韓媛媛，趙 全，鄒澤華

(1.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

隨著大規(guī)模并行計算、大數(shù)據(jù)、深度學習算法和人腦芯片技術(shù)的發(fā)展，人工智能在近30 a里取得了飛速進步，已廣泛應(yīng)用于計算機科學、經(jīng)濟貿(mào)易、機器人控制、通信、醫(yī)學等領(lǐng)域，并取得了豐碩的成果。在信息化、智能化的全面推進下，人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中也得到了充分應(yīng)用[1]。趙晉全等[2]梳理了人工智能在電力系統(tǒng)調(diào)度運行中的應(yīng)用場景，包括負荷預(yù)測、新能源預(yù)測、電價預(yù)測、故障診斷、穩(wěn)定評估、優(yōu)化控制、方式制定等，并結(jié)合人工智能的發(fā)展趨勢，對其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用做出了分析和展望；楊子等[3]和王海港等[4]分別介紹了調(diào)控輔助機器人和配電網(wǎng)虛擬調(diào)度員的建設(shè)應(yīng)用；吳小康等[5]提出了基于電網(wǎng)調(diào)控全業(yè)務(wù)鏈路，構(gòu)建具有智能監(jiān)視、大腦思維決策、智能交互、代理操作的三崗機器人(值長、正值、副值)軟件。洪臣等[6]對云機器人架構(gòu)和特征進行了概述，依托云計算技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，通過云機器人遠程卸載和處理計算任務(wù)，并運用云計算輔助機器人完成運行視頻監(jiān)控任務(wù)、點云庫建模任務(wù)、傳感器信息跟蹤及相應(yīng)效果評估等實時交互任務(wù)。在電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域，通過人工智能技術(shù)的研究和實踐，有效提高了電網(wǎng)調(diào)度員的工作效率和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。相比之下，發(fā)電企業(yè)的人工智能研究起步較晚。

本文以三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心(以下簡稱“三峽梯調(diào)”)成都調(diào)控中心為例，通過借鑒電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域較為成熟的人工智能研究實踐成果——虛擬機器人建設(shè)，結(jié)合當前無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，采用云機器人架構(gòu)[6]模式，把大數(shù)據(jù)、云計算和機器人相結(jié)合，提出了輔助值班機器人(以下簡稱“值班機器人”)架構(gòu)設(shè)計。該成果使值班機器人“人”的形象更加具體，更好地滿足了成都調(diào)控中心的智能化需求。

1 設(shè)計概況

三峽梯調(diào)成都調(diào)控中心是金沙江溪洛渡-向家壩梯級水電站(以下簡稱“梯級電站”)的遠程集控中心，采用“調(diào)控一體化”和“水電合一”的值班方式，承擔著溪洛渡-向家壩梯級水電站機電設(shè)備和水庫的運行監(jiān)視、控制、調(diào)控以及故障應(yīng)急處置、對外溝通協(xié)調(diào)、信息報送等生產(chǎn)職責。隨著梯級電站防洪、航運、生態(tài)、發(fā)電、供水等效益的擴展和電力市場的推進，調(diào)控任務(wù)逐年增加，身處梯級電站安全生產(chǎn)和綜合效益發(fā)揮最前線的調(diào)控值班人員所承受的壓力也不斷增加[7]。

當前調(diào)控值班工作主要存在以下5個痛點：① 自動化系統(tǒng)眾多且相對獨立，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，缺乏必要的歸類分析，使用不方便，且需要調(diào)控值班人員花費較多的精力進行分析總結(jié)；② 針對簡陋的機電設(shè)備和水庫異常的預(yù)警機制異常情況下難以快速定位、定性，異常處理的速度和質(zhì)量依賴調(diào)控值班人員的專業(yè)能力；③ 業(yè)務(wù)資料繁多，缺乏快速搜索手段；④ 重復(fù)性工作較多，占用值班人員較多的精力和時間；⑤ 成都調(diào)控中心作為兩級公司(中國長江三峽集團有限公司、中國長江電力股份有限公司)在成都區(qū)域的形象窗口，所承擔的參觀接待任務(wù)重，卻無較好的輔助講解手段。針對以上問題，提出了值班機器人的研發(fā)構(gòu)想，利用人工智能技術(shù)，將調(diào)控工作經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為智能處置流程，由值班機器人代理完成部分調(diào)控業(yè)務(wù)，從而提高調(diào)控智能化水平，減輕調(diào)控值班人員的壓力。

