泵站機組數(shù)據(jù)整編與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

左佳佳，王予勻，張 雪，萬 青

(江蘇省灌溉總渠管理處 ，江蘇 淮安 223001)

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)的發(fā)展，大力推進智慧水利成為水利發(fā)展的一條主線，而智慧水利的驅(qū)動力是數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)方可開展工程相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)、科學研究、精準調(diào)度、精細管理等業(yè)務(wù)工作。

泵站工程機組運行過程中產(chǎn)生了大量的電氣量、溫度、水位、振動等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對工程運行與管理具有重要的意義，基于歷史運行數(shù)據(jù)深入挖掘數(shù)據(jù)魅力，為科學研究和機組運行檢修提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。淮安二站自動化系統(tǒng)經(jīng)過多年的建設(shè)，借助 Application Server 開發(fā)的全中文界面，切實為運行人員提供了易于理解和操作的運行環(huán)境，而目前淮安二站相關(guān)運行數(shù)據(jù)存儲較為分散且利用率較低，雖有部分文檔資料，但查閱麻煩數(shù)據(jù)大多情況采用人工獲取與分析，效率較低，齊全性得不到保障，相互間無法得到有效使用，運行狀態(tài)一般由人工判斷，尚未完全進入高效的數(shù)字化管理階段。為更好地管理和利用淮安二站運行產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，建設(shè)機組數(shù)據(jù)整編與分析系統(tǒng)，對數(shù)量眾多、資料分散的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理并利用。

1 泵站機組數(shù)據(jù)整編與分析系統(tǒng)

1.1 設(shè)計原則

系統(tǒng)開發(fā)遵循安全、可擴展、易用原則，簡化用戶操作，化繁為簡，提煉復雜操作，實現(xiàn)無培訓無操作指導情況下即可快速上手使用。其次強化功能，滿足數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)整編以及數(shù)據(jù)變量和模板自主配置的要求，既實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求，也實現(xiàn)軟件系統(tǒng)需求，滿足一定程度的可擴展性。另外，強化數(shù)據(jù)建設(shè)，按照上級數(shù)據(jù)中心架構(gòu)搭建數(shù)據(jù)中心，滿足后期其他站所整編系統(tǒng)的建設(shè)和上級對所有站所數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為將來整個樞紐指揮中心大數(shù)據(jù)分析平臺提供數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)一次建設(shè)多次復用的目標。

1.2 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)整體框架分為數(shù)據(jù)層、通信層、數(shù)據(jù)分析層、框架層以及具體業(yè)務(wù)層，同時結(jié)合Web設(shè)計框架和相關(guān)服務(wù)，采用HTML、Ajax等技術(shù)開發(fā)基于B/S (瀏覽器/服務(wù)器)模式的Web系統(tǒng)，泵站管理人員在終端電腦通過瀏覽器即可快速便捷的訪問系統(tǒng)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源主要依賴管理人員收集的數(shù)據(jù)表，基于數(shù)據(jù)表按照導入模板錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)按照站所和數(shù)據(jù)類型存入數(shù)據(jù)庫，錄入后支持再次的校對核驗。為方便后續(xù)不同數(shù)據(jù)量的增加和調(diào)整，提供自定義數(shù)據(jù)配置模塊，由管理人員自行調(diào)整需要的機組參數(shù)量和導入模板設(shè)置，提供較大的可擴展性，因此，數(shù)據(jù)庫層包括配置數(shù)據(jù)庫和錄入數(shù)據(jù)庫。淮安二站數(shù)據(jù)中心基于現(xiàn)有空閑服務(wù)器搭建。

1.3 系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)拓撲圖主要涉及服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備[1]。為便于隨時訪問數(shù)據(jù)整編與分析系統(tǒng)，滿足不同網(wǎng)絡(luò)條件下的辦公需求，系統(tǒng)通過固定地址和端口發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。同時，為提升數(shù)據(jù)訪問安全性，在服務(wù)器出口方向利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備進行防護并強化服務(wù)器系統(tǒng)的漏洞、病毒、端口、弱口令、防火墻等配置，滿足對系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)安全的要求。管理人員如需訪問系統(tǒng)，必須通過賬號密碼認證進入，且長時間無操作時，系統(tǒng)將自動推出登錄。后期預(yù)留的API數(shù)據(jù)接口通過獨立通道授權(quán)給特定的供應(yīng)商和管理單位使用，并簽訂相應(yīng)保密協(xié)議，確保核心數(shù)據(jù)的安全，防止泄露事件發(fā)生。

