樊慶斌，杜法雷，張 苗，謝海洋，施 偉

(南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司徐州分公司，江蘇 徐州 221200)

近年來(lái)，水利工程的快速發(fā)展加快了水利信息化自動(dòng)化建設(shè)步伐，新建或改造泵站大多以“無(wú)人值班，少人值守”[1-3]為目標(biāo)配套建設(shè)了自動(dòng)化信息化系統(tǒng)。但從實(shí)施效果上來(lái)看，泵站的運(yùn)行管理智能化程度還未達(dá)到目標(biāo)要求，大部分泵站目前還無(wú)法完全地實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班，少人值守”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為推進(jìn)“大型泵站智慧化數(shù)字化、工程調(diào)度管理智能化”建設(shè)[4-5]，促使泵站生產(chǎn)、運(yùn)行和維護(hù)更加安全可靠，經(jīng)營(yíng)管理更加經(jīng)濟(jì)高效以及實(shí)現(xiàn)大型泵站的“風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別自動(dòng)化、管理決策智慧化”目標(biāo)。針對(duì)泵站現(xiàn)有調(diào)度、運(yùn)行、維護(hù)管理的需要，有必要進(jìn)行泵站自動(dòng)化系統(tǒng)性能檢測(cè)平臺(tái)的研究。

因此，本文根據(jù)“強(qiáng)監(jiān)管、補(bǔ)短板”的任務(wù)思路，對(duì)泵站自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析以及深入研究，最終選擇采用模糊綜合評(píng)價(jià)法的數(shù)學(xué)方法來(lái)建立泵站自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)模型[6]。并借助“智能檢測(cè)”技術(shù)，采用“預(yù)測(cè)性維護(hù)”的管理手段，實(shí)現(xiàn)泵站的智能化運(yùn)維管理，逐步提高可靠性、平均利用率、平均故障間隔時(shí)間MTBF。經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)泵站的運(yùn)行管理進(jìn)行橫向比照，不斷完善現(xiàn)代化科學(xué)管理。研制高精度的信號(hào)發(fā)生裝置及相關(guān)配套軟硬件平臺(tái)，模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境信號(hào)，完成自動(dòng)化系統(tǒng)的性能測(cè)試，同時(shí)定制研發(fā)測(cè)試平臺(tái)軟件分析自動(dòng)化系統(tǒng)的潛在設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，提高各個(gè)泵站的自動(dòng)化運(yùn)維檢修水平，發(fā)現(xiàn)潛在的性能缺陷，促進(jìn)技術(shù)管理的現(xiàn)代化。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)自動(dòng)化的評(píng)價(jià)以及自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)有一定研究。董云逸等[7]選取人員因素、設(shè)備要素、車站環(huán)境水平、車站組織管理地這4個(gè)方面作為模糊評(píng)價(jià)的主要因素，提出了多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法層面上的SAM系統(tǒng)聯(lián)調(diào)行車安全評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，成功得到該自動(dòng)化系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方案。范穎[8]利用層析分析法的數(shù)學(xué)方法，對(duì)整個(gè)指標(biāo)體系進(jìn)行剖析求解，得出指標(biāo)體系的權(quán)重。同時(shí)通過(guò)運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)法建立了電網(wǎng)地區(qū)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，并從定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。何鵬輝[9]設(shè)計(jì)完成了水電站群的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)硬件與軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)以及歷史數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，通過(guò)借鑒面向服務(wù)架構(gòu)的思想(SOA)成功地將系統(tǒng)進(jìn)行解耦合，使得原本集中式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)變?yōu)樗神詈系姆植际较到y(tǒng)。與此同時(shí)，何鵬輝還提出了異步事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的IEC60870-5-104規(guī)約處理措施，成功地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。李坤陽(yáng)[10]將PLC控制器與配套監(jiān)控硬件設(shè)備緊密結(jié)合，以船舶電站處和遠(yuǎn)程監(jiān)控站點(diǎn)處收集、整合、處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)船船、船岸間的共通協(xié)作運(yùn)行的要求。并通過(guò)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)分成兩大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。為全船提高質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、可靠的電力。

1 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)評(píng)價(jià)體系

本文構(gòu)建了泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并介紹了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則。從現(xiàn)地級(jí)、站控級(jí)、管理級(jí)這3個(gè)方面進(jìn)行了指標(biāo)的選取與體系的建立。同時(shí)，介紹該評(píng)價(jià)體系中如何確定權(quán)重，如何利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。并闡述了該模型的內(nèi)涵。最終建立了泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)價(jià)模型。

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建的原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建影響著自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)評(píng)價(jià)的合理性，選取的是否權(quán)當(dāng)對(duì)結(jié)果的影響很大。因此，選取得指標(biāo)應(yīng)當(dāng)考慮全面，不僅要從泵站自動(dòng)化情況考慮，還要考慮指標(biāo)得獲取、易量化得程度等科學(xué)的原則。

