智能無人監(jiān)管配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)與研究

余國忠，鄒健輝，宋華，樊中奎

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著配電網(wǎng)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，配電網(wǎng)的從業(yè)人員的培訓(xùn)工作需要長期開展，電力主管部門需要投入大量的人力物力建設(shè)培訓(xùn)場所對(duì)電網(wǎng)從業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式為教官教學(xué)員觀看學(xué)習(xí)的方式，往往需要投入巨大的精力而不能得到很好培訓(xùn)效果，如何解決當(dāng)前矛盾是亟待解決的問題。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的技術(shù)能夠?qū)θ四樳M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測及識(shí)別，正確率達(dá)到99%以上；基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)行人進(jìn)行跟蹤定位，借助以上人工智能技術(shù)能夠完成智能無人監(jiān)管配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，對(duì)于提高培訓(xùn)效率、增強(qiáng)培訓(xùn)效果具有重要作用。

1 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室包含多個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目，每個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目需要操作多個(gè)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，培訓(xùn)人員在培訓(xùn)過程中需要對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作，為了完成智能無人監(jiān)管配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)，需要在關(guān)鍵位置安裝攝像頭實(shí)時(shí)采集處理視頻流，采用基于視覺分析的方式對(duì)培訓(xùn)人員進(jìn)行無人監(jiān)管及考核。

1.1 智能無人監(jiān)管培訓(xùn)系統(tǒng)流程分析

根據(jù)培訓(xùn)的業(yè)務(wù)場景系統(tǒng)可分為培訓(xùn)任務(wù)初始化、培訓(xùn)過程監(jiān)督、培訓(xùn)評(píng)估三個(gè)過程。培訓(xùn)任務(wù)初始化是培訓(xùn)的時(shí)間、項(xiàng)目、人員的安排；培訓(xùn)過程監(jiān)督主要為每一個(gè)學(xué)員培訓(xùn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)管；培訓(xùn)評(píng)估主要為對(duì)每個(gè)學(xué)員的培訓(xùn)成績?cè)u(píng)估及培訓(xùn)任務(wù)的分析。無人監(jiān)管培訓(xùn)流程如圖1所示。

圖1 無人監(jiān)管培訓(xùn)流程圖

培訓(xùn)任務(wù)的整個(gè)過程解釋為：

培訓(xùn)任務(wù)安排：管理人員制定培訓(xùn)計(jì)劃，主要為制定培訓(xùn)的時(shí)間、培訓(xùn)目的、培訓(xùn)內(nèi)容描述等信息。

添加培訓(xùn)項(xiàng)目：管理人員為培訓(xùn)任務(wù)指定培訓(xùn)項(xiàng)目。

安排培訓(xùn)人員：管理人員為培訓(xùn)任務(wù)指定參加的培訓(xùn)人員，每個(gè)培訓(xùn)人員需要身份證號(hào)、照片等信息。

培訓(xùn)人員身份核驗(yàn)：培訓(xùn)人員進(jìn)入培訓(xùn)場所以前需要刷本人身份證與本人照片核對(duì)，認(rèn)證通過方可進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行培訓(xùn)。

查看實(shí)訓(xùn)路線：認(rèn)證通過后培訓(xùn)人員將看到自己的培訓(xùn)項(xiàng)目、操作要求、培訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)備所在位置及路線圖。

自主學(xué)習(xí)：培訓(xùn)人員到達(dá)培訓(xùn)指定地點(diǎn)后通過自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)備的操作流程及相關(guān)理論知識(shí)。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目操作：培訓(xùn)人員按照要求進(jìn)行設(shè)備的操作訓(xùn)練。

培訓(xùn)人員跟蹤識(shí)別：通過攝像頭實(shí)時(shí)對(duì)培訓(xùn)人員跟蹤及人臉識(shí)別確定培訓(xùn)人員的身份，記錄學(xué)習(xí)過程。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目考核：考核系統(tǒng)隨機(jī)抽取項(xiàng)目的考核題目對(duì)學(xué)員進(jìn)行考核。

培訓(xùn)人員實(shí)訓(xùn)評(píng)估：系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員項(xiàng)目的考核情況進(jìn)行綜合評(píng)估，不合格需要學(xué)員重新學(xué)習(xí)直到達(dá)到要求，所有項(xiàng)目合格后才能完成培訓(xùn)。

