基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现_史晓宇.pdf

收稿日期：2023-01-29基金项目：国家科技重大专项项目（2018ZX07111005）作者简介：史晓宇，男，工程师，学士，主要从事水利行业、信息化相关工作。通讯作者：许红霞，女，讲师，博士，主要研究方向为大数据分析、机器学习和深度学习。引文格式：史晓宇，郭甜甜，李营，等.基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现 J.市政技术，2023，41（5）：177-182.（SHI XY，GUO T T，LI Y，et al.The design of perception system of intelligent pump station based on“five senses”and the implementation ofinformation system engineering J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：177-182.）文章编号：1009-7767（2023）05-0177-06第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.177Journal of Municipal Technology基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现史晓宇1，郭甜甜2，李营1，许红霞3*（1.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100089；2.北京工业大学 信息与通信学院，北京 100023；3.北京工业大学 自动化学院，北京 100023）摘要：智慧泵站是智慧水利工程应用的重要部分，也是实现智慧水利的重要基础和数据来源。针对目前我国泵站系统数据不完备、多个系统相互独立、管理业务系统难以互联互通、人工操作技术相对落后以及对远程调度和智能操控决策支撑不足的情况，提出了一种基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程的构想，并以北京市密云水库调蓄工程的前柳林泵站为试点，通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉的感知方式，借助物联网感知、智能传感、数据融合、大数据、云计算等技术手段，构建“五感”感知体系，最终实现了“运行无人式、调度一站式、维修智能式”管理模式，让泵站管理更加智能化、高效化和精准化。关键词：智慧泵站；“五感”；信息系统；数据融合中图分类号：TV 675；TP 212.6文献标志码：AThe Design of Perception System of Intelligent Pump Station Based on“Five Senses”and the Implementation of Information System EngineeringShi Xiaoyu1，Guo Tiantian2，Li Ying1，Xu Hongxia3*（1.Tuancheng Lake Management Office of Beijing South-to-North Water Transfer Project，Beijing 100089，China；2.School of Information and Communication，Beijing University of Technology，Beijing 100023，China；3.School of Automation，Beijing University of Technology，Beijing 100023，China）Abstract：Intelligent pump station is an important part of the application of intelligent water conservancy project aswell as important basis and data resources.In view of the current situation that the pump station system data is in鄄complete，several systems are independent of each other，the management business system is difficult to interoper鄄ate，and the support for remote scheduling and intelligent control decision is insufficient，a“five senses”based intel鄄ligent pump station perception system design and information system engineering concept are proposed.The projecttakes the former Liulin pump station of Miyun reservoir storage project in Beijing as a pilot project and builds a“fivesenses”sensing system is established