一般情況下，指標(biāo)選取應(yīng)當(dāng)遵從目的性原則，在進(jìn)行泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)時(shí)選取可以滿足綜合評(píng)價(jià)目的指標(biāo)；系統(tǒng)性原則，指標(biāo)體系是一個(gè)有機(jī)的整體，各指標(biāo)之間在某個(gè)方面存在一定的聯(lián)系，并且能做到自上而下、層層遞進(jìn)。全面性指標(biāo)不宜過(guò)多，這樣會(huì)導(dǎo)致指標(biāo)重復(fù)和繁瑣，同時(shí)也不可過(guò)少會(huì)造成重要信息的遺漏。

1.2 影響指標(biāo)的選取

泵站自動(dòng)化系統(tǒng)一般采用開(kāi)放式，建立在網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)原則上進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得各子系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)又可通過(guò)一定的方式互連[11]。系統(tǒng)自下而上分成現(xiàn)地級(jí)、站控級(jí)﹑管理級(jí)。在泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取中，本文依照上述原則，從現(xiàn)地級(jí)、站控級(jí)、管理級(jí)3個(gè)方面進(jìn)行選取。

泵站自動(dòng)化系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文在選取指標(biāo)[12]時(shí)，現(xiàn)地級(jí)的指標(biāo)主要選取監(jiān)控系統(tǒng)LCU狀態(tài)指標(biāo)、傳感器狀態(tài)指標(biāo)；站控級(jí)選取監(jiān)控主機(jī)狀態(tài)指標(biāo)、MCU狀態(tài)指標(biāo)、顯示終端狀態(tài)指標(biāo)；管理級(jí)選取數(shù)據(jù)庫(kù)指標(biāo)、服務(wù)器指標(biāo)、管理終端指標(biāo)。最終選取結(jié)果，如表1所示。

圖1 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

表1 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)建立

模糊綜合評(píng)價(jià)[13]的步驟由下文所提的5個(gè)步驟組成：一是確定因素集；二是確定評(píng)語(yǔ)集統(tǒng)計(jì)；三是確定單因素隸屬度向量、形成隸屬度矩陣；四是確定權(quán)重集；五是計(jì)算綜合評(píng)定值、得出結(jié)果。

(1)確定因素集

因素集是指多個(gè)指標(biāo)的集合包括一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)。要對(duì)某一具體對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，就需要分析影響評(píng)價(jià)結(jié)果的因素以及如何表達(dá)評(píng)價(jià)結(jié)果。通常的因素集用F表示，指標(biāo)用fi表示，表示為式(1)。

F={f1,f2,……,fn}

(1)

(2)確定評(píng)語(yǔ)集

評(píng)語(yǔ)集指的是被評(píng)價(jià)項(xiàng)目的程度，通常用E表示。評(píng)語(yǔ)集一般依據(jù)優(yōu)劣的程度劃分為多個(gè)等級(jí)，通常用ej表示，表示為式(2)。

E={e1,e2,……,en}

(2)

(3)確定單因素隸屬度向量、形成隸屬度矩陣

(3)

(4)確定權(quán)重集

權(quán)重集表示各指標(biāo)在所在層次的重要性，通常用W表示，權(quán)重集表示為式(4)。

WF={Wf1,Wf2,……,Wfn}

(4)

其中，權(quán)重集中各權(quán)重的值，采用層次分析法確定，本文不再贅述。

(5)計(jì)算評(píng)價(jià)值

最終模糊綜合評(píng)價(jià)的方法通過(guò)將影響因素之間的模糊關(guān)系反應(yīng)為評(píng)語(yǔ)集之間的模糊關(guān)系，評(píng)價(jià)值通常用S表示，最終計(jì)算結(jié)果按照式(5)計(jì)算。

S=WTR

(5)

2 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)研發(fā)

現(xiàn)階段市場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備種類繁多、集成方式多樣，系統(tǒng)的可靠性主要依賴于系統(tǒng)集成商的能力和責(zé)任心。系統(tǒng)投運(yùn)后管理單位和維護(hù)單位僅可完成出現(xiàn)故障后的處理工作，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的定期檢測(cè)力不從心。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)作為自動(dòng)化設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)裝置，對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行全面檢測(cè)。PLC等控制裝置進(jìn)行CPU運(yùn)行性能、IO逐通道多點(diǎn)檢測(cè)、內(nèi)部電源供電狀況檢測(cè)；通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行包括響應(yīng)時(shí)間、準(zhǔn)確率等檢測(cè)；傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及電磁干擾波動(dòng)性檢測(cè)[14]。本文通過(guò)將上述方法集成的所研發(fā)平臺(tái)中，補(bǔ)充自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備缺乏有效監(jiān)測(cè)的短板，可實(shí)現(xiàn)科學(xué)運(yùn)維、數(shù)據(jù)運(yùn)維、提升平均故障間隔時(shí)間MTBF，從而提高可靠性。

2.1 平臺(tái)研發(fā)內(nèi)容

泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)研發(fā)包括高精度信號(hào)采集發(fā)生器研發(fā)、分析檢測(cè)平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)以及便攜式外觀設(shè)計(jì)。

(1)高精度信號(hào)采集發(fā)生器研發(fā)