2 功能需求

值班機器人定位為輔助值班員，可與調(diào)控值班人員進行語音交互，在不參與實際控制的前提下，輔助并代理調(diào)控值班人員開展日常工作，把調(diào)控值班人員從大量重復(fù)性的工作中解放出來，幫助其更加專注于核心能力(事故預(yù)想、趨勢分析、優(yōu)化調(diào)度、應(yīng)急響應(yīng))提升，使調(diào)控值班更加便捷、高效。

在值班機器人功能方面，共設(shè)計了智能問答、快速事故指引、日常調(diào)度業(yè)務(wù)輔助、智能參觀接待和調(diào)度決策優(yōu)化支持5個功能模塊。這5個功能模塊按照具體業(yè)務(wù)再細分為12個功能項：智能索引、智能報表生成、快速事故指引、信息報送、應(yīng)急補水預(yù)案制作、庫水位測算、值班日志錄入、當班任務(wù)提醒及檢查、智能參觀接待、發(fā)電計劃智能優(yōu)化、運行方式智能優(yōu)化和事故決策支持。5個功能模塊的具體介紹如下。

(1) 智能問答模塊。該模塊包括智能索引和智能報表生成兩個功能項，主要實現(xiàn)調(diào)控業(yè)務(wù)資料(含規(guī)程、規(guī)定、圖紙、定值單、結(jié)構(gòu)化表單、標準操作命令票、現(xiàn)場處置方案、技術(shù)總結(jié)、異常分析報告、電力市場運營考核規(guī)則、培訓資料和相關(guān)公司制度等)的統(tǒng)一管理和智能搜索，以及常用數(shù)據(jù)調(diào)控、報表的智能生成及可視化展示，同時也是智能交互的基礎(chǔ)支撐模塊。

(2) 快速事故指引模塊。該模塊主要通過建立典型設(shè)備事故判斷庫及典型水情預(yù)警機制，在梯級水電站發(fā)生涉網(wǎng)設(shè)備故障、水庫突發(fā)緊急水情等情況時，輔助調(diào)控值班人員快速、準確獲知異常信息，并提供標準處置流程，為調(diào)控值班人員贏得異常處置和調(diào)度協(xié)調(diào)的時間。

(3)日常調(diào)度業(yè)務(wù)輔助模塊。該模塊包括信息報送、應(yīng)急補水預(yù)案制作、庫水位測算、值班日志錄入和當班任務(wù)提醒及檢查共5個功能項，其主要按照調(diào)控業(yè)務(wù)需求，自動代理調(diào)控值班人員完成各類重復(fù)性的日常工作，并對計劃性的工作作出提醒，減少因人為因素造成的信息漏發(fā)錯發(fā)、日常工作遺漏和計劃性工作未按時進行等情況。

(4) 智能參觀接待模塊。該模塊可實現(xiàn)由值班機器人代理調(diào)控值班人員為來賓進行梯級電站調(diào)控業(yè)務(wù)、兩級公司文化的講解及展示。值班機器人可根據(jù)來賓的不同，智能選擇文、圖、視頻等相結(jié)合的方式進行講解，并在講解過程中聯(lián)動調(diào)度大廳的大屏進行可視化展示。值班機器人講解過程中，可智能捕捉來賓站位并調(diào)整講解中心位、與來賓進行語音交互、回答來賓提出的問題，全面生動展示梯級水電站“大國重器”的形象和擔當。

(5) 調(diào)度決策優(yōu)化支持模塊。該模塊包括發(fā)電計劃智能優(yōu)化、運行方式智能優(yōu)化和事故決策支持3個功能項，主要通過深度學習、強化學習的方式，總結(jié)提煉歷年的應(yīng)急處置經(jīng)驗，由值班機器人自主生成決策處置信息庫。當發(fā)生異?；蚬收蠒r，值班機器人不僅能定位異常因素，還能綜合故障錄波、保護信息、安穩(wěn)信息、趨勢分析等自主判定異常類型，智能生成分析報告，提供標準化的決策處理建議，包括發(fā)電計劃調(diào)整、設(shè)備狀態(tài)調(diào)整、穩(wěn)控方式調(diào)整、水電聯(lián)動等，為調(diào)控值班人員進行異常問題處置提供快速全面的支撐。

