基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互輔助值班系統(tǒng)構(gòu)建研究

葉 華，王國平，趙 川，王珍意，趙 瑩

(云南電力調(diào)度控制中心, 云南 昆明 650217)

電網(wǎng)工作機(jī)房日常調(diào)度值班工作繁重復(fù)雜，要求高、專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大。當(dāng)前企業(yè)精益化管理要求在逐步提升，電廠和變電站等電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)不斷變化，電力應(yīng)用系統(tǒng)持續(xù)增加和擴(kuò)展，自動化日常值班工作、新系統(tǒng)的投入以及突發(fā)事故處理工作量和難度直線升高，而面對這些系列問題的值班人員對問題的處理能力存在較為明顯的局限性[1-3]。主要是因為應(yīng)用在電網(wǎng)機(jī)房區(qū)域的監(jiān)管系統(tǒng)性能差，盡管有相關(guān)值班人員長期值守，可以及時發(fā)現(xiàn)故障問題，并對其進(jìn)行預(yù)防處理，但效率低、效果差，而且還造成人員的浪費。為此，輔助值班系統(tǒng)應(yīng)運而生[4]。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法是計算機(jī)模擬人類學(xué)習(xí)活動，獲得新知識和技能的一種算法，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。本文建立了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互電網(wǎng)機(jī)房輔助值班系統(tǒng)，可以有效監(jiān)控管轄區(qū)域內(nèi)的電力調(diào)度，最大限度節(jié)省人力資源。系統(tǒng)設(shè)計有人機(jī)交互界面，為系統(tǒng)管理人員提供直觀的可視化信息，將人和機(jī)器的優(yōu)勢有效結(jié)合，及時處理出現(xiàn)的各種問題。

1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互值班輔助系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

人機(jī)交互值班輔助系統(tǒng)最重要的功能就是電網(wǎng)巡檢。一般而言，電網(wǎng)巡檢包括日常規(guī)定動作下的自動巡檢和異常報告處理兩種模式。自動巡檢需要對機(jī)房服務(wù)器硬件等設(shè)施進(jìn)行24 h的在線巡檢，一旦遇到異常情況，可以直接發(fā)起告警流程，由人工參與后續(xù)流程處理。流程為：在異常情況發(fā)生初期，系統(tǒng)上行會連接所在區(qū)域負(fù)責(zé)的人員，下行連接獨立報警終端，若報警信息被判定為異常信息，系統(tǒng)會通過語音、短信、推送消息等方式自動發(fā)送實際情況至智慧監(jiān)控中心，不僅可以使機(jī)房管理人員在第一時間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行及時救援，還可以有效協(xié)助相關(guān)人員了解故障情況，以保障系統(tǒng)安全有效地運行[8]。

1.1.1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集器、NB-IoT模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)器、用戶終端等共同構(gòu)成了如圖1所示的系統(tǒng)硬件架構(gòu)。系統(tǒng)通過布設(shè)于不同區(qū)域的數(shù)據(jù)采集器采集系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，若采集的電力調(diào)度數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，數(shù)據(jù)會傳輸至系統(tǒng)處理單元，生成報警信息，從而引起值班人員注意。NB-IoT模塊在數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)絡(luò)接口處設(shè)置NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)芯片，從而將數(shù)據(jù)采集器與基站進(jìn)行連接，以此實現(xiàn)基站與數(shù)據(jù)采集器間的數(shù)據(jù)傳輸，將IoT相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳至IoT平臺進(jìn)行集中處理。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲IoT平臺上的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)器，依據(jù)對象的不同需求進(jìn)一步處理[9]。用戶終端包括人機(jī)交互界面、報警裝置以及智慧信息監(jiān)控中心的顯示系統(tǒng)。用戶終端可利用報警系統(tǒng)主動獲取或被動接收服務(wù)器發(fā)送的警告信息或指導(dǎo)操作信息，并利用手機(jī)APP以及終端顯示系統(tǒng)等人機(jī)交互界面可視化展示有關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.1.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)應(yīng)滿足以下原則與要求：

1)軟件可用原則。軟件除滿足各功能模塊的要求外，還應(yīng)滿足以下可用性要求：軟件年可用率不小于99.95%；軟件運行壽命大于8 a；可以通過人工驗證的方式對軟件計算結(jié)果的正確性進(jìn)行驗證。

2)軟件可靠性原則。軟件應(yīng)能長期穩(wěn)定運行，在值班設(shè)備無硬件故障和非人工干預(yù)的情況下，軟件不應(yīng)自動退出或卡死。軟件MTBF>17 000 h。

