徐曉莉， 劉 哲， 鈕月磊， 李書明

(1.國電南京自動化股份有限公司， 南京 210061；2.廈門水務原水投資運營有限公司， 廈門 361000)

隨著新興技術的快速發(fā)展和“智慧水利”的提出，水利運維作為水利工作最重要的一部分，實現(xiàn)其智能化管理是建設智慧水利的必然要求[1]。傳統(tǒng)的水利運維系統(tǒng)解決了多個自動化系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸、集成和共享的問題，并提供了一定的輔助決策支持[2]。但是大多利用運維人員和專家積累的經驗等淺層知識指導故障診斷和運維工作開展，這類方法在復雜水利系統(tǒng)高維故障特征、小樣本的情況下效果還不夠理想[3]。另外，傳統(tǒng)的水利運維系統(tǒng)與生產管理系統(tǒng)之間各自獨立運行，故障診斷完成后，仍需再次登錄生產管理系統(tǒng)進行流程的提交與處理，故障處理結果也無法及時向運維系統(tǒng)反饋，造成資源浪費的同時，也大大降低了整體運維工作的效率。

長泰枋洋水利樞紐工程是廈漳2市共同依托九龍江流域，實現(xiàn)跨區(qū)域、跨流域水資源配置的重要工程，是水利部全國172個重大節(jié)水供水水利項目之一。工程位于長泰縣枋洋鎮(zhèn)，由上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩及溪口-許莊引水隧洞組成。針對當前水利運維和管理所面臨的問題，設計開發(fā)一套科學決策支持的綜合信息化管理系統(tǒng)，以滿足枋洋水利樞紐日常運維和管理的各項工作需求。系統(tǒng)借助先進的計算機技術、信息技術和管理技術，統(tǒng)籌和推進樞紐各項工作的有序開展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的全面共享、工程全要素信息的可視化管理、設備的高效運維及生產的流程化管理，促進管理決策科學化[4]。

1 一體化設計

系統(tǒng)建設的根本目的是實現(xiàn)運維的一體化管理，因而設計將水利運維所有的工作集中在一個平臺上處理。從數(shù)據(jù)采集、征兆獲取、故障診斷、運維預案、人員調配到運維過程記錄，全部由一個平臺統(tǒng)一完成，以此加強運維工作的協(xié)調性，保證運維工作的高效進行。設計將系統(tǒng)從功能上分為工程信息管理、生產數(shù)據(jù)集成監(jiān)測、故障診斷與預警、生產綜合管理4個模塊。一體化運維流程及各模塊關系如圖1。

圖1 一體化運維流程

由工程信息管理模塊完成水利工程各類基礎信息的采集，如生產運行指標、工程技術資料等，為故障診斷和預警提供信息化支持。生產數(shù)據(jù)集成監(jiān)測模塊提供實時自動化系統(tǒng)運行關鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障的快速響應，便于及時掌握風險和隱患。巡檢發(fā)現(xiàn)的缺陷及異常也是故障征兆獲取的重要數(shù)據(jù)來源。故障診斷與預警模塊通過數(shù)據(jù)分析定位故障源，由生產綜合管理模塊推送運維工單，派發(fā)給相應運維人員。運維人員處理完成后，管理人員對運維實施效果進行評價。最后將故障診斷結果、運維過程及處理結果等歷史數(shù)據(jù)反饋到整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)迭代學習，從而變得更加準確和有效。

2 功能設計

系統(tǒng)功能結構采用“橫排功能、縱排內容”的設計思想，結合長泰枋洋水利樞紐的生產運行實際，主要功能設計見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結構

2.1 工程信息管理

工程信息管理模塊提供枋洋水利樞紐工程基礎信息查詢，信息包括整個工程各個建筑物基本信息、設計圖紙、技術資料、安全規(guī)程、生產運行指標等。本模塊旨在提供全方位的信息管理和信息服務，可根據(jù)用戶需求對查詢方式和查詢內容進行自定義，提供信息的上傳、查詢、預覽、下載及打印功能。根據(jù)查詢類型的不同，采用圖形、視頻、表格、曲線等多種形式顯示結果。不同的用戶角色具有不同的查詢權限。

2.2 生產數(shù)據(jù)集成監(jiān)測

集成枋洋水利樞紐尚吉電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)等實時數(shù)據(jù)(后期可根據(jù)實際需求進行擴充)，構建水利物聯(lián)網(wǎng)，由運維一體化管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一調用和展示，并對收集的原始數(shù)據(jù)進行分類和分析，統(tǒng)計分析結果以統(tǒng)計報表、柱狀圖、過程線、餅狀圖等方式進行展示。

