樊錦川，黃 蔚，馮宛露，干佳馨，邵知宇，唐鴻儒

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇泰州 225321；2.揚州大學電氣與能源動力工程學院，江蘇揚州 225009）

1 概 述

水利部《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》要求按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構建數(shù)字孿生流域為核心，全面推進算據(jù)、算法、算力建設，加快構建具有“四預”功能的智慧水利體系。明確要求到2025 年，通過建設數(shù)字孿生流域、“2+N”水利智能業(yè)務應用體系、水利網(wǎng)絡安全體系、智慧水利保障體系，推進水利工程智能化改造，建成七大江河數(shù)字孿生流域［1］。

根據(jù)數(shù)字孿生內(nèi)涵要求［2］，數(shù)字孿生泵站是以泵站主機組、輔機設備、變配電設備和水工建筑物為單元，以計算機監(jiān)控系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、泵站信息管理系統(tǒng)等多種實時運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)為底座，以機電設備狀態(tài)評價模型、水工建筑物安全評估模型、優(yōu)化調度和運行模型等為核心，以狀態(tài)分析和評價、優(yōu)化運行調度知識為驅動，對泵站運行和維護管理活動全要素和管理活動全過程進行數(shù)字化映射、智能化模擬，實現(xiàn)與物理泵站同步仿真運行、虛實交互和迭代優(yōu)化。

為此，高港泵站開展了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的泵站運維一體化平臺研究和開發(fā)工作，其目的是利用系統(tǒng)提供的異構系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)建模和管理工具集成數(shù)據(jù)，建設統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，可作為數(shù)字孿生泵站的數(shù)據(jù)底板。為方便使用，統(tǒng)一門戶，整合系統(tǒng)功能，并利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)開發(fā)工具，開發(fā)新的泵站運維系統(tǒng)功能等。這些工作可為進一步開展智能泵站研究和建設提供開放的數(shù)據(jù)平臺和各種優(yōu)化調度運行模型、設備狀態(tài)評價模型以及管理業(yè)務流程等提供模型引擎和流程驅動平臺，符合智能泵站建設趨勢要求。

2 泵站運維平臺架構

按照智慧水利建設提出的“透徹感知、全面互聯(lián)、智能應用、泛在服務”要求、智能泵站的建設內(nèi)容，以及《水利信息化資源整合共享頂層設計》等提出的“一張圖、一個平臺、一個數(shù)據(jù)庫、一個門戶、統(tǒng)一身份認證”的目標［3-4］，研究提出了如圖1 所示的基于云技術的泵站運維平臺架構，包括物理泵站、IaaS平臺層、PaaS平臺層和SaaS平臺層。

圖1 泵站一體化運維平臺架構

物理泵站是水泵主機組、輔機設備、水閘、變配電設備等物理實體和各種運行維護管理活動。

IaaS 平臺層是泵站信息基礎設施，包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集和運行控制系統(tǒng)，以及泵站測控專網(wǎng)、管理網(wǎng)絡、專用系統(tǒng)服務器等信息基礎設施。

PaaS平臺層是泵站運維平臺的核心，采用了浙江藍卓的supOS 工業(yè)操作系統(tǒng)。supOS 是基于云計算、面向工業(yè)應用的軟件平臺，提供實時數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫等存儲與應用能力，提供IIOT物聯(lián)網(wǎng)接入能力，提供開發(fā)數(shù)字化工廠的工具包，是一款開放的工業(yè)操作系統(tǒng)，可管理工廠所有的設備，把工廠內(nèi)部所有東西連接在一起。

在泵站運維平臺架構中，PaaS平臺包括泵站數(shù)據(jù)平臺、模型平臺、知識平臺和應用開發(fā)工具4 個部分。

泵站數(shù)據(jù)平臺是利用supOS提供異構系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成工具采集來自多個測量和控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并進行分類建模、數(shù)據(jù)融合分類存儲，并以統(tǒng)一的方式向各種運行維護管理提供數(shù)據(jù)。泵站數(shù)據(jù)平臺也可以作為建設數(shù)字孿生泵站的數(shù)據(jù)底板。

模型平臺是泵站智能控制、優(yōu)化調度、機組狀態(tài)評估、泵站安全評估、事務處理流程等模型庫，由數(shù)字模擬仿真引擎驅動。泵站知識平臺提供泵站運行維護管理時需要用到各個泵站、機組、水工建筑物等專業(yè)領域的知識和診斷、評估方面的知識。模型平臺和知識平臺也是建設數(shù)字孿生泵站的基礎。

應用開發(fā)工具是supOS提供的圖形化、組件化、模塊化向導式應用開發(fā)工具，利用它可以快速進行應用APP開發(fā)、工作流定義和移動應用開發(fā)。

PaaS 平臺層是各種泵站運行維護管理的智能應用APP，可包括泵站綜合運行監(jiān)視、優(yōu)化調度運行、設備管理、工程安全管理、泵站信息管理、掌上泵站等應用APP。

3 基于supOS 的泵站智能運維平臺建設

3.1 supOS簡介

supOS我國首個具備自主知識產(chǎn)權的工業(yè)操作系統(tǒng)，是制造業(yè)“智慧大腦”的核心平臺。supOS 以企業(yè)為中心構建面向過程監(jiān)控、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策的一體化應用平臺，通過“平臺+工業(yè)智能Apps”新型業(yè)務模式實現(xiàn)企業(yè)客戶的信息化、數(shù)字化、智能化升級轉型。supOS提供的橫向和縱向彈性擴展能力，可滿足企業(yè)從小到大，從單一優(yōu)勢業(yè)務發(fā)展到多元化集團型應用的場景需求。主要功能包括：