1.4 系統(tǒng)功能

1.4.1 數(shù)據(jù)錄入

系統(tǒng)核心功能包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)整編以及系統(tǒng)配置[2]。其中數(shù)據(jù)錄入包括根據(jù)模板批量復制數(shù)據(jù)并一鍵導入系統(tǒng)和導入記錄查詢。通過表格導入過程會進行數(shù)據(jù)校驗，如存在相同時間的重復數(shù)據(jù)將提示用戶，并進行核對是否重復錄入[3]。導入記錄可方便用戶查詢哪些時間有哪些人錄入的表格，可實現(xiàn)在線查看導入的表格內(nèi)容并下載，方便在數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致時，通過查詢歷史導入表和系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果進行核驗校對。

1.4.2 數(shù)據(jù)整編與分析

(1) 參數(shù)。 數(shù)據(jù)整編涵蓋的數(shù)據(jù)量包括泵站機組電氣量、溫度量、振擺量以及高低壓電氣量、上下游水位和運行統(tǒng)計量等幾大塊。

(2) 整編維度。 針對導入系統(tǒng)的參數(shù)，從均值、峰值、同比幾個維度進行整編。均值主要是指某時間段范圍內(nèi)某一個或幾個參數(shù)的平均值。 峰值是指某時間段內(nèi)最高最低值和歷史最低最高值。 同比是指可選擇某個參數(shù)，選擇需要對比的兩個時間段，生成該運行參數(shù)在這兩個時間段內(nèi)的參數(shù)運行數(shù)據(jù)，并以過程線的形式直觀展示。

(3)數(shù)據(jù)整編功能。 數(shù)據(jù)整編模塊支持數(shù)據(jù)查詢、修改、刪除以及導出幾大功能。查詢時管理人員可自定義某事件范圍，查詢該事件段范圍內(nèi)每個時間節(jié)點相應(yīng)參數(shù)的值和變化情況。修改是具有相應(yīng)權(quán)限的人員可修改數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)值，以便于及時校驗調(diào)整因前期工作失誤引入的錯誤點。刪除新增功能也針對部門具有權(quán)限的人員開放，用于維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)中存在的異常記錄或重復記錄甚至缺失的記錄進行查缺補漏，滿足特定場景的使用需求。

(4)數(shù)據(jù)分析。基于數(shù)據(jù)倉庫，按照實際使用需求，開展多維度數(shù)據(jù)分析，包括電氣量、溫度、振動、運行以及水位分析，詳細見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析包括趨勢分析、偏差分析、關(guān)聯(lián)分析、告警分析等[4]。趨勢分析是指按照查詢時間范圍，以列表和可視化圖形方式展示數(shù)據(jù)變化趨勢，挖掘潛在的數(shù)據(jù)價值。偏差分析是指可按照設(shè)定的標準值，分析出現(xiàn)偏差的次數(shù)以及相應(yīng)的偏差量，便于了解偏差范圍和峰值等情況，為日常運行管理提供決策，為后續(xù)機組性能改善地提供重要參考。關(guān)聯(lián)分析是指可查看相應(yīng)時間范圍內(nèi)不同變量趨勢變化。告警分析是指可查詢超過預(yù)警值的記錄及出現(xiàn)時間。超值次數(shù)分析是指可查詢超過預(yù)警值的記錄次數(shù)[5]。

