語音問答在地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)培訓(xùn)中的實(shí)踐

劉 詩，李煥奇，綦雪松

(國網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132011)

能讓機(jī)器像人一樣用語言來溝通，是人工智能的重要任務(wù)之一。用戶和具有智能問答系統(tǒng)的手機(jī)之間通過一問一答的形式進(jìn)行交互，讓手機(jī)為用戶提供答案的智能問答系統(tǒng)，是利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)專業(yè)領(lǐng)域問題的有效培訓(xùn)方案[1]。目前智能交互系統(tǒng)研究已較為成熟，但由于電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的復(fù)雜性與專業(yè)性，用于地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度的智能問答系統(tǒng)并不多見[2-4]。

地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度是地市級(jí)電網(wǎng)正常倒閘操作和事故及異常處理的指揮機(jī)構(gòu),所面向的對(duì)象是地區(qū)電網(wǎng)。地區(qū)電網(wǎng)由一個(gè)個(gè)以一次變電站及其所帶線路以及二次變電站和用戶構(gòu)成的分區(qū)網(wǎng)組成，分區(qū)網(wǎng)由變電站和連接變電站的線路構(gòu)成，變電站由母線、主變壓器(以下稱主變)、無功補(bǔ)償裝置、站用變壓器(以下稱站用變)、消弧線圈、保護(hù)及自動(dòng)裝置等一、二次設(shè)備構(gòu)成。由這些電網(wǎng)、分區(qū)網(wǎng)、變電站、母線、主變、設(shè)備、線路等電網(wǎng)構(gòu)成要素作為定位實(shí)體特征詞以及其間相連接的拓?fù)潢P(guān)系，就可以通過人工預(yù)定義規(guī)則將其設(shè)計(jì)成實(shí)體詞表，構(gòu)建成知識(shí)庫，應(yīng)用知識(shí)推理和規(guī)則推理，實(shí)現(xiàn)智能問答對(duì)話功能。

1 系統(tǒng)概述與總體架構(gòu)

1.1 開發(fā)工具與所用數(shù)據(jù)庫簡介

本系統(tǒng)利用火山安卓軟件開發(fā)平臺(tái)制作，程序運(yùn)行在安卓系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備上?；鹕杰浖_發(fā)平臺(tái)是一個(gè)目的硬件設(shè)備無關(guān)、目的軟件環(huán)境無關(guān)、完全本地化的軟件快速開發(fā)平臺(tái)，使用者無需掌握太多的專業(yè)編程知識(shí)，即可快速開發(fā)高效實(shí)用的各類應(yīng)用軟件[5]。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用SQLite存儲(chǔ)。SQLite是一款體積小、性能高、支持各種軟硬件平臺(tái)、提供多種語言接口、支持SQL查詢、視圖、觸發(fā)器等機(jī)制的輕型數(shù)據(jù)庫，是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的庫，實(shí)現(xiàn)了自給自足、無服務(wù)器、零配置、事務(wù)性的SQL數(shù)據(jù)庫引擎[6,7]。其已內(nèi)嵌于安卓系統(tǒng)中，無需安裝和配置。

1.2 系統(tǒng)界面與總體設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的主UI界面采用火山安卓的界面布局設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)，最底層的啟動(dòng)類是一個(gè)安卓無標(biāo)題白色窗口，其上放一個(gè)縱向線性布局器。整體構(gòu)思是仿QQ和微信界面，通過多個(gè)線性布局器按不同縱橫比例的屬性設(shè)置和一個(gè)布局在縱向滾動(dòng)容器上的氣泡聊天框來實(shí)現(xiàn)類似于QQ和微信中的左、右交替效果的對(duì)話列表顯示。按鈕及控件背景圖用XML安卓背景制作工具制作。本系統(tǒng)的主UI界面的實(shí)際效果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的主UI界面截圖

本系統(tǒng)作為地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)培訓(xùn)用的智能問答系統(tǒng)，依賴的是地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)知識(shí)，知識(shí)集中在地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的老調(diào)度員制作的人工預(yù)定義規(guī)則能夠有針對(duì)性提供良好的知識(shí)推理，知識(shí)庫中的表結(jié)構(gòu)即為人工預(yù)定義規(guī)則。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的知識(shí)問答，實(shí)際上是對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)在知識(shí)庫問答對(duì)表中的問題進(jìn)行搜索與匹配，根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)涉及問題的實(shí)際情況，在對(duì)問題進(jìn)行分詞處理時(shí)，將問題分詞劃分為實(shí)體分詞和非實(shí)體分詞，再分別給予不同的權(quán)重，即每匹配上一個(gè)分詞，吻合度判據(jù)加不同的分?jǐn)?shù)，最終找到吻合度判據(jù)分?jǐn)?shù)最高的問題對(duì)應(yīng)的答案，將其用TTS語音播放出來。

