基于聲紋識(shí)別和知識(shí)圖譜技術(shù)的泵站工程智能運(yùn)維途徑探究

1、 基于聲紋識(shí)別和知識(shí)圖譜技術(shù)的泵站工程智能運(yùn)維途徑探究 謝艾玲 吳秋明 劉方摘 要：圍繞水利工程監(jiān)測(cè)預(yù)警、水利工程安全運(yùn)行等行業(yè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，融合聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜、語音交互等新一代信息技術(shù)，提出了一種新的水利工程智能運(yùn)維途徑，通過聲紋識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備異常監(jiān)測(cè)自動(dòng)預(yù)警，創(chuàng)新水利工程設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，提升監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，降低設(shè)備運(yùn)維成本;通過知識(shí)圖譜技術(shù)梳理水利工程設(shè)備相關(guān)水利對(duì)象、水利要素之間的關(guān)系及邏輯，建立水利工程設(shè)備各種運(yùn)行異常狀態(tài)與設(shè)備異常原因及維修方案之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水利工程設(shè)備運(yùn)維方案智能推送;通過語音交互技術(shù)在水利工程運(yùn)維場(chǎng)景中的智能問答應(yīng)用，進(jìn)一步提高工程設(shè)備運(yùn)維效率，

2、縮短設(shè)備檢修響應(yīng)時(shí)間，提升水利工程安全運(yùn)行的智能化水平。Key：水利工程安全運(yùn)行;聲紋識(shí)別;知識(shí)圖譜;語音交互;智能運(yùn)維中圖法分類號(hào)：TP311;TV7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19679/ki.cjjsjj.2021.0617信息化、智慧化已成為全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的顯著特征。我國(guó)智慧化發(fā)展已具備了一定基礎(chǔ)，進(jìn)入了全方位、多層次推進(jìn)的新階段1。水利作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要領(lǐng)域，加快智慧水利建設(shè)步伐，也成為事關(guān)水利發(fā)展全局重大而緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)?！笆濉币詠?，國(guó)家出臺(tái)一系列智慧水利相關(guān)政策，明確提出要補(bǔ)齊水利信息化短板，其中，水利工程安全運(yùn)行作為智慧水利的核心業(yè)務(wù)之一，泵站工程又是水利工程

3、的重中之重，事關(guān)社會(huì)民生福祉，加快泵站工程的智慧化建設(shè)與管理迫在眉睫。當(dāng)前，我國(guó)的智慧泵站建設(shè)正在如火如荼進(jìn)行。目前，智慧泵站建設(shè)已具備計(jì)算機(jī)化的監(jiān)控系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、分析、報(bào)表、曲線、棒圖等功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制開停機(jī)和倒閘操作，基本可以滿足泵站的自動(dòng)化監(jiān)控需求;已建成視頻監(jiān)視系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)泵站工程重要區(qū)域的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控;傳感器設(shè)置較為完善，泵站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)包含電量，溫度量，模擬量和開關(guān)量等，基本實(shí)現(xiàn)泵站多方位感知;技術(shù)管理水平逐步提高，管理的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、自動(dòng)化和精細(xì)化水平在逐步提高，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息化水平取得了顯著進(jìn)步和突破，現(xiàn)代水利技術(shù)取得長(zhǎng)足發(fā)展。長(zhǎng)期以來，泵

4、站工程建設(shè)取得了很大進(jìn)步，也發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但泵站運(yùn)行管理仍存在著管理方式較為傳統(tǒng)、監(jiān)控技術(shù)開發(fā)深度不夠、監(jiān)控“智能化”水平較低、運(yùn)維管理時(shí)效差等問題2。1 研究必要性1.1 政策導(dǎo)向必要性2019年初，水利部提出“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利改革發(fā)展總基調(diào)，“信息化工程”是四大短板之一。2019年6月，印發(fā)了水利部關(guān)于印發(fā)水利網(wǎng)信水平提升三年行動(dòng)方案（2019-2021年）的通知，明確提出加強(qiáng)水利工程安全運(yùn)行管理。2019年8月印發(fā)了水利部關(guān)于印發(fā)加快推進(jìn)智慧水利的指導(dǎo)意見和智慧水利總體方案的通知，明確提出加強(qiáng)水工程智能應(yīng)用，支撐水利工程安全運(yùn)行、水利工程建設(shè)等業(yè)務(wù)。2020

5、年3月，印發(fā)了水利部關(guān)于開展智慧水利先行先試工作的通知，進(jìn)一步加快推進(jìn)了智慧水利的建設(shè)腳步。智慧泵站作為智慧水利很重要的一個(gè)組成部分，又是當(dāng)前建設(shè)的重點(diǎn)短板之一，建設(shè)需求極為迫切，研究工作十分必要。1.2 業(yè)務(wù)發(fā)展必要性泵站作為水利工程的重要組成部分，不僅承擔(dān)著灌溉除澇、供水防洪的重要任務(wù)，還能夠?qū)ε殴?、水資源調(diào)度發(fā)揮非常重要的作用，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，為我國(guó)社會(huì)生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)，社會(huì)價(jià)值非常高3。泵站工程的智能化和管理信息化，可以有效降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提高管理水平和管理效益，作為防汛抗旱、供水排水、灌溉用水等水利工程的核心組成部分，泵站的安全運(yùn)行及運(yùn)行維護(hù)直接影響水利工程建設(shè)的興衰，智

