閘門及啟閉機智能運維系統在陸渾水庫的應用

趙留香

(河南省陸渾水庫管理局，河南 洛陽 471003)

1 項目研究的必要性

陸渾水庫位于黃河流域伊河支流的河南省嵩縣境內，總庫容13.20億m3，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、城市供水等綜合利用的大(1)型多年調節水庫。水庫于1959年12月開工,1965年8月建成。主要建筑物由大壩、輸水洞、泄洪洞、灌溉洞、溢洪道及總裝機容量12 200 kW的水電站組成。

陸渾水庫輸泄水建筑物較多，閘門和啟閉機不僅種類齊全，而且數量眾多(水庫和灌區中型以上各種水閘多達90余套)。未來通過灌區向鄭州輸水的“西水東引工程”，要求水庫以“常流水”的方式向鄭州市供水，無疑加大了閘門和金屬結構的管理任務。通常閘門和啟閉機金屬構件變形、疲勞或啟閉傳動故障等均會形成系統故障，尤其是不確定的動水載荷激振和腐蝕作用，更使設備故障模式復雜且難以預測。因此，為滿足水工機械裝備高負荷、高頻率運行安全管理，實現閘門與啟閉機運行過程動態監測和故障智能分析研究是十分必要的。

2018年國家工業和信息化部、財政部聯合批準了《水工機械裝備遠程運維標準研究與試驗驗證項目》研究，鄭州大學機械與動力工程學院作為標準化研究制定牽頭單位，聯合國內十余家相關研究單位在近三年開展了大量基礎研究工作，并于2020年底完成中國水利水電工程水工機械裝備遠程智能運維標準化制定。在陸渾水庫溢洪道三孔弧形工作閘門及啟閉機開展遠程智能化運維系統研究和應用，是項目組選定的第一批實現水工機械裝備物聯網運行管理的工程項目。項目組課題研究、開發單位，通過對國內水工機械安全運維領域相關技術應用的細致調研，結合下一步國家對水工機械裝備遠程智能運維標準化的要求，在2019年7-12月現場開展大量方案規劃設計的基礎上，開展了《陸渾水庫閘門及啟閉機遠程智能運維系統研究》。

2 研究的目標和任務

項目的研究目標，是通過物聯網技術和大數據分析模型構建閘門和啟閉機智能運維系統，用在線監測和運行仿真代替人工目測，用智能診斷和決策代替人為的經驗，用戶主動預測維護代替定期維護，以實現水工機構裝備運維的現代化。

研究任務，基于新一代信息技術，實現運行設備的數字化、網絡化和智能化，形成在線監測、智能診斷和維護決策的安全新模式，提升機械裝備運行的可靠性和穩定性，減少故障發生，降低故障損失和維護成本，保障工程的運行安全，也為設備設計及制造工藝改進優化提供大數據服務。

3 主要技術指標

陸渾水庫閘門及啟動機遠程智能運維系統研究，重點實現和解決以下關鍵技術問題：

3.1 在線監測數據采集分析與集成技術

通過現場布設傳感器、信號傳輸線路和后臺數據庫，基于物聯網技術實現監測數據接口、集成等多數據源集成與自動流動，并在時間、空間上建立多數據源相關關系，為大數據分析提供支撐。

3.2 設備運行動態狀態監測技術

建立設備運維狀態監測的活動模型，通過人機交互界面、動態圖表等形式展示設備的實時運行狀態，同時也可以對設備故障處理等運維操作的結果進行管理和控制。

3.3 故障診斷技術

利用數據驅動和模型驅動耦合的方法，建立故障診斷預測的可靠模型和知識庫，率定各類監測要素的預警值，實現發生故障的在線分析與預警實時發布。

3.4 預測性維護技術

基于主動維護思想，利用大數據、智能算法對設備性能衰退過程預測分析，預測設備或結構使用壽命等，使設備安全維護達到預防性要求。

3.5 信息服務技術

以工程建筑、閘門和啟閉機的三維可視化為基礎，進一步在軟件系統中實現監測數據、分析數據、預警信息的渲染表達顯示；基于云計算、移動互聯、智能終端等先進應用技術，實現遠程信息服務和多終端信息顯示。

4 技術路線及主要實施內容

項目主要實施內容與技術線路，包括了在線實時監測、智能診斷分析、仿真顯示分析服務三大部分，詳見圖1。

圖1 項目實施主要內容及技術路線圖

5 技術方案

5.1 基于物聯網的數據采集分析與應用集成

實現對水工機械裝備的全生命周期的動態信號采集和分析，遠程運維要求智能設備能夠自動、快速的接入，并解釋物理單元中的數據(包括格式和語義)，實現互聯互通和互操作，必須時刻保持連接在線，否則無法實時采集狀態數據和進行遠程控制。工業物聯網網關能夠實時監測所連接智能設備的在線狀態，并維持跟智能設備的連接。工業物聯網網關可以實時將智能設備的連接狀態上報給數據層，進行穩態、動態數據的采集，在設備遠程故障診斷系統中，實現實時監控以及在線調整，如圖2所示。

圖2 裝備狀態參數實時監測圖

5.2 閘門及啟閉機運行狀態在線監測

在閘門和啟閉機性能監測、運行可靠性監測、啟停監測技術研究的基礎上，在線獲取數據采集單元和監控單元的輸出，終端上顯示設備運行狀況和自我診斷信息。

結合其他各種控制程序以及第三方應用數據，構建動態自適應監測與托管服務系統，實現水工機械裝備的局部監測托管、整機性能托管與異常服務托管。

通過網絡獲取信號采集，結合實時監測數據和歷史監測數據，研究提供從局部到整機、從暫態到長周期的多種實時狀態評估工具，自動辨識異常并發出報警，從而保障水工機械裝備的安全生產，提高服務水平。

