基于聲紋識別和知識圖譜技術的泵站工程智能運維途徑探究

謝艾玲 吳秋明 劉方

摘 要：圍繞水利工程監測預警、水利工程安全運行等行業重點和難點問題，融合聲紋識別、知識圖譜、語音交互等新一代信息技術，提出了一種新的水利工程智能運維途徑，通過聲紋識別技術，實現工程設備異常監測自動預警，創新水利工程設備故障預警機制，提升監測預警能力，降低設備運維成本;通過知識圖譜技術梳理水利工程設備相關水利對象、水利要素之間的關系及邏輯，建立水利工程設備各種運行異常狀態與設備異常原因及維修方案之間關聯關系，實現水利工程設備運維方案智能推送;通過語音交互技術在水利工程運維場景中的智能問答應用，進一步提高工程設備運維效率，縮短設備檢修響應時間，提升水利工程安全運行的智能化水平。

關鍵詞：水利工程安全運行;聲紋識別;知識圖譜;語音交互;智能運維

中圖法分類號：TP311;TV7? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0617

信息化、智慧化已成為全球經濟社會發展的顯著特征。我國智慧化發展已具備了一定基礎，進入了全方位、多層次推進的新階段[1]。水利作為國民經濟社會發展的重要領域，加快智慧水利建設步伐，也成為事關水利發展全局重大而緊迫的戰略任務。“十三五”以來，國家出臺一系列智慧水利相關政策，明確提出要補齊水利信息化短板，其中，水利工程安全運行作為智慧水利的核心業務之一，泵站工程又是水利工程的重中之重，事關社會民生福祉，加快泵站工程的智慧化建設與管理迫在眉睫。

當前，我國的智慧泵站建設正在如火如荼進行。目前，智慧泵站建設已具備計算機化的監控系統，具有數據實時監測、采集、分析、報表、曲線、棒圖等功能，可以實現遠程控制開停機和倒閘操作，基本可以滿足泵站的自動化監控需求;已建成視頻監視系統，基本實現泵站工程重要區域的動態實時監控;傳感器設置較為完善，泵站監測的數據包含電量，溫度量，模擬量和開關量等，基本實現泵站多方位感知;技術管理水平逐步提高，管理的標準化、規范化、自動化和精細化水平在逐步提高，特別是進入21世紀以來，信息化水平取得了顯著進步和突破，現代水利技術取得長足發展。長期以來，泵站工程建設取得了很大進步，也發揮了巨大的經濟效益，但泵站運行管理仍存在著管理方式較為傳統、監控技術開發深度不夠、監控“智能化”水平較低、運維管理時效差等問題[2]。

1? 研究必要性

1.1? 政策導向必要性

2019年初，水利部提出“水利工程補短板、水利行業強監管”的水利改革發展總基調，“信息化工程”是四大短板之一。2019年6月，印發了《水利部關于印發水利網信水平提升三年行動方案（2019-2021年）的通知》，明確提出加強水利工程安全運行管理。2019年8月印發了《水利部關于印發加快推進智慧水利的指導意見和智慧水利總體方案的通知》，明確提出加強水工程智能應用，支撐水利工程安全運行、水利工程建設等業務。2020年3月，印發了《水利部關于開展智慧水利先行先試工作的通知》，進一步加快推進了智慧水利的建設腳步。智慧泵站作為智慧水利很重要的一個組成部分，又是當前建設的重點短板之一，建設需求極為迫切，研究工作十分必要。

1.2? 業務發展必要性

泵站作為水利工程的重要組成部分，不僅承擔著灌溉除澇、供水防洪的重要任務，還能夠對排灌、水資源調度發揮非常重要的作用，是工農業生產的重要基礎，為我國社會生產做出了重要貢獻，社會價值非常高[3]。泵站工程的智能化和管理信息化，可以有效降低運行維護費用，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，泵站的安全運行及運行維護直接影響水利工程建設的興衰，智慧泵站的建設是行業業務發展的剛性需求，研究工作十分必要。

1.3? 時代發展必要性

一方面，信息時代的到來，聲紋識別、知識圖譜、語音交互等新一代信息技術，已經在很多領域和行業發揮了很重要的作用，帶來了巨大的經濟和社會效應，另一方面，傳統泵站運行管理機制的弊端越發凸顯，智能化水平不高造成的故障預警不及時，維修養護響應慢，指揮調度時效性差，運行維護成本高等一系列問題，都嚴重制約了水利工程的發展，泵站信息化想要走向智慧化離不開新一代信息技術的探索和嘗試，本次項目研究作為智慧水利發展的重要組成部分，是十分必要的。

2? 研究內容

本文針對語音交互技術應用到水利工程安全運行等方面存在的工程設備故障診斷、工程設備運維檢修、水利工程知識圖譜等具體問題。通過使用聲紋識別、知識圖譜、語音交互等認知智能技術，研究基于聲音的故障診斷模型優化方案，實現自動判別各種水利工程設備運行聲音異常狀態并進行監測預警的設計;研究針對水利工程設備日常運維的語音調度技術，實現運維人員只需要語音描述問題，即可快速匹配設備維修解決方案，指導運維人員提高工作效率，降低運維難度，節省運維成本;研究通過語音交互技術在水利工程運維檢修場景中的應用途徑，提高工程設備運維效率，提升水利工程設備的智能化水平。

2.1? 技術路線

本文主要針對泵站工程運行維護過程中存在的難點問題開展研究。是對泵站最重要的安全運行環節的一個系統性關系及層次梳理，通過挖掘水利對象及要素數據關系之間的價值，融合聲紋識別、知識圖譜、語音交互等新一代信息技術，為泵站安全運行管理提供智慧化參考和指導。技術路線如下圖所示。

