基于圖像識別的電廠順控方法研究與應(yīng)用

馬 進(jìn)，李紅宇，劉 文，趙雨秋

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定071003）

目前火電廠集控運(yùn)行的相關(guān)操作運(yùn)行由值長和集控值班員等人共同進(jìn)行管理操作[1]，該方法存在人員配置問題，在機(jī)組啟停、機(jī)組檢修時(shí)，因設(shè)備操作量大，為按時(shí)完成任務(wù)，需要多個(gè)操作人配合；但在機(jī)組穩(wěn)況下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際需要的操作人員較少[2]。

目前國內(nèi)各類發(fā)電企業(yè)均配備了自動控制系統(tǒng)、監(jiān)控信息系統(tǒng)以及管理信息系統(tǒng)等，但其與智能化仍存在較大距離，在DCS 人機(jī)界面信息的讀取、傳遞、處理等操作過程中，大部分是靠人工操作完成。操作員執(zhí)行大量的重復(fù)性工作，作業(yè)效率低，人員過剩。電廠的DCS 系統(tǒng)一般是封閉的，需通過操作員進(jìn)行人工識別與操作，點(diǎn)擊畫面中相應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)DCS 控制。本文利用新形勢下的圖像識別相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一個(gè)適用于電廠DCS 的順序控制程序，該程序可以代替值長、 操作員、 監(jiān)護(hù)人等完成對DCS 系統(tǒng)的操作、設(shè)備的狀態(tài)及其相關(guān)參數(shù)的圖像識別，提高變電站工作人員的工作效率，實(shí)現(xiàn)減員增效的目的[3]。

1 電廠順控模型

1.1 集控值班員順序操作流程

火電機(jī)組運(yùn)行相關(guān)操作涉及設(shè)備啟停、檢修與正常運(yùn)行調(diào)整，并且嚴(yán)格遵循“兩票三制”，即工作票、操作票、交接班制、巡回檢查制、設(shè)備定期實(shí)驗(yàn)輪換制的管理制度，集控值班員按照職能分為值長、班長、監(jiān)護(hù)人等，其日常工作包含兩個(gè)方面：日常常規(guī)設(shè)備操作與定期設(shè)備切換，機(jī)組檢修重啟操作與重要輔機(jī)啟動操作等[1，4]。

集控值班室工作人員基本任務(wù)流程：值長下達(dá)操作任務(wù)，操作人編寫操作票，監(jiān)護(hù)人與值長等人共同審核，在監(jiān)護(hù)人的監(jiān)護(hù)下，操作員按照操作票的具體內(nèi)容，完成相應(yīng)操作，每完成一項(xiàng)操作，操作人與監(jiān)護(hù)人共同確認(rèn)操作是否正確，繼續(xù)操作，上交操作票[5-6]。

1.2 順控方法模型

每個(gè)操作票都有多項(xiàng)設(shè)備操作和其對應(yīng)操作條件，操作人按照順序，一項(xiàng)一項(xiàng)地完成具體的操作，并與值長或監(jiān)護(hù)人等共同判斷操作條件。針對操作員完成每一項(xiàng)的操作以及監(jiān)護(hù)人等人的行為，假設(shè)操作票已知，在此建立了順序控制方法模型[7]。

基本順控模型分為5 個(gè)部分：①值長下達(dá)操作任務(wù)；②接收指令部分，指令為單步設(shè)備操作，如操作員接收打開鍋爐上水中電泵系統(tǒng)中的電泵；③執(zhí)行操作部分；④反饋信息，操作員上交操作票的行為；⑤值長等人對反饋信息進(jìn)行條件判斷，并從步驟①開始重復(fù)執(zhí)行。

1.3 基于圖像識別的順控方法模型

為了實(shí)現(xiàn)無人化操作，對值長、監(jiān)護(hù)人、操作人的行為進(jìn)行抽象，利用研究的獲取操作軟件，代替集控值班員完成單一操作任務(wù)[4]；利用圖像識別技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備相關(guān)參數(shù)的識別，代替值長等人的條件判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，按操作票順序進(jìn)行設(shè)備操作[8]。

基于圖像識別的順控模型假設(shè)：

（1）設(shè)備本身、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋指示機(jī)構(gòu)等狀態(tài)正常。

（2）操作票的設(shè)備操作順序已知，設(shè)備操作條件已知。

（3）模型僅執(zhí)行在DCS 上的操作。

（4）模擬的單步操作可以完成正確的設(shè)備操作。

基于圖像識別的順控模型分為7 個(gè)部分：①值長發(fā)布操作任務(wù)；②接受操作命令部分，該指令為大項(xiàng)操作命令，如操作人啟動某個(gè)系統(tǒng)；③執(zhí)行操作部分；④設(shè)備及參數(shù)圖像采集；⑤設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)識別；⑥條件判斷識別結(jié)果；⑦執(zhí)行操作票下一步，并從步驟③開始反復(fù)執(zhí)行。

2 基于圖像識別的順控程序

2.1 順控程序功能

（1）記錄操作動作，操作復(fù)現(xiàn)

由操作捕捉程序?qū)崿F(xiàn)記錄操作動作，并完成單步設(shè)備操作的復(fù)現(xiàn)。

（2）接收指令

利用SAPI 實(shí)現(xiàn)語音識別功能，接收操作指令，每個(gè)大項(xiàng)操作指令對象多個(gè)設(shè)備操作。

（3）設(shè)備及參數(shù)圖像采集

由圖像采集程序，實(shí)現(xiàn)指定設(shè)備或參數(shù)圖像的獲取。每步單項(xiàng)設(shè)備操作，都對應(yīng)指定的設(shè)備或參數(shù)。

