基于語音控制的電廠虛擬操作員的研究與實現

張 芹，馬 進，莫榮超

（華北電力大學 自動化系，保定071003）

電力技術發(fā)展過程當中，仿人操作模型能實現生產現場少人化，成為電廠技術發(fā)展新趨勢[1]。在電廠智能化操作過程的研究中，智慧電廠應用而生。智慧電廠發(fā)展至今，忽略了對集控值班員的少人化研究，故在此建立了集控值班員的操作行為模型，以期在現有火電廠基礎上實現集控值班室的少人化。

目前火電廠集控運行的相關操作運行由值長和集控值班員進行管理操作。在穩(wěn)定工況下，需要的操作員少，但在進行設備切換與機組啟?；蛘叽髾z修時，因操作量大，需要多個操作員配合才能及時完成工作。

為了減少集控值班員的操作強度，使其從重復性的工作中解脫出來，在此提出了建立集控值班員操作行為模型，設計出替代真實集控值班員的“虛擬操作員”。虛擬操作員的功能通過虛擬操作機器人軟件實現。虛擬操作機器人接受集控值班員的語音指令，執(zhí)行相應操作，將操作結果反饋給集控值班員，即由操作行為模型來模擬人的操作。讓虛擬操作機器人軟件部分替代集控值班員的操作，可以提高集控值班員的工作效率，為減員增效提供技術手段[2-3]。

1 集控值班員操作行為模型

1.1 值班員操作流程

集控運行相關工作涉及設備啟停、檢修與正常運行調整，且嚴格遵循“兩票三制”（即工作票、操作票，交接班制、巡回檢查制、設備定期試驗輪換制）的管理制度。

集控值班員按照其職能分為值長、主值、副值。其日常工作包括兩方面：日常常規(guī)設備操作與定期設備切換；機組檢修重啟操作與重要輔機啟動操作。

除去日常監(jiān)控調整工作，在電廠機組啟停等大項操作過程中需要值長、主值、副值、監(jiān)護人等相互配合才能完成，該任務流程分為4 個步聚：①值長發(fā)布操作任務；②主值安排編寫操作票，并通過監(jiān)護人、主值與值長的審核；③在監(jiān)護人的監(jiān)護下，操作員按照操作票的具體內容，完成相應操作；④上交操作票。

1.2 操作行為模型

操作票中有多項設備操作，真實操作員按照順序，一項一項地完成具體操作。針對操作員完成一項操作的動作和行為，在此建立了操作員操作行為模型[4-5]。

操作員操作行為模型的假設如下：

1）設備本身、執(zhí)行機構、反饋指示機構等狀態(tài)正常，不存在故障。

2）操作行為模型不進行操作條件判斷。如果為設備啟動，假定其啟動條件滿足；如果為設備停止，則不存在禁止停止條件，即認為真實操作員給出的操作指令缺省滿足操作條件。設備操作條件是否滿足，由真實操作員判斷。

3）模型僅執(zhí)行在DCS（distributed control system）上的操作。

4）模型僅執(zhí)行設備的一項操作。

5）模型不進行設備運行狀態(tài)判斷。

操作行為模型分為3 個部分，如圖1所示。①接收指令部分 該指令為設備的單一操作命令，如打開一次風機潤滑油泵，它模擬了真實操作員接收一項任務的行為；②執(zhí)行操作部分 模擬真實操作員的具體操作行為；③信息反饋部分 模擬操作員上交操作票的行為（或者將信息反饋給值長）。

圖1 操作行為模型結構Fig.1 Operational behavior model structure

2 虛擬操作機器人軟件

對集控值班員操作行為模型提煉、 抽象后，研究開發(fā)了“虛擬操作機器人”軟件[6-7]。該軟件可以替代集控值班員完成單一操作任務。真實操作員的角色由具體操作人轉變?yōu)槊畎l(fā)布者，指揮虛擬操作機器人完成具體操作。

2.1 虛擬操作機器人的功能

（1）接收指令功能

由真實操作員以語音形式給出操作指令。由語音識別程序實現接收指令功能，虛擬操作機器人識別值班員發(fā)布的語音指令，將其轉換成文字顯示出來。

（2）記錄操作動作功能

由操作捕捉程序實現記錄操作動作功能，完成一個可以復現的操作記錄。

（3）完成操作功能

每一個操作指令都對應一個可實現的仿人操作記錄，虛擬操作機器人軟件可以根據指令調出操作記錄執(zhí)行操作。

（4）信息反饋功能

由虛擬操作機器人完成信息反饋功能，該功能通過語音朗讀程序實現，向值班員反饋完成的指令信息。

2.2 虛擬操作機器人流程

以某火電機組啟動操作規(guī)程中的一次風機系統(tǒng)啟動為例，人員按照以下操作順序完成相應操作：①啟動潤滑油泵；②關閉冷熱出口風門；③打開一次風聯(lián)絡擋板A 和B；④啟動風機電機。