所有學(xué)員培訓(xùn)完成：系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測是否全部學(xué)員已完成了項(xiàng)目的培訓(xùn)。

實(shí)訓(xùn)結(jié)果分析：系統(tǒng)通過各個(gè)實(shí)訓(xùn)人員的培訓(xùn)結(jié)果綜合判斷培訓(xùn)效果。

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室要對(duì)多個(gè)培訓(xùn)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、內(nèi)容展示需要多個(gè)設(shè)備，怎么將各類設(shè)備有機(jī)的整合在一起并完成智能監(jiān)管是一個(gè)首先要解決的問題。由于系統(tǒng)需要較高的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用高速以太網(wǎng)組網(wǎng)，大量的視頻流等信息在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)高效流轉(zhuǎn)，服務(wù)器及局域網(wǎng)采用千兆網(wǎng)口，終端設(shè)備則采用百兆以上網(wǎng)口，最大程度降低數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的延時(shí)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

培訓(xùn)管理服務(wù)器：服務(wù)器用來運(yùn)行配電網(wǎng)培訓(xùn)室設(shè)備、項(xiàng)目、人員等各類信息的管理，是整個(gè)系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)。

人臉識(shí)別服務(wù)器：服務(wù)器要實(shí)時(shí)人臉檢測、識(shí)別服務(wù)，需要高效的計(jì)算能力和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

檢測跟蹤服務(wù)器：服務(wù)器用來實(shí)時(shí)分析多路攝像頭的視頻信息判斷培訓(xùn)人員的位置及行為。

學(xué)習(xí)管理服務(wù)器：服務(wù)器存放各類的文本、音視頻資料供學(xué)員自主學(xué)習(xí)配電網(wǎng)各類知識(shí)。

考核服務(wù)器：管理各類考核試題，能夠隨機(jī)抽取試題對(duì)學(xué)員進(jìn)行考核。

攝像頭：培訓(xùn)室為每個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目配備攝像頭用于人臉識(shí)別及檢測跟蹤。

學(xué)習(xí)考核終端：每個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目配備一體機(jī)供學(xué)員自主學(xué)習(xí)及考核。

身份核驗(yàn)終端：終端通過培訓(xùn)人員的身份證與人臉比對(duì)進(jìn)行身份核驗(yàn)。

培訓(xùn)評(píng)估終端：終端對(duì)學(xué)員培訓(xùn)完成后的成績進(jìn)行評(píng)估。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

智能配電網(wǎng)培訓(xùn)室建設(shè)，需要使用人工智能在內(nèi)的各種先進(jìn)技術(shù)。由于整個(gè)系統(tǒng)功能繁多過程復(fù)雜，為了能夠讓龐大的系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循軟件工程設(shè)計(jì)的原則，首先對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景進(jìn)行分析業(yè)務(wù)流程，抽象出系統(tǒng)的主要功能，再根據(jù)功能之間關(guān)聯(lián)耦合度把系統(tǒng)分為不同的子系統(tǒng)。根據(jù)以上原則，將系統(tǒng)分成五個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又包含多個(gè)功能模塊。

隨著軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，新的技術(shù)構(gòu)架不斷出現(xiàn)給軟件的開發(fā)及維護(hù)提供了極大便利，結(jié)合智能配電網(wǎng)培訓(xùn)室建設(shè)的需求，整個(gè)系統(tǒng)采用瀏覽器、服務(wù)端、客戶端技術(shù)混合的方式進(jìn)行構(gòu)建：服務(wù)端使用微服務(wù)集群方式部署提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；瀏覽器用來快捷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)；客戶端技術(shù)用來開發(fā)學(xué)習(xí)考核終端、身份驗(yàn)證端、培訓(xùn)評(píng)估終端以此來提高穩(wěn)定性。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

各子系統(tǒng)模塊功能為：

培訓(xùn)子系統(tǒng)：管理培訓(xùn)的各類信息，如培訓(xùn)設(shè)備的特性、用途、培訓(xùn)室培訓(xùn)項(xiàng)目信息、培訓(xùn)人員信息、培訓(xùn)任務(wù)建立和下發(fā)、培訓(xùn)結(jié)果分析與查詢。