by means of visual，auditory，olfactory，taste and tactile sensing，and technicalmeans of IoT awareness，intelligent sensing，data fusion，Big Data，cloud computing and other technical means.Finally，the management mode of“unmanned operation，one-stop dispatching and intelligent maintenance”is real鄄ized whcih make pump station management more intelligent，efficient and accurate.Keywords：intelligent pump station；five senses；information system；data fusionJournal of Municipal Technology第41卷1研究现状随着我国新兴科技的发展及其应用场景的深入，泵站改造升级建设也在不断推进，泵站智慧化发展已具备一定基础。2021年11月29日，水利部在关于大力推进智慧水利建设的指导意见中指出，推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的6条实施路径之一1。在这种发展趋势下，业界逐渐开始重视智慧泵站建设，并通过加强信息化基础建设，使泵站建设的智能管理、智能控制、智能分析、智能诊断2水平也在逐步提高，但仍然存在多个信息化系统相互独立、调度中心难以实现集中管理和统一管控的现象。此外，数据采集和汇集仍多采用传统数据传输方式3，信息化基础差、数据不匹配、数据孤岛现象普遍4，导致运维的人力和时间成本较高。近年来，针对“五感”感知体系和信息系统设计的问题，学者们开展了广泛的研究，如：张安思5以数字车间设备为研究对象，重点研究了设备数据的感知方法和设备数据融合与分析技术；朱亚东等6设计实现了智能泵站运行监控系统，通过电脑Web端或者手机微信小程序远程控制泵站的启停，同时能实时监测泵站运行中的各项参数；姚锦玮7设计实现了端到端的语音识别模型和中文语音合成模型，并搭建了语音交互系统，实现了泵站平台智能化。这些研究对于“五感”设计都具有重要的参考意义。笔者以北京市前柳林泵站为试点开展智慧泵站感知体系设计与信息系统工程的建设。前柳林泵站是南水北调来水调入密云水库调蓄工程梯级泵站的第2级提升泵站。该泵站主要由进水渠、进水池、主厂房、副厂房、出水渠和节制闸等组成。泵站等别为等，主厂房内安装4台立式轴流泵；主厂房自下而上分为流道层、水泵层、连轴层和电机层，采用肘形进水流道和虹吸式出水，出水流道采用真空破坏阀断流。基于“五感”感知体系的构建，实现前柳林泵站全面监测数据采集、传输和汇聚，从而支持泵站监测控制系统和调度业务系统的数据实时同步更新，共享泵站、机组、辅助设备的数据资源，并结合业务建模、智能建模，实现泵站由传统管理模式向运行、调度、维护“三合一”的集中管控模式的数字化转变8。2“五感”感知体系的构建“五感”感知体系设计是实现泵站智慧管控的关键环节，通过模拟人的五官，依靠光敏、声敏、气敏、压敏、化学等不同类型的传感器来收集数据9，实现对泵站设备的机组健康和运行状态、生产环境的预防预警和安全运行进行全方位、多角度、高维度的感知。其中以视觉和听觉设计为主。2.1基于视觉的泵站自主巡查视觉是由激发人眼的物体形象所唤起的主观感觉，它是5种感官中最直观的一种。视觉设计主要有：1）安装摄像头，并统计视频监控点位情况，实现对中控室、综保室、综合室、管理处观景台等的全面监控、数据查看和视频查看。2）设计高压设备自主巡查机器人，对高压室各个机柜自动巡检，融合边缘计算AI分析，可实现仪表识别以及开关状态识别，减少人员进入高压室频次，降低安全风险。高压设备自主巡查机器人见图1。3）安全帽识别和违禁闯入识别，利用边缘计算AI识别，自动警告并声音提醒，以增强安全保障。4）双光谱热成像，远程巡检填料函温度，减少值班员现场巡检，与测温传感器实现双因子智能校验，保证监测数据的准确性。2.2基于触觉的机组运行监测触觉是一种生理反应，当一个人的皮肤接触到一个物体时才会发生，并将其送回大脑。它是5种感官中最敏感的一种，是感知物体和了解环境的重要方式。触觉设计主要有：1）增加传感器的摆动幅度，使现有振动传感器量程（0100 mm）远超机组振动范围（05 mm），新图1高压设备自主巡查机器人Fig.1 Autonomous patrol robot for high-voltage equipment178第5期加05 mm量程传感器，针对安装位置不规范、不合理的问题需要重新确定安装位置。2）使用光栅测温采集，实现新材料应用，在不改变现有结构的前提下，实现重要指标温度监测，且无需电源驱动，不受电磁干扰，适合远距离传输（见图2）。3）现有摆度传感器量程较大，不能精准检测实际摆度值，因此在填料函位置处重新确定位置安装量程为02 mm的摆度传感器，并保留现有摆度传感器，使其在未来运行稳定后参与调度10；现有油位采用人工监测，增设油位自动监测，与油缸、油温一起对电机运行进行监控。4）增加雷达水位监测，与现有浮子水位计监测形成互相校核，保证泵站稳定运行。2.3基于嗅觉的夹层安全监测嗅觉是不同的气味刺激嗅觉系统所产生的反应。嗅觉设计主要从气味监控入手，判断高压室、节制闸室、电机室等是否存在高温导致的烧焦味道，实现对可燃烃类、臭氧气体的实时检测。可在低压室电缆夹层、高压室电缆夹层各设置2个传感器。