基于AI技術(shù)的變電運維操作票系統(tǒng)的設(shè)計研究

國網(wǎng)安徽省電力有限公司蚌埠供電公司 錢雅云 張 浩 邢 開 姚釗齊 王針針

1 系統(tǒng)整體方案

在系統(tǒng)整體方案設(shè)計環(huán)節(jié)，主要研究的內(nèi)容涉及分析系統(tǒng)總體架構(gòu)、操作票識別的具體工作流程、目標(biāo)相似性算法，以及基于AI 技術(shù)的操作票識別系統(tǒng)的優(yōu)點分析等。系統(tǒng)設(shè)計的過程中，主要涉及五個層級，分別為頁面表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層，以及基礎(chǔ)層。在操作票識別的具體工作流程方面，需要基于目標(biāo)相似性算法來實現(xiàn)，并借助高清拍攝儀將紙質(zhì)單據(jù)轉(zhuǎn)化為Excel 文檔，進(jìn)而滿足關(guān)鍵字對比和替換需求，最終形成操作票。目標(biāo)相似性算法是AI 技術(shù)的應(yīng)用核心，在應(yīng)用目標(biāo)相似性算法時，需要構(gòu)建目標(biāo)相似性算法模型。此外，在傳統(tǒng)變電站運維的過程中，主要采用人工填寫的方式來完成操作票，無法達(dá)到智能化、自動化效果，不能自動生成操作，很難精準(zhǔn)獲取所需信息。為達(dá)到自動處理繁冗的數(shù)據(jù)的效果，降低因人工操作而產(chǎn)生的錯誤率，提升工作精準(zhǔn)度，在系統(tǒng)整體方案設(shè)計時，需要驗證該系統(tǒng)的有效性，同時還需開展多次重復(fù)實驗，通過這種方法來提高操作票的準(zhǔn)確率。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)是采用目標(biāo)相似相算法對所開出的任務(wù)單進(jìn)行掃描，后臺則基于Java 技術(shù)對掃描的信息進(jìn)行關(guān)鍵字符串提取，并將操作票中對應(yīng)位置的內(nèi)容進(jìn)行替換。前臺還需要為工作人員提供可視化的管理視窗，具體包括向用戶展示指定的圖片內(nèi)容，同時為工作人員提供操作票的選擇功能[1]。此外，該系統(tǒng)還應(yīng)具備登錄頁面與功能，能夠?qū)Ρ容斎胂到y(tǒng)的用戶信息，符合數(shù)據(jù)庫條件的用戶才允許登錄，從而有效保障系統(tǒng)的安全性，該系統(tǒng)的具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于AI 技術(shù)的變電運維操作票系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 操作票識別的具體工作流程

在該系統(tǒng)中操作票識別的具體工作流程主要是基于目標(biāo)相似性算法來實現(xiàn)的，將用戶提交的紙質(zhì)單據(jù)通過高清拍攝儀拍攝圖片并將其轉(zhuǎn)化為Excel 文檔以便進(jìn)行關(guān)鍵字的對比與替換，從而形成操作票，具體流程如下。

將紙質(zhì)單據(jù)放在高清拍攝儀的指定位置，通過儀器拍攝紙質(zhì)單據(jù)的電子圖片并保存到設(shè)備中的指定位置，用戶登錄系統(tǒng)后，可以在系統(tǒng)中上傳圖片，系統(tǒng)后臺獲得圖片后則將圖片轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流。通過對數(shù)據(jù)流的處理分析得到總行數(shù)、總列數(shù)、單元格內(nèi)容和Sheet 的總數(shù)量。若識別驗證是精準(zhǔn)的，則Sheet 賦值為1，再比對關(guān)鍵字，找到地點關(guān)鍵字的名稱。獲得項目數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行關(guān)鍵字的匹配，獲得關(guān)鍵字與分類信息后則進(jìn)行數(shù)據(jù)庫比對，使用poitl 技術(shù)來替換數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)目錄下的文件，并使用{{title}}進(jìn)行編碼，編碼采用6位數(shù)，前面兩位數(shù)代表月份，后四位則采用自然數(shù)序列編號，從0001依次遞增。若出現(xiàn)多業(yè)務(wù)情況，則每頁增加變電站名稱。

通過客戶端導(dǎo)入任務(wù)單，并將信息導(dǎo)入OCR 軟件之中，生成Excel 表格，再利用poi-tl 技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成的Word 表格，就是對應(yīng)的操作票。

