泵站機組數據整編與分析系統的設計與實現

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)

隨著大數據、物聯網、云計算等新興技術的發展，大力推進智慧水利成為水利發展的一條主線，而智慧水利的驅動力是數據，基于數據方可開展工程相關系統建設、科學研究、精準調度、精細管理等業務工作。

泵站工程機組運行過程中產生了大量的電氣量、溫度、水位、振動等數據，這些數據對工程運行與管理具有重要的意義，基于歷史運行數據深入挖掘數據魅力，為科學研究和機組運行檢修提供強有力的數據支撐。淮安二站自動化系統經過多年的建設，借助 Application Server 開發的全中文界面，切實為運行人員提供了易于理解和操作的運行環境，而目前淮安二站相關運行數據存儲較為分散且利用率較低，雖有部分文檔資料，但查閱麻煩數據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，運行狀態一般由人工判斷，尚未完全進入高效的數字化管理階段。為更好地管理和利用淮安二站運行產生的大量數據，建設機組數據整編與分析系統，對數量眾多、資料分散的數據進行統一管理并利用。

1 泵站機組數據整編與分析系統

1.1 設計原則

系統開發遵循安全、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，滿足數據錄入、數據整編以及數據變量和模板自主配置的要求，既實現業務需求，也實現軟件系統需求，滿足一定程度的可擴展性。另外，強化數據建設，按照上級數據中心架構搭建數據中心，滿足后期其他站所整編系統的建設和上級對所有站所數據的統一管理，為將來整個樞紐指揮中心大數據分析平臺提供數據源，實現一次建設多次復用的目標。

1.2 系統框架

系統整體框架分為數據層、通信層、數據分析層、框架層以及具體業務層，同時結合Web設計框架和相關服務，采用HTML、Ajax等技術開發基于B/S (瀏覽器/服務器)模式的Web系統，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。

系統的數據源主要依賴管理人員收集的數據表，基于數據表按照導入模板錄入到系統中，系統按照站所和數據類型存入數據庫，錄入后支持再次的校對核驗。為方便后續不同數據量的增加和調整，提供自定義數據配置模塊，由管理人員自行調整需要的機組參數量和導入模板設置，提供較大的可擴展性，因此，數據庫層包括配置數據庫和錄入數據庫。淮安二站數據中心基于現有空閑服務器搭建。

1.3 系統拓撲圖

系統拓撲圖主要涉及服務器、網絡以及網絡安全設備[1]。為便于隨時訪問數據整編與分析系統，滿足不同網絡條件下的辦公需求，系統通過固定地址和端口發布到互聯網。同時，為提升數據訪問安全性，在服務器出口方向利用現有的網絡安全設備進行防護并強化服務器系統的漏洞、病毒、端口、弱口令、防火墻等配置，滿足對系統對網絡安全的要求。管理人員如需訪問系統，必須通過賬號密碼認證進入，且長時間無操作時，系統將自動推出登錄。后期預留的API數據接口通過獨立通道授權給特定的供應商和管理單位使用，并簽訂相應保密協議，確保核心數據的安全，防止泄露事件發生。

1.4 系統功能

1.4.1 數據錄入

系統核心功能包括數據錄入、數據整編以及系統配置[2]。其中數據錄入包括根據模板批量復制數據并一鍵導入系統和導入記錄查詢。通過表格導入過程會進行數據校驗，如存在相同時間的重復數據將提示用戶，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，可實現在線查看導入的表格內容并下載，方便在數據出現不一致時，通過查詢歷史導入表和系統數據查詢結果進行核驗校對。

1.4.2 數據整編與分析

(1) 參數。 數據整編涵蓋的數據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計量等幾大塊。

(2) 整編維度。 針對導入系統的參數，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某一個或幾個參數的平均值。 峰值是指某時間段內最高最低值和歷史最低最高值。 同比是指可選擇某個參數，選擇需要對比的兩個時間段，生成該運行參數在這兩個時間段內的參數運行數據，并以過程線的形式直觀展示。

(3)數據整編功能。 數據整編模塊支持數據查詢、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每個時間節點相應參數的值和變化情況。修改是具有相應權限的人員可修改數據中心的數據值，以便于及時校驗調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限的人員開放，用于維護系統數據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)數據分析。基于數據倉庫，按照實際使用需求，開展多維度數據分析，包括電氣量、溫度、振動、運行以及水位分析，詳細見圖1。

圖1 數據分析系統

數據分析包括趨勢分析、偏差分析、關聯分析、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據變化趨勢，挖掘潛在的數據價值。偏差分析是指可按照設定的標準值，分析出現偏差的次數以及相應的偏差量，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，為后續機組性能改善地提供重要參考。關聯分析是指可查看相應時間范圍內不同變量趨勢變化。告警分析是指可查詢超過預警值的記錄及出現時間。超值次數分析是指可查詢超過預警值的記錄次數[5]。

(5)系統設置。系統設置主要用于維護系統級的配置，包括用戶管理、組織管理、權限管理、菜單管理、密碼管理、操作日志以及模板和數據量自定義配置[6]。為提升系統安全，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，而用戶賬號由管理員通過用戶管理統一進行分配管理，支持用戶信息的增刪改查。組織管理是指對系統中涉及的用戶組織進行統一管理，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，同時可與權限進行綁定，組織管理支持增刪改查功能。權限管理是指具有權限的管理員，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限不一樣，可有效提升系統使用安全。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各用戶進入系統后的操作情況，如某用戶某時間點進入了數據整編模塊查詢了數據等，便于出現異常情況時，可查詢操作記錄排查異常登錄信息和操作。

模板和參數量自定義配置模塊可極大提升系統可用性和自適應。因為泵站需要整編的參數實際可能會與設計有一些差距，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水溫度，直接配置增加該參數，并同步調整導入模板，確保下次數據導入時，模板中能有包括此參數。

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

缺失記錄數主要是針對某一類數據，查找缺失的時間點，以保證數據中心數據的完整性。比如當數據中心機組電氣量有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數據值，盡最大可能保證數據中心數據的完整性。

重復記錄數是指數據中心針對某一類的數據，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，此時必定是數據發生了重復或多錄了，因此需要認為介入查到相應的數據，對數據進行核對校驗后刪除多余的數據。我的錄入次數，主要用戶記錄當前登錄用戶有多少次導入數據表的行為，方便對工作情況進行回顧和總結。

2 系統的應用及檢驗

泵站機組參數整編與分析系統已在淮安二站使用有一年有余，使用效果達到預期。該系統基于源數據做深度整編與分析，進行同比、環比、平均等不同維度統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，通過此系統的應用，提高了泵站數據整編工作效率，優化了資源配置，降低人力投入，減少了出錯概率，保證泵站每年數據整編工作的快速高效穩定開展。另外借助于此系統，在2021年1#機組大修、水位計故障分析、現場控制柜溫度異常等設備故障排除時，得到了較好的應用。在日常開機過程中，運行管理人員可以直觀的分析設備參數性能，為全站機電設備故障預警分析提供了參考。但是隨著現代科學技術不斷更新改造，在今后的泵站管理中將完善此系統相關的功能，使系統適應日益發展的智慧水利需要。

3 結 語

泵站機組參數整編與分析系統對工程安全穩定運行具有重要意義，數據量化分析也是邁向智慧水利的一個關鍵環節，借助于此系統，極大地提高了泵站數據利用價值，對泵站運行管理、精準調度、性能分析、故障預警等提供了參考，可為其他類似水利工程數據整編與分析提供借鑒。