基于语音控制的电厂虚拟操作员的研究与实现

张 芹，马 进，莫荣超

（华北电力大学 自动化系，保定071003）

电力技术发展过程当中，仿人操作模型能实现生产现场少人化，成为电厂技术发展新趋势[1]。在电厂智能化操作过程的研究中，智慧电厂应用而生。智慧电厂发展至今，忽略了对集控值班员的少人化研究，故在此建立了集控值班员的操作行为模型，以期在现有火电厂基础上实现集控值班室的少人化。

目前火电厂集控运行的相关操作运行由值长和集控值班员进行管理操作。在稳定工况下，需要的操作员少，但在进行设备切换与机组启停或者大检修时，因操作量大，需要多个操作员配合才能及时完成工作。

为了减少集控值班员的操作强度，使其从重复性的工作中解脱出来，在此提出了建立集控值班员操作行为模型，设计出替代真实集控值班员的“虚拟操作员”。虚拟操作员的功能通过虚拟操作机器人软件实现。虚拟操作机器人接受集控值班员的语音指令，执行相应操作，将操作结果反馈给集控值班员，即由操作行为模型来模拟人的操作。让虚拟操作机器人软件部分替代集控值班员的操作，可以提高集控值班员的工作效率，为减员增效提供技术手段[2-3]。

1 集控值班员操作行为模型

1.1 值班员操作流程

集控运行相关工作涉及设备启停、检修与正常运行调整，且严格遵循“两票三制”（即工作票、操作票，交接班制、巡回检查制、设备定期试验轮换制）的管理制度。

集控值班员按照其职能分为值长、主值、副值。其日常工作包括两方面：日常常规设备操作与定期设备切换；机组检修重启操作与重要辅机启动操作。

除去日常监控调整工作，在电厂机组启停等大项操作过程中需要值长、主值、副值、监护人等相互配合才能完成，该任务流程分为4 个步聚：①值长发布操作任务；②主值安排编写操作票，并通过监护人、主值与值长的审核；③在监护人的监护下，操作员按照操作票的具体内容，完成相应操作；④上交操作票。

1.2 操作行为模型

操作票中有多项设备操作，真实操作员按照顺序，一项一项地完成具体操作。针对操作员完成一项操作的动作和行为，在此建立了操作员操作行为模型[4-5]。

操作员操作行为模型的假设如下：

1）设备本身、执行机构、反馈指示机构等状态正常，不存在故障。

2）操作行为模型不进行操作条件判断。如果为设备启动，假定其启动条件满足；如果为设备停止，则不存在禁止停止条件，即认为真实操作员给出的操作指令缺省满足操作条件。设备操作条件是否满足，由真实操作员判断。

3）模型仅执行在DCS（distributed control system）上的操作。

4）模型仅执行设备的一项操作。

5）模型不进行设备运行状态判断。

操作行为模型分为3 个部分，如图1所示。①接收指令部分 该指令为设备的单一操作命令，如打开一次风机润滑油泵，它模拟了真实操作员接收一项任务的行为；②执行操作部分 模拟真实操作员的具体操作行为；③信息反馈部分 模拟操作员上交操作票的行为（或者将信息反馈给值长）。

图1 操作行为模型结构Fig.1 Operational behavior model structure

2 虚拟操作机器人软件

对集控值班员操作行为模型提炼、 抽象后，研究开发了“虚拟操作机器人”软件[6-7]。该软件可以替代集控值班员完成单一操作任务。真实操作员的角色由具体操作人转变为命令发布者，指挥虚拟操作机器人完成具体操作。

2.1 虚拟操作机器人的功能

（1）接收指令功能

由真实操作员以语音形式给出操作指令。由语音识别程序实现接收指令功能，虚拟操作机器人识别值班员发布的语音指令，将其转换成文字显示出来。

（2）记录操作动作功能

由操作捕捉程序实现记录操作动作功能，完成一个可以复现的操作记录。

（3）完成操作功能

每一个操作指令都对应一个可实现的仿人操作记录，虚拟操作机器人软件可以根据指令调出操作记录执行操作。

（4）信息反馈功能

由虚拟操作机器人完成信息反馈功能，该功能通过语音朗读程序实现，向值班员反馈完成的指令信息。

2.2 虚拟操作机器人流程

以某火电机组启动操作规程中的一次风机系统启动为例，人员按照以下操作顺序完成相应操作：①启动润滑油泵；②关闭冷热出口风门；③打开一次风联络挡板A 和B；④启动风机电机。