2.4基于听觉的设备异常检测听觉是探索世界的第一种感官，与其他感官有根本的不同，属于非接触式测量11，可实时采集，并通过声谱和分析，实现对设备异常噪声源的实时记录；此次主要是积累泵站运行声音数据，未来可采用深度学习（混合神经网络），直观反映设备故障情况。在泵站重要设备点，通过感知融合的方式来实现多维立体数据的获取，也就是将视觉感知、听觉感知、触觉感知等融合在一起，建立多因素校验机制，确保获取设备数据的准确性，进而综合判断设备的运行状态，保障设备的健康运行。2.5基于味觉的水质检测味觉器官与气味的接触是零距离的。智慧泵站的味觉设计主要分为2种形式：一种是参与性，即主体与泵站产生的互动，主要是泵站的水质经过加工后会给人独特的口感；另一种则是非参与性，指的是泵站本身，主要是水质检测所得水中的各种物质的含量，会唤醒人的味觉。3基于“五感”感知体系的工程信息系统智慧泵站感知体系与信息系统工程的研究和设计应实现按流程的自动化控制，全面监测泵站运行过程中的调度运行、泵站工程、防汛抗旱、工程运维数据等，充分挖掘数据价值，为无人化运行、智能调度、智能运维提供支撑。以泵站安全运行管理为核心，以运行、调度、运维3条业务主线，对生产环节的重要场所、重要设备、运转流程进行监测感知，实现运行、调度、维护“三合一”的集中管控模式，提升预警、预报、预案、预演的能力，充分实现基于“五感”的传感器代替经常性人工操作。3.1关键问题分析智慧泵站是通过智能传感器、摄像头和智能化设备，并结合物联网，利用通信技术、大数据采集分析技术、自动控制技术等实时掌握泵站各类信息12，进而实现泵站的智能运行和智能调度，提高泵站的运行效率和调度水平，降低运行维护成本，达到“无人值班、少人值守”的最终目标。3.1.1存在的问题在前柳林智慧泵站试点建设中主要存在以下两方面的问题：1）感知手段不够完善。关键设备状态感知手段比较单一，如主水泵的状态主要通过振动摆度等测量数据判断，缺少对机组异常声音、填料函温度等关键参数的测量；关键节点的数据采集方法单一，如事关运行调度的最关键的水位数据，一般仅采用浮子水位计等单一的手段检测。2）数据和系统整合不够全面。泵站除了核心的运行调度系统，还应有电力监控、安全监测、视频监控和水质监测等子系统，目前前柳林泵站缺少电力监控系统和水文监测系统，且各子系统之间的数据相互独立，交换的数据也没有充分进行挖掘分析。图2光栅测温采集Fig.2 Grating temperature measurement acquisition史晓宇等：基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现179Journal of Municipal Technology第41卷3.1.2拟采取的措施1）对泵站内部及外部进行实时视频监控，各种传感器精确部署，通过计算机视觉算法库和高效的算法管理能力，完成多维度的数据采集，并通过整合将采集的所有数据统一汇聚、集中存储，实现各个子系统之间的互联互用以及智能安全监视与数据集成设计。2）对机泵设备振动、温度、水位、流量和水质进行实时监测，通过监测泵机的流量、扬程、电压和电流等对泵机效率进行实时分析，建立设备全生命周期13、个性化健康档案，实现故障预警和智能诊断14，建立完备的数据子系统。通过上述措施，逐步建立起“五感”感知体系，实现多维立体数据获取，建立多因素校验机制，确保获取设备数据的准确性，统计分析设备多模态数据，建立数据分析和数据融合模型。3.2设计方案通过挖掘泵站设备对象及设备要素关系之间的价值，融合数据采集分析、视频监控、自动控制等技术，以“五感”的感知方式进行试验，尝试以机代人，实现基于“五感”的传感器代替经常性人工操作。感知体系与信息系统工程设计框架见图3。3.2.1感知过程感知与泵站设备的互动包括了泵站调度运行监测数据、泵站工程监测数据、防汛抗旱监测数据和工程运维监测数据的感知过程。1）泵站调度运行监测数据主要包含了机闸设备、辅机、阀门、渠道的运行状况、控制状态、故障状态的感知，自动化控制监测、供排水系统监测、机组运行监测、水泵运行监测、电机控制监测、渠道水情监测、统计流量监测、管道压力监测、清污设备监测等以及视频总点位的统计情况。2）泵站工程监测数据主要包含了监控设备、主厂房、电机层、工作站、水泵层、高压室等所组成的安全监测数据和水质监测数据两大类；采用振动、瓦温、油位、噪声、油温、摆度、填料函测温、叶片调节角度、光栅测温等传感器采集供电设备、主水泵、水源热泵等的通信状态、运行状态、输入输出状态、故障状态、负载使用率、设备使用率以及水质参数、（叶绿素、蓝绿藻、总磷、总氮、高锰酸盐、氯化物含量）等15。3）防汛抗旱监测数据主要包含了气象灾害、水情预报、城市内涝、防汛抗旱工情险情、水雨情监视等感知数据，用来进行防汛抗旱的预报、预警、预案和汛期旱期应对的总结。4）工程运维监测数据主要包含了设备维修数据（机组振动摆度、压力脉动、管道泄漏监测、轴承轴瓦温度等）16、设备定期养护数据（机组噪声、机组安全监测、溢流监测等）和日常养护数据（保修单、维修单、检查单、自查单、机组健康预报、工单等）。3.2.2重要场所和设备梳理笔者以工程管理标准化管理要求为基准，对重要场所和设备进行了梳理，见表1。在信息系统工程实现的过程中，第1步是感觉图3感知体系与信息系统工程设计框架图Fig.3 Perception architecture and information system engineering design framework180第5期通道分析，主要分析传感器如何来感知数据，比如通过视频图像、烟雾或者温度的变化来感知数据；第2步是设备要素分析，也就是泵站系统中传感器的部署问题，主要说明传感器所感知到的数据来自于泵站的哪个设备；第3步是交互任务分析，也称为数据融合过程，主要说明所传输的数据可以用来检测设备的什么特征。