(5)系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置主要用于維護系統(tǒng)級的配置，包括用戶管理、組織管理、權(quán)限管理、菜單管理、密碼管理、操作日志以及模板和數(shù)據(jù)量自定義配置[6]。為提升系統(tǒng)安全，引入登錄認證機制，所有用戶均需要通過賬號密碼方可進入系統(tǒng)，而用戶賬號由管理員通過用戶管理統(tǒng)一進行分配管理，支持用戶信息的增刪改查。組織管理是指對系統(tǒng)中涉及的用戶組織進行統(tǒng)一管理，比如泵站下屬多個部門，每個部門人員配置不一樣，因此建立組織管理有助于進一步明確人員所在部門，同時可與權(quán)限進行綁定，組織管理支持增刪改查功能。權(quán)限管理是指具有權(quán)限的管理員，可在此模塊建立角色，為不同用戶分配不同角色，不同角色可查看的菜單和操作權(quán)限不一樣，可有效提升系統(tǒng)使用安全。密碼管理是指各用戶可通過此模塊，修改或重置個人登錄密碼，定期的密碼修改有助于賬號的安全等級提升。操作日志模塊用于記錄系統(tǒng)各用戶進入系統(tǒng)后的操作情況，如某用戶某時間點進入了數(shù)據(jù)整編模塊查詢了數(shù)據(jù)等，便于出現(xiàn)異常情況時，可查詢操作記錄排查異常登錄信息和操作。

模板和參數(shù)量自定義配置模塊可極大提升系統(tǒng)可用性和自適應(yīng)。因為泵站需要整編的參數(shù)實際可能會與設(shè)計有一些差距，此時可通過此模塊進行直接配置，比如增加為溫度量增加一個循環(huán)水溫度，直接配置增加該參數(shù)，并同步調(diào)整導入模板，確保下次數(shù)據(jù)導入時，模板中能有包括此參數(shù)。

(6)首頁。 首頁主要展示相對比較重要的數(shù)據(jù)，以方便用戶登錄系統(tǒng)后即可清晰的查閱。首頁展示包括缺失記錄數(shù)、重復記錄數(shù)、我的錄入次數(shù)、我的查詢修改次數(shù)。

缺失記錄數(shù)主要是針對某一類數(shù)據(jù)，查找缺失的時間點，以保證數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的完整性。比如當數(shù)據(jù)中心機組電氣量有2020年到2021年的值，但是其中2020年10月2日9點的這條記錄沒有，則系統(tǒng)將提示有1條缺失記錄，提醒用戶及時補充該時間點的相應(yīng)數(shù)據(jù)值，盡最大可能保證數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的完整性。

重復記錄數(shù)是指數(shù)據(jù)中心針對某一類的數(shù)據(jù)，存在同一時間點多條記錄的情況。比如1#機組電氣量在2021年10月2日九點有三條記錄，此時必定是數(shù)據(jù)發(fā)生了重復或多錄了，因此需要認為介入查到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行核對校驗后刪除多余的數(shù)據(jù)。我的錄入次數(shù)，主要用戶記錄當前登錄用戶有多少次導入數(shù)據(jù)表的行為，方便對工作情況進行回顧和總結(jié)。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用及檢驗

泵站機組參數(shù)整編與分析系統(tǒng)已在淮安二站使用有一年有余，使用效果達到預(yù)期。該系統(tǒng)基于源數(shù)據(jù)做深度整編與分析，進行同比、環(huán)比、平均等不同維度統(tǒng)計量的自動計算和整編，避免了人工處理速度慢、工作量大、效率低、易出錯等，通過此系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了泵站數(shù)據(jù)整編工作效率，優(yōu)化了資源配置，降低人力投入，減少了出錯概率，保證泵站每年數(shù)據(jù)整編工作的快速高效穩(wěn)定開展。另外借助于此系統(tǒng)，在2021年1#機組大修、水位計故障分析、現(xiàn)場控制柜溫度異常等設(shè)備故障排除時，得到了較好的應(yīng)用。在日常開機過程中，運行管理人員可以直觀的分析設(shè)備參數(shù)性能，為全站機電設(shè)備故障預(yù)警分析提供了參考。但是隨著現(xiàn)代科學技術(shù)不斷更新改造，在今后的泵站管理中將完善此系統(tǒng)相關(guān)的功能，使系統(tǒng)適應(yīng)日益發(fā)展的智慧水利需要。

3 結(jié) 語

泵站機組參數(shù)整編與分析系統(tǒng)對工程安全穩(wěn)定運行具有重要意義，數(shù)據(jù)量化分析也是邁向智慧水利的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，借助于此系統(tǒng)，極大地提高了泵站數(shù)據(jù)利用價值，對泵站運行管理、精準調(diào)度、性能分析、故障預(yù)警等提供了參考，可為其他類似水利工程數(shù)據(jù)整編與分析提供借鑒。