3)軟件實時性原則。符合《南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)(OS2)省級主站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計指南》要求。

4)軟件安全性要求。軟件部署及運行時，不對OCS(online charging system)產(chǎn)生影響；軟件能通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，獲取OCS的實時數(shù)據(jù)。

智慧感知層、傳輸通信層、IoT平臺核心網(wǎng)、物聯(lián)云平臺以及應(yīng)用服務(wù)層等共同組成了系統(tǒng)的軟件，如圖2所示。系統(tǒng)底層為智慧感知層，主要包括傳感器、低功率器件、電源裝置等基礎(chǔ)單元。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

傳輸通信層建立在智慧感知層之上，用于采集、傳輸、控制智慧感知層中傳感器裝置被觸發(fā)后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傳感器與基站或外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸[10]。

IoT平臺核心網(wǎng)可與移動運營商的蜂窩網(wǎng)建立有效通信鏈接，其具有成本低、可靠性高、安全性高等特點，可實現(xiàn)NB-IoT數(shù)據(jù)的有效接入、存儲以及加工，同時提供對外推送數(shù)據(jù)的接口。

物聯(lián)網(wǎng)平臺提供多種功能界面，如設(shè)備管理監(jiān)控、設(shè)備檢測、預(yù)警處理等。

應(yīng)用服務(wù)層為系統(tǒng)的最頂層，利用可視化人機(jī)交互界面展示物聯(lián)網(wǎng)云平臺的各項功能和操作，同時提供設(shè)備監(jiān)控、報警監(jiān)控、輔助值班監(jiān)控等應(yīng)用功能。

1.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的報警模塊設(shè)計

采用組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法設(shè)計系統(tǒng)用戶終端的報警模塊，實現(xiàn)對電力調(diào)度信息的判斷。由于單個機(jī)器學(xué)習(xí)算法在進(jìn)行非同種樣本訓(xùn)練時存在較大誤差的弊端，因此采用支持向量機(jī)(SVM)算法和K-means算法相結(jié)合的組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行系統(tǒng)報警信息檢測，以便最大限度減少誤差[11-12]。支持向量機(jī)算法是一種分類算法，即使數(shù)據(jù)樣本的數(shù)量較少，也有較好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計效果且魯棒性較好；而K-means算法具備易于理解、運行簡單的特點，其迭代優(yōu)化功能可有效克服小樣本的隨機(jī)性，降低時間復(fù)雜度。將二者有效結(jié)合，可實現(xiàn)系統(tǒng)電力調(diào)度異常報警信息檢測[13]。

1.3 人機(jī)交互界面

1.3.1設(shè)計原則

系統(tǒng)用戶端通過人機(jī)交互界面直觀、快速展現(xiàn)系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，為了給管理人員提供友好、簡單、操作方便的人機(jī)交互界面，其設(shè)計需遵循以下原則：

1)簡潔性。人機(jī)交互界面的菜單欄應(yīng)盡量簡潔大方，選擇用戶較為熟悉的專業(yè)術(shù)語，遵循重要程度由前到后的順序排列工具條中的按鈕，圖標(biāo)進(jìn)行形象化處理，通過圖標(biāo)便可直觀展現(xiàn)其能夠?qū)崿F(xiàn)的操作，不常用的菜單欄應(yīng)設(shè)為動態(tài)隱藏，呈現(xiàn)出整體簡潔的操作界面[14]。

2)一致性。系統(tǒng)采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的圖像用戶界面，且操作風(fēng)格、顯示界面、圖形含義、用戶接口標(biāo)準(zhǔn)等均需保持一致，降低用戶以及管理人員的學(xué)習(xí)成本。此外顏色定義也需相同，如紅色表示運行，綠色表示停止，黃色表示故障，背景則采用暗灰色等等。

3)報警表示與處理。當(dāng)系統(tǒng)檢測到報警信息時，用戶或管理人員可通過人機(jī)交互界面的色彩閃爍以及聲音警報等多種方式獲取報警信息，并及時通知相關(guān)人員作出相應(yīng)處理。同時人機(jī)交互界面還支持事件的分層處理功能，若同時產(chǎn)生多處報警提示，系統(tǒng)會依據(jù)采集到的報警信息按照事件的優(yōu)先級別進(jìn)行關(guān)鍵報警信息處理[15]。

4) 安全性。在登錄、退出系統(tǒng)以及執(zhí)行關(guān)鍵動作時，為保障相關(guān)操作的安全性，需進(jìn)行相應(yīng)的身份驗證和信息確認(rèn)提示，以避免誤操作,并且后臺會實時記錄操作人員的操作信息，如操作員名字、操作內(nèi)容、操作時間等等，以保障清晰的責(zé)任制度。

