基于声纹识别和知识图谱技术的泵站工程智能运维途径探究

谢艾玲 吴秋明 刘方

摘 要：围绕水利工程监测预警、水利工程安全运行等行业重点和难点问题，融合声纹识别、知识图谱、语音交互等新一代信息技术，提出了一种新的水利工程智能运维途径，通过声纹识别技术，实现工程设备异常监测自动预警，创新水利工程设备故障预警机制，提升监测预警能力，降低设备运维成本;通过知识图谱技术梳理水利工程设备相关水利对象、水利要素之间的关系及逻辑，建立水利工程设备各种运行异常状态与设备异常原因及维修方案之间关联关系，实现水利工程设备运维方案智能推送;通过语音交互技术在水利工程运维场景中的智能问答应用，进一步提高工程设备运维效率，缩短设备检修响应时间，提升水利工程安全运行的智能化水平。

关键词：水利工程安全运行;声纹识别;知识图谱;语音交互;智能运维

中图法分类号：TP311;TV7          文献标志码：A         DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0617

信息化、智慧化已成为全球经济社会发展的显著特征。我国智慧化发展已具备了一定基础，进入了全方位、多层次推进的新阶段[1]。水利作为国民经济社会发展的重要领域，加快智慧水利建设步伐，也成为事关水利发展全局重大而紧迫的战略任务。“十三五”以来，国家出台一系列智慧水利相关政策，明确提出要补齐水利信息化短板，其中，水利工程安全运行作为智慧水利的核心业务之一，泵站工程又是水利工程的重中之重，事关社会民生福祉，加快泵站工程的智慧化建设与管理迫在眉睫。

当前，我国的智慧泵站建设正在如火如荼进行。目前，智慧泵站建设已具备计算机化的监控系统，具有数据实时监测、采集、分析、報表、曲线、棒图等功能，可以实现远程控制开停机和倒闸操作，基本可以满足泵站的自动化监控需求;已建成视频监视系统，基本实现泵站工程重要区域的动态实时监控;传感器设置较为完善，泵站监测的数据包含电量，温度量，模拟量和开关量等，基本实现泵站多方位感知;技术管理水平逐步提高，管理的标准化、规范化、自动化和精细化水平在逐步提高，特别是进入21世纪以来，信息化水平取得了显著进步和突破，现代水利技术取得长足发展。长期以来，泵站工程建设取得了很大进步，也发挥了巨大的经济效益，但泵站运行管理仍存在着管理方式较为传统、监控技术开发深度不够、监控“智能化”水平较低、运维管理时效差等问题[2]。

1  研究必要性

1.1  政策导向必要性

2019年初，水利部提出“水利工程补短板、水利行业强监管”的水利改革发展总基调，“信息化工程”是四大短板之一。2019年6月，印发了《水利部关于印发水利网信水平提升三年行动方案（2019-2021年）的通知》，明确提出加强水利工程安全运行管理。2019年8月印发了《水利部关于印发加快推进智慧水利的指导意见和智慧水利总体方案的通知》，明确提出加强水工程智能应用，支撑水利工程安全运行、水利工程建设等业务。2020年3月，印发了《水利部关于开展智慧水利先行先试工作的通知》，进一步加快推进了智慧水利的建设脚步。智慧泵站作为智慧水利很重要的一个组成部分，又是当前建设的重点短板之一，建设需求极为迫切，研究工作十分必要。

1.2  业务发展必要性

泵站作为水利工程的重要组成部分，不仅承担着灌溉除涝、供水防洪的重要任务，还能够对排灌、水资源调度发挥非常重要的作用，是工农业生产的重要基础，为我国社会生产做出了重要贡献，社会价值非常高[3]。泵站工程的智能化和管理信息化，可以有效降低运行维护费用，提高管理水平和管理效益，作为防汛抗旱、供水排水、灌溉用水等水利工程的核心组成部分，泵站的安全运行及运行维护直接影响水利工程建设的兴衰，智慧泵站的建设是行业业务发展的刚性需求，研究工作十分必要。