此模塊用于實現(xiàn)自動化系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視，但不能對其進行任何操作。既滿足了管理人員的工作需要，也避免誤操作導致的安全事故，充分保證生產的安全高效。

2.3 故障診斷與預警

故障診斷與預警模塊是確保樞紐健康運行的關鍵所在，為水利運維工作提供重要的輔助決策支持。模塊功能為(1)歷史故障：以友好的界面展示歷史故障信息及故障參數(shù)運行情況；(2)故障診斷：實現(xiàn)故障的快速定位和診斷分析，提供相應的運維預案；(3)故障預警：預估各個子系統(tǒng)故障發(fā)生情況并計算發(fā)生概率；(4)故障統(tǒng)計：按故障等級、故障發(fā)生時間、故障設備類型等屬性對故障進行查詢統(tǒng)計。

2.4 生產綜合管理

生產綜合管理模塊涵蓋了樞紐日常生產運行中的全部工作，旨在建立完善的業(yè)務處理系統(tǒng)，采用基于Activiti的智能工作流管理，實現(xiàn)無紙化、流程化的高效辦公[5]。

基于枋洋水利樞紐的業(yè)務特點和管理特點，生產綜合管理模塊功能設計見圖3。

圖3 生產綜合管理子模塊功能結構

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 工程信息管理

長泰枋洋水利運維一體化管理系統(tǒng)采用ElasticSearch作為系統(tǒng)信息檢索引擎，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)搜索的實時性能支持，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)存儲的所有字段都可以建立索引進行搜索操作，較短時間就可以存儲和搜索海量數(shù)據(jù)。信息查詢采用屬性查詢和空間查詢相結合的方式。

(1)屬性查詢：頁面選擇查詢的信息屬性，輸入內容關鍵字，完成對枋洋水利工程相關信息資源的檢索。

(2)電子地圖查詢：點擊電子地圖相應的工程鏈接位置，顯示當前位置的工程屬性信息，包括工程特性、工程圖紙、工程照片和實時視頻等。

3.2 生產數(shù)據(jù)集成監(jiān)測

長泰枋洋水利運維一體化管理系統(tǒng)與生產實時監(jiān)測系統(tǒng)同步建設，對數(shù)據(jù)實行統(tǒng)一規(guī)劃和設計，提前考慮好與本系統(tǒng)的連接方式并預留了接口，對數(shù)據(jù)格式和信息編碼進行了統(tǒng)一。

由于本系統(tǒng)需要將尚吉電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)等安全性要求很高的生產實時系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡中來，這就容易對實時系統(tǒng)的安全性產生影響。因此需要對接入的系統(tǒng)安全分區(qū)。長泰枋洋水利工程系統(tǒng)安全防護體系劃分成3個區(qū)：安全Ⅰ區(qū)(實時監(jiān)控區(qū))，安全Ⅱ區(qū)(在線監(jiān)測區(qū))，安全Ⅲ區(qū)(管理信息區(qū))。尚吉電站監(jiān)控系統(tǒng)及閘門運行監(jiān)控系統(tǒng)布置在安全Ⅰ區(qū)，經物理隔離裝置，單向將數(shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)中心。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)布置在安全Ⅱ區(qū)。運維一體化管理系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)部署于安全Ⅲ區(qū)，在Ⅲ區(qū)交換機劃分VLAN，保證同區(qū)內各系統(tǒng)網(wǎng)絡獨立運行。Ⅲ區(qū)與外部網(wǎng)絡間部署硬件防火墻，用于入侵監(jiān)測和安全訪問策略的控制。

3.3 故障診斷與預警

3.3.1 診斷方法

長泰枋洋水利樞紐設備數(shù)量繁多，構成部件相互耦合。這導致了產生的故障種類多，故障原因復雜，診斷難度大。針對這種復雜系統(tǒng)的故障診斷，本系統(tǒng)采用了基于深度置信網(wǎng)絡(Deep Belief Networks，DBN)的故障診斷方法進行特征的提取和分類。

