運(yùn)維效率。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入，風(fēng)電自動(dòng)化設(shè)備火災(zāi)消防監(jiān)控系統(tǒng)將進(jìn)一步優(yōu)化，為風(fēng)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的安全保障。

參考文獻(xiàn)

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