梯級水電站集控中心輔助值班機器人架構設計

韓媛媛，趙 全，鄒澤華

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，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

隨著大規模并行計算、大數據、深度學習算法和人腦芯片技術的發展，人工智能在近30 a里取得了飛速進步，已廣泛應用于計算機科學、經濟貿易、機器人控制、通信、醫學等領域，并取得了豐碩的成果。在信息化、智能化的全面推進下，人工智能技術在電力系統中也得到了充分應用[1]。趙晉全等[2]梳理了人工智能在電力系統調度運行中的應用場景，包括負荷預測、新能源預測、電價預測、故障診斷、穩定評估、優化控制、方式制定等，并結合人工智能的發展趨勢，對其在電力系統中的應用做出了分析和展望；楊子等[3]和王海港等[4]分別介紹了調控輔助機器人和配電網虛擬調度員的建設應用；吳小康等[5]提出了基于電網調控全業務鏈路，構建具有智能監視、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]對云機器人架構和特征進行了概述，依托云計算技術和無線網絡技術的發展，通過云機器人遠程卸載和處理計算任務，并運用云計算輔助機器人完成運行視頻監控任務、點云庫建模任務、傳感器信息跟蹤及相應效果評估等實時交互任務。在電網調度領域，通過人工智能技術的研究和實踐，有效提高了電網調度員的工作效率和電網安全穩定運行水平。相比之下，發電企業的人工智能研究起步較晚。

本文以三峽水利樞紐梯級調度通信中心(以下簡稱“三峽梯調”)成都調控中心為例，通過借鑒電網調度領域較為成熟的人工智能研究實踐成果——虛擬機器人建設，結合當前無線網絡技術的發展，采用云機器人架構[6]模式，把大數據、云計算和機器人相結合，提出了輔助值班機器人(以下簡稱“值班機器人”)架構設計。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控中心的智能化需求。

1 設計概況

三峽梯調成都調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備和水庫的運行監視、控制、調控以及故障應急處置、對外溝通協調、信息報送等生產職責。隨著梯級電站防洪、航運、生態、發電、供水等效益的擴展和電力市場的推進，調控任務逐年增加，身處梯級電站安全生產和綜合效益發揮最前線的調控值班人員所承受的壓力也不斷增加[7]。

當前調控值班工作主要存在以下5個痛點：① 自動化系統眾多且相對獨立，數據多源異構，缺乏必要的歸類分析，使用不方便，且需要調控值班人員花費較多的精力進行分析總結；② 針對簡陋的機電設備和水庫異常的預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量依賴調控值班人員的專業能力；③ 業務資料繁多，缺乏快速搜索手段；④ 重復性工作較多，占用值班人員較多的精力和時間；⑤ 成都調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)在成都區域的形象窗口，所承擔的參觀接待任務重，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構想，利用人工智能技術，將調控工作經驗轉化為智能處置流程，由值班機器人代理完成部分調控業務，從而提高調控智能化水平，減輕調控值班人員的壓力。

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，輔助并代理調控值班人員開展日常工作，把調控值班人員從大量重復性的工作中解放出來，幫助其更加專注于核心能力(事故預想、趨勢分析、優化調度、應急響應)提升，使調控值班更加便捷、高效。

在值班機器人功能方面，共設計了智能問答、快速事故指引、日常調度業務輔助、智能參觀接待和調度決策優化支持5個功能模塊。這5個功能模塊按照具體業務再細分為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、應急補水預案制作、庫水位測算、值班日志錄入、當班任務提醒及檢查、智能參觀接待、發電計劃智能優化、運行方式智能優化和事故決策支持。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，主要實現調控業務資料(含規程、規定、圖紙、定值單、結構化表單、標準操作命令票、現場處置方案、技術總結、異常分析報告、電力市場運營考核規則、培訓資料和相關公司制度等)的統一管理和智能搜索，以及常用數據調控、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備事故判斷庫及典型水情預警機制，在梯級水電站發生涉網設備故障、水庫突發緊急水情等情況時，輔助調控值班人員快速、準確獲知異常信息，并提供標準處置流程，為調控值班人員贏得異常處置和調度協調的時間。

(3)日常調度業務輔助模塊。該模塊包括信息報送、應急補水預案制作、庫水位測算、值班日志錄入和當班任務提醒及檢查共5個功能項，其主要按照調控業務需求，自動代理調控值班人員完成各類重復性的日常工作，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錯發、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。該模塊可實現由值班機器人代理調控值班人員為來賓進行梯級電站調控業務、兩級公司文化的講解及展示。值班機器人可根據來賓的不同，智能選擇文、圖、視頻等相結合的方式進行講解，并在講解過程中聯動調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) 調度決策優化支持模塊。該模塊包括發電計劃智能優化、運行方式智能優化和事故決策支持3個功能項，主要通過深度學習、強化學習的方式，總結提煉歷年的應急處置經驗，由值班機器人自主生成決策處置信息庫。當發生異常或故障時，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，包括發電計劃調整、設備狀態調整、穩控方式調整、水電聯動等，為調控值班人員進行異常問題處置提供快速全面的支撐。

3 數據需求

根據功能需求，值班機器人所需的數據主要包括3種類型：與電力生產相關的實時、統計、分析數據，與水庫運行相關的實時、統計、分析數據，與調控值班相關的文本、圖形、視頻數據。

