基于WEB的水電站高位水渠智能巡檢系統設計

國能大渡河新能源投資有限公司 舒曉東 姚福明 鄒 浩 侯 璐

水電站是我國水利工程建設中的重要設施，可在水利工程建設運行中將水位動能轉化為用戶需求的電能。當水流從較高位置向下流或在其他水庫內進行引水操作時，水體向下的壓力與沖擊力將帶動水輪機發生旋轉行為，此時水體的重力將帶動前端機械轉動，通過機械作用力帶動發電機旋轉，在此種條件下即可產生電能。為滿足水電站穩定與可持續運行需求，大部分水電站具有運行環境復雜、水文地質條件多樣化等特點[1]。

在開展此方面設計研究時發現，部分水電站會在運行中出現高尾水渠現象，此種現象會影響或干預水電站運行的安全性，盡管供電單位已針對此方面問題，采取調用技術人員與巡查人員及時進行現場巡查工作，但由于傳統的巡查方案大多以人工的方式開展，此種巡查方式在實際應用中存在效率低、工作量大、巡查數據偏差等方面的問題[2]。隨著智能化技術的應用，越來越多的水電站開始嘗試將現代化技術與智能化技術應用到此項工作中，輔助終端計算機與PC 設備，對水電站在運行中的高位水渠進行實時監測，但現行的現代化技術輔助巡查工作在實施中由于缺少先進的技術作為支撐，導致巡查工作一直無法達到預計的效果，甚至終端無法實現在巡查過程中對結果數據進行統計與集中分析[3]。

為了提高水電站高位水渠巡檢反饋結果的時效性，提升巡檢作業綜合水平，開展基于WEB 的水電站高位水渠智能巡檢系統設計研究。為保證巡檢結果在屏幕中顯示具有較高的清晰度，選擇由多個LED 點陣模塊集成的屏幕作為顯示屏。完成系統硬件設計后，在系統的WEB 端中生成一個DataSet文件夾，將水電站運行數據以XML 文檔作為載體，設計水電站高位水渠巡檢數據暫存方式、基于WEB進行巡檢數據交互與同步處理、優化巡檢沖突結果，確保巡檢結果數據不存在沖突后，將對應的巡檢結果與水渠預警界限值進行比對，超出預警界限后在顯示端進行巡檢結果的預警。通過對比實驗證明，設計的巡檢系統在進行巡檢作業時所需的時間更少，可確保反饋的巡檢結果具有較高的時效性。

1 設計原則

系統旨在代替人員完成巡檢工作中對設備的望、聞、問、切等工作，通過采集圖像、聲音、溫濕度和完善的電站數據，利用計算機視覺識別、機器學習、深度學習等技術，使之具備“智能”能力，代替人員的巡檢工作。系統具備以下特征：

具備更明亮的“眼睛”：應用巡檢機器人和電站工業電視高清攝像機，根據需要增加攝像機和紅外熱成像儀，完善視覺功能；具備更敏銳的“耳朵”：在風洞、水車室、水輪機人孔門等部位增加聲音采集傳感器，記錄感知特殊工況下設備產生的異常聲音；具備更靈敏的“鼻子”：合理選用傳感器讓系統能感知現場的特殊氣體成分；具備更敏感的“觸覺”：利用高精度的紅外測溫手段，讓智能巡檢系統具有更敏感的溫度感知能力；具備更聰明的“大腦”：通過開發視覺識別算法模型、設備故障分析診斷模型、智能聯動告警模型等，實現對采集數據、圖像等信息的分析和識別，智能判別設備缺陷并及時發出預警信息通知生產人員處理。

