基于圖像識別的電廠順控方法研究與應用

馬 進，李紅宇，劉 文，趙雨秋

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，保定071003）

目前火電廠集控運行的相關操作運行由值長和集控值班員等人共同進行管理操作[1]，該方法存在人員配置問題，在機組啟停、機組檢修時，因設備操作量大，為按時完成任務，需要多個操作人配合；但在機組穩況下運行時，實際需要的操作人員較少[2]。

目前國內各類發電企業均配備了自動控制系統、監控信息系統以及管理信息系統等，但其與智能化仍存在較大距離，在DCS 人機界面信息的讀取、傳遞、處理等操作過程中，大部分是靠人工操作完成。操作員執行大量的重復性工作，作業效率低，人員過剩。電廠的DCS 系統一般是封閉的，需通過操作員進行人工識別與操作，點擊畫面中相應模塊實現DCS 控制。本文利用新形勢下的圖像識別相關技術，設計出一個適用于電廠DCS 的順序控制程序，該程序可以代替值長、 操作員、 監護人等完成對DCS 系統的操作、設備的狀態及其相關參數的圖像識別，提高變電站工作人員的工作效率，實現減員增效的目的[3]。

1 電廠順控模型

1.1 集控值班員順序操作流程

火電機組運行相關操作涉及設備啟停、檢修與正常運行調整，并且嚴格遵循“兩票三制”，即工作票、操作票、交接班制、巡回檢查制、設備定期實驗輪換制的管理制度，集控值班員按照職能分為值長、班長、監護人等，其日常工作包含兩個方面：日常常規設備操作與定期設備切換，機組檢修重啟操作與重要輔機啟動操作等[1，4]。

集控值班室工作人員基本任務流程：值長下達操作任務，操作人編寫操作票，監護人與值長等人共同審核，在監護人的監護下，操作員按照操作票的具體內容，完成相應操作，每完成一項操作，操作人與監護人共同確認操作是否正確，繼續操作，上交操作票[5-6]。

1.2 順控方法模型

每個操作票都有多項設備操作和其對應操作條件，操作人按照順序，一項一項地完成具體的操作，并與值長或監護人等共同判斷操作條件。針對操作員完成每一項的操作以及監護人等人的行為，假設操作票已知，在此建立了順序控制方法模型[7]。

基本順控模型分為5 個部分：①值長下達操作任務；②接收指令部分，指令為單步設備操作，如操作員接收打開鍋爐上水中電泵系統中的電泵；③執行操作部分；④反饋信息，操作員上交操作票的行為；⑤值長等人對反饋信息進行條件判斷，并從步驟①開始重復執行。

1.3 基于圖像識別的順控方法模型

為了實現無人化操作，對值長、監護人、操作人的行為進行抽象，利用研究的獲取操作軟件，代替集控值班員完成單一操作任務[4]；利用圖像識別技術，進行設備狀態和設備相關參數的識別，代替值長等人的條件判斷，根據判斷結果，按操作票順序進行設備操作[8]。

基于圖像識別的順控模型假設：

（1）設備本身、執行機構、反饋指示機構等狀態正常。

（2）操作票的設備操作順序已知，設備操作條件已知。

（3）模型僅執行在DCS 上的操作。

（4）模擬的單步操作可以完成正確的設備操作。

基于圖像識別的順控模型分為7 個部分：①值長發布操作任務；②接受操作命令部分，該指令為大項操作命令，如操作人啟動某個系統；③執行操作部分；④設備及參數圖像采集；⑤設備狀態及參數識別；⑥條件判斷識別結果；⑦執行操作票下一步，并從步驟③開始反復執行。