DBN是由多個受限玻爾茲曼機(Restricted Boltzmann Machine，RBM)疊加構建的深度學習算法。它通過計算機仿真人類大腦的運行機制，實現(xiàn)學習、分析和解讀輸入數(shù)據(jù)并形成診斷知識。DBN的基本結構是由底層堆疊RBM和頂層的分類器組成，底層堆疊RBM完成復雜數(shù)據(jù)的學習和特征提取，頂層的分類器實現(xiàn)網(wǎng)絡參數(shù)有監(jiān)督的微調和數(shù)據(jù)的分類。基于DBN的強大的特征提取能力主要取決于底層堆疊RBM的學習過程，在數(shù)據(jù)降維重構后仍能保持數(shù)據(jù)原本的特征，能夠在樣本有限的情況下，快速高效地完成特征的識別、提取和表達。

3.3.2 功能實現(xiàn)

建立枋洋水利樞紐故障診斷標準庫、運維預案庫和實例庫，為故障診斷和故障預警提供有力支撐。

(1)故障診斷：根據(jù)報警信息或故障征兆，點擊診斷按鈕，實現(xiàn)故障的快速定位和診斷分析。診斷頁面同時顯示故障關聯(lián)參數(shù)，點擊趨勢按鈕可查看參數(shù)在故障發(fā)生前后的波形曲線。根據(jù)故障診斷結果，通過大數(shù)據(jù)分析，推出運維預案，查看并點擊確認后，系統(tǒng)自動推送給相應運維人員處理。

(2)故障預警：將當前狀態(tài)下的設備各參數(shù)運行情況與歷史故障狀態(tài)下的參數(shù)進行逐一對比分析，采用深度學習方法預估各個子系統(tǒng)故障情況并計算發(fā)生概率。同時結合離散分析，給出故障關聯(lián)參數(shù)的越限情況與波形曲線。

3.4 生產綜合管理

長泰枋洋水利樞紐日常的生產管理中，涉及許多復雜的申請、簽發(fā)、審批流程，例如兩票管理、停復役管理、缺陷管理等。為適應生產管理流程靈活多變的特點，選用開源架構的Activiti作為系統(tǒng)工作流引擎。在Activiti原有功能的基礎上進行二次開發(fā)封裝，設計和實現(xiàn)能夠快速響應流程變更需求的流程設計器和表單設計器，使其能夠使用友好的操作界面，輕松便捷地進行流程和表單的新建與修改。同時開發(fā)實現(xiàn)了任一節(jié)點的回退及會簽功能，以滿足枋洋水利運維一體化管理系統(tǒng)工作流應用的特殊需求。

4 系統(tǒng)應用

長泰枋洋水利運維一體化管理系統(tǒng)在總結國內已有系統(tǒng)的經驗和不足的基礎上，充分借鑒吸收現(xiàn)代生產管理的理念和先進的運維技術，并結合生產業(yè)務實際需求，進行了系統(tǒng)的設計開發(fā)。頁面展示了生產實時關鍵數(shù)據(jù)、樞紐內外部重要信息，同時對業(yè)務流程進行提醒和跟蹤，并提供信息快捷查詢通道。點擊頁面右上方警鈴圖標，還可查看樞紐當前報警信息，查看后可對其進行相應診斷。

通過枋洋水利樞紐的系統(tǒng)建設，取得了一系列應用成果：

(1)建設了覆蓋全樞紐的信息綜合查詢模塊，構建企業(yè)知識庫，方便信息查詢調用。為枋洋各級各部門的人員提供了及時、準確的有關生產運行方面的綜合信息；

(2)匯接枋洋多個實時自動化系統(tǒng)，集成上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩等水利數(shù)據(jù)，進行綜合展示和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)了對現(xiàn)場情況的全局掌握，加強了管理人員對枋洋整體安全隱患的控制能力；

(3)建立了枋洋故障診斷知識庫，使得運維決策科學化、智能化，既降低了對運維人員的依賴，減少了人力成本，而且使得運維過程更加規(guī)范、準確；

(4)完成了枋洋水利樞紐100多項生產業(yè)務流程和業(yè)務表單的梳理細化，規(guī)范和固化了生產業(yè)務流程，建立了企業(yè)標準化管理體系，實現(xiàn)了枋洋各項業(yè)務的閉環(huán)管理。

5 結 語

水利運維一體化管理系統(tǒng)將智能運維與先進信息技術、管理技術充分融合，最大程度實現(xiàn)人員和資源的優(yōu)化配置和統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)在長泰枋洋水利樞紐工程中的成功應用，為該系統(tǒng)的推廣做出了積極嘗試，為提高水利樞紐信息化管理水平提供了有力科學支撐。