2.2? 研究內容

本次研究主要是探索聲紋識別、知識圖譜及語音交互等新一代信息技術在泵站工程運行維護過程中的應用場景及途徑，提供一種新的思路和方法，基于聲紋識別技術，創新泵站設備監測預警機制;基于知識圖譜技術，主動推送運維解決方案，輔助巡檢人員故障排查;基于語音交互技術，讓運維檢修流程更方便、快捷、高效。

2.2.1? 聲紋識別故障診斷

聲紋識別指的是對個人聲音的特征進行測定，是一種生物識別技術[4]，聲紋具有較強的獨特性和唯一性，因此現代往往將這項技術應用在數據安全和財產安全保護中，聲紋識別技術在公安、金融、交通等領域有比較成熟的研究成果，但在工程運維方面目前還沒有成熟的具有實際應用價值的研究成果，本次研究提出一種基于聲紋識別技術的泵站設備監測預警機制及實現途徑。

當下水利工程監測預警主要是通過接觸式的監測設備監測運行工程設備的轉速、電壓、電流等物理指標，通過這些物理指標的異常來進行異常報警，本次項目研究擬采用聲紋識別技術，通過采集和建立工程設備異常聲紋庫，與工程設備正常運轉時的機組運行聲音進行對比，判別機組是否出現異常并進行預警預報，并進一步通過神經網絡和深度學習的方法不斷優化聲紋故障診斷算法模型，提高水利工程設備聲紋故障診斷的準確率（是否異常）和精度（異常類型）。

在不停電狀態下獲取水利工程設備的振動聲學特性，通過對設備聲紋的分析，利用人工智能分析算法，深入挖掘設備在不同運行工況和缺陷下的狀態特征，并有效地表征其運行狀態與缺陷模式，將有效解決水利工程設備在潛伏性缺陷檢測、狀態預警和聲紋智能識別等方面的技術難題，形成統一的聲紋分析管理系統，對水利工程設備不停電檢測技術的發展及相關體系的建立具有重要的推動作用。通過聲紋識別技術，實現泵站工程設備自動預警，創新工程設備故障預警機制，提升監測預警能力，降低設備運維成本。

2.2.2? 泵站運維知識圖譜

通過將特定領域的數據信息表達成更加貼近人類認知世界的知識表現形式，領域知識圖譜（domain-specific knowledge graph，DKG）由于其數據規模巨大、語義關系豐富、質量優秀、結構友好等特性，逐漸在醫療、金融、電力等多個領域或行業取得了應用[5-6]。目前，在水利領域的研究和實際應用還處在初步探索階段，本次結合水利工程運維場景，提出一種泵站工程的運維檢修方案智能推送方法及其實現途徑。

當下工程巡檢及運維工作主要是通過巡檢人員按固定路線定期定時進行檢查和養護，如發現設備異常或損壞，再通知運維人員進行現場檢修。本次研究提出采用建立泵站工程設備運維知識圖譜的方式，建立水利工程設備各種運行異常狀態與設備異常原因及維修方案之間關聯，當工程設備出現異常預警時，主動向運維人員推送預警信息及對應的維修方案，以便運維人員在進行工程設備檢修時降低運維難度，簡化運維流程，大大提高工程設備運維的效率，降低運維成本。

通過知識圖譜技術梳理研究泵站設備機組狀態、故障原因及診斷方案之間的邏輯關聯，智能推送運維解決方案，化被動為主動，高效、便捷保證水利工程設備的正常運轉和使用，提高監測預警能力，降低運維成本。

2.2.3? 泵站檢修智能問答

智能問答即基于知識圖譜的問答（knowledge graph based question answering，KGQA）技術利用其豐富的結構化語義信息，能夠深入理解用戶的問題，并給出準確的答案，為用戶提供7×24小時的智能問答服務，在醫療、教育、金融等多個領域凸顯出重要的應用價值[7]。目前，智能問答技術還未應用到水利工程運維檢修場景中，本次結合泵站設備的運維檢修場景，提出一種基于語音交互技術的泵站智能運維方法和途徑。

當下泵站檢修及運維對工作人員專業水平要求較高，需積累大量維修經驗，對泵站設備故障進行反復排查，才能確定最終維修方案，檢修過程耗時耗力。智能問答是知識圖譜技術的具體功能體現，其本質是基于人機語音交互技術，在泵站運維知識圖譜創建完成的情況下，采用一問一答及連續追問等形式，一步步引導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維檢修工作。

3? 結語

本文針對語音交互技術應用到水利工程安全運行等方面存在的工程設備故障診斷、工程設備運維檢修等具體問題。通過使用聲紋識別、知識圖譜、語音交互等人工智能技術，研究基于聲音的故障診斷模型優化方案，實現自動判別各種水利工程設備運行聲音異常狀態并進行監測預警的設計;研究針對水利工程設備日常運維的語音調度技術，實現運維人員只需要語音描述問題，即可快速匹配設備維修解決方案，指導運維人員提高工作效率，降低運維難度，節省運維成本;研究通過語音交互技術在水利工程運維檢修場景中的智能問答應用，提高工程設備運維效率，提升水利工程設備的智能化水平。

參考文獻：

[1]葛召華.山東省智慧水利建設的認識與思考[J].水利信息化，2019（05）：6-8+19.

[2]湯立. 智慧泵站手機APP系統設計與開發[D].揚州大學，2018.

[3]蔣雯，韓毅，錢杭，呂曉波，季煒理.泵站工程精細化管理探索[J].工程建設與設計，2019（09）：288-290.

收稿日期：2021-05-07

基金項目：認知智能國家重點實驗室開放基金資助（課題編號：CIOS-2020SC03，課題名稱：基于城市智慧水務的研究與應用）

作者簡介：謝艾玲，女，主要從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