科技日报记者 金凤
从高空俯瞰江淮平原，江河纵横，水网交错。在长江、京杭大运河、新通扬运河、淮河入江水道交汇处，四座灰白色的巨型泵站由西向东，呈“一”字形巍然矗立。
这里便是位于江苏省扬州市江都区的南水北调东线一期工程的源头，被誉为“江淮明珠”的江都水利枢纽。
一江碧水浩荡北上，滋养华北平原的广袤沃土。截至8月10日，南水北调东中线一期工程调水量超900亿立方米。其中，东线一期江苏段工程累计调水出省超95亿立方米。
东线一期工程依靠13个梯级泵站“逐级抬水”，形成了世界范围内规模最大、功能复杂的长距离梯级泵站群。滔滔江水从江都水利枢纽出发，抵达山东东平湖时，抬升了65米。“水往高处流”的背后，有沿线河网的协同调度，有大型泵站建设的技术创新，也有大数据、数字孪生、人工智能等数智技术注入的“智慧细流”。
8月下旬，记者从扬州出发，穿梭于江都水利枢纽、宝应站、洪泽站、泗洪站调研，探寻数智技术如何畅通国家水网“大动脉”。
三级模型塑造调水“大脑”
走进江都水利枢纽内的南水北调江苏集中控制中心，占据一整面墙的电子屏幕上，数据闪烁不停。
从泵站的上下游水位、扬程，到电机功率、出入湖泊的水流量，再到机组能耗、报警信息，泵机实时运转情况一目了然。
江水从江苏调入山东，要像爬楼梯一样，一级一级地向上提送，“水往高处走”是如何实现的？
“南水北调东线一期工程运行十几年来已经积累了大量的调水运行数据，基于这些数据我们开发了数字孪生系统，并自主研发了3个智能调水模型。”南水北调（江苏）数智科技有限公司副总经理黄富佳点击鼠标，一条条曲线出现在屏幕上。
“我们首先会使用供水调度模型预测是否需要启用江水北调工程设施，并生成年、月调度方案。接下来，会根据泵站梯级优化调度模型，结合历史数据或者河道断面参数、上下游水位变化等信息，确定各梯级泵站最优提水扬程。”黄富佳解释。
有了前两个模型的积累，工作人员再借用泵站站内经济运行模型，根据每个泵站的扬程、泵机的机组型式、功率，确定泵站内部水泵机组最优运行组合。
“这相当于给工程建了一个‘数字双胞胎’，工程运行的状态，可以实时映射到数字世界，便于我们提前模拟各种情景，为调度决策提供科学支撑。”黄富佳介绍，根据数字孪生南水北调总体建设要求，江苏段已经于2023年建成数字孪生南水北调（洪泽泵站）项目，今年7月完成数字孪生宝应站及运西线洪泽湖至骆马湖段沿线工程的验收。三期项目“数字孪生运河线沿线及运西线剩余工程”计划于2027年完成。其中，数字孪生南水北调洪泽站先行先试项目已入选水利部数字孪生流域建设先行先试应用案例推荐名录。
操作时间从小时级降低到分钟级
江苏水网密集，江河纵横，地势低洼，是名副其实的“洪水走廊”，汛期80%的面积处于洪水威胁之下。
“面对气候变化带来的新挑战，如何保障东线一期工程江苏段水源安全，在极端气候条件下保证供水水量稳定，统筹服务国家大局与地方用水需求，是我们面临的现实课题。”南水北调东线江苏水源有限责任公司党委书记、董事长袁连冲提及的这个课题，正在数字世界寻找思路。
沿着东线一期工程溯流而上，位于洪泽湖畔的洪泽站，是江苏段第三梯级泵站，亦是一座集调水、发电、抗旱等多种功能于一体的水利工程。自2013年投运以来，已多次参与向山东省调水、省内抗旱及北延应急供水。