2 基于圖像識別的順控程序

2.1 順控程序功能

（1）記錄操作動作，操作復現

由操作捕捉程序實現記錄操作動作，并完成單步設備操作的復現。

（2）接收指令

利用SAPI 實現語音識別功能，接收操作指令，每個大項操作指令對象多個設備操作。

（3）設備及參數圖像采集

由圖像采集程序，實現指定設備或參數圖像的獲取。每步單項設備操作，都對應指定的設備或參數。

（4）設備狀態及參數識別

單步設備操作完成后，對指定設備運行狀態進行識別，或對指定參數進行數字識別。

（5）條件判斷識別結果

由指定的識別結果與對應的設備操作條件進行比較判斷，根據判斷結果自動執行下一步。

2.2 順控程序流程

以某火電廠機組啟動操作規程中的鍋爐上水中電泵系統為例，操作員按照下面順序流程完成設備操作：①啟動電泵；②提高電泵轉速到10；③開啟電泵出口電動閥。

按照該操作流程，順控流程可分為發布指令、接收指令、設備操作、設備狀態及參數識別、條件判斷等環節。順控程序流程如圖1 所示。

圖1 順控程序流程Fig.1 Sequence control program flow chart

值長或操作員喚醒順控程序，喚醒程序后，發布需要執行的指令，程序按照事先的順序流程依次完成單步設備操作，判斷設備狀態及參數，按條件執行下一步 （下一步的設備操作）。如按照本次流程，首先啟動電泵，識別電泵狀態，若電泵運行，則執行提高電泵轉速，識別轉速，若轉速為10 則繼續下一步，直到結束。

3 順控方法程序實現

3.1 語音識別

以Vistual Studio 2017 作為開發環境，使用微軟SAPI 語音開發包，采用語音識別引擎（Speech Recognition），命令模式，實現語音識別[9]。

語音識別開發步驟：①初始化COM 端口；②創建語音識別引擎；③創建識別上下文；④設置感興趣的事件，設置識別消息；⑤創建XML 語法規則；⑥激活語法規則，語音識別；⑦獲取識別消息，進行處理[10]。

3.2 獲取操作動作

利用C++實現在Windows 系統中獲取鼠標位置、鍵盤動作狀態，實現操作捕捉功能。獲取操作界面如圖2 所示。

3.3 設備狀態識別

實驗使用的DCS 仿真平臺界面如圖3 所示。在仿真平臺中設備處于運行狀態表現為紅色；設備停運狀態表現為綠色。將獲取的RGB 設備圖像轉化為HSV 格式的圖像[11]，進行紅、綠顏色識別。

圖2 獲取操作界面Fig.2 Get operation interface diagram

圖3 仿真平臺界面圖Fig.3 Simulation platform interface diagram

3.4 數字識別

首先創建二值化的數字模板，獲取參數圖像，將RGB 圖像轉化為灰度圖像，再進行二值化，得到二值化的參數圖像[12]。將參數圖像進行圖像分割，經分割后的每一個數字圖像，都與模板進行匹配，從而識別出數字。

將數字圖像由像素空間轉化為極坐標空間[13]，并將圖像進行歸一化處理，防止因數字圖像大小導致識別結果出錯。將圖像提取30 個方向的特征點，構成一個30 維的特征向量。使用余弦相似度算法，進行特征匹配。將數字識別的結果在源圖像中顯示，參數識別結果如圖4 所示，右側數字為識別結果。

圖4 數字識別結果Fig.4 Number recognition result

3.5 程序實驗

基于圖像識別的順控方法設計的程序的操作流程界面如圖5 所示。順控程序可以正確識別值長等人發布的指令，可以正確識別設備狀態、設備參數，并在DCS 仿真系統中逐步完成指令需要的操作。

圖5 順控操作流程界面圖Fig.5 Sequence control operation flow interface diagram

4 結語

通過研究集控值長、操作員等人的行為，分析了值長、操作員等人的順序操作任務流程和具體行為，提出了一種新的基于圖像識別的順控方法模型，并基于該模型，開發了順控程序。程序實現了接收語音指令，進行對應的設備操作，采集操作設備或其參數的圖像，對設備狀態或參數進行識別，判斷是否滿足下一個設備操作的條件，順序執行對應設備操作。程序實現代替真實操作員的操作，代替值長等人對設備操作的判斷，為減員增效提供了技術手段。