1.3 目標(biāo)相似性算法

在本文所設(shè)計的系統(tǒng)之中目標(biāo)相似性算法是AI技術(shù)的應(yīng)用核心，也是該系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，目標(biāo)相似性算法的實現(xiàn)具有至關(guān)重要的意義。首先，通過對指令票上所提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字流算法向量處理，作為輸入目標(biāo)相似性算法中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。對所提取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字字符串展開向量化處理。為增強(qiáng)算法的分詞泛化處理能力，還應(yīng)對語句進(jìn)行預(yù)處理，挖掘出更多的共現(xiàn)字符。在完成以上操作后，還應(yīng)經(jīng)過DNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將字符串轉(zhuǎn)化為有效的語義向量，再輸入目標(biāo)相似性算法模型之中展開分析。

在該系統(tǒng)中的目標(biāo)相似性算法模型為：

在上式當(dāng)中A 為指令票上的關(guān)鍵字向量值，B為庫中的標(biāo)準(zhǔn)向量值，當(dāng)A、B 的level 值居中時，則說明所對比的兩個字段是完全相同的。

1.4 基于AI 技術(shù)的操作票識別系統(tǒng)的優(yōu)點分析

在傳統(tǒng)的變電站運維中，操作票的填寫是人工實現(xiàn)的，在本文當(dāng)中所設(shè)計的操作票系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)操作票的自動生成。變電運維人員只需要將指令票放在高清拍攝儀下，并登錄到系統(tǒng)之中，單擊開始，系統(tǒng)就能自動對指令票的內(nèi)容進(jìn)行識別，生成操作票記錄。

為了進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)的有效性，技術(shù)人員進(jìn)行了多次重復(fù)實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的指令票識別率高達(dá)90%以上；而針對不同電指令票系統(tǒng)“地點”的識別有效率則高達(dá)95%以上，而目標(biāo)相似性算法中的操作票記錄與實際操作項目額數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，相似性系數(shù)位于0.5左右的有效率則高達(dá)98%。通過上述實驗可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)所生成的操作票正確率在90%以上。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)實際上是基于對傳統(tǒng)人工書寫操作票的模式進(jìn)行自動化、智能化處理，這能夠?qū)⒐ぷ魅藛T從復(fù)雜的文字書寫中解放處理，提升工作效率。而且相較于傳統(tǒng)人工書寫，本文所設(shè)計的系統(tǒng)通過數(shù)字化、智能化處理能夠精準(zhǔn)地獲得所需要的信息，并自動完成繁冗的數(shù)據(jù)處理和書寫過程，有效降低因為工作人員疏忽或者書寫錯誤而造成的錯誤，大幅度提升了工作的精準(zhǔn)性。

2 硬件設(shè)計

在該系統(tǒng)之中，最關(guān)鍵的硬件為高清拍攝儀，為了滿足系統(tǒng)拍攝、OCR 識別，以及文字識別等多重復(fù)雜功能，應(yīng)盡量選擇市場上較為先進(jìn)的高清拍攝儀。在本次設(shè)計之中所選擇的高清拍攝儀采用了維山S1，此高拍儀所使用的CPU 為MIPS，具備三束激光，屏幕尺寸為2.7英寸，分辨率為320×240，配備通用電源適配器。該設(shè)備的照片如圖2所示。在使用時只需要將文件放置在攝像頭的指定位置就可以識別出照片并將照片中的信息自動轉(zhuǎn)化。

圖2 高清拍攝儀

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在軟件系統(tǒng)設(shè)計模塊，主要設(shè)計的內(nèi)容包含用戶操作軟件系統(tǒng)設(shè)計、用戶軟件操作，以及數(shù)據(jù)庫設(shè)計等。其中，用戶操作軟件系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要涉及Java 語言開發(fā)和Vue 技術(shù)開發(fā)；在用戶軟件操作方面，主要研究的是登錄頁面、項目首頁，以及數(shù)據(jù)列表展示頁面，而數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要分析數(shù)據(jù)庫的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計概述

從上文中對該系統(tǒng)的功能描述中可以發(fā)現(xiàn)，軟件系統(tǒng)大致可以分為兩個不同的模塊，用戶登錄模塊與圖像識別模塊。在該系統(tǒng)中，用戶登錄模塊為自行設(shè)計，具體包含了登錄與監(jiān)控兩個不同的模塊。圖像識別模塊則直接調(diào)用OCR 圖像識別軟件。