5.3 傳感器布設

此項目在陸渾水庫溢洪道進口的三口弧形工作閘門進行試驗研究，在閘門和啟閉機上布設各類傳感器，實時采集閘門、啟閉機運行監測數據。

5.3.1 實時在線應力監測

在閘門及啟閉機的主要受力構件不同位置上布置應變片，在閘門及啟閉機受力發生變形后，應變片采集不同位置的應變，將應變數據傳輸給應變計，通過補償平衡電橋，應變放大器和電荷放大器將不同位置的應變數據傳輸給處理器，處理器根據所采集的數據進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理得到各測點、各方向的應變實測值，根據實測應變計算出相應的應力值。

5.3.2 實時在線變形監測

在弧形工作閘門上選取合適的標志點，布置具有夜視紅外功能的工業相機，在閘門啟閉和受到水流震蕩時，通過近景攝影測量技術，采用線中心投影的推掃方式，進行垂直位移觀測和水平位移的觀測，監測不同標志點的靜態變形和動態變形情況。將不同位置的變形圖片傳輸給處理器，處理器再根據所采集的圖片進行相機檢校、特征點、線的標定、影像匹配等處理后得到各測點、各方向的三維坐標。最終像方、物方點的一系列坐標變換成像，得到主要設備的實時立體三維模型，經過對比和放大處理，根據弧形工作閘門及啟閉機結構形式和受力特點得到幾何變形數據。

5.3.3 實時在線動力響應監測

在弧形工作閘門上不同位置安裝加速度計，在閘門啟閉以及受到水流沖擊時，加速度計采集到不同位置的正弦振動和隨機振動數據。將不同位置的振動數據傳輸給處理器，處理器再根據所采集的數據進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理得到各測點、各方向的振動實測值，根據實測值以及金屬結構的共振頻率和共振點，計算工作閘門在不同運行工況下水流脈動壓力誘發的振動應力、振動位移。

5.3.4 實時在線啟閉力監測

在閘門及啟閉機的合適位置布置壓力傳感器、閘門開度傳感器(光電編碼器)、浮子式水位傳感器，監測啟閉力數據。包括閘門在實際擋水水頭下的啟門力、持住力、閉門力、最大啟門力、最大持住力、最大閉門力。將不同位置的啟閉力數據傳輸給處理器，處理器再根據所采集的數據進行濾波、清噪、平均、回歸等后處理，得到各測點的啟閉力實測值，根據實測值繪制出相應的啟閉力過程線。

5.4 基于知識庫的故障診斷和預測性維護分析

基于知識庫實現健康狀態評估技術和動態診斷技術研究，依托業務庫、數據庫、用例庫和知識庫，圍繞設備健康狀態管理、分析診斷，實現水工機械裝備的全生命周期診斷服務。

水工機械裝備的健康狀態評估，主要利用非線性知識挖掘和推理技術，對裝備的遠程監測數據、歷史數據(尤其是機組故障突發前后的原始數據)等進行分析，找出其中的關聯規則，融合多種信息對機組系統運行狀況做出評估。

水工機械裝備故障診斷與預測分析功能架構如圖3所示。

圖3 故障診斷與預測分析功能架構圖

水工機械裝備的故障診斷分析則是綜合數據庫訪問、信號分析等方面技術，構建基于虛擬儀器的診斷分析平臺，實現基于運行狀態的動態診斷分析。大數據，模型和算法是進行知識發現的重要手段，建立設備評估模型和故障預測模型，最終基于數據驅動的預測診斷實現設備智能運維。

預測性維護分析研究，可以確保閘門和啟閉機產品符合設計容差，提升產品的生產的質量，同時也將考慮過于頻繁的預防性維護會受到制造商保修要求的限制，增加系統的停機時間，對可用性也會有負面影響。

6 研究成果及意義

通過研究和實際運用表明，該系統在工程與金屬結構設備三維數字化孿生平臺、運行狀態監測及異常預警/報警、故障診斷與分析、健康診斷與預測性維護、虛擬運維與運行仿真、遠程運維知識庫、運維過程管理等功能應用方面，使用效果良好、達到預期效果，同時幫助陸渾水庫實現了常態運行數據的積累，為保障設備的常態、穩定、可靠運行起到了積極的作用，提升了管理效率、運維響應及處理效率，提升了水庫設備數字化運維及管控能力，具有很好的實用性和推廣應用價值。該研究項目的成功試驗和推廣應用，不僅可對全國水工機械進行高效地智能化全方位監測，最大限度地防范和控制運行風險。同時，對水利工程補短板、水利行業強監管和促進水利工程現代化管理，具有十分重要的意義。

7 系統的發展方向和發展空間

7.1 進一步提升基于專家系統的異常維護過程智能決策能力

在系統運行過程中，一方面，進一步加強系統故障診斷及預測性維護模型的優化，立足國家智慧水利建設目標，面向水工機械裝備智能遠程運維，在“數字孿生、AR/VR”、“5G+數字化水電站”等方面持續拓展應用，實現創新技術應用示范；另一方面，在工程運行及管理過程中，基于系統的實施，實現人工巡檢、定期檢測、故障異常及處理方式等人員經驗、方法的數字化轉化與知識經驗沉淀，進一步提升基于專家系統的異常維護過程智能決策能力。

7.2 全面推廣實施系統，提升整體工程安全運行及數字化管理能力

下一階段，推進水工機械裝備智能運維系統在陸渾水庫、灌區閘門、啟閉機等設備的全面普及及推廣實施，提升整個工程安全運行及全局數字化管理能力。