1.3.2人機(jī)交互接口

設(shè)計支持鼠標(biāo)與鍵盤雙重操作方式的人機(jī)交互接口，并依照用戶習(xí)慣以及數(shù)據(jù)輸入的前后關(guān)系明確控件焦點的跳轉(zhuǎn)順序。若某項操作需要較長處理時間，則需要有明確的正在操作中的提示信息，以確保系統(tǒng)運行正常。采用8條TTL觸發(fā)線進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)交互接口設(shè)計，人機(jī)交互接口設(shè)計如圖3所示。

圖3 人機(jī)交互接口設(shè)計

2 系統(tǒng)性能驗證

為驗證本文構(gòu)建系統(tǒng)的性能，將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某電網(wǎng)機(jī)房監(jiān)控平臺，對該機(jī)房管轄區(qū)域?qū)嵤╇娏φ{(diào)度信息監(jiān)控預(yù)警。布設(shè)于電網(wǎng)機(jī)房監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的信息采集器采集到2 500組有效數(shù)據(jù)，分成5個測試集，測試集1～測試集5中包含的數(shù)據(jù)量分別為100,300,500,700,900組。選擇基于支持向量機(jī)算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)和基于K-means算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)為對比系統(tǒng)，以驗證本文系統(tǒng)的優(yōu)勢。選擇檢測率(DR)、準(zhǔn)確率(ACC)以及誤報率(FAR)作為系統(tǒng)性能評估指標(biāo)。檢測率DR是指正確檢測到的報警信息數(shù)量與總信息數(shù)量的比值，檢測率大小與隨機(jī)誤差具有相關(guān)性，檢測率值越大表明系統(tǒng)報警精度越高，表達(dá)式如下：

(1)

式中：TP為報警信息被正確檢測的概率；FN為報警信息被檢測為非報警信息的概率。

準(zhǔn)確率ACC是用于描述非報警信息和報警信息分別被正常檢測的數(shù)量與總數(shù)據(jù)數(shù)量的比值，準(zhǔn)確率越高表明系統(tǒng)電力調(diào)度異常信息報警精度越高，其表達(dá)式為：

(2)

式中：TN為非報警信息被正確檢測的概率；FP為非報警信息被檢測為報警信息的概率。

誤報率FAR為非報警信息被檢測為報警信息的數(shù)量與總數(shù)據(jù)量的比值，誤報率越低，系統(tǒng)性能越好，誤報率的表達(dá)式如下：

(3)

3種系統(tǒng)的檢測率對比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，本文系統(tǒng)的報警信息檢測率最高，均值可達(dá)98.5%，而基于支持向量機(jī)算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)(基于SVM的值班系統(tǒng))和基于K-means算法的人機(jī)交互值班系統(tǒng)(基于K-means的值班系統(tǒng))的檢測率均值分別為86.4%和92.3%。對比系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量增加的情況下檢測率呈逐漸上升的趨勢，而本文系統(tǒng)即使在數(shù)據(jù)量較小的情況下依舊具備較高的報警信息檢測率。綜上可知，本文系統(tǒng)電力調(diào)度異常信息報警檢測率較高，性能較好。

圖4 3種系統(tǒng)的檢測率對比結(jié)果

3種系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率和誤報率對比結(jié)果見表1。從表1中可以看出，隨著數(shù)據(jù)量的增加，3種系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率均有所上升，其中本文系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率均值高達(dá)98.08%，而兩個對比系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率均值分別為76.82%和89.3%，均小于本文系統(tǒng)；3種系統(tǒng)的檢測誤報率均呈下降趨勢，本文系統(tǒng)的檢測誤報率均值僅為2.682%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對比系統(tǒng)的7.314%和5.630%。綜上可知，本文系統(tǒng)的電力調(diào)度異常信息報警準(zhǔn)確率較高,誤報率較低，系統(tǒng)實用性更強(qiáng)。

表1 3種系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率和誤報率對比 %

3 結(jié)束語

提升電力調(diào)度自動化值班智能輔助水平可以提高電力調(diào)度異常信息檢測準(zhǔn)確率，降低誤報率。為此，本文構(gòu)建了基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的人機(jī)交互輔助值班系統(tǒng)，運用組合機(jī)器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)電力調(diào)度異常信息報警檢測，并從系統(tǒng)檢測率、準(zhǔn)確率和誤檢率3個方面驗證了本文系統(tǒng)的良好應(yīng)用性。系統(tǒng)可通過人機(jī)交互界面呈現(xiàn)報警信息，在輔助值班領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價值。