水工機械智能遠程運維新模式

于創(chuàng)宇，江 南

(鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

水工機械是指在水利工程中，為實現(xiàn)防洪泄洪、調(diào)控船舶通航、水資源調(diào)配、發(fā)電等功能，而使用的金屬結(jié)構(gòu)及其動力、控制裝置。包括閘門系統(tǒng)、船閘系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、升船機系統(tǒng)等。水工機械工作環(huán)境惡劣，故障形式復(fù)雜，其故障引起的后果往往十分嚴重且損失巨大[1]。

由于技術(shù)及觀念等的制約，我國大部分水利工程，對閘門等金屬結(jié)構(gòu)的運行監(jiān)測，仍停留在人工目測階段。長期的實時在線監(jiān)測及更多類數(shù)據(jù)采集和關(guān)聯(lián)并未進行，這也是限制水電站自動化無故障運行的一個關(guān)鍵因素[2]。

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)和人工智能技術(shù)在工業(yè)中的落地應(yīng)用，水工機械設(shè)備的遠程運維服務(wù)，也具備了進一步實現(xiàn)“數(shù)字化、信息化、智能化”的條件，最終達到電站“無人值班、少人值守”的狀態(tài)[3-4]。

1 水工機械現(xiàn)狀分析

水工機械裝備屬于國家的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是人類管控利用水資源的重要工具。水工機械裝備在防洪調(diào)度、水利發(fā)電、引水調(diào)配、生態(tài)保護方面具有重要的作用，對合理利用水資源及推動經(jīng)濟發(fā)展都有著重大意義。

1.1 水工機械基本情況

根據(jù)2017年水利發(fā)展統(tǒng)計公報，到目前為止，全國已建成各類水庫98 795座，總庫容9 035億m3；全國已建成流量為5 m3/s及以上的水閘103 878座，其中大型水閘893座；按水閘類型分，分洪閘8 363座，排(退)水閘18 280座，擋潮閘5 130座，引水閘14 435座，節(jié)制閘57 670座。

中國已成為世界上水庫大壩數(shù)量最多、農(nóng)田灌溉面積最大、水電總裝機容量最大、調(diào)水工程里程最長的國家[5]。隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，“中國水電”更全面地進入國際市場，在“一帶一路”沿線國家承建了多個“三峽工程”，如尼泊爾上馬相迪A水電站、馬來西亞巴貢水電站、蘇丹麥洛維水電站等。目前為止，我國在水利水電裝備產(chǎn)業(yè)方面，已擁有一半以上的國際市場份額。

隨著我國水利事業(yè)的發(fā)展，水利建筑和水工機械也在向巨型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展。例如在三峽升船機系統(tǒng)中，升船機一次安全運載總重量超過15 500 t，提升高度為113 m，包括：平衡重系統(tǒng)、長螺母柱短螺桿安全系統(tǒng)、齒輪齒條爬升驅(qū)動系統(tǒng)、充泄水系統(tǒng)、防撞系統(tǒng)、橫向及縱向?qū)蛳到y(tǒng)、間隙水封閉系統(tǒng)、閘首門及啟閉系統(tǒng)等[6]。

1.2 水工機械的主要特征

1)在結(jié)構(gòu)和工作條件上，水工機械裝備通常由大型金屬零部件和復(fù)雜啟閉傳動系統(tǒng)組成，工作環(huán)境惡劣，受動水載荷和振動影響，有些長期在水中工作，并且運動中負載大、慣性力大，工作頻次高，對運動的精度和穩(wěn)定性要求較高。如三峽升船機提升重量達到15 500 t，每年單程動作平均達12 060次，四個驅(qū)動爬升點同步精度小于2 mm[7]。

2)故障形式多樣。復(fù)雜的水文環(huán)境、巨大的金屬結(jié)構(gòu)件、大載荷條件下的傳動系統(tǒng)，使水工機械故障形式多樣，系統(tǒng)中構(gòu)件的變形、失穩(wěn)、傳動系統(tǒng)故障、動力與控制系統(tǒng)問題均會導(dǎo)致系統(tǒng)性的故障，尤其是不確定的動水載荷可能會引起金屬構(gòu)件的強烈振動，甚至共振，使故障的診斷過程更為復(fù)雜。