1.3 系統(tǒng)的架構(gòu)與功能模塊

本系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)設(shè)置、知識(shí)庫維護(hù)和語音問答3個(gè)功能模塊，3個(gè)功能均可通過UI界面上的按鈕進(jìn)入。系統(tǒng)設(shè)置按鈕只有在APK安裝后首次開啟時(shí)才可直接進(jìn)入設(shè)置，是通過讀寫一個(gè)保存在系統(tǒng)資源文件夾中的config.txt文件實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)置文件中，每個(gè)變量值占一行，包括系統(tǒng)名稱、注冊(cè)信息、問答虛擬人物的昵稱等內(nèi)容。知識(shí)庫維護(hù)模塊提供了對(duì)庫中各表內(nèi)容進(jìn)行增、刪、查詢和導(dǎo)入功能；問答模塊是本系統(tǒng)的主體，實(shí)現(xiàn)語音問答功能。總體架構(gòu)和功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能框圖

2 知識(shí)庫及其維護(hù)

2.1 知識(shí)庫的構(gòu)成及作用

本系統(tǒng)的知識(shí)庫是一個(gè)名為zsku.db的SQLite數(shù)據(jù)庫，庫中有4個(gè)表，分別是實(shí)體詞表、同義詞表、停用詞表和問答對(duì)表，其中同義詞表用于詞義消歧、停用詞表用于剔除無關(guān)緊要的虛詞和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，這2個(gè)表都用于實(shí)體規(guī)范化；實(shí)體詞表中結(jié)構(gòu)化存放著本地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)分區(qū)網(wǎng)(系統(tǒng))、變電站、發(fā)電廠名稱及其具體設(shè)備名稱和描述設(shè)備屬性的實(shí)體詞，用于實(shí)現(xiàn)從問答對(duì)中匹配出提問的問題；問答對(duì)表中存放的是一問一答的問答對(duì)，只要搜索到了問題，答案也就找到，因?yàn)閱栴}與答案具有相同的ID，查詢和維護(hù)管理都比較容易。

2.2 實(shí)體詞表

實(shí)體詞用于對(duì)提問問句文本進(jìn)行分詞，其中定位實(shí)體詞用于在實(shí)體詞表中定位其所在行ID，用定位實(shí)體特征詞來識(shí)別該實(shí)體詞是否為定位實(shí)體詞。定位實(shí)體詞每行一個(gè)，排在行首，主要有：地區(qū)、系統(tǒng)、變電站、線路、主變、母線等；本行其他實(shí)體詞均為其屬性或其所連接的設(shè)備，主要有：參數(shù)、電容器、站用變、消弧線圈、保護(hù)、自動(dòng)裝置、運(yùn)行方式、維護(hù)單位、所帶負(fù)荷等。

2.3 停用詞表和同義詞表

停用詞用于剔除問句文本中無實(shí)際意義的虛詞和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，主要有“什么、是、的”和“問號(hào)、逗號(hào)、句號(hào)”等。停用詞表每行一個(gè)停用詞，在程序中用空字符替換停用詞。同義詞用于詞義消歧，同義詞表是每行一個(gè)同義詞對(duì)，一個(gè)為實(shí)體別名，一個(gè)為規(guī)范同義實(shí)體詞，通過同義詞表把平時(shí)具有別名和不規(guī)范的口語化名詞，統(tǒng)一替換為規(guī)范實(shí)體詞，在程序中通過文本替換函數(shù)過濾后，提問問句中的實(shí)體詞得以規(guī)范化。

2.4 問答對(duì)表

問答對(duì)表是一問一答的2段文本，在表中占同一行，具有相同的ID，只要程序搜索到問題，其答案也就同時(shí)被找到了。程序?qū)⒄业降拇鸢肝谋居肨TS播放出來，就完成了一輪語音問答，因此本系統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于如何搜索到提問的問題。