3 數(shù)據(jù)需求

根據(jù)功能需求，值班機器人所需的數(shù)據(jù)主要包括3種類型：與電力生產(chǎn)相關(guān)的實時、統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)，與水庫運行相關(guān)的實時、統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)，與調(diào)控值班相關(guān)的文本、圖形、視頻數(shù)據(jù)。

這3類數(shù)據(jù)中，前2類為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其源數(shù)據(jù)主要來自電調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、水調(diào)自動化系統(tǒng)、安穩(wěn)信息系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、保護信息系統(tǒng)、長江電力報表系統(tǒng)和ePMS系統(tǒng)。在安全分區(qū)上，電調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、安穩(wěn)信息系統(tǒng)部署在安全Ⅰ區(qū)，水調(diào)自動化系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、保護信息系統(tǒng)、長江電力報表系統(tǒng)部署在安全Ⅱ區(qū)，ePMS系統(tǒng)部署在安全Ⅳ區(qū)。在數(shù)據(jù)采集頻率上，從電調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)至少應(yīng)滿足秒級需求，從水調(diào)自動化系統(tǒng)、安穩(wěn)信息系統(tǒng)、故障錄波系統(tǒng)、保護信息系統(tǒng)、長電報表系統(tǒng)、ePMS系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)至少應(yīng)滿足分鐘級需求。在長江電力大數(shù)據(jù)中心建立后，以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均送至大數(shù)據(jù)中心，且數(shù)據(jù)更新頻率可滿足值班機器人功能需求，因此結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以直接從大數(shù)據(jù)中心獲取。第3類為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其與調(diào)控值班相關(guān)的文本、圖形、視頻等資料需要人工維護，應(yīng)能進行便捷的錄入和更新；工業(yè)電視視頻數(shù)據(jù)則需從工業(yè)電視系統(tǒng)接入。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 總體架構(gòu)

根據(jù)值班機器人的功能需求、數(shù)據(jù)需求，綜合長江電力數(shù)字化、信息化的建設(shè)進程，值班機器人采用云機器人的架構(gòu)模式，即“數(shù)據(jù)服務(wù)平臺+輔助調(diào)度應(yīng)用平臺+終端”的總體架構(gòu)，部署在安全Ⅲ區(qū)?！皵?shù)據(jù)服務(wù)平臺+輔助調(diào)度應(yīng)用平臺”是值班機器人的大腦，基于長江電力大數(shù)據(jù)中心和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行開發(fā)，位于宜昌。終端是人機交互的窗口，部署在成都調(diào)控中心調(diào)度大廳，包括實體機器人和PC端虛擬機器人兩部分。大腦和終端通過長江電力信息網(wǎng)互聯(lián)，人機交互的語音引擎使用長江電力智能語音云平臺。值班機器人的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 值班機器人總體架構(gòu)Fig.1 Overall structure of duty robot

4.2 數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

值班機器人數(shù)據(jù)服務(wù)平臺主要負責數(shù)據(jù)的采集、分類存儲、治理及管理，為各類輔助調(diào)度應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。同時，輔助調(diào)度應(yīng)用也將應(yīng)用結(jié)果數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進行公用和共享。值班機器人的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 值班機器人數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.2 Data architecture of duty robot

4.3 輔助調(diào)度應(yīng)用平臺

輔助調(diào)度應(yīng)用平臺基于B/S架構(gòu)，根據(jù)值班機器人的功能需求進行功能模塊和功能項的開發(fā)。值班機器人研發(fā)過程中可以復(fù)用長江電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已有的指標定義和計算工具、數(shù)據(jù)分析開發(fā)工具和模型運行環(huán)境、規(guī)則引擎、工作流引擎工具以及可視化報表工具等。

輔助調(diào)度應(yīng)用平臺在功能實現(xiàn)過程中需調(diào)用的系統(tǒng)或設(shè)備包括：智能語音云平臺、工業(yè)電視系統(tǒng)、EIIS短信平臺、大屏控制系統(tǒng)、打印機、傳真機等。值班機器人的功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 值班機器人功能架構(gòu)Fig.3 Functional architecture of duty robot