按照该流程，虚拟操作机器人的操作可以归纳为3 个环节，即：接收指令，进行操作，反馈信息。其具体操作流程如图2所示。集控值班员从唤醒虚拟操作机器人到虚拟操作机器人完成的命令有以下4个部分：

图2 虚拟操作机器人操作流程实例Fig.2 Example of the operation flow of the virtual operation robot

1）值班员发布指令 真实操作员通过麦克风向虚拟操作机器人发布需要执行的指令；

2）虚拟操作机器人接收指令 虚拟操作机器人接收到指令，并向集控值班员确认指令；

3）虚拟操作机器人执行操作 指令确认后，虚拟操作机器人实现指定操作；

4）反馈信息 操作完成后，虚拟操作机器人将信息反馈给值班员。

3 软件实现

3.1 语音控制与信息反馈

虚拟操作机器人开发使用了微软SAPI 语音开发平台。语音识别采用语音识别SR（speech recognition）引擎[8]，以Cmd&Control 模式实现。采用语音合成引擎TTS（text to speech）实现信息反馈，进行“从文本到语音”的转换。其编程环境为VisualStudio 2010。

3.2 Cmd&Control 语法设计

为了使虚拟操作机器人软件具有更加准确的识别率，创建的语法规则为命令式C&C（command and control），利用ISpRecoGrammar：：LoadCmd 加载语法，语法文件使用xml 格式。

3.2.1 XML 语法规则设计

虚拟操作员要识别解析每一个指令，在不使用定义语法规则的情况下结果将会呈指数型增长。对此，参照Speech SDK 5.1 中的Designing Grammar Rules[9]，设计相应的语法规则。限制给定句子的可用选择来确定虚拟操作机器人执行信息的命令格式，对日常集控值班员的工作内容进行总结概括，确定实现了以下2 种语法规则： ①打开/关闭某个设备。XML 语法设计过程状态图如图3所示。②调整某个设备开度为某个浮点型数字。XML 语法设计过程如图4所示。

图3 操作类语法规则设计Fig.3 Design of operational grammar rules

图4 调整类语法规则的设计Fig.4 Design of adjustment class grammar rules

3.2.2 集成XML 语法规则库

XML 语法节点设置为非终端节点，SR 引擎在识别过程中在事先设计的语法节点选择作为识别结果。每一个节点均可以设计为一个语法校对库。操作的XML 语法规则库设计如图5所示。

图5 XML 语法操作库Fig.5 XML syntax operation library

依照上述建库方法同样建立了虚拟操作员的设备库与状态库。将这3 种库集成为完整的XML语法规则库，如图6所示。每一个通过XML 规则库识别出的操作指令都会唯一对应一个编号，编号表示了仿人优化程序捕捉好的该指令操作过程，再由虚拟操作员完成操作。

图6 集成XML 语法规则库Fig.6 Integrated XML grammar rule base

3.3 Cmd&Control 模拟操作

利用Windows 相关操作捕捉鼠标、键盘动作状态，再利用相关函数实现该操作。捕捉程序界面如图7所示。

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

3.4 具体实现

虚拟操作机器人的人机语音交互界面如图8所示。

图8 人机交互界面Fig.8 Man-machine interaction interface

虚拟操作机器人的操作流程界面如图9所示。该虚拟操作机器人可以正确识别值长和集控值班员的语音指令，并在火电厂操作仿真系统上完成该指令，实现人机交互。

4 结语

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

首次研究了火电厂集控值班员的操作行为，分析了集控操作员的任务流程和具体行为，提出并建立了集控值班员操作行为模型，开发出虚拟操作机器人软件。该模型能够与真实操作员进行语音交互，并完成具体操作。它可以部分替代真实操作员的操作，将真实操作人的角色由具体操作人转变为命令发布人，为减员增效提供了技术手段。这一仿人控制的新形式，为实现少人值守的智慧电厂提供了一种全新的途径。