水泥生產(chǎn)過(guò)程中智能語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)的建立

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)過(guò)程的規(guī)模也逐漸增大，生產(chǎn)系統(tǒng)也變得更加龐大，設(shè)備