3.3数据融合方案数据融合可分为同类传感器在数据层面的数据融合和异类传感器在决策层面的数据融合。在某种特定环境特征下，对相同类型的传感器各自所获得的测量数据进行融合的过程称为同类传感器在数据层面的数据融合，其优点是当其中一个传感器有异常值时，可以被其他传感器所测数据进行纠正。在不同环境特征下，对不同类型的传感器各自所获得的测量数据进行融合的过程称为异类传感器在决策层面的数据融合，其优点是可以获得单个设备的多维数据，全方位地了解设备特征。同类传感器数据融合在单个设备出现故障时不会影响整个系统的性能，可采用加权最小二乘法对数据进行融合以提高精度。不同类传感器可以全面兼顾设备的多维特征，通常利用深度学习方法来构建不同的环境特征参数对设备运行状况、监测状态进行综合评判并获得决策结果。传感器单层数据融合方法虽然也多有应用并且取得了一定的效果，但是只适用于简单环境、参数较少的情况。因此，基于2层结合的数据融合方案被提出。笔者研究设计的系统是利用多传感器进行的多参数结构设计，因此可以将两级数据融合方案相结合，形成2层数据融合方案，不仅可以减少异常值对结果的影响，而且可以提高决策结果的可靠性。4系统效益分析智慧泵站管理平台利用“五感”技术支撑日常巡检工作，按照工程标准化的要求，对运行巡检业务进行了梳理，整理出巡检指标70大项229个细项，对照巡检指标选取“五感”传感器231个（原有144个，新增87个），已实现自动化巡检66项，自动化巡检率86.84%，可节省人员8名。1）管理模式的提升：不仅单站管理模式有所提升，多站管理模式也有相应的提高。在单站管理中，原12名巡检人员精减为4名，四班三运转，每班1人在中控室值班；在多站管理中，提升了人员共用率，将单站管理模式推广到所级管理单元时，可将安全负责人和技术人员合并，保留1主1副2个岗位，进一步节省人员2名。2）工作效益的提升：前柳林泵站巡检表81%可自动填充，其他通过视频可远程巡视；巡检频次12次，可根据情况加密巡检次数，实现秒级窗口期；重点部分由单个监测增加为双因子监测以及校验，保证了数据的稳定；中控室可远程确认开机条件并执行远程开机，提高了工作效率；自动生成报表代替人工摘录模式，有效支撑了运行管理。3）经济效益的提升：主要表现在投入复用率的提高。智慧泵站项目总投资约629万元，其中包括软件系统、服务器存储、视频软件等可复用投资338.7万元，传感器以及摄像头投资290.3万元，投入复用率约为53.85%，并且回报已经见效。5结语针对智慧泵站的“五感”感知体系与信息系统的研究设计，通过数据融合、信息交互设计理论以及感知觉理论的交叉研究，并与泵站之前的运行状态和管理模式进行比较可知，其有效地提高了泵站的智能化、信息化，并且在管理模式、工作效益和经济效益上都有不少的提升效果。由此可见，基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程是实现智慧泵站的有效途径。参考文献1刘江啸，张进朝.泵站智慧管控一体化平台的研究J.中国农村水利水电，2022（9）：25-29.（LIU 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concept：taking the designof vehicle information system as an exampleD.Shanghai：EastChina University of Technology，2016.）5张安思.数字车间数据感知、融合及可视化研究D.贵阳：贵州大学，2019.（ZHANGA S.Research on data perception，fusionand visualization of digital workshopD.Guiyang：GuizhouUniversity，2019.）6朱亚东，张兆东，高艳，等.基于物联网的智能泵站运行监控系统设计J.现代制造技术与装备，2021，57（10）：102-105.（ZHUYD，ZHANGZD，GAOY，etal.Designofintelligentpumpstationoperation monitoring system based on the internet of thingsJ.Modern manufacturing technology and equipment，2021，57（10）：102-105.）7姚锦玮.智能泵站平台人机交互中语音识别和语音合成的研究与设计D.合肥：中国科学技术大学，2021.（YAO J W.Re-search and design of speech recognition and speech synthesis inhuman-computer interaction of intelligent pump station platformD.Hefei：UniversityofScienceandTechnologyofChina，2021.）8刘磊，周虎，韩美林，等.生态环境监测中多传感器的数据融合算法J.湖北理工学院学报，2021，37（6）：21-25.（LIU L，ZHOU H，HAN M L，et al.Multi sensor data fusion algorithm inecological environment monitoringJ.Journal of Hubei Instituteof 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