3.2 用戶操作軟件系統(tǒng)設(shè)計

基于AI 技術(shù)的變電運維操作票系統(tǒng)要將識別的信息轉(zhuǎn)化為軟件代碼才能滿足系統(tǒng)深化應(yīng)用的現(xiàn)實需求，并滿足系統(tǒng)的初步使用需求。結(jié)合該系統(tǒng)的技術(shù)條件，選擇采用Java 語言進(jìn)行開發(fā)，軟件配置環(huán)境選擇jdk1.8，MySQL5.6版本。

在軟件開發(fā)的初始階段，需要先對接口進(jìn)行測試，具體而言，需要導(dǎo)入依賴spring-boot-starter-test，以便實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流、常見錯誤，以及不正確的邏輯進(jìn)行測試分析，以確保用戶系統(tǒng)操作的流暢性。系統(tǒng)后端使用springboot 的主要原因是該工具在拓展性方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠更有效地進(jìn)行照片的讀取，并允許OCR 軟件在后端生成數(shù)據(jù)表格。為了提升系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，所有接口均選擇restfull風(fēng)格的接口，在前端所獲得的信息并不需要進(jìn)行任何處理，只需要渲染即可，后端的數(shù)據(jù)處理也是基于JSON 格式進(jìn)行的。在這種前后分離的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)變得更為簡單，數(shù)據(jù)維護(hù)與更新也變得更為清晰[3]。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫還采用了MySQL，這種開放型的數(shù)據(jù)庫允許多任務(wù)協(xié)同工作，從而使系統(tǒng)能夠同時滿足多個不同變電站同時使用的需求。

根據(jù)該系統(tǒng)的功能需求，前臺與后臺開發(fā)采用了不同的工具，后臺采用Java 技術(shù)。主要是由于Java 屬于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，由于其具有較高的可移植性，從而能夠適用于多種不同的平臺，在靈活性方面具有更大的優(yōu)勢。此外Java 屬于解釋型語言，程序翻譯與執(zhí)行相互堵路，對程序的運行沒有直接影響。前臺則采用Vue 框架開發(fā)，這是由于Vue 框架具有雙向性，同時數(shù)據(jù)更新不需要對整個頁面進(jìn)行刷新處理，設(shè)計人員也并不需要頻繁獲取DOM 節(jié)點，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單。

3.3 用戶軟件操作

3.3.1 登錄頁面

用戶進(jìn)入網(wǎng)頁之后，單擊登錄界面進(jìn)行登錄操作，系統(tǒng)會提示輸入用戶名與密碼。用戶必須輸入正確的用戶名與密碼才能登錄系統(tǒng)，否則會給出與之對應(yīng)的錯誤提示，根據(jù)錯誤提示修正登錄信息即可完成登錄。

3.3.2 項目首頁

項目首頁主要體現(xiàn)的是高清拍攝儀攝像頭實時拍攝的內(nèi)容，用戶可以通過項目首頁觀察任務(wù)單是否正確擺放在規(guī)定的位置，用戶單擊開始之后即可識別相關(guān)信息，之后“開始”按鈕將會變?yōu)椤發(fā)oading”。

3.3.3 數(shù)據(jù)列表展示頁面

當(dāng)完成數(shù)據(jù)識別，后端數(shù)據(jù)尚未完成處理時，頁面上就會自動生成一個操作票文件列表，并按照順序排列好。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫表必須實現(xiàn)項目與Word 模板之間的相互對應(yīng)，poi 技術(shù)允許用戶輸入信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行匹配，如果數(shù)據(jù)庫中存在匹配一致的項目，則調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的字符串替代文檔中的關(guān)鍵字，并將信息采用數(shù)據(jù)流的方式寫入文件夾中[4]。用戶也可以在操作票生成頁面單擊生成后的操作票文檔，數(shù)據(jù)庫的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 操作項目

4 結(jié)語

在變電站操作票管理方面，數(shù)字化水平逐漸提高，且系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時更新，為操作票管理的圖模自動同步提供了有力的支持，AI 技術(shù)的變電運維操作票系統(tǒng)中的應(yīng)用在很大程度上能為智能開票和系統(tǒng)免維護(hù)打下基礎(chǔ)。因此，在變電運維操作票系統(tǒng)的設(shè)計中融入AI 技術(shù)，可提高操作票調(diào)度工作的可靠性、精準(zhǔn)性和效率，助力變電運維操作票系統(tǒng)向智能化方向轉(zhuǎn)型。