2.5 各表的維護(hù)

本系統(tǒng)在封面歡迎頁上提供了維護(hù)入口按鈕，點(diǎn)擊后可進(jìn)入各個(gè)表的維護(hù)頁面，不但設(shè)計(jì)了查詢、添加、刪除和修改功能，而且還設(shè)置了由給定utf8格式的txt文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)功能，導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)有在尾部追加和清空后導(dǎo)入2種選擇。修改txt文件需要用文本編輯工具打開或在PC機(jī)中按格式編輯好后再傳入移動(dòng)設(shè)備中。

zsku.db和config.txt文件作為安卓外部資產(chǎn)，在系統(tǒng)首次安裝時(shí)便被寫入到其所在文件夾下，每次重啟時(shí)都會(huì)自動(dòng)檢測文件是否存在，若已缺失則會(huì)自動(dòng)補(bǔ)全，若已存在則不會(huì)覆蓋，以保證文件內(nèi)容為最新。

3 語音問答的實(shí)現(xiàn)

語音問答的實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的主體和核心，包括輸入輸出、實(shí)體規(guī)范化、語義解析和問答匹配5個(gè)功能模塊，詳細(xì)流程如圖3所示。

圖3 語音問答實(shí)現(xiàn)流程

3.1 輸入與輸出

輸入模塊的功能是將用戶的提問語音轉(zhuǎn)換成文字，讓機(jī)器具有聽的能力[8]；輸出模塊是將系統(tǒng)查詢到的答案文字轉(zhuǎn)換成語音，讓機(jī)器具有說的能力。本系統(tǒng)的輸入和輸出采用的是火山安卓封裝的“訊飛語音支持”模塊。用訊飛在線語音識(shí)別類實(shí)現(xiàn)語音到文本的轉(zhuǎn)換功能；用訊飛在線語音合成類實(shí)現(xiàn)文本到語音的TTS語音輸出[9]。

由于系統(tǒng)面向地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度用戶，有很多轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)中的自定義名詞在通用的語音識(shí)別模型中不能很好地識(shí)別，因此系統(tǒng)利用了訊飛輸入法先將語音識(shí)別成文字到文本框，由用戶校正確認(rèn)后再發(fā)送到系統(tǒng)，這樣可以利用訊飛輸入法的添加個(gè)人語音詞庫功能，批量添加自定義名詞以提升識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.2 實(shí)體規(guī)范化

由麥克風(fēng)輸入的語音經(jīng)訊飛輸入法識(shí)別出來的原始問題文本經(jīng)詞義消歧和過濾停用詞后即完成了實(shí)體規(guī)范化，輸出的是凈問題文本。其中詞義消歧是通過將具有一個(gè)和多個(gè)別名的實(shí)體詞全部替換為實(shí)體詞表中可查到的規(guī)范詞來實(shí)現(xiàn)的；過濾停用詞是通過將無實(shí)際意義的虛詞和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)替換為空字符實(shí)現(xiàn)的。

3.3 語義解析

語義解析是通過實(shí)體識(shí)別形成實(shí)體數(shù)組和非實(shí)體數(shù)組實(shí)現(xiàn)的。實(shí)體識(shí)別即用實(shí)體詞表為字典對(duì)凈問題文本進(jìn)行分詞處理，找出凈問題中的實(shí)體詞，形成實(shí)體詞數(shù)組[10]。首先在問題文本的前半部分搜索定位實(shí)體特征詞，如果找到則將該定位實(shí)體特征詞前的定位實(shí)體提取出來，如果沒有找到且多輪問答判據(jù)為真，則將上輪定位實(shí)體取出賦值給本輪，完成詞槽填充，并將定位實(shí)體詞賦值給實(shí)體詞數(shù)組0元素。然后在實(shí)體詞表中搜索定位實(shí)體詞，找到后遍歷該行其他實(shí)體詞去逐一匹配凈問題文本，將匹配到的詞賦值給實(shí)體詞數(shù)組1及以后的元素得到完整的實(shí)體詞數(shù)組。最后將挖去實(shí)體詞的凈問題文本進(jìn)行逐字分割，得到非實(shí)體詞數(shù)組。

