基于Robot Operator 的火電機(jī)組集控值班員智能操作設(shè)計

張暄博，魏銘毅，杜偉，王沛沛

（1.國電雙維內(nèi)蒙古上海廟能源有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 016200；2.國能智深控制技術(shù)有限公司，北京 102209）

火力發(fā)電在中國發(fā)電方式中占據(jù)重要位置，對于保障中國能源安全有巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)前火電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)等由集控值班人員在集控室DCS 界面當(dāng)中完成設(shè)定。一旦發(fā)生故障，需要多人員協(xié)同操作，人員之間溝通成本較高。國內(nèi)對電力機(jī)器人研究起步較晚，從1999 年開始研究帶電作業(yè)機(jī)器人[1]。山東電力研究院、國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司和山東魯能智能技術(shù)公司合作先后開發(fā)了四代帶電作業(yè)機(jī)器人[2]。機(jī)器人采用絕緣性好、質(zhì)量輕的絕緣材料，能夠完成復(fù)雜的帶電任務(wù)。變電站巡檢機(jī)器人可以作為無人值班站的“值班人員”進(jìn)行變電站設(shè)備巡檢，通過磁軌跡導(dǎo)航，依靠室外輪式移動，精準(zhǔn)定位設(shè)備，按照最優(yōu)的路線進(jìn)行巡檢，將巡檢結(jié)果上送到監(jiān)控中心校驗(yàn)[3-4]。2009年以來，國內(nèi)無人機(jī)巡檢逐步走向常態(tài)化，以無人機(jī)作為載體，裝載可見光照相機(jī)等設(shè)備，對架空輸電線路進(jìn)行巡檢。

人機(jī)語音交互是新一代交互模式，人與機(jī)器之間通過自然的對話進(jìn)行交互，可以得到機(jī)器的決策和反饋結(jié)果。人機(jī)語音交互技術(shù)的發(fā)展，使人與機(jī)器人之間有了自然的交互方式，可以讓機(jī)器人更自然地服務(wù)人類。本文基于Robot Operator 設(shè)計了一種虛擬機(jī)器人軟件，采用外掛式操作DCS 系統(tǒng)，在原有火電機(jī)組設(shè)備的基礎(chǔ)上，減少了火電機(jī)組集控值班員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率，達(dá)到了集控室“減員增效”的目的，為建設(shè)智慧電廠提供了一種新思路。

1 設(shè)計目標(biāo)與功能

設(shè)計目標(biāo)：以火電機(jī)組集控值班員為服務(wù)對象，模擬集控值班員操作流程和形式，接收語音指令，完成指定設(shè)備操作，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并且能以語音形式回復(fù)。Robot Operator 將語音識別、操作動作模擬、圖像識別等技術(shù)相融合，模擬人的操作行為，實(shí)現(xiàn)火電廠集控室少人化操作。

系統(tǒng)分為2 個部分：學(xué)習(xí)模型和操作模型。學(xué)習(xí)模型借鑒教師/學(xué)生的仿真操作教學(xué)形式，教師在DCS界面上進(jìn)行語音講解和操作演示，系統(tǒng)通過捕捉鼠鍵動作獲得并儲存相關(guān)的操作動作信息。操作模型通過與集控操作員交互，完成相應(yīng)操作。系統(tǒng)可減輕集控操作人員的工作強(qiáng)度，達(dá)到火電機(jī)組集控室減員增效的目的。

2 語音交互系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

集控值班員與軟件之間通過語音進(jìn)行交互，采用了語音識別、語音合成等技術(shù)[5]。虛擬操作機(jī)器人軟件編程開發(fā)工具為Visual Studio2017；語音應(yīng)用程序開發(fā)包使用微軟的Microsoft Speech SDK 5.1 進(jìn)行語音功能開發(fā)，Speech SDK 5.1 全面支持中文語音應(yīng)用程序的開發(fā)，提供了語音識別引擎相關(guān)組件、應(yīng)用程序?qū)咏涌诘任臋n。Speech SDK 5.1 開發(fā)包包含SAPI相關(guān)的程序接口，通過SAPI提供的基本程序接口進(jìn)行開發(fā)。SAPI架構(gòu)在COM 組件基礎(chǔ)上，底層協(xié)議以COM 組件形式獨(dú)立于應(yīng)用程序?qū)?，主要?yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性好、應(yīng)用場景多。

2.1 語音識別

語音識別過程：通過一系列的初始化后，設(shè)置識別引擎返回消息，當(dāng)語音識別事件發(fā)生后，識別引擎自動向程序窗口發(fā)送是否識別成功的消息，根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體流程如圖1 所示。

圖1 語音識別流程圖

2.1.1 初始化COM 端口

Speech SDK 5.1 提供的是COM 組件形式，在調(diào)用SAPI之前對COM 組件進(jìn)行初始化。在CWinApp 的子類中調(diào)用CoInitializeEX 初始化COM 組件。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.1.2 創(chuàng)建識別引擎

