蔣曉艷，劉菲菲，安琳琳，王啟凡

(1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223001；2.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；3.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，排水泵站在城市化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用[1]。傳統(tǒng)的排水泵站監(jiān)測(cè)方法往往存在許多限制，如依賴人工巡檢、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷等。為了解決這些問(wèn)題并提升排水泵站的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警顯得尤為重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成為實(shí)現(xiàn)排水泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管的一種可行途徑[2]。通過(guò)在排水泵站機(jī)組中部署各種傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集并傳輸各種感知數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云平臺(tái)上并應(yīng)用數(shù)據(jù)分析算法和模型，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警和遠(yuǎn)程診斷。

近年來(lái)，學(xué)者們提出了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電氣設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]和小型污水處理設(shè)備自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]。文獻(xiàn)[3]的方法通過(guò)無(wú)線傳輸解決了布線復(fù)雜性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；而文獻(xiàn)[4]的方法則通過(guò)傳感器采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)整和故障診斷。然而，這2種方法也有一些共同的限制。文獻(xiàn)[3]的方法受到無(wú)線通信距離和穩(wěn)定性的影響，在特殊環(huán)境下可能存在通信不穩(wěn)定的問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]的方法在適用范圍上有一定局限性，對(duì)于大型排水泵站的應(yīng)用可能需要其他技術(shù)和方法的支持。

為解決上述方法中存在的問(wèn)題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的排水泵站機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的排水泵站機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法

1.1 排水泵站機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過(guò)在排水泵站機(jī)組中部署各種傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[5]，實(shí)時(shí)采集并傳輸各種感知數(shù)據(jù)。在排水泵站機(jī)組的運(yùn)行監(jiān)測(cè)中，采集到的數(shù)據(jù)可以用以下公式表示：

(1)

式中，D(t)—在時(shí)刻t采集到的數(shù)據(jù)；Si(t)—第i個(gè)傳感器在時(shí)刻t的采集值；n—傳感器數(shù)量；Wi—第i個(gè)傳感器的權(quán)重。

設(shè)置合適的傳感器并確定各傳感器的權(quán)重，各個(gè)傳感器的權(quán)重可以根據(jù)其重要性和對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的影響程度進(jìn)行設(shè)置[6]。傳感器參數(shù)設(shè)置具體見表1。

表1 傳感器參數(shù)設(shè)置

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的[7]一種常用方法是使用移動(dòng)平均濾波(Moving Average Filtering)公式：

(2)

式中，Davg(t)—在時(shí)刻t的移動(dòng)平均值；Dt—時(shí)刻t的原始采集值；N—取平均的窗口大小。

通過(guò)采用移動(dòng)平均濾波，可以平滑數(shù)據(jù)曲線并降低噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)將更加可靠和穩(wěn)定，這些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和故障診斷的基礎(chǔ)[8]。

1.2 排水泵站機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)特征提取

以上述經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取具有代表性的特征量來(lái)描述機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和性能。均值通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)序列的平均值，反映了機(jī)組參數(shù)的整體水平；方差衡量數(shù)據(jù)序列的離散程度，描述了數(shù)據(jù)的波動(dòng)性[9]；最大值和最小值表示數(shù)據(jù)序列的極值情況；峰值則表示數(shù)據(jù)序列中最大值和最小值之間的差距，反映了數(shù)據(jù)的振幅變化。這些特征提取公式分別為：

(3)

式中，μ—數(shù)據(jù)均值；L—數(shù)據(jù)序列的長(zhǎng)度；xi—數(shù)據(jù)序列中的第i個(gè)數(shù)據(jù)。

(4)

式中，σ2—數(shù)據(jù)平方差。

max=max{x1，x2，…，xN}

(5)

式中，max—數(shù)據(jù)最大值。

min=min{x1，x2，…，xN}

(6)

式中，min—數(shù)據(jù)最小值。

p=max-min

(7)

式中，p—數(shù)據(jù)峰值。

通過(guò)對(duì)排水泵站機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取[10]，可以更好地理解和分析機(jī)組的運(yùn)行情況。

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)排水泵站機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵站機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。通過(guò)傳感器對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)故障，以及遠(yuǎn)程控制機(jī)組的啟停和運(yùn)行參數(shù)調(diào)整。

在基于物聯(lián)網(wǎng)的排水泵站機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中，利用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)協(xié)議作為通信協(xié)議，將采集到的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)有效地傳輸?shù)皆品?wù)器。以排水泵站機(jī)組的效率為例，可以使用公式：

(8)

式中，OutputWork—機(jī)組的輸出功率或工作量；InputWork—機(jī)組的輸入功率或工作量。通過(guò)計(jì)算機(jī)組的效率，可以有效地評(píng)估機(jī)組運(yùn)行的性能和能源利用情況。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為驗(yàn)證本文方法是否滿足應(yīng)用需求，以某排水泵站機(jī)組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

對(duì)比方法選用文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法，為了驗(yàn)證本文方法的變電站多設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修的準(zhǔn)確性與時(shí)效性，設(shè)置服務(wù)器的硬件環(huán)境，參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性，以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 3種方法檢修準(zhǔn)確率對(duì)比

根據(jù)圖1觀察結(jié)果顯示，本文方法的檢修準(zhǔn)確率達(dá)到了最高96%的水平，并且本文方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率都高于90%。這與文獻(xiàn)[3]方法的最高檢修準(zhǔn)確率為84%，以及文獻(xiàn)[4]方法的最高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率為79%相比，顯示了本文方法在對(duì)排水泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。本文方法的高檢修準(zhǔn)確率和監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率將排水泵站機(jī)組的異常狀態(tài)快速準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)，為及時(shí)進(jìn)行維修和故障排除提供重要參考依據(jù)。由于運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)利益相關(guān)方對(duì)排水泵站機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行非常重視，因此高效準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)方法具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢修時(shí)長(zhǎng)為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 3種方法檢修時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

根據(jù)圖2的觀察結(jié)果顯示，本文方法在運(yùn)行狀態(tài)檢修時(shí)長(zhǎng)方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。最高檢修時(shí)長(zhǎng)只有23s，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法分別為78、80s。說(shuō)明本文方法能夠快速地對(duì)排水泵站機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)對(duì)存在故障的地方進(jìn)行維修，從而減少了排水泵站機(jī)組的停機(jī)時(shí)間和維修成本。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和維護(hù)人員而言，能夠快速準(zhǔn)確地確定故障源并進(jìn)行迅速維修是至關(guān)重要的。因此，本文方法的高效性在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

3 結(jié)論

本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的排水泵站機(jī)組運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，能夠有效提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，避免了人為錯(cuò)誤和主觀判斷帶來(lái)的誤差。通過(guò)提早發(fā)現(xiàn)機(jī)組異常情況，能夠及時(shí)采取維修措施，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本，提高了排水泵站的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。本文方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵站機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷、遠(yuǎn)程操作和決策支持等功能，有助于提高排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、工作效率和維護(hù)管理水平，降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)和維修成本，提升整體排水系統(tǒng)的可靠性和安全性。該方法具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和管理具有重要意義。