2 硬件設計

水電站智能巡檢系統硬件設備分為前端數據采集設備、網絡傳輸系統和后端管理平臺系統3部分，前端數據采集設備包括智能巡檢機器人、高清可見光攝像機、紅外熱成像測溫攝像機、聲音監測裝置等傳感設備，網絡傳輸系統包括交換機、無線WIFI設備、網線和光纜等，后端管理平臺系統主要為服務器設備、存儲設備。與其他巡檢類系統存在差異的是，本文設計的水電站巡檢系統在運行中需要滿足工作周期不固定、反饋信息具有時效性等特點。因此在設計系統軟件功能前，應進行系統硬件設備布設的規劃（圖1）。

圖1 系統硬件結構

完成對系統硬件結構的描述后，以系統終端顯示屏為例，對系統硬件設備進行設計。本次研究的顯示屏通過驅動電路與系統保持通信連接，為保證巡檢結果在屏幕中顯示具有較高的清晰度，選擇由多個LED 點陣模塊集成的屏幕作為顯示屏，屏幕顯示電路采用1:16的掃描方式呈現，其中一行選通的信號作為通信信號。當終端顯示屏在接收到前端巡檢信號后，只需要在行、列的顯示下，進行逐行與逐列的點陣點亮，即可為終端巡檢人員提供一種相對連續的視覺顯示效果[4]。

為確保顯示的信息具有時效性，選擇HEF5064型號寄存器作為信號存儲器，引腳端負責進行串行數據的輸入，CP 端負責進行信號的聯級輸出。對應的顯示屏為16.0行×64.0列點陣，發出的信號由直流端驅動傳輸，以此種方式實現對前端巡檢信息的可視化及時展示。

3 軟件設計

3.1 水電站高位水渠巡檢數據暫存

完成對系統硬件結構的設計后，下述將進行水電站高位水渠巡檢數據的暫存。考慮到本文設計的系統需滿足離線運行需求，因此要將常用的參照數據與水渠預警界限值等常規數據存儲在客戶端。對于處理后的數據信息，程序應在離線狀態下實現對數據結構的保存，等待系統下次連線進行數據處理。

在此過程中，可在系統的WEB 端中生成一個DataSet 文件夾，將水電站運行數據以XML 文檔作為載體，利用XML 書寫方式，將巡檢得到的數據以XML 文件的格式錄入本地文件夾中。再使用WEB 端中的只讀文件夾將文本信息進行封裝，將封裝后的文件信息與顯示端建立直接聯系，待系統下次運行或啟動時聯系端直接連線通信，此時數據庫或文件夾中裝載的數據信息將建立與后端的直接連接，以此種方式實現對數據的需求數據的暫存處理。

3.2 基于WEB 的數據交互與同步處理

考慮到WEB 端與服務器的頻繁交互可能會影響到系統軟件的功能，為確保巡檢結果數據與服務器端之間保持良好的通信關系，需在WEB 端建立數據交互與同步處理渠道，保證巡檢信息之間的良好交互。在此過程中，巡檢的重點應放在服務器請求方，當巡檢端直接面向用戶服務時，可采用將本地緩存的方式進行WEB 端交互，不必要等待巡檢信息的返回便可執行巡檢中的其他操作。

在圖2提出的內容中，巡檢端存在一個客戶代理，可根據巡檢系統的請求服務需求創建一個請求服務對象，此時代理端對象負責執行數據主動交互指令。當確保對端在運行過程中保持良好通信狀態時，即可實現對水電站高位水渠巡檢的實時化。

圖2 巡檢端與WEB 端的直接面向架構

3.3 巡檢沖突結果優化

完成對系統巡檢端操作功能的布設后，執行系統高位水渠智能巡檢作業，并獲取顯示端的巡檢結果數據。考慮到在此種條件下獲取的巡檢結果在WEB 端傳輸存在沖突，需賦予客戶端數據更改能力，對存在沖突問題的巡檢結果進行優化。優化巡檢沖突結果的行為可被劃分為四個步驟：