1.3  时代发展必要性

一方面，信息时代的到来，声纹识别、知识图谱、语音交互等新一代信息技术，已经在很多领域和行业发挥了很重要的作用，带来了巨大的经济和社会效应，另一方面，传统泵站运行管理机制的弊端越发凸显，智能化水平不高造成的故障预警不及时，维修养护响应慢，指挥调度时效性差，运行维护成本高等一系列问题，都严重制约了水利工程的发展，泵站信息化想要走向智慧化离不开新一代信息技术的探索和尝试，本次项目研究作为智慧水利发展的重要组成部分，是十分必要的。

2  研究内容

本文针对语音交互技术应用到水利工程安全运行等方面存在的工程设备故障诊断、工程设备运维检修、水利工程知识图谱等具体问题。通过使用声纹识别、知识图谱、语音交互等认知智能技术，研究基于声音的故障诊断模型优化方案，实现自动判别各种水利工程设备运行声音异常状态并进行监测预警的设计;研究针对水利工程设备日常运维的语音调度技术，实现运维人员只需要语音描述问题，即可快速匹配设备维修解决方案，指导运维人员提高工作效率，降低运维难度，节省运维成本;研究通过语音交互技术在水利工程运维检修场景中的应用途径，提高工程设备运维效率，提升水利工程设备的智能化水平。

2.1  技术路线

本文主要针对泵站工程运行维护过程中存在的难点问题开展研究。是对泵站最重要的安全运行环节的一个系统性关系及层次梳理，通过挖掘水利对象及要素数据关系之间的价值，融合声纹识别、知识图谱、语音交互等新一代信息技术，为泵站安全运行管理提供智慧化参考和指导。技术路线如下图所示。

2.2  研究内容

本次研究主要是探索声纹识别、知识图谱及语音交互等新一代信息技术在泵站工程运行维护过程中的应用场景及途径，提供一种新的思路和方法，基于声纹识别技术，创新泵站设备监测预警机制;基于知识图谱技术，主动推送运维解决方案，辅助巡检人员故障排查;基于语音交互技术，让运维检修流程更方便、快捷、高效。

2.2.1  声纹识别故障诊断

声纹识别指的是对个人声音的特征进行测定，是一种生物识别技术[4]，声纹具有较强的独特性和唯一性，因此现代往往将这项技术应用在数据安全和财产安全保护中，声纹识别技术在公安、金融、交通等领域有比较成熟的研究成果，但在工程运维方面目前还没有成熟的具有实际应用价值的研究成果，本次研究提出一种基于声纹识别技术的泵站设备监测预警机制及实现途径。

当下水利工程监测预警主要是通过接触式的监测设备监测运行工程设备的转速、电压、电流等物理指标，通过这些物理指标的异常来进行异常报警，本次项目研究拟采用声纹识别技术，通过采集和建立工程设备异常声纹库，与工程设备正常运转时的机组运行声音进行对比，判别机组是否出现异常并进行预警预报，并进一步通过神经网络和深度学习的方法不断优化声纹故障诊断算法模型，提高水利工程设备声纹故障诊断的准确率（是否异常）和精度（异常类型）。

在不停电状态下获取水利工程设备的振动声学特性，通过对设备声纹的分析，利用人工智能分析算法，深入挖掘设备在不同运行工况和缺陷下的状态特征，并有效地表征其运行状态与缺陷模式，将有效解决水利工程设备在潜伏性缺陷检测、状态预警和声纹智能识别等方面的技术难题，形成统一的声纹分析管理系统，对水利工程设备不停电检测技术的发展及相关体系的建立具有重要的推动作用。通过声纹识别技术，实现泵站工程设备自动预警，创新工程设备故障预警机制，提升监测预警能力，降低设备运维成本。

2.2.2  泵站运维知识图谱

通过将特定领域的数据信息表达成更加贴近人类认知世界的知识表现形式，领域知识图谱（domain-specific knowledge graph，DKG）由于其數据规模巨大、语义关系丰富、质量优秀、结构友好等特性，逐渐在医疗、金融、电力等多个领域或行业取得了应用[5-6]。目前，在水利领域的研究和实际应用还处在初步探索阶段，本次结合水利工程运维场景，提出一种泵站工程的运维检修方案智能推送方法及其实现途径。

当下工程巡检及运维工作主要是通过巡检人员按固定路线定期定时进行检查和养护，如发现设备异常或损坏，再通知运维人员进行现场检修。本次研究提出采用建立泵站工程设备运维知识图谱的方式，建立水利工程设备各种运行异常状态与设备异常原因及维修方案之间关联，当工程设备出现异常预警时，主动向运维人员推送预警信息及对应的维修方案，以便运维人员在进行工程设备检修时降低运维难度，简化运维流程，大大提高工程设备运维的效率，降低运维成本。

