謝艾玲 吳秋明 劉方

摘 要：圍繞水利工程監(jiān)測預(yù)警、水利工程安全運行等行業(yè)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(shù)，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(shù)，實現(xiàn)工程設(shè)備異常監(jiān)測自動預(yù)警，創(chuàng)新水利工程設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，提升監(jiān)測預(yù)警能力，降低設(shè)備運維成本;通過知識圖譜技術(shù)梳理水利工程設(shè)備相關(guān)水利對象、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，實現(xiàn)水利工程設(shè)備運維方案智能推送;通過語音交互技術(shù)在水利工程運維場景中的智能問答應(yīng)用，進(jìn)一步提高工程設(shè)備運維效率，縮短設(shè)備檢修響應(yīng)時間，提升水利工程安全運行的智能化水平。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0617

信息化、智慧化已成為全球經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的顯著特征。我國智慧化發(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]。水利作為國民經(jīng)濟(jì)社會發(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?，國家出臺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的重中之重，事關(guān)社會民生福祉，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)已具備計算機(jī)化的監(jiān)控系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、采集、分析、報表、曲線、棒圖等功能，可以實現(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化監(jiān)控需求;已建成視頻監(jiān)視系統(tǒng)，基本實現(xiàn)泵站工程重要區(qū)域的動態(tài)實時監(jiān)控;傳感器設(shè)置較為完善，泵站監(jiān)測的數(shù)據(jù)包含電量，溫度量，模擬量和開關(guān)量等，基本實現(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)取得長足發(fā)展。長期以來，泵站工程建設(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、運維管理時效差等問題[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方案（2019-2021年）的通知》，明確提出加強(qiáng)水利工程安全運行管理。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行、水利工程建設(shè)等業(yè)務(wù)。2020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組成部分，又是當(dāng)前建設(shè)的重點短板之一，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)，為我國社會生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)，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(hù)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(hù)直接影響水利工程建設(shè)的興衰，智慧泵站的建設(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? 時代發(fā)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(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)和社會效應(yīng)，另一方面，傳統(tǒng)泵站運行管理機(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，維修養(yǎng)護(hù)響應(yīng)慢，指揮調(diào)度時效性差，運行維護(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? 研究內(nèi)容

本文針對語音交互技術(shù)應(yīng)用到水利工程安全運行等方面存在的工程設(shè)備故障診斷、工程設(shè)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(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，實現(xiàn)自動判別各種水利工程設(shè)備運行聲音異常狀態(tài)并進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的設(shè)計;研究針對水利工程設(shè)備日常運維的語音調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)運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)運維人員提高工作效率，降低運維難度，節(jié)省運維成本;研究通過語音交互技術(shù)在水利工程運維檢修場景中的應(yīng)用途徑，提高工程設(shè)備運維效率，提升水利工程設(shè)備的智能化水平。

2.1? 技術(shù)路線

本文主要針對泵站工程運行維護(hù)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(huán)節(jié)的一個系統(tǒng)性關(guān)系及層次梳理，通過挖掘水利對象及要素數(shù)據(jù)關(guān)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(shù)，為泵站安全運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? 研究內(nèi)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(shù)在泵站工程運行維護(hù)過程中的應(yīng)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(shù)，創(chuàng)新泵站設(shè)備監(jiān)測預(yù)警機(jī)制;基于知識圖譜技術(shù)，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(shù)，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(jìn)行測定，是一種生物識別技術(shù)[4]，聲紋具有較強(qiáng)的獨特性和唯一性，因此現(xiàn)代往往將這項技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)安全和財產(chǎn)安全保護(hù)中，聲紋識別技術(shù)在公安、金融、交通等領(lǐng)域有比較成熟的研究成果，但在工程運維方面目前還沒有成熟的具有實際應(yīng)用價值的研究成果，本次研究提出一種基于聲紋識別技術(shù)的泵站設(shè)備監(jiān)測預(yù)警機(jī)制及實現(xiàn)途徑。