這3類數據中，前2類為結構化數據，其源數據主要來自電調監控系統、水調自動化系統、安穩信息系統、故障錄波系統、保護信息系統、長江電力報表系統和ePMS系統。在安全分區上，電調監控系統、安穩信息系統部署在安全Ⅰ區，水調自動化系統、故障錄波系統、保護信息系統、長江電力報表系統部署在安全Ⅱ區，ePMS系統部署在安全Ⅳ區。在數據采集頻率上，從電調監控系統獲取的數據至少應滿足秒級需求，從水調自動化系統、安穩信息系統、故障錄波系統、保護信息系統、長電報表系統、ePMS系統獲取的數據至少應滿足分鐘級需求。在長江電力大數據中心建立后，以上系統的數據均送至大數據中心，且數據更新頻率可滿足值班機器人功能需求，因此結構化數據可以直接從大數據中心獲取。第3類為非結構化數據，其與調控值班相關的文本、圖形、視頻等資料需要人工維護，應能進行便捷的錄入和更新；工業電視視頻數據則需從工業電視系統接入。

4 系統架構

4.1 總體架構

根據值班機器人的功能需求、數據需求，綜合長江電力數字化、信息化的建設進程，值班機器人采用云機器人的架構模式，即“數據服務平臺+輔助調度應用平臺+終端”的總體架構，部署在安全Ⅲ區?！皵祿掌脚_+輔助調度應用平臺”是值班機器人的大腦，基于長江電力大數據中心和工業互聯網平臺進行開發，位于宜昌。終端是人機交互的窗口，部署在成都調控中心調度大廳，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互聯，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如圖1所示。

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

4.2 數據服務平臺

值班機器人數據服務平臺主要負責數據的采集、分類存儲、治理及管理，為各類輔助調度應用提供數據支撐。同時，輔助調度應用也將應用結果數據提交給數據服務平臺進行公用和共享。值班機器人的數據架構如圖2所示。

圖2 值班機器人數據架構Fig.2 Data architecture of duty robot

4.3 輔助調度應用平臺

輔助調度應用平臺基于B/S架構，根據值班機器人的功能需求進行功能模塊和功能項的開發。值班機器人研發過程中可以復用長江電力工業互聯網平臺已有的指標定義和計算工具、數據分析開發工具和模型運行環境、規則引擎、工作流引擎工具以及可視化報表工具等。

輔助調度應用平臺在功能實現過程中需調用的系統或設備包括：智能語音云平臺、工業電視系統、EIIS短信平臺、大屏控制系統、打印機、傳真機等。值班機器人的功能架構如圖3所示。

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

4.4 終 端

為方便調控值班人員使用，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，通過無線網絡接入長江電力信息網，不與外網連接，具有講解、展示、互動、引領功能，也可通過人機交互調取輔助調度應用平臺的其他功能。PC端虛擬機器人部署在調度大廳的值班電腦上，采用網頁或客戶端的表現形式，可供多人同時在線使用。

5 設計思路及實用性分析

值班機器人架構設計的整體思路：① 確定功能目標；② 理清每項功能的數據需求；③ 根據數據需求確定數據來源；④ 充分利用已有資源搭建值班機器人的系統架構。值班機器人系統架構搭建過程中，充分考慮了先進性、簡潔性、安全性、可擴展性、經濟實用性、維護便捷性等因素，主要體現在以下5個方面。

(1) 依托基于電力調度領域的自然語言理解、語音交互技術，構建虛擬調度員，通過自動觸發或人機對話的方式實現業務開展、功能調用、資料查詢等，使調控值班過程更加智能、高效。

(2) 依托于長江電力大數據中心的海量數據，值班機器人所需的結構化數據均可從大數據中心獲取，避免了值班機器人跨安全控制區從多系統同時取數帶來的網絡安全、數據安全問題。值班機器人連接的系統節點變少，不僅使整體架構變得簡潔，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互聯網平臺進行值班機器人研發，可以充分利用工業互聯網平臺的實時計算、集中集成、智能決策、物聯接入、服務共享等核心能力，使值班機器人的研發基礎更加扎實，且模塊化的開發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中，服務器、數據通道、安全防護等均使用現有成熟資源，除實體機器人外，未新增其他硬件設備，可有效減少研發成本。

值班機器人系統架構設計中，利用到了大數據中心、工業互聯網平臺、智能語音云平臺等企業級的數字化、智能化基礎建設資源。這三類資源中，最關鍵的是大數據中心，其為值班機器人的各項功能研發提供強大的數據支撐；工業互聯網平臺使值班機器人的研發更加便捷，但不是必要因素；智能語音云平臺是人機交互的關鍵，如果企業內部沒有建設，也可以利用現有的成熟技術，按需搭建專用語音云平臺。

6 結 語

近年來，具有智慧特征的梯級水電站調度運行已成為未來水電站調度發展的必然趨勢。三峽梯調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座梯級水電站的聯合優化調度控制中心，在“十三五”期間提出了“流域主導型、市場導向型、決策智慧型、管理創新型”的“四型梯調”建設規劃，智慧梯調則是“四型梯調”建設的重要組成部分[8]。值班機器人集成都調控中心數年的調控業務智慧化探索成果于一體，也是三峽梯調向智能化邁進的重要一步，其架構設計直接關系到后期研發的順利開展和成果的運用推廣。

該值班機器人架構設計基于長江電力大數據中心和工業互聯網平臺展開，其設計思路經過相關專業的論證，目前已進入產品研發階段。隨著大數據、云計算、人工智能等技術的發展，大數據中心、工業互聯網平臺的建設在企業的智慧化轉型中將會越來越普遍。該研究成果可為類似項目建設提供參考。