在台风“白海豚”过境期间，洪泽站与皂河二站等泵站开机放水，一边为洪泽湖、骆马湖等湖泊腾出库容，一边化雨洪为绿电，将泄洪产生的势能转化为绿色电能。
而调控雨洪资源的大脑，隐藏在洪泽站的中控室内。在该站的数字孪生系统中，泵站总览、预报预警、智能调控、调度管理和预案演练五大版块轮番“上岗”，让智慧调水“指哪打哪”。
如果说以数字孪生系统为代表的管理系统是“大脑”，与之配套的集中控制系统相当于工程的“手和脚”，记者在现场看到，工作人员可以在平台上完成机组启停、叶片角度调节及闸门启闭等各类操作。
“现在，工作人员轻点鼠标，就可以远程操控几百公里外的江苏和山东交界处的蔺家坝泵站设备，而过去人工操作，整套流程约需一小时。现在，开机操作准备时间从以往的小时级压缩到现在的分钟级。”南水北调（江苏）数智科技有限公司总经理莫兆祥介绍。
因势利导、疏江引流。今年，南水北调东线一期江苏段工程成功应对台风“巴威”“白海豚”等多轮台风考验，在江苏省水利厅统一调度下累计抗旱排涝泄洪近9亿方，约60个西湖蓄水量，充分发挥工程防洪排涝功能，有力保障苏北地区水安全。
声纹诊断、视频监测模型担纲“顺风耳”“千里眼”
水面上，数智技术让南水北调东线一期工程每一滴水的流动有据可依；水面下，传感器配合声纹诊断模型、视频AI监测模型等系统为泵站奉上“读心术”，实时监测工程现场实际工况。
沿着洪泽站泵房楼梯缓缓向地下走去，当记者进入负3层的水泵层，泵机的轰鸣声冲击耳膜，“你看，这个吊装的探头就是拾音器。”顺着洪泽站管理所副所长王凯手指的方向，记者看到，一个看起来像大号麦克风的装置从天花板上悬下来，被吊装在距离混流泵约1分米的位置。
“拾音器相当于泵机的‘耳朵’，可以24小时收集水泵内部异响，实现了复杂噪声环境下水泵机组声纹实时监测、特征提取与故障诊断。”王凯说。
声纹诊断模型是江苏水源公司基于深度学习框架，结合200多万条采集的声音样本，对异常段数据进行训练测试后，建立的识别模型。它的投用，为泵机的“健康”拉起警戒线。今年4月20日2时51分，泗洪站4号机组叶轮室1号点位传感器突然监测到异响并推送给集中控制中心，值班人员迅速判断可能是水草进入叶轮室引起的。
“我们迅速利用机组上下游水位差，在停机状态下将闸门开启较小开度，借助水流推动叶轮缓慢倒转，使缠绕在叶片上的杂物自行脱离。经数次反冲操作后，异常声响随即消失，机组恢复正常运行。”泗洪站管理所所长王长亮说。目前，声纹诊断模型已经在洪泽、泗洪、邳州三个站得到了较好应用。
诊断模型声纹听音辨“障”的同时，视频监视系统则将热成像设备安装到泵机上，针对设备异常发热等隐患开展24小时监测。
护送一泓清水北上的智能化、信息化技术，如今已经被编进了江苏省《泵站远程集控少人值守管理技术规范》《智能泵站技术导则》等地方标准，借由这些技术，东线一期工程江苏段8座泵站已启用“远程集控、少人值守”模式。此外，江苏水源公司研发的“泵站设备故障诊断与预警应用”“泵站设备关键部件劣化趋势预测应用”等技术，已在新疆博斯腾湖泵站、广东中山西河泵站的数字孪生建设项目中应用。
江苏水源公司建设管理部主任白传贞表示：“未来，将主动跟踪人工智能、数字孪生、低空技术等新兴技术发展趋势，围绕泵站群优化调度、水资源高效配置等核心业务，挖掘培育具有高应用价值的新技术场景。”
（科技日报记者 金凤 摄）
网友评论
