基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现_史晓宇.pdf

收稿日期：2023-01-29基金项目：国家科技重大专项项目（2018ZX07111005）作者简介：史晓宇，男，工程师，学士，主要从事水利行业、信息化相关工作。通讯作者：许红霞，女，讲师，博士，主要研究方向为大数据分析、机器学习和深度学习。引文格式：史晓宇，郭甜甜，李营，等.基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现 J.市政技术，2023，41（5）：177-182.（SHI XY，GUO T T，LI Y，et al.The design of perception system of intelligent pump station based on“five senses”and the implementation ofinformation system engineering J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：177-182.）文章编号：1009-7767（2023）05-0177-06第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.177Journal of Municipal Technology基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程实现史晓宇1，郭甜甜2，李营1，许红霞3*（1.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100089；2.北京工业大学 信息与通信学院，北京 100023；3.北京工业大学 自动化学院，北京 100023）摘要：智慧泵站是智慧水利工程应用的重要部分，也是实现智慧水利的重要基础和数据来源。针对目前我国泵站系统数据不完备、多个系统相互独立、管理业务系统难以互联互通、人工操作技术相对落后以及对远程调度和智能操控决策支撑不足的情况，提出了一种基于“五感”的智慧泵站感知体系设计与信息系统工程的构想，并以北京市密云水库调蓄工程的前柳林泵站为试点，通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉的感知方式，借助物联网感知、智能传感、数据融合、大数据、云计算等技术手段，构建“五感”感知体系，最终实现了“运行无人式、调度一站式、维修智能式”管理模式，让泵站管理更加智能化、高效化和精准化。关键词：智慧泵站；“五感”；信息系统；数据融合中图分类号：TV 675；TP 212.6文献标志码：AThe Design of Perception System of Intelligent Pump Station Based on“Five Senses”and the Implementation of Information System EngineeringShi Xiaoyu1，Guo Tiantian2，Li Ying1，Xu Hongxia3*（1.Tuancheng Lake Management Office of Beijing South-to-North Water Transfer Project，Beijing 100089，China；2.School of Information and Communication，Beijing University of Technology，Beijing 100023，China；3.School of Automation，Beijing University of Technology，Beijing 100023，China）Abstract：Intelligent pump station is an important part of the application of intelligent water conservancy project aswell as important basis and data resources.In view of the current situation that the pump station system data is in鄄complete，several systems are independent of each other，the management business system is difficult to interoper鄄ate，and the support for remote scheduling and intelligent control decision is insufficient，a“five senses”based intel鄄ligent pump station perception system design and information system engineering concept are proposed.The projecttakes the former Liulin pump station of Miyun reservoir storage project in Beijing as a pilot project and builds a“fivesenses”sensing system is established by means of visual，auditory，olfactory，taste and tactile sensing，and technicalmeans of IoT awareness，intelligent sensing，data fusion，Big Data，cloud computing and other technical means.Finally，the management mode of“unmanned operation，one-stop dispatching and intelligent maintenance”is real鄄ized whcih make pump station management more intelligent，efficient and accurate.Keywords：intelligent pump station；five senses；information system；data fusionJournal of Municipal Technology第41卷1研究现状随着我国新兴科技的发展及其应用场景的深入，泵站改造升级建设也在不断推进，泵站智慧化发展已具备一定基础。