6、慧泵站的建設(shè)是行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展的剛性需求，研究工作十分必要。1.3 時(shí)代發(fā)展必要性一方面，信息時(shí)代的到來，聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜、語音交互等新一代信息技術(shù)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)揮了很重要的作用，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)，另一方面，傳統(tǒng)泵站運(yùn)行管理機(jī)制的弊端越發(fā)凸顯，智能化水平不高造成的故障預(yù)警不及時(shí)，維修養(yǎng)護(hù)響應(yīng)慢，指揮調(diào)度時(shí)效性差，運(yùn)行維護(hù)成本高等一系列問題，都嚴(yán)重制約了水利工程的發(fā)展，泵站信息化想要走向智慧化離不開新一代信息技術(shù)的探索和嘗試，本次項(xiàng)目研究作為智慧水利發(fā)展的重要組成部分，是十分必要的。2 研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)語音交互技術(shù)應(yīng)用到水利工程安全運(yùn)行等方面存在的工程設(shè)備故障診斷、工程設(shè)備運(yùn)維

7、檢修、水利工程知識(shí)圖譜等具體問題。通過使用聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜、語音交互等認(rèn)知智能技術(shù)，研究基于聲音的故障診斷模型優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別各種水利工程設(shè)備運(yùn)行聲音異常狀態(tài)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的設(shè)計(jì);研究針對(duì)水利工程設(shè)備日常運(yùn)維的語音調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員只需要語音描述問題，即可快速匹配設(shè)備維修解決方案，指導(dǎo)運(yùn)維人員提高工作效率，降低運(yùn)維難度，節(jié)省運(yùn)維成本;研究通過語音交互技術(shù)在水利工程運(yùn)維檢修場(chǎng)景中的應(yīng)用途徑，提高工程設(shè)備運(yùn)維效率，提升水利工程設(shè)備的智能化水平。2.1 技術(shù)路線本文主要針對(duì)泵站工程運(yùn)行維護(hù)過程中存在的難點(diǎn)問題開展研究。是對(duì)泵站最重要的安全運(yùn)行環(huán)節(jié)的一個(gè)系統(tǒng)性關(guān)系及層次梳理，通過挖掘水利對(duì)

8、象及要素?cái)?shù)據(jù)關(guān)系之間的價(jià)值，融合聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜、語音交互等新一代信息技術(shù)，為泵站安全運(yùn)行管理提供智慧化參考和指導(dǎo)。技術(shù)路線如下圖所示。2.2 研究?jī)?nèi)容本次研究主要是探索聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜及語音交互等新一代信息技術(shù)在泵站工程運(yùn)行維護(hù)過程中的應(yīng)用場(chǎng)景及途徑，提供一種新的思路和方法，基于聲紋識(shí)別技術(shù)，創(chuàng)新泵站設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制;基于知識(shí)圖譜技術(shù)，主動(dòng)推送運(yùn)維解決方案，輔助巡檢人員故障排查;基于語音交互技術(shù)，讓運(yùn)維檢修流程更方便、快捷、高效。2.2.1 聲紋識(shí)別故障診斷聲紋識(shí)別指的是對(duì)個(gè)人聲音的特征進(jìn)行測(cè)定，是一種生物識(shí)別技術(shù)4，聲紋具有較強(qiáng)的獨(dú)特性和唯一性，因此現(xiàn)代往往將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)安全和財(cái)

9、產(chǎn)安全保護(hù)中，聲紋識(shí)別技術(shù)在公安、金融、交通等領(lǐng)域有比較成熟的研究成果，但在工程運(yùn)維方面目前還沒有成熟的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究成果，本次研究提出一種基于聲紋識(shí)別技術(shù)的泵站設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制及實(shí)現(xiàn)途徑。當(dāng)下水利工程監(jiān)測(cè)預(yù)警主要是通過接觸式的監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)行工程設(shè)備的轉(zhuǎn)速、電壓、電流等物理指標(biāo)，通過這些物理指標(biāo)的異常來進(jìn)行異常報(bào)警，本次項(xiàng)目研究擬采用聲紋識(shí)別技術(shù)，通過采集和建立工程設(shè)備異常聲紋庫，與工程設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)組運(yùn)行聲音進(jìn)行對(duì)比，判別機(jī)組是否出現(xiàn)異常并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，并進(jìn)一步通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的方法不斷優(yōu)化聲紋故障診斷算法模型，提高水利工程設(shè)備聲紋故障診斷的準(zhǔn)確率（是否異常）和精度（異常