3.4 問答匹配

首先用實(shí)體詞數(shù)組中的每一個(gè)元素去遍歷知識(shí)庫問答對(duì)表中的問題文本，并用包含文本函數(shù)對(duì)其進(jìn)行匹配，每匹配到一個(gè)元素，就將該ID的問題吻合度判據(jù)加5分。然后再用非實(shí)體詞數(shù)組中的每一個(gè)元素去遍歷知識(shí)庫問答對(duì)表中的問題文本，并用包含文本函數(shù)對(duì)其進(jìn)行匹配，每匹配到一個(gè)元素，就將該ID的問題吻合度判據(jù)加1分。最后將各問題ID吻合度按分?jǐn)?shù)由高到低進(jìn)行排序，當(dāng)問題吻合度判據(jù)分?jǐn)?shù)相同時(shí)以問題文本長度最短者優(yōu)先。這樣，分值最高者即為最吻合的問題，其ID對(duì)應(yīng)的答案即為要尋找的答案。如果吻合度小于2，表明問答對(duì)表中沒有與此匹配的問題，則用“這個(gè)問題我還沒有學(xué)會(huì)，你能告訴我答案嗎？”進(jìn)行兜底回答，然后將你告訴的答案和剛才提問的問題組成一個(gè)新的問答對(duì)添加到庫中，完成自我學(xué)習(xí)的知識(shí)積累過程。

3.5 多輪問答與詞槽填充

在多輪問答過程中，提問者不斷發(fā)問，在口語化的問句中就會(huì)省略很多前面已經(jīng)提到過的內(nèi)容，這樣就需要對(duì)上輪實(shí)體數(shù)組和上輪非實(shí)體數(shù)組進(jìn)行提前備份，用來填充本輪實(shí)體數(shù)組和非實(shí)體數(shù)組中缺失的元素，才能得到完整正確的回答內(nèi)容。通過判斷用戶所提問題是單輪對(duì)話還是多輪對(duì)話、若為多輪對(duì)話則要進(jìn)一步判斷提問中缺失的是否為定位實(shí)體，然后分3種情況進(jìn)行處理。系統(tǒng)默認(rèn)第一問為單輪。舉例說明如下，效果見圖1。

第一問：龍?zhí)蹲冸娬局髯內(nèi)萘渴嵌嗌伲?/p>

經(jīng)詞義消歧、過濾停用詞和分詞處理后問題凈文本變?yōu)閇龍?zhí)蹲僝[電][站][主變][容量]，實(shí)體分詞數(shù)組為{[龍?zhí)蹲僝[主變][容量]}、非實(shí)體分詞數(shù)組為{[電][站]}，其中[龍?zhí)蹲僝為定位實(shí)體，通過它可識(shí)別出問題意圖范圍在龍?zhí)蹲?，用其定位?shí)體詞表的ID。再同該ID的其他實(shí)體詞去匹配問答對(duì)表中的問題，從而找到答案。然后程序會(huì)將這些分詞備份到“上輪實(shí)體數(shù)組”和“上輪非實(shí)體數(shù)組”變量中。

第二問：那土城變的呢？

經(jīng)詞義消歧、過濾停用詞和分詞處理后問題凈文本只剩下[土城變]一個(gè)定位實(shí)體，其他部分全部為空。此種情況程序會(huì)將數(shù)組中缺失元素用先前備份過的上輪數(shù)組元素填充，從而得到完整的問題：[土城變][電][站][主變][容量]，再按第一問的辦法搜索到答案。

第三問：再說說消弧線圈吧。

經(jīng)詞義消歧、過濾停用詞和分詞處理后問題凈文本只剩下[消弧線圈]一個(gè)實(shí)體元素，定位實(shí)體和非實(shí)體分詞數(shù)組全部為空。此種情況程序亦會(huì)將數(shù)組中缺失元素用先前備份過的上輪數(shù)組元素填充，從而得到完整的問題：[土城變][電][站][消弧線圈][容量]，再按第一問的辦法搜索到答案。

如此反復(fù)，便可實(shí)現(xiàn)單輪和多輪的各種問答。

4 結(jié)語

以火山安卓為工具，開發(fā)了地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度智能問答系統(tǒng)，驗(yàn)證了人工預(yù)定義規(guī)則在地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)規(guī)則推理的有效性，提高了調(diào)度員培訓(xùn)的靈活性，為充分利用碎片化時(shí)間進(jìn)行專業(yè)領(lǐng)域培訓(xùn)提供了一個(gè)良好的途徑。