面向智慧水利的泵站自动化监控系统设计与优化研究

引言

水利是国民经济和社会发展的重要支撑产业。泵站在水利工程中起着重要的作用，主要负责防汛排涝、农业灌溉和城市供水等工作。传统泵站通过人工巡查以及单一控制，在运转过程中存在着很多不足之处：数据孤岛、反应迟缓、能耗较大等问题，并不符合智慧水利对于精准化、实时化、智能化的要求。

一、传统泵站监控系统的局限性

1.1 数据孤岛和信息难以整合

传统的泵站监控系统一般使用独立设备及本地化的软件，数据采集、存储、分析都较为分散，难以全局掌控，像以往记载的水位、流量、设备状态等都需要人工填写，问题处理时间久，不符合当前防汛抢险应急需要。各子系统(视频监控子系统、周界报警子系统)之间互不联系，互无关系，各自形成一个个孤立的信息孤岛，须登录不同的平台查看相关数据，给运行人员的工作带来了诸多不便。

1.2 控制模式较单一、自动化程度较低

不同于传统泵站依靠人力和时间表来进行泵站启停控制，没有利用管网的压力、实时电价、设备效率等动态参数来进行自动启停或智能调度。比如供水泵站无法实现变频调节及轮换运转，一台水泵经常处于超负荷运转状态，引起故障率上升和能耗增加；同时没有相应的设备保护措施，设备过热、过载需要靠人工巡查发现，并且可能错过最佳维修时机进而酿成更大事故。

1.3 高运维费用，低响应速度

传统的泵站使用人工巡检和靠经验来判断的工作方式来进行运维工作，其占整个运行总成本的 40% 以上，比如：污水提升泵站需要人员巡检人数较多，年的人工费用超过百万元；故障诊断依靠专家的经验，较为复杂的故障排除往往需要几个小时甚至几天的时间，所以停机损失很大；由于没有事先的预防性的维护，设备出现的突发故障多，使得运维成本也更高。

二、面向智慧水利的泵站自动化监控系统设计

2.1 系统架构设计

该系统采用了“感知-传输-处理-应用”的四层架构来完成整个数据的生命周期，其中，在感知层主要布置了压力传感器、流量计、水质分析仪、振动传感器、温度探头、摄像机等来实时采集相关的设备运行状态和环境参数；其次，在传输层上主要运用了5G、NB—IOT、工业以太网等通信技术实现高速和可靠的数据传输，同时能够满足企业对于大容量、远距离传输的需求；再有，在处理层主要是利用云平台或者边缘计算中心来完成 SCADA 实时监控、大数据分析引擎以及 AI 模型的数据清洗、数据存储、数据分析和决策支持等工作；最后，在应用层分别面向不同的用户角色，比如实时监测、智能调度、移动巡检、能效分析等方面给用户提供不同的服务，能够支持 PC 端、移动端等多种终端平台访问。

2.2 核心功能模块设计

本系统实时监测和可视化功能可以展现整个泵站全过程，同时支持多种数据参量共同联测与异常联动：当压力出现急剧下降时，会自动抓拍该时刻对应机位摄像头画面，并推送报警信息到管理人员手机上。智能控制与优化调度模块有手动、自动、远程、集中四种控制方式，可以根据管网压力、实时电价及设备效率曲线等因素，自动计算出最优启停组合方式以达到节能省电的目的。

2.3 数据安全及国产化适配设计

基于信创产业发展的浪潮下，使用国产化服务器、操作系统、数据库和自动控制系统，并且支持不同类型的协议，解决第三方设备互连互通问题；对数据信息进行加密处理，在保证信息传输的过程中进行访问控制，并且留下相应的日志记录，保证了

网络信息安全；并且实现了国产化密码算法的应用，符合等保 2.0 三级的安全防护要求，达到防止敏感信息外泄以及防止网络受到攻击的目的。

三、泵站自动化监控系统优化策略

3.1 优化多级报警及应急响应

通过建立阈值报警、趋势报警、复合事件报警三级机制实现故障预警和预防：轴承温度超过预定值后触发阈值报警；若轴承温度持续升高，触发趋势报警，并立即执行备用泵投运且关故障泵；利用系统中嵌入的气象洪水模型预测和指示哪些地点可能遭遇内涝并指导其开展防水加固。短信、APP 和声光报警等多种方式推送报警消息到工作人员手机上，及时做好人员疏散和防护准备。报警信息实时记录存盘，并可通过历史查询与统计功能进行检索，便于故障的回溯与故障复现。

3.2 预测性维护以及工单管理优化

基于机器学习算法的历史故障数据建模可以预测出水泵剩余使用寿命，其准确率在 90% 以上；生成维护工单并自动派发到相关责任人手机 APP 端，并提供工单闭环管理；并能通过平台自动确定合理的工单分配和追踪工单执行情况以及接收工单执行结果，并对巡检人员上报的数据进行分析，自动形成报告，提高了工作效率；系统根据设备运行情况对巡检周期进行动态调整，防止巡检过多或过少，降低了维护成本并提高了设备寿命。

3.3 能效优化及节能优化策略

针对单泵、单站、单工艺环节精准统计并分析运行能耗状况，形成“大流量小温差”报告，并根据分析结果提示用能情况，“大流量小温差”是典型的一个低效工况点。通过对管网的压力—流量曲线分析得出最合适的水泵组合及运转频率，减少能耗。支持对接智能电表，实现对电压、电流、功率因素的实时监控，防止设备过载运行。实时价计算系统根据当前时间判断用电时段，实时计算当前电价，如果是在电价低谷时段，则控制开启水泵；反之，则控制停止水泵，以此来节约电费支出。

3.4 优化移动巡检和远程协作方式

系统开发移动巡检 APP,实现在 APP 上扫码签到、故障记录、上传照片等操作，以提高人工巡检效率；运维人员通过 APP 实时获得设备的历史数据、维护记录、操作指引等信息，有效提高巡检质量；将系统集成到 AR 眼镜以及远程专家系统中，运维人员可获得设备的拆装指引，而专家则可以通过远程标注实时的画面指导维修，故障解决更加快速有效；支持多专家会诊，以提高复杂故障的诊断、解决效率。

结束语

面向智慧水利的泵站自动化监控系统是基于物联网、大数据、人工智能等新技术融合发展的泵站无人值守、高效运行、科学管理的新型泵站自动化监控系统，它集成了数据汇总、智能控制和故障诊断等子系统，并采取了以分级报警为基础，注重预防为主的思想来开展工作；同时通过对各类数据进行分析处理得出科学合理的结论作为系统后续工作的依据，更加注重了系统多级预警功能、提前预防功能以及优化节能功能的设计思路。

参考文献：

[1] 基于“互联网+智慧水利”的水利工程施工现场管理[J]. 杨信林;韩琨.智能建筑与智慧城市,2021(07)

[2] 基于“互联网 + 智慧水利”的水利工程施工现场管理分析[J]. 白成伟;尹艳丽.科技创新与应用,2023(11)

[3] 基于“互联网+智慧水利”的水利工程质量检测监管系统设计[J]. 杨建喜;李兆恒;王立华;万家瑞;林楚明.广东水利水电,2021(10)