10、類型）。在不停電狀態(tài)下獲取水利工程設(shè)備的振動(dòng)聲學(xué)特性，通過對(duì)設(shè)備聲紋的分析，利用人工智能分析算法，深入挖掘設(shè)備在不同運(yùn)行工況和缺陷下的狀態(tài)特征，并有效地表征其運(yùn)行狀態(tài)與缺陷模式，將有效解決水利工程設(shè)備在潛伏性缺陷檢測(cè)、狀態(tài)預(yù)警和聲紋智能識(shí)別等方面的技術(shù)難題，形成統(tǒng)一的聲紋分析管理系統(tǒng)，對(duì)水利工程設(shè)備不停電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)體系的建立具有重要的推動(dòng)作用。通過聲紋識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泵站工程設(shè)備自動(dòng)預(yù)警，創(chuàng)新工程設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，提升監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，降低設(shè)備運(yùn)維成本。2.2.2 泵站運(yùn)維知識(shí)圖譜通過將特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息表達(dá)成更加貼近人類認(rèn)知世界的知識(shí)表現(xiàn)形式，領(lǐng)域知識(shí)圖譜（domain-specific

11、 knowledge graph，DKG）由于其數(shù)據(jù)規(guī)模巨大、語義關(guān)系豐富、質(zhì)量?jī)?yōu)秀、結(jié)構(gòu)友好等特性，逐漸在醫(yī)療、金融、電力等多個(gè)領(lǐng)域或行業(yè)取得了應(yīng)用5-6。目前，在水利領(lǐng)域的研究和實(shí)際應(yīng)用還處在初步探索階段，本次結(jié)合水利工程運(yùn)維場(chǎng)景，提出一種泵站工程的運(yùn)維檢修方案智能推送方法及其實(shí)現(xiàn)途徑。當(dāng)下工程巡檢及運(yùn)維工作主要是通過巡檢人員按固定路線定期定時(shí)進(jìn)行檢查和養(yǎng)護(hù)，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備異?；驌p壞，再通知運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修。本次研究提出采用建立泵站工程設(shè)備運(yùn)維知識(shí)圖譜的方式，建立水利工程設(shè)備各種運(yùn)行異常狀態(tài)與設(shè)備異常原因及維修方案之間關(guān)聯(lián)，當(dāng)工程設(shè)備出現(xiàn)異常預(yù)警時(shí)，主動(dòng)向運(yùn)維人員推送預(yù)警信息及對(duì)應(yīng)的維修方

12、案，以便運(yùn)維人員在進(jìn)行工程設(shè)備檢修時(shí)降低運(yùn)維難度，簡(jiǎn)化運(yùn)維流程，大大提高工程設(shè)備運(yùn)維的效率，降低運(yùn)維成本。通過知識(shí)圖譜技術(shù)梳理研究泵站設(shè)備機(jī)組狀態(tài)、故障原因及診斷方案之間的邏輯關(guān)聯(lián)，智能推送運(yùn)維解決方案，化被動(dòng)為主動(dòng)，高效、便捷保證水利工程設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，提高監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，降低運(yùn)維成本。2.2.3 泵站檢修智能問答智能問答即基于知識(shí)圖譜的問答（knowledge graph based question answering，KGQA）技術(shù)利用其豐富的結(jié)構(gòu)化語義信息，能夠深入理解用戶的問題，并給出準(zhǔn)確的答案，為用戶提供724小時(shí)的智能問答服務(wù)，在醫(yī)療、教育、金融等多個(gè)領(lǐng)域凸顯出重要的應(yīng)用價(jià)

13、值7。目前，智能問答技術(shù)還未應(yīng)用到水利工程運(yùn)維檢修場(chǎng)景中，本次結(jié)合泵站設(shè)備的運(yùn)維檢修場(chǎng)景，提出一種基于語音交互技術(shù)的泵站智能運(yùn)維方法和途徑。當(dāng)下泵站檢修及運(yùn)維對(duì)工作人員專業(yè)水平要求較高，需積累大量維修經(jīng)驗(yàn)，對(duì)泵站設(shè)備故障進(jìn)行反復(fù)排查，才能確定最終維修方案，檢修過程耗時(shí)耗力。智能問答是知識(shí)圖譜技術(shù)的具體功能體現(xiàn)，其本質(zhì)是基于人機(jī)語音交互技術(shù)，在泵站運(yùn)維知識(shí)圖譜創(chuàng)建完成的情況下，采用一問一答及連續(xù)追問等形式，一步步引導(dǎo)檢修工作人員排查故障，最終找到正確的解決方案，順利完成故障排查和運(yùn)維檢修工作。3 結(jié)語本文針對(duì)語音交互技術(shù)應(yīng)用到水利工程安全運(yùn)行等方面存在的工程設(shè)備故障診斷、工程設(shè)備運(yùn)維檢修等具體問題。通過使用聲紋識(shí)別、知識(shí)圖譜、語音交互等人工智能技術(shù)，研究基于聲音的故障診斷模型優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別各種水利工程設(shè)備運(yùn)行聲音異常狀態(tài)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的設(shè)計(jì);研究針對(duì)水利工程設(shè)備日常運(yùn)維的語音調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員只需要語音描述問題，即可快速匹配設(shè)備維修解決方案，指導(dǎo)運(yùn)維人員提高工作效率，降低運(yùn)維難度