2021年11月29日，水利部在关于大力推进智慧水利建设的指导意见中指出，推进智慧水利建设是推动新阶段水利高质量发展的6条实施路径之一1。在这种发展趋势下，业界逐渐开始重视智慧泵站建设，并通过加强信息化基础建设，使泵站建设的智能管理、智能控制、智能分析、智能诊断2水平也在逐步提高，但仍然存在多个信息化系统相互独立、调度中心难以实现集中管理和统一管控的现象。此外，数据采集和汇集仍多采用传统数据传输方式3，信息化基础差、数据不匹配、数据孤岛现象普遍4，导致运维的人力和时间成本较高。近年来，针对“五感”感知体系和信息系统设计的问题，学者们开展了广泛的研究，如：张安思5以数字车间设备为研究对象，重点研究了设备数据的感知方法和设备数据融合与分析技术；朱亚东等6设计实现了智能泵站运行监控系统，通过电脑Web端或者手机微信小程序远程控制泵站的启停，同时能实时监测泵站运行中的各项参数；姚锦玮7设计实现了端到端的语音识别模型和中文语音合成模型，并搭建了语音交互系统，实现了泵站平台智能化。这些研究对于“五感”设计都具有重要的参考意义。笔者以北京市前柳林泵站为试点开展智慧泵站感知体系设计与信息系统工程的建设。前柳林泵站是南水北调来水调入密云水库调蓄工程梯级泵站的第2级提升泵站。该泵站主要由进水渠、进水池、主厂房、副厂房、出水渠和节制闸等组成。泵站等别为等，主厂房内安装4台立式轴流泵；主厂房自下而上分为流道层、水泵层、连轴层和电机层，采用肘形进水流道和虹吸式出水，出水流道采用真空破坏阀断流。基于“五感”感知体系的构建，实现前柳林泵站全面监测数据采集、传输和汇聚，从而支持泵站监测控制系统和调度业务系统的数据实时同步更新，共享泵站、机组、辅助设备的数据资源，并结合业务建模、智能建模，实现泵站由传统管理模式向运行、调度、维护“三合一”的集中管控模式的数字化转变8。2“五感”感知体系的构建“五感”感知体系设计是实现泵站智慧管控的关键环节，通过模拟人的五官，依靠光敏、声敏、气敏、压敏、化学等不同类型的传感器来收集数据9，实现对泵站设备的机组健康和运行状态、生产环境的预防预警和安全运行进行全方位、多角度、高维度的感知。其中以视觉和听觉设计为主。2.1基于视觉的泵站自主巡查视觉是由激发人眼的物体形象所唤起的主观感觉，它是5种感官中最直观的一种。视觉设计主要有：1）安装摄像头，并统计视频监控点位情况，实现对中控室、综保室、综合室、管理处观景台等的全面监控、数据查看和视频查看。2）设计高压设备自主巡查机器人，对高压室各个机柜自动巡检，融合边缘计算AI分析，可实现仪表识别以及开关状态识别，减少人员进入高压室频次，降低安全风险。高压设备自主巡查机器人见图1。3）安全帽识别和违禁闯入识别，利用边缘计算AI识别，自动警告并声音提醒，以增强安全保障。4）双光谱热成像，远程巡检填料函温度，减少值班员现场巡检，与测温传感器实现双因子智能校验，保证监测数据的准确性。2.2基于触觉的机组运行监测触觉是一种生理反应，当一个人的皮肤接触到一个物体时才会发生，并将其送回大脑。它是5种感官中最敏感的一种，是感知物体和了解环境的重要方式。触觉设计主要有：1）增加传感器的摆动幅度，使现有振动传感器量程（0100 mm）远超机组振动范围（05 mm），新图1高压设备自主巡查机器人Fig.1 Autonomous patrol robot for high-voltage equipment178第5期加05 mm量程传感器，针对安装位置不规范、不合理的问题需要重新确定安装位置。2）使用光栅测温采集，实现新材料应用，在不改变现有结构的前提下，实现重要指标温度监测，且无需电源驱动，不受电磁干扰，适合远距离传输（见图2）。3）现有摆度传感器量程较大，不能精准检测实际摆度值，因此在填料函位置处重新确定位置安装量程为02 mm的摆度传感器，并保留现有摆度传感器，使其在未来运行稳定后参与调度10；现有油位采用人工监测，增设油位自动监测，与油缸、油温一起对电机运行进行监控。4）增加雷达水位监测，与现有浮子水位计监测形成互相校核，保证泵站稳定运行。2.3基于嗅觉的夹层安全监测嗅觉是不同的气味刺激嗅觉系统所产生的反应。嗅觉设计主要从气味监控入手，判断高压室、节制闸室、电机室等是否存在高温导致的烧焦味道，实现对可燃烃类、臭氧气体的实时检测。可在低压室电缆夹层、高压室电缆夹层各设置2个传感器。2.4基于听觉的设备异常检测听觉是探索世界的第一种感官，与其他感官有根本的不同，属于非接触式测量11，可实时采集，并通过声谱和分析，实现对设备异常噪声源的实时记录；此次主要是积累泵站运行声音数据，未来可采用深度学习（混合神经网络），直观反映设备故障情况。在泵站重要设备点，通过感知融合的方式来实现多维立体数据的获取，也就是将视觉感知、听觉感知、触觉感知等融合在一起，建立多因素校验机制，确保获取设备数据的准确性，进而综合判断设备的运行状态，保障设备的健康运行。2.5基于味觉的水质检测味觉器官与气味的接触是零距离的。智慧泵站的味觉设计主要分为2种形式：一种是参与性，即主体与泵站产生的互动，主要是泵站的水质经过加工后会给人独特的口感；另一种则是非参与性，指的是泵站本身，主要是水质检测所得水中的各种物质的含量，会唤醒人的味觉。3基于“五感”感知体系的工程信息系统智慧泵站感知体系与信息系统工程的研究和设计应实现按流程的自动化控制，全面监测泵站运行过程中的调度运行、泵站工程、防汛抗旱、工