人臉識(shí)別子系統(tǒng)：人臉識(shí)別是實(shí)現(xiàn)無人化監(jiān)管的重要方法，該子系統(tǒng)包括返回人臉特征碼、兩張人臉圖片的人臉相識(shí)度、人臉在圖片中的位置、人臉識(shí)別。

檢測跟蹤子系統(tǒng)：對(duì)培訓(xùn)人員的檢測跟蹤是監(jiān)管的重要方法，該子系經(jīng)包括人員檢測定位、人員的軌跡描述、異常行為判斷、學(xué)員人數(shù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

學(xué)習(xí)子系統(tǒng)：自主學(xué)習(xí)是培訓(xùn)的重要組部分，該子系經(jīng)包括對(duì)學(xué)習(xí)資源管理、學(xué)習(xí)信息記錄分析、終端自主學(xué)習(xí)等。

考核子系統(tǒng)：考核包括考核人員的身份認(rèn)證、試題的產(chǎn)生、學(xué)員成績管理以及對(duì)學(xué)員能力的綜合評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

2.1 培訓(xùn)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

培訓(xùn)子系統(tǒng)是管理員對(duì)培訓(xùn)的管理，子系統(tǒng)采用基于Java 語言的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式研發(fā)，系統(tǒng)在開發(fā)過程中使用面向?qū)ο蟮腗VC（模型，視圖，控制）分層開發(fā)方式，系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 培訓(xùn)管理子系統(tǒng)

2.2 人臉識(shí)別子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

人臉識(shí)別是人工智能中的重要應(yīng)用，近年來深度學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)人臉識(shí)別準(zhǔn)確度大幅提高，當(dāng)前人臉識(shí)別已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到交通、教育、電子支付等各行各業(yè)中。系統(tǒng)采用自主研發(fā)的基于自注意力深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行的人臉識(shí)別服務(wù)。系統(tǒng)采用服務(wù)集群的方式進(jìn)行部署以滿足服務(wù)使用頻率高的特性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 人臉識(shí)別子系統(tǒng)

2.3 檢測跟蹤子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

人員檢測跟蹤在日常生活中具廣泛的應(yīng)用，也是學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，當(dāng)前涌現(xiàn)RCNN、Fast-RCNN、YOLO、SSD 等優(yōu)秀目標(biāo)檢測算法，系統(tǒng)采用YOLOv5 算法實(shí)現(xiàn)行人檢測，DeepSort 算法實(shí)現(xiàn)人員跟蹤，整個(gè)系統(tǒng)使用Python 語言開發(fā)達(dá)到了很好效果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 檢測跟蹤子系統(tǒng)

2.4 學(xué)習(xí)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)管培訓(xùn)的重要環(huán)節(jié)，培訓(xùn)人員應(yīng)能方便地對(duì)培訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)。子系統(tǒng)采前后端結(jié)合的方式建立，后端使用基于Java 的WEB 系統(tǒng)，終端使用基于安卓系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，培訓(xùn)人員在平板上通過觸摸方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 學(xué)習(xí)子系統(tǒng)

2.5 考核子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

考核子系統(tǒng)包括服務(wù)端和客戶端兩個(gè)部分，服務(wù)端使用基本Java 的Web 系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，客戶端采用Java 實(shí)現(xiàn)考核及對(duì)考核人員進(jìn)行身份認(rèn)證的功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

圖8 考核子系統(tǒng)

3 結(jié) 論

在智能無人監(jiān)管配電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)中，充分使用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能的無人監(jiān)管培訓(xùn)，經(jīng)過長時(shí)間應(yīng)用達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高培訓(xùn)質(zhì)量預(yù)期目標(biāo)，從根本上解決了困擾電力培訓(xùn)工作強(qiáng)度大、效率不高、質(zhì)量差的問題，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)配電網(wǎng)從業(yè)人員具有重要的意義。系統(tǒng)采用的技術(shù)方法具有普遍性，可以快速應(yīng)用到其他領(lǐng)域的教育培訓(xùn)中，具有很好的推廣價(jià)值。今后，隨著越來越多人工智能技術(shù)應(yīng)用到各行各業(yè)中能夠?yàn)槿祟悇?chuàng)造更加美好的未來。