（1）異構系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成管理。SupOS 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)實現(xiàn)多元異構數(shù)據(jù)的接入和預處理，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)驅動框架和不同的接入驅動實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的清洗，并利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議進行數(shù)據(jù)上傳，在平臺上通過對象化模型將實時數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)等多種來源的數(shù)據(jù)進行重組，能進行時序、關系型、結構化與非結構化等多元數(shù)據(jù)管理。

（2）統(tǒng)一門戶。能夠集成多個應用系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的用戶體系，提供單點登錄功能、用戶管理、消息通知等功能。一次登錄即可訪問各個系統(tǒng)，實現(xiàn)異構系統(tǒng)的統(tǒng)一訪問，統(tǒng)一登錄、界面集成、應用導航、消息通知等功能。主要功能包括統(tǒng)一授權、單點登錄、界面集成、應用導航、消息通知。

（3）組態(tài)開發(fā)。提供智能APP 應用的組態(tài)式開發(fā)環(huán)境，通過圖形化、組件化、模塊化的向導式應用構建，有效降低應用開發(fā)和設計的IT門檻。使用戶只需要關注應用場景分析和設計，利用平臺提供的表單設計工具，就可快速開發(fā)應用。

（4）移動平臺。用戶可以在移動端便捷地查看監(jiān)控畫面、趨勢圖、過程報警、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)報表，能進行協(xié)同辦公、交流等。

此外，還提供工作流定義、多種對外數(shù)據(jù)的接口等功能。

3.2 系統(tǒng)組成結構

圖2是泵站運維平臺組成結構示意圖，主要的硬件設備包括一臺supOS服務器、一臺supLink服務器、一臺數(shù)據(jù)服務器、一臺數(shù)據(jù)采集器，以及網(wǎng)絡通信和安全設備。

圖2 泵站運維平臺組成結構

數(shù)據(jù)采集器利用OPC 方式通過單向網(wǎng)閘與泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信，獲取泵站實時運行數(shù)據(jù)。同時利用KEPServer 方式與泵站機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信，獲取泵站機組運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

supOS 服務器既用于系統(tǒng)組態(tài)和開發(fā)，也用于應用APP 服務。開發(fā)階段可進行泵站組織機構建模、設備建模、數(shù)據(jù)建模，監(jiān)控操作界面組態(tài)、報表組態(tài)、工作流定義、移動APP 開發(fā)等。運行階段supOS服務器通過數(shù)據(jù)采集器獲取泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)和機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以直接調用工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及直接調用顯示視頻監(jiān)視系統(tǒng)指定的攝像頭畫面。

supLink服務器作為移動服務平臺，用于提供移動應用APP服務。移動應用APP可以提供報警、工作流程、視頻監(jiān)控、趨勢圖、移動巡檢、安全管理、IM協(xié)同等應用服務。

在安全方面，設置了DMZ 區(qū)，隔離了管理區(qū)網(wǎng)絡和監(jiān)測、控制區(qū)網(wǎng)絡，加強了系統(tǒng)的安全性。

3.3 應用APP開發(fā)

圖3~5是利用supOS的組態(tài)開發(fā)工具開發(fā)的部分應用界面。圖3 是高港泵站運維平臺總貌界面，直觀顯示出泵站運行維護相關的多種信息，包括泵站運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、實時運行概況、機組狀態(tài)監(jiān)測概況、工程安全監(jiān)測概況、主要實時視頻監(jiān)視畫面等多系統(tǒng)來的數(shù)據(jù)和信息。通過本界面頂部的4個按鈕可以分別進入各個泵站運維的專用APP，包括泵站運行監(jiān)控評價、視頻監(jiān)視、設備管理、工程安全管理。

圖3 高港泵站運維平臺總貌界面

圖4是高港閘站揚壓力監(jiān)測界面。圖4中左側是高港泵站運維平臺各個專用系統(tǒng)功能的導航樹，右側給出了查詢得到的指定時段的多個測壓管液位變化曲線和對應的數(shù)據(jù)列表。

圖4 高港閘站揚壓力監(jiān)測界面

圖5是泵站運行監(jiān)控移動APP 界面，通過手機或者移動終端可以看到泵站運行監(jiān)控界面、設備狀態(tài)監(jiān)測界面、工程安全監(jiān)測界面等，還可以進行泵站運維事務流轉、巡檢等工作。

圖5 泵站運行監(jiān)控移動APP界面

4 結 語

采用supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)進行泵站運維平臺的開發(fā)，可以有效整合泵站現(xiàn)有的多個信息化專業(yè)系統(tǒng)，可以方便開發(fā)新的應用APP，并以統(tǒng)一的門戶實現(xiàn)多個專業(yè)化系統(tǒng)的用戶管理和導航。已經(jīng)開發(fā)實現(xiàn)的部分泵站運維平臺功能表明，系統(tǒng)可以方便進行數(shù)據(jù)資源整合，保護已有的投資和與已有信息化系統(tǒng)有效銜接，還可為研究和開發(fā)數(shù)字孿生泵站提供數(shù)據(jù)和模型平臺，為建設智能泵站奠定基礎。