創(chuàng)建識別引擎使用共享（Share）型。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.1.3 創(chuàng)建識別上下文

調(diào)用ISpRecognizer::CreateRecoContext 識別上下文接口ISpRecoContext。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

hr=m_cpRecoEngine->CreateRecoContext(&m_cp RecoCtxt)

2.1.4 設(shè)置識別引擎返回消息

程序首先調(diào)用API函數(shù)SetNotifyWindowMessage將自身的主窗口句柄和消息類型通過傳參輸入，然后程序調(diào)用接口ISpRecoContext 的方法SetInterest 指明程序的消息，當(dāng)語音識別引擎檢測到相關(guān)的事件后自動向程序發(fā)送上述設(shè)定好的消息。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.1.5 創(chuàng)建加載語法

為了提高語音識別率，操作命令的語法規(guī)則采用SPAI中“命令與控制模式”。語法規(guī)則用XML 語言形式儲存到文件中，然后通過Speech SDK 5.1 自有編譯器編譯成.cfg 文件。在程序運(yùn)行時加入，首先利用ISpRecoContext::CreateGrammar 創(chuàng)建語法對象，然后調(diào)用LoadCmdFromFile 方法從外部文件將語法規(guī)則加載進(jìn)來。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.1.6 處理消息

開始識別時，通過SetRuleState 激活語法進(jìn)行識別，獲得識別消息后進(jìn)行處理，通過CSpEvent 與當(dāng)前的識別上下文聯(lián)系；隨后通過判斷event ID 來確定消息的類型，做相應(yīng)處理。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.2 語音合成

對于中文而言，微軟提供了Simple Chinese。成功安裝Speech SDK 5.1 后，語音合成的具體程序步驟如下。

第一，調(diào)用API函數(shù)CoInitialize 初始化COM 組件，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

第二，使用SpFindBestToken 函數(shù)，傳入?yún)?shù)，設(shè)置中文語言類型。

第三，調(diào)用CoCreateInstance API函數(shù)創(chuàng)建COM語音合成接口ISpVoice。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

第四，調(diào)用ISpVoice 接口方法SetVoice，加載前面所設(shè)置的聲音類型。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

ISpVoice::SetVoice(ISpObjectToken*pToken);

第五，初始化工作全部完成后，在需要的地方調(diào)用ISpVoice 接口中的Speak 方法朗讀文本，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

2.3 語句分析

根據(jù)集控值班員工作特點(diǎn)，學(xué)習(xí)模型采用動詞（關(guān)鍵字）+設(shè)備詞（可選詞）的模式設(shè)計。對操作指令進(jìn)行解析，將操作動作分為調(diào)節(jié)類和非調(diào)節(jié)類，該設(shè)計模式實(shí)現(xiàn)對保存文件命名的規(guī)范統(tǒng)一，而且使人機(jī)語音交互過程的指令變得簡單。2 類語義解析模塊如下。

調(diào)節(jié)類：主要以調(diào)節(jié)設(shè)備的開度為主，如圖2 所示。非調(diào)節(jié)類：主要以啟動、關(guān)閉設(shè)備為主，如圖3所示。

圖2 調(diào)節(jié)類語義解析模塊

圖3 非調(diào)節(jié)類語義解析模塊

2.4 語句執(zhí)行的交互映射

參考火電機(jī)組仿真培訓(xùn)操作手冊，了解設(shè)備的運(yùn)行規(guī)程，結(jié)合集控值班員發(fā)布指令，軟件設(shè)計了對應(yīng)的XML 文件。文件分為操作動作類型庫和設(shè)備庫。語音交互庫的設(shè)計具有靈活性高、針對性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此方便修改、擴(kuò)展語音關(guān)鍵字。操作動作類型庫如表1所示。以鍋爐上水系統(tǒng)為例列舉系統(tǒng)設(shè)備庫，如表2所示。

表1 操作動作類型庫

表2 鍋爐上水系統(tǒng)設(shè)備庫

3 結(jié)論

本文根據(jù)語音指令操作，自主判斷操作結(jié)果，實(shí)現(xiàn)集控值班員操作的智能化，具備學(xué)習(xí)能力。借鑒教師/學(xué)生的仿真操作教學(xué)形式，教師在DCS 界面上進(jìn)行語音講解和操作演示，系統(tǒng)能夠“記憶”設(shè)備和操作信息知識。各項(xiàng)操作和狀態(tài)判斷完全模擬值班員的行為，均為自主進(jìn)行，不需要DCS 軟件開放數(shù)據(jù)接口。后續(xù)為虛擬機(jī)器人在智慧電廠的應(yīng)用提供了新思路。