功能主要包括：16路精度為16位的模擬量輸出、16路精度為16位的模擬量輸入、32路SOE開(kāi)關(guān)量檢測(cè)輸入、32路SOE開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出、8路溫度量輸出。

嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)[15]被劃分為4層結(jié)構(gòu)，自下而上分別是：硬件層、驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。硬件層面開(kāi)發(fā)5信號(hào)IO基板，產(chǎn)生或接收基本信號(hào)；主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析，精確時(shí)間至ms；通訊基板構(gòu)建兩個(gè)以太網(wǎng)接口與平臺(tái)軟件進(jìn)行通訊。軟件內(nèi)核采用Linux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)，并布置通用協(xié)議支持軟件。軟件架構(gòu)分成5層，每層包含很多模塊，每層都有自己的一些特點(diǎn)。當(dāng)新的需求提出或系統(tǒng)需求發(fā)生變化，只需要對(duì)發(fā)生改變的模塊進(jìn)行改寫。模塊與模塊之間選擇不設(shè)置全局變量，僅允許通過(guò)函數(shù)接口進(jìn)行內(nèi)部的通信。從而有效保障了軟件系統(tǒng)的可靠性。

(2)分析檢測(cè)平臺(tái)軟件

本文應(yīng)用上文所提到的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，定制開(kāi)發(fā)一體化自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)軟件[16]，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，出具檢測(cè)報(bào)告。對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、終端、傳感器等進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息收集功能。通過(guò)圖形化展示方式實(shí)時(shí)顯示采集終端及各項(xiàng)參數(shù)分布狀態(tài)，為自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的高效維護(hù)和可靠性運(yùn)行提供保障。通過(guò)設(shè)定的閾值條件，利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，生成預(yù)警警告，并在檢測(cè)報(bào)告中重點(diǎn)標(biāo)出。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際情況，對(duì)采集及作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理至單站的檢測(cè)報(bào)告中，指導(dǎo)站所自動(dòng)化系統(tǒng)高效維護(hù)和系統(tǒng)使用的可持續(xù)性。

(3)便攜式外觀設(shè)計(jì)

為方便泵站的現(xiàn)場(chǎng)使用，在電路設(shè)計(jì)、外包裝方面盡可能地減小設(shè)備體積。并設(shè)計(jì)便攜式拉桿箱設(shè)計(jì)，以便在多個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)操作。

2.2 檢測(cè)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)、目標(biāo)

2.2.1 檢測(cè)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

在自動(dòng)化檢測(cè)的實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)要去實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化檢測(cè)，并非掌握某個(gè)自動(dòng)化測(cè)試工具或掌握腳本編寫的技術(shù)語(yǔ)言即可實(shí)現(xiàn)。面對(duì)一系列的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化就能夠提升自動(dòng)化運(yùn)行維護(hù)的效率。不具備可維護(hù)性、復(fù)用性差等隱藏問(wèn)題都將是導(dǎo)致自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)失敗的最致命因素，盡管開(kāi)發(fā)者很努力，但開(kāi)發(fā)成果并不能取得良好效果。

開(kāi)發(fā)分析檢測(cè)的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)在于能夠提高測(cè)試效率和降低泵站自動(dòng)化維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)快速且多次的回歸測(cè)試，可提高測(cè)試覆蓋率，在提高了測(cè)試的可行性同時(shí)，避免了人為因素干擾。

2.2.2 檢測(cè)平臺(tái)的目標(biāo)

在搭建符合要求的泵站自動(dòng)化檢測(cè)框架時(shí)，為了能讓未來(lái)泵站自動(dòng)化檢測(cè)正式實(shí)施時(shí)能夠有序且高效開(kāi)展，應(yīng)當(dāng)使其達(dá)成高復(fù)用性、高可維護(hù)性、穩(wěn)定性、能夠不斷提升自動(dòng)化測(cè)試比例的目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)前泵站智能化信息化高速發(fā)展的背景下，為了順利實(shí)現(xiàn)水利工程由“信息化”向“智慧化”和“智能化”轉(zhuǎn)型，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制提出了進(jìn)一步要求，因此亟需開(kāi)展自動(dòng)化設(shè)備檢測(cè)評(píng)價(jià)方法和平臺(tái)研制的深入研究。

本文基于模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)方法，提出了泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備綜合評(píng)價(jià)方法，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了模糊綜合評(píng)價(jià)體系。并在此基礎(chǔ)上，提出了更可靠、功能更完善的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)及其配套軟、硬件的設(shè)計(jì)構(gòu)想，主要包括高精度的信號(hào)發(fā)生裝置研發(fā)和分析檢測(cè)平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)2個(gè)部分，該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境信號(hào)的模擬，完成自動(dòng)化系統(tǒng)的性能測(cè)試，能夠有效分析自動(dòng)化系統(tǒng)的潛在設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，提高各個(gè)泵站的自動(dòng)化運(yùn)維水平，發(fā)現(xiàn)潛在的性能缺陷，以促進(jìn)管理向現(xiàn)代化發(fā)展。