獲取顯示端巡檢結果數據，完成獲取后的數據需通過服務器進行時間與數據同步；巡檢結果數據的提交，將對應的數據信息提交給服務器，啟動服務器主動接收程序或指令，進行信息的共享；巡檢數據結果的同步，服務器可根據前端提供的最后巡檢結果進行時間的合并化處理，以此種方式確保更新后的數據可滿足數據共享與數據庫調用信息的需求；沖突數據結果的分裝，其流程為：建立分裝表A 與分裝表B，更新A 與B 中的數據，根據數據的展示性能將結果劃分到不同表結構中。

確保巡檢結果數據不存在沖突后，將對應的巡檢結果與水渠預警界限值進行比對，超出預警界限后在顯示端進行巡檢結果的預警。通過此種方式實現對水電站高位水渠的智能預警，完成系統軟件功能的開發。

3.4 數據分析與管理

綜合智能分析。系統對設備進行圖像識別結果、溫度、聲音等數據綜合分析，判斷出設備異常狀態，并提醒生產人員，提高故障的分析和處理效率；歷史數據分析。根據巡檢機器人、智能監測設備采集的數據信息，系統可按照設備樹進行設備歷史數據、缺陷分析，同時也具備同類設備的橫向對比功能；報告自動生成功能。智能巡檢系統每執行一次巡檢任務自動生成巡檢報告。報告格式按用戶需求設計，主要內容包括：本次巡檢任務的巡檢地點、巡檢時間、本次任務完成的巡檢點、每個巡檢點中的設備讀數值、判斷讀數是否在閾值范圍內。巡檢報告中附有系統巡檢時拍攝并經過視覺識別處理的圖片。

4 對比實驗

本次實驗選擇的水電站為某地區大型建設工程，水電站中的裝機總容量為3500.0MW，最高堤壩的高度為245.6m，水庫在運行中的總容量為120.0億m3，截至2014年水電站首次蓄至正常蓄水位。此水電站在此后一段時間中，多次發生由于高位水渠超出預設造成的安全事故。為及時解決此方面問題，解決高位水渠對水電站穩定運行的負面影響，管理方引進了基于BIM+3DGIS 的巡檢系統，進行水電站水位的實時監測。但此系統在實際應用中存在明顯的反饋信息時效性低的問題，在本次實驗中，將上文提出的系統作為傳統系統，將本文系統與傳統系統在巡檢作業中反饋信息時效作為評價指標，進行此次實驗的設計。

實驗中需先選定巡檢系統的有效作業范圍，明確系統分部工程的巡檢區間，在巡檢作業端輸入預設的高位水渠信息。將兩個系統分別與監控端建立直接通信連接，確保系統在PC 終端上穩定運行后，記錄系統在巡檢過程中發生巡檢行為的時間點、記錄高位水渠位置的時間點、顯示端接收巡檢結果信息的時間點，使用接收的時間減去發生巡檢行為的時間，即可得到系統完成一次完整巡檢行為所需要的時間。調用時間點信息時，可直接通過檢索終端計算機暫存空間內的系統運行歷史數據即可實現，將調用的時間點信息統計成表格。

綜合表1所示實驗結果可看出，本文系統執行一次完整巡檢行為所需時間為68.0s，傳統系統執行一次完整巡檢行為所需時間為425.0s。由此可見，相比傳統的巡檢系統，本文設計的巡檢系統在進行巡檢作業時所需的時間更少，可確保反饋的巡檢結果具有較高的時效性。

表1 系統執行一次完整巡檢行為所需時間對比

綜上，為提高水電站高位水渠巡檢作業綜合水平，本文在研究中引進了WEB 技術，基于傳統巡查模式設計一種針對水電站高位水渠的全新智能巡查系統。并在完成對系統的設計后，通過對比實驗的方式，對本文系統與傳統系統執行一次完整巡檢行為所需時間進行對比。綜合對比結果發現，本文設計的巡檢系統在進行巡檢作業時所需的時間更少，可確保反饋的巡檢結果具有較高的時效性。以此種方式，實現對傳統巡查模式的優化與功能改進。