有關(guān)統(tǒng)計顯示，在病險水庫和水電站中，金屬結(jié)構(gòu)問題占40%，在病險水閘中占76.7%。影響水工機械安全的因素眾多，除本身結(jié)構(gòu)問題、應(yīng)力問題、動力問題外，還有水文環(huán)境引起的腐蝕、動水載荷、振動和變形問題。

3)故障損失巨大。2009年薩揚水電站閘門不能關(guān)閉，導(dǎo)致水淹廠房，造成75人死亡，整個水電站被毀，直接經(jīng)濟損失130億美元；2007年魚劍口水電站閘門事故，導(dǎo)致水庫漫頂1.21 m，造成巨大經(jīng)濟損失。1993年8月青海溝后水庫發(fā)生潰壩事故，釀成300多人死亡的慘劇。板橋水庫閘門故障，泄洪不及時造成垮壩，造成29個縣市、1 100萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達百億元[8]。三峽船閘啟閉機的一次事故至少需要10 d才能完成疏散，曾經(jīng)造成400余艘船滯留。國內(nèi)外部分金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事實例，見表1。

4)運維成本高且難度大。在大壩和水電站中，每年的定期檢查維護,通常需要設(shè)置一個月以上的停航停運期，影響了水電樞紐的工作，給通航帶來不便。檢修維護期間通常需要專業(yè)的人員組成的幾十人的隊伍，在各個設(shè)備現(xiàn)場進行輪值，其成本甚至高于設(shè)備本身。另外，受人工經(jīng)驗和素質(zhì)不穩(wěn)定性的影響，設(shè)備的健康狀況難以通過人工全面檢測和診斷。

長期以來，我國水利工程中的水工設(shè)備監(jiān)控，仍以人工目測檢查為主。閘門等設(shè)備的應(yīng)力、變形、門槽水力學(xué)參數(shù)、啟閉力等關(guān)鍵參數(shù)并未能進行實時檢測，更沒有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累和數(shù)據(jù)關(guān)系的挖掘、驗證。目前，具備長期實時在線監(jiān)測，具有預(yù)報、預(yù)警功能的水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運行管理系統(tǒng)在國內(nèi)外還是空白。

2 智能遠程運維新模式

傳統(tǒng)遠程運維技術(shù)的研究和應(yīng)用，主要側(cè)重于信號和數(shù)據(jù)的采集和處理、智能算法研究以及遠程監(jiān)控方面。而對于水工機械而言，更為重要的是，故障診斷、故障成因分析、衰退過程預(yù)測、預(yù)測性維護、主動推送建議和預(yù)警，通過主動的分析數(shù)據(jù)進行預(yù)測仿真，達到主動維護和接近零故障的目的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)的進一步成熟和落地應(yīng)用，遠程運維新模式將能更加系統(tǒng)地解決數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)、衰減規(guī)律、數(shù)學(xué)模型、人工交互、輔助決策的問題，將分散的系統(tǒng)與數(shù)據(jù)打通形成統(tǒng)一體，真正做到智能化運維。

2.1 遠程運維新模式

基于新一代信息技術(shù)實現(xiàn)水工設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，在此基礎(chǔ)上形成異地運行管理、智能診斷和決策維護的遠程運維新模式，提升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，降低維護成本，減少故障損失，同時全面分析現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況，為設(shè)備的全生命周期優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

實現(xiàn)水工設(shè)備智能化監(jiān)測、分析、維護、優(yōu)化的遠程運維新模式主要包括六大部分。

表1 國內(nèi)外部分金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事實例表

1)數(shù)據(jù)的采集和融合。廣泛地傳感器采集系統(tǒng)，并通過接口、集成、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)模型等實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的自動流通和融合。

2)實時動態(tài)監(jiān)測反饋。實時進行數(shù)據(jù)的采集處理，并建立活動模型，提供人機交互界面、動態(tài)圖表等實時展示設(shè)備狀態(tài)并提供狀態(tài)建議和評估，同時可以對故障處理的結(jié)果進行反饋。