當(dāng)下水利工程監(jiān)測預(yù)警主要是通過接觸式的監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測運行工程設(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)行異常報警，本次項目研究擬采用聲紋識別技術(shù)，通過采集和建立工程設(shè)備異常聲紋庫，與工程設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時的機(jī)組運行聲音進(jìn)行對比，判別機(jī)組是否出現(xiàn)異常并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，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（異常類型）。

在不停電狀態(tài)下獲取水利工程設(shè)備的振動聲學(xué)特性，通過對設(shè)備聲紋的分析，利用人工智能分析算法，深入挖掘設(shè)備在不同運行工況和缺陷下的狀態(tài)特征，并有效地表征其運行狀態(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、狀態(tài)預(yù)警和聲紋智能識別等方面的技術(shù)難題，形成統(tǒng)一的聲紋分析管理系統(tǒng)，對水利工程設(shè)備不停電檢測技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)體系的建立具有重要的推動作用。通過聲紋識別技術(shù)，實現(xiàn)泵站工程設(shè)備自動預(yù)警，創(chuàng)新工程設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，提升監(jiān)測預(yù)警能力，降低設(shè)備運維成本。

2.2.2? 泵站運維知識圖譜

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)知世界的知識表現(xiàn)形式，領(lǐng)域知識圖譜（domain-specific knowledge graph，DKG）由于其數(shù)據(jù)規(guī)模巨大、語義關(guān)系豐富、質(zhì)量優(yōu)秀、結(jié)構(gòu)友好等特性，逐漸在醫(yī)療、金融、電力等多個領(lǐng)域或行業(yè)取得了應(yīng)用[5-6]。目前，在水利領(lǐng)域的研究和實際應(yīng)用還處在初步探索階段，本次結(jié)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(xiàn)途徑。

當(dāng)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(jìn)行檢查和養(yǎng)護(hù)，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備異?；驌p壞，再通知運維人員進(jìn)行現(xiàn)場檢修。本次研究提出采用建立泵站工程設(shè)備運維知識圖譜的方式，建立水利工程設(shè)備各種運行異常狀態(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，主動向運維人員推送預(yù)警信息及對應(yīng)的維修方案，以便運維人員在進(jìn)行工程設(shè)備檢修時降低運維難度，簡化運維流程，大大提高工程設(shè)備運維的效率，降低運維成本。

通過知識圖譜技術(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)，智能推送運維解決方案，化被動為主動，高效、便捷保證水利工程設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)和使用，提高監(jiān)測預(yù)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(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7×24小時的智能問答服務(wù)，在醫(yī)療、教育、金融等多個領(lǐng)域凸顯出重要的應(yīng)用價值[7]。目前，智能問答技術(shù)還未應(yīng)用到水利工程運維檢修場景中，本次結(jié)合泵站設(shè)備的運維檢修場景，提出一種基于語音交互技術(shù)的泵站智能運維方法和途徑。

當(dāng)下泵站檢修及運維對工作人員專業(yè)水平要求較高，需積累大量維修經(jīng)驗，對泵站設(shè)備故障進(jìn)行反復(fù)排查，才能確定最終維修方案，檢修過程耗時耗力。智能問答是知識圖譜技術(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)，在泵站運維知識圖譜創(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維檢修工作。

3? 結(jié)語

本文針對語音交互技術(shù)應(yīng)用到水利工程安全運行等方面存在的工程設(shè)備故障診斷、工程設(shè)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(shù)，研究基于聲音的故障診斷模型優(yōu)化方案，實現(xiàn)自動判別各種水利工程設(shè)備運行聲音異常狀態(tài)并進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的設(shè)計;研究針對水利工程設(shè)備日常運維的語音調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)運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)運維人員提高工作效率，降低運維難度，節(jié)省運維成本;研究通過語音交互技術(shù)在水利工程運維檢修場景中的智能問答應(yīng)用，提高工程設(shè)備運維效率，提升水利工程設(shè)備的智能化水平。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]湯立. 智慧泵站手機(jī)APP系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[D].揚州大學(xué)，2018.

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

收稿日期：2021-05-07

基金項目：認(rèn)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(wù)的研究與應(yīng)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，F(xiàn)urther 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