按照該流程，虛擬操作機器人的操作可以歸納為3 個環(huán)節(jié)，即：接收指令，進行操作，反饋信息。其具體操作流程如圖2所示。集控值班員從喚醒虛擬操作機器人到虛擬操作機器人完成的命令有以下4個部分：

圖2 虛擬操作機器人操作流程實例Fig.2 Example of the operation flow of the virtual operation robot

1）值班員發(fā)布指令 真實操作員通過麥克風向虛擬操作機器人發(fā)布需要執(zhí)行的指令；

2）虛擬操作機器人接收指令 虛擬操作機器人接收到指令，并向集控值班員確認指令；

3）虛擬操作機器人執(zhí)行操作 指令確認后，虛擬操作機器人實現指定操作；

4）反饋信息 操作完成后，虛擬操作機器人將信息反饋給值班員。

3 軟件實現

3.1 語音控制與信息反饋

虛擬操作機器人開發(fā)使用了微軟SAPI 語音開發(fā)平臺。語音識別采用語音識別SR（speech recognition）引擎[8]，以Cmd&Control 模式實現。采用語音合成引擎TTS（text to speech）實現信息反饋，進行“從文本到語音”的轉換。其編程環(huán)境為VisualStudio 2010。

3.2 Cmd&Control 語法設計

為了使虛擬操作機器人軟件具有更加準確的識別率，創(chuàng)建的語法規(guī)則為命令式C&C（command and control），利用ISpRecoGrammar：：LoadCmd 加載語法，語法文件使用xml 格式。

3.2.1 XML 語法規(guī)則設計

虛擬操作員要識別解析每一個指令，在不使用定義語法規(guī)則的情況下結果將會呈指數型增長。對此，參照Speech SDK 5.1 中的Designing Grammar Rules[9]，設計相應的語法規(guī)則。限制給定句子的可用選擇來確定虛擬操作機器人執(zhí)行信息的命令格式，對日常集控值班員的工作內容進行總結概括，確定實現了以下2 種語法規(guī)則： ①打開/關閉某個設備。XML 語法設計過程狀態(tài)圖如圖3所示。②調整某個設備開度為某個浮點型數字。XML 語法設計過程如圖4所示。

圖3 操作類語法規(guī)則設計Fig.3 Design of operational grammar rules

圖4 調整類語法規(guī)則的設計Fig.4 Design of adjustment class grammar rules

3.2.2 集成XML 語法規(guī)則庫

XML 語法節(jié)點設置為非終端節(jié)點，SR 引擎在識別過程中在事先設計的語法節(jié)點選擇作為識別結果。每一個節(jié)點均可以設計為一個語法校對庫。操作的XML 語法規(guī)則庫設計如圖5所示。

圖5 XML 語法操作庫Fig.5 XML syntax operation library

依照上述建庫方法同樣建立了虛擬操作員的設備庫與狀態(tài)庫。將這3 種庫集成為完整的XML語法規(guī)則庫，如圖6所示。每一個通過XML 規(guī)則庫識別出的操作指令都會唯一對應一個編號，編號表示了仿人優(yōu)化程序捕捉好的該指令操作過程，再由虛擬操作員完成操作。

圖6 集成XML 語法規(guī)則庫Fig.6 Integrated XML grammar rule base

3.3 Cmd&Control 模擬操作

利用Windows 相關操作捕捉鼠標、鍵盤動作狀態(tài)，再利用相關函數實現該操作。捕捉程序界面如圖7所示。

圖7 捕捉程序界面Fig.7 Capture program interface

3.4 具體實現

虛擬操作機器人的人機語音交互界面如圖8所示。

圖8 人機交互界面Fig.8 Man-machine interaction interface

虛擬操作機器人的操作流程界面如圖9所示。該虛擬操作機器人可以正確識別值長和集控值班員的語音指令，并在火電廠操作仿真系統(tǒng)上完成該指令，實現人機交互。

4 結語

圖9 操作流程界面Fig.9 Interfaces for several operational diagram

首次研究了火電廠集控值班員的操作行為，分析了集控操作員的任務流程和具體行為，提出并建立了集控值班員操作行為模型，開發(fā)出虛擬操作機器人軟件。該模型能夠與真實操作員進行語音交互，并完成具體操作。它可以部分替代真實操作員的操作，將真實操作人的角色由具體操作人轉變?yōu)槊畎l(fā)布人，為減員增效提供了技術手段。這一仿人控制的新形式，為實現少人值守的智慧電廠提供了一種全新的途徑。