3)數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真故障診斷。建立針對各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)據(jù)和模型耦合的方式，通過實時數(shù)據(jù)進行故障預(yù)測和診斷。

4)預(yù)測性維護。利用智能算法對各設(shè)備建立疲勞衰退模型，通過數(shù)據(jù)分析實時預(yù)測設(shè)備的健康狀況，對設(shè)備主動實施預(yù)防性維護優(yōu)化，從而達到設(shè)備的自我維護和近乎零故障的目的。

5)虛擬運維技術(shù)。通過機器學(xué)習(xí)或設(shè)備本身屬性建立相應(yīng)的整體式的數(shù)值仿真模型，對設(shè)備在實時數(shù)據(jù)獲取后進行仿真預(yù)測，并對比設(shè)備實際狀況數(shù)據(jù)進行修正，達到動態(tài)仿真運維優(yōu)化的目的。

6)行業(yè)標(biāo)準制訂。行業(yè)企業(yè)和用戶在構(gòu)建遠程運維系統(tǒng)時因缺乏統(tǒng)一規(guī)范，導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)及通信協(xié)議各不相同，造成了大量關(guān)鍵技術(shù)的重復(fù)研究，同時企業(yè)在跨平臺、跨系統(tǒng)部署設(shè)備時面臨因沒有統(tǒng)一規(guī)范而產(chǎn)生的巨大技術(shù)難題，導(dǎo)致設(shè)備彼此之間形成信息孤島。因此，制定統(tǒng)一的遠程運維標(biāo)準，對于行業(yè)企業(yè)和用戶將起到指導(dǎo)規(guī)范的作用，加快行業(yè)的智能化升級，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定，同時降低設(shè)備及運維的成本。

2.2 智能遠程運維實施的迫切性

對水工機械而言，由于其特殊的工作環(huán)境和特征，高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計只是保障水工機械安全高效運行的一部分，后續(xù)的安裝調(diào)試、運行過程中的基于數(shù)據(jù)的監(jiān)測和預(yù)測性診斷，對于水工機械的安全性、可靠性有著重要的意義。隨著水工機械日益變得龐大和復(fù)雜，傳統(tǒng)的現(xiàn)場工人維護方式，已經(jīng)逐漸無法滿足水工機械的運維需求，加上專家人才的稀缺及分布不均，難以滿足水工機械的運維需求，而對于水工設(shè)備安全性和穩(wěn)定性要求又很高，設(shè)備制造廠商和水電管理企業(yè)也急需通過有效的遠程運維系統(tǒng)進一步提升設(shè)備的售后服務(wù)、設(shè)計質(zhì)量和管理水平。

現(xiàn)階段水工機械設(shè)備的數(shù)據(jù)采集處于不均衡的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，新建水庫、水電站多采用了先進的設(shè)備和技術(shù)，傳感器及數(shù)據(jù)采集相對完善，而對于修建時間較早的水庫及水電站則數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)施相對匱乏，而這些水利工程恰好是更需要進行故障防范和及時預(yù)警的。新建水電站的設(shè)備往往更加龐大復(fù)雜，傳統(tǒng)人工維護方式難度巨大，一旦故障產(chǎn)生，損失巨大且維修成本很高，急需有效的遠程運維方式解決這些問題。傳統(tǒng)遠程運維主要關(guān)注信號處理、算法研究及遠程監(jiān)控，而對水工設(shè)備而言，更需要進行故障診斷、預(yù)測性仿真、主動預(yù)警及數(shù)據(jù)的廣泛采集融合，因此，傳統(tǒng)遠程運維的實際使用效果并不好，甚至有些水電站出現(xiàn)了棄用遠程運維，改為人工監(jiān)測的方式。

伴隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，中國水電已占據(jù)國際水電市場一半以上的份額，更廣闊的國際平臺對水工設(shè)備及安全也有了更高的要求。保證設(shè)備更高的安全性、穩(wěn)定性，依靠傳統(tǒng)人工檢測或間斷性的數(shù)據(jù)采集，已經(jīng)無法滿足更高的要求。與此同時，形成遠程運維行業(yè)的標(biāo)準，促進行業(yè)的快速發(fā)展，避免關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作的重復(fù)進行，統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和模式，對我國水電事業(yè)的發(fā)展升級也至關(guān)重要。