4.4 終 端

為方便調(diào)控值班人員使用，值班機器人終端分為實體機器人和PC端虛擬機器人兩部分。實體機器人主要負責智能參觀接待，通過無線網(wǎng)絡(luò)接入長江電力信息網(wǎng)，不與外網(wǎng)連接，具有講解、展示、互動、引領(lǐng)功能，也可通過人機交互調(diào)取輔助調(diào)度應(yīng)用平臺的其他功能。PC端虛擬機器人部署在調(diào)度大廳的值班電腦上，采用網(wǎng)頁或客戶端的表現(xiàn)形式，可供多人同時在線使用。

5 設(shè)計思路及實用性分析

值班機器人架構(gòu)設(shè)計的整體思路：① 確定功能目標；② 理清每項功能的數(shù)據(jù)需求；③ 根據(jù)數(shù)據(jù)需求確定數(shù)據(jù)來源；④ 充分利用已有資源搭建值班機器人的系統(tǒng)架構(gòu)。值班機器人系統(tǒng)架構(gòu)搭建過程中，充分考慮了先進性、簡潔性、安全性、可擴展性、經(jīng)濟實用性、維護便捷性等因素，主要體現(xiàn)在以下5個方面。

(1) 依托基于電力調(diào)度領(lǐng)域的自然語言理解、語音交互技術(shù)，構(gòu)建虛擬調(diào)度員，通過自動觸發(fā)或人機對話的方式實現(xiàn)業(yè)務(wù)開展、功能調(diào)用、資料查詢等，使調(diào)控值班過程更加智能、高效。

(2) 依托于長江電力大數(shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)，值班機器人所需的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)均可從大數(shù)據(jù)中心獲取，避免了值班機器人跨安全控制區(qū)從多系統(tǒng)同時取數(shù)帶來的網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全問題。值班機器人連接的系統(tǒng)節(jié)點變少，不僅使整體架構(gòu)變得簡潔，也大大減少了后期的故障率和維護工作量。

(3) 依托于長江電力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行值班機器人研發(fā)，可以充分利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的實時計算、集中集成、智能決策、物聯(lián)接入、服務(wù)共享等核心能力，使值班機器人的研發(fā)基礎(chǔ)更加扎實，且模塊化的開發(fā)理念也有利于值班機器人后期的程序升級和功能擴展。

(4) 值班機器人的終端包括實體機器人和PC端虛擬機器人兩部分，既具有科技感，使值班機器人作為“輔助值班員”的形象更加具體，也能滿足各類值班場景的需求。

(5) 值班機器人的整體架構(gòu)中，服務(wù)器、數(shù)據(jù)通道、安全防護等均使用現(xiàn)有成熟資源，除實體機器人外，未新增其他硬件設(shè)備，可有效減少研發(fā)成本。

值班機器人系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，利用到了大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、智能語音云平臺等企業(yè)級的數(shù)字化、智能化基礎(chǔ)建設(shè)資源。這三類資源中，最關(guān)鍵的是大數(shù)據(jù)中心，其為值班機器人的各項功能研發(fā)提供強大的數(shù)據(jù)支撐；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺使值班機器人的研發(fā)更加便捷，但不是必要因素；智能語音云平臺是人機交互的關(guān)鍵，如果企業(yè)內(nèi)部沒有建設(shè)，也可以利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，按需搭建專用語音云平臺。

6 結(jié) 語

近年來，具有智慧特征的梯級水電站調(diào)度運行已成為未來水電站調(diào)度發(fā)展的必然趨勢。三峽梯調(diào)作為長江干流烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩這6座梯級水電站的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度控制中心，在“十三五”期間提出了“流域主導(dǎo)型、市場導(dǎo)向型、決策智慧型、管理創(chuàng)新型”的“四型梯調(diào)”建設(shè)規(guī)劃，智慧梯調(diào)則是“四型梯調(diào)”建設(shè)的重要組成部分[8]。值班機器人集成都調(diào)控中心數(shù)年的調(diào)控業(yè)務(wù)智慧化探索成果于一體，也是三峽梯調(diào)向智能化邁進的重要一步，其架構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到后期研發(fā)的順利開展和成果的運用推廣。

該值班機器人架構(gòu)設(shè)計基于長江電力大數(shù)據(jù)中心和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺展開，其設(shè)計思路經(jīng)過相關(guān)專業(yè)的論證，目前已進入產(chǎn)品研發(fā)階段。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)在企業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型中將會越來越普遍。該研究成果可為類似項目建設(shè)提供參考。