通过知识图谱技术梳理研究泵站设备机组状态、故障原因及诊断方案之间的逻辑关联，智能推送运维解决方案，化被动为主动，高效、便捷保证水利工程设备的正常运转和使用，提高监测预警能力，降低运维成本。

2.2.3  泵站检修智能问答

智能问答即基于知识图谱的问答（knowledge graph based question answering，KGQA）技术利用其丰富的结构化语义信息，能够深入理解用户的问题，并给出准确的答案，为用户提供7×24小时的智能问答服务，在医疗、教育、金融等多个领域凸显出重要的应用价值[7]。目前，智能问答技术还未应用到水利工程运维检修场景中，本次结合泵站设备的运维检修场景，提出一种基于语音交互技术的泵站智能运维方法和途径。

当下泵站检修及运维对工作人员专业水平要求较高，需积累大量维修经验，对泵站设备故障进行反复排查，才能确定最终维修方案，检修过程耗时耗力。智能问答是知识图谱技术的具体功能体现，其本质是基于人机语音交互技术，在泵站运维知识图谱创建完成的情况下，采用一问一答及连续追问等形式，一步步引导检修工作人员排查故障，最终找到正确的解决方案，顺利完成故障排查和运维检修工作。

3  结语

本文针对语音交互技术应用到水利工程安全运行等方面存在的工程设备故障诊断、工程设备运维检修等具体问题。通过使用声纹识别、知识图谱、语音交互等人工智能技术，研究基于声音的故障诊断模型优化方案，实现自动判别各种水利工程设备运行声音异常状态并进行监测预警的设计;研究针对水利工程设备日常运维的语音调度技术，实现运维人员只需要语音描述问题，即可快速匹配设备维修解决方案，指导运维人员提高工作效率，降低运维难度，节省运维成本;研究通过语音交互技术在水利工程运维检修场景中的智能问答应用，提高工程设备运维效率，提升水利工程设备的智能化水平。

参考文献：

[1]葛召华.山东省智慧水利建设的认识与思考[J].水利信息化，2019（05）：6-8+19.

[2]汤立. 智慧泵站手机APP系统设计与开发[D].扬州大学，2018.

[3]蒋雯，韩毅，钱杭，吕晓波，季炜理.泵站工程精细化管理探索[J].工程建设与设计，2019（09）：288-290.

收稿日期：2021-05-07

基金项目：认知智能国家重点实验室开放基金资助（课题编号：CIOS-2020SC03，课题名称：基于城市智慧水务的研究与应用）

作者简介：谢艾玲，女，主要从事水利信息化方面研究。E-mail：1427527223@qq.com

Research on intelligent operation and maintenance approach of pump station based on voice print recognition and knowledge graph technology

Ailing Xie1    Qiuming Wu1    Liu Fang2

（1，Iflytek CO.，LTD.，Hefei 230088，China

2，Anhui & Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Hefei 230088，China）

Around the safe operation of the monitoring and early warning of hydraulic engineering，hydraulic engineering industries such as important and difficult problem，fusion voiceprint recognition，knowledge maps，voice interaction，such as a new generation of information technology，this paper proposes a new intelligent hydraulic engineering operational way，through voiceprint recognition technology，to realize automatic engineering equipment abnormal monitoring early warning，innovation of water conservancy engineering equipment fault early warning mechanism，Improve the monitoring and early warning ability，reduce the cost of equipment operation and maintenance;Comb through knowledge map technology of water conservancy engineering equipment related to the object，the relationship between the hydraulic elements of water conservancy and logic，building water conservancy projects equipment various abnormal running state and abnormal relationship between reason and repair plan，implementation of water conservancy engineering equipment，operational scheme of intelligent push through speech interactive technology application in water conservancy engineering operational scenario，Further improve the efficiency of engineering equipment operation and maintenance，shorten the response time of equipment maintenance，and enhance the intelligent level of safe operation of water conservancy projects.

Key words：Safe operation of water conservancy projects，Voiceprint recognition，Knowledge map，Voice interaction，Intelligence operations