2.3 智能遠程運維的先進性

在水工機械設(shè)備遠程運維的故障診斷方面，國內(nèi)外還沒有完整的針對水工機械故障的監(jiān)控系統(tǒng)，雖然有相關(guān)的采集設(shè)備，但是采集信號量還比較少，而且還沒有更好地通過接口與相關(guān)水工機械設(shè)備進行交互。對于數(shù)據(jù)的處理，已有專家系統(tǒng)，但是無法實現(xiàn)故障診斷經(jīng)驗的網(wǎng)絡(luò)共享，即無法實現(xiàn)診斷知識的重用。在預(yù)警方面，已經(jīng)有較完善的預(yù)警系統(tǒng)，但有時不能及時進行故障狀態(tài)的推送，對故障的分析不夠全面。在數(shù)據(jù)分析方面，能夠進行實時對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，但是無法準確地對故障發(fā)展過程進行評估。

在運維仿真方面，傳統(tǒng)遠程運維仿真主要針對部分機構(gòu)進行開發(fā)設(shè)計、機構(gòu)動作、安裝調(diào)試等方面的模擬仿真，主要用于設(shè)備的安全風(fēng)險評估，以水工機械的實際機電設(shè)備為依托，來實現(xiàn)機械設(shè)備的主要機構(gòu)的動作模擬。智能遠程運維提供了整個水利工程中機械設(shè)備的運行仿真系統(tǒng)，集運行工藝、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報警等功能于一體，并且具有良好的人機界面，依托于水工機械設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)文件，隨著運行經(jīng)驗的增加，運行仿真系統(tǒng)的模擬試驗將會更加接近真實[9]。

2.4 智能遠程運維預(yù)期解決的重大問題

1)系統(tǒng)通用性。構(gòu)建智能遠程運維系統(tǒng)時，要使用開放性的基于標(biāo)準的協(xié)議、平臺、工具和方法，形成遠程運維服務(wù)和技術(shù)的系統(tǒng)標(biāo)準，實現(xiàn)更加透明規(guī)范，促進水工機械遠程運維的快捷高效。

2)智能預(yù)測?；跀?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集來的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型、知識庫、專家系統(tǒng)結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，對設(shè)備的狀態(tài)及故障進行有效的預(yù)測和智能決策，并構(gòu)建出友好的人機交互模式。

3)運維智能化。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、仿真預(yù)測和人工智能技術(shù)廣泛地應(yīng)用到水工機械遠程運維中，更加深度的推進遠程運維的自動化、信息化、智能化，實現(xiàn)裝備的“無人值班，少人值守”。

4)信息實時傳遞。將制造企業(yè)制造信息、產(chǎn)品運行信息、用戶需求信息實時傳遞給制造企業(yè)，以便進行設(shè)備的改進設(shè)計和功能優(yōu)化。

5)主動維護。實現(xiàn)基于主動維護理念的智能維護，通過廣泛的信號采集，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分析，性能衰退過程建模，數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真分析，應(yīng)需式監(jiān)測等技術(shù)實現(xiàn)運維的優(yōu)化，體現(xiàn)主動維護的理念，達到近乎零故障的目的。

3 結(jié) 語

水工機械裝備的安全運行是保障水庫大壩安全運行的首要條件。伴隨著我國水電工程技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，水工機械也在向巨型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展，加之復(fù)雜的水文環(huán)境的影響，傳統(tǒng)人工目測或間斷性的采集監(jiān)測已無法滿足水電廠安全和自動化運行的要求。智能遠程運維新模式基于水工機械遠程運維現(xiàn)有部署狀態(tài)，對遠程運維系統(tǒng)中的通用性、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、知識庫、預(yù)測維護、虛擬運維等方面的關(guān)鍵技術(shù)問題進行規(guī)范和研究，指導(dǎo)智能遠程運維的高效實施，進一步實現(xiàn)水電站“無人值班、少人值守”自動化運行目標(biāo)，助力中國水電的智能化升級。