（4）設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)識別

單步設(shè)備操作完成后，對指定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識別，或?qū)χ付▍?shù)進(jìn)行數(shù)字識別。

（5）條件判斷識別結(jié)果

由指定的識別結(jié)果與對應(yīng)的設(shè)備操作條件進(jìn)行比較判斷，根據(jù)判斷結(jié)果自動執(zhí)行下一步。

2.2 順控程序流程

以某火電廠機(jī)組啟動操作規(guī)程中的鍋爐上水中電泵系統(tǒng)為例，操作員按照下面順序流程完成設(shè)備操作：①啟動電泵；②提高電泵轉(zhuǎn)速到10；③開啟電泵出口電動閥。

按照該操作流程，順控流程可分為發(fā)布指令、接收指令、設(shè)備操作、設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)識別、條件判斷等環(huán)節(jié)。順控程序流程如圖1 所示。

圖1 順控程序流程Fig.1 Sequence control program flow chart

值長或操作員喚醒順控程序，喚醒程序后，發(fā)布需要執(zhí)行的指令，程序按照事先的順序流程依次完成單步設(shè)備操作，判斷設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)，按條件執(zhí)行下一步 （下一步的設(shè)備操作）。如按照本次流程，首先啟動電泵，識別電泵狀態(tài)，若電泵運(yùn)行，則執(zhí)行提高電泵轉(zhuǎn)速，識別轉(zhuǎn)速，若轉(zhuǎn)速為10 則繼續(xù)下一步，直到結(jié)束。

3 順控方法程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 語音識別

以Vistual Studio 2017 作為開發(fā)環(huán)境，使用微軟SAPI 語音開發(fā)包，采用語音識別引擎（Speech Recognition），命令模式，實(shí)現(xiàn)語音識別[9]。

語音識別開發(fā)步驟：①初始化COM 端口；②創(chuàng)建語音識別引擎；③創(chuàng)建識別上下文；④設(shè)置感興趣的事件，設(shè)置識別消息；⑤創(chuàng)建XML 語法規(guī)則；⑥激活語法規(guī)則，語音識別；⑦獲取識別消息，進(jìn)行處理[10]。

3.2 獲取操作動作

利用C++實(shí)現(xiàn)在Windows 系統(tǒng)中獲取鼠標(biāo)位置、鍵盤動作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)操作捕捉功能。獲取操作界面如圖2 所示。

3.3 設(shè)備狀態(tài)識別

實(shí)驗(yàn)使用的DCS 仿真平臺界面如圖3 所示。在仿真平臺中設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)表現(xiàn)為紅色；設(shè)備停運(yùn)狀態(tài)表現(xiàn)為綠色。將獲取的RGB 設(shè)備圖像轉(zhuǎn)化為HSV 格式的圖像[11]，進(jìn)行紅、綠顏色識別。

圖2 獲取操作界面Fig.2 Get operation interface diagram

圖3 仿真平臺界面圖Fig.3 Simulation platform interface diagram

3.4 數(shù)字識別

首先創(chuàng)建二值化的數(shù)字模板，獲取參數(shù)圖像，將RGB 圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，再進(jìn)行二值化，得到二值化的參數(shù)圖像[12]。將參數(shù)圖像進(jìn)行圖像分割，經(jīng)分割后的每一個(gè)數(shù)字圖像，都與模板進(jìn)行匹配，從而識別出數(shù)字。

將數(shù)字圖像由像素空間轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)空間[13]，并將圖像進(jìn)行歸一化處理，防止因數(shù)字圖像大小導(dǎo)致識別結(jié)果出錯(cuò)。將圖像提取30 個(gè)方向的特征點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)30 維的特征向量。使用余弦相似度算法，進(jìn)行特征匹配。將數(shù)字識別的結(jié)果在源圖像中顯示，參數(shù)識別結(jié)果如圖4 所示，右側(cè)數(shù)字為識別結(jié)果。

圖4 數(shù)字識別結(jié)果Fig.4 Number recognition result

3.5 程序?qū)嶒?yàn)

基于圖像識別的順控方法設(shè)計(jì)的程序的操作流程界面如圖5 所示。順控程序可以正確識別值長等人發(fā)布的指令，可以正確識別設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)，并在DCS 仿真系統(tǒng)中逐步完成指令需要的操作。

圖5 順控操作流程界面圖Fig.5 Sequence control operation flow interface diagram

4 結(jié)語

通過研究集控值長、操作員等人的行為，分析了值長、操作員等人的順序操作任務(wù)流程和具體行為，提出了一種新的基于圖像識別的順控方法模型，并基于該模型，開發(fā)了順控程序。程序?qū)崿F(xiàn)了接收語音指令，進(jìn)行對應(yīng)的設(shè)備操作，采集操作設(shè)備或其參數(shù)的圖像，對設(shè)備狀態(tài)或參數(shù)進(jìn)行識別，判斷是否滿足下一個(gè)設(shè)備操作的條件，順序執(zhí)行對應(yīng)設(shè)備操作。程序?qū)崿F(xiàn)代替真實(shí)操作員的操作，代替值長等人對設(shè)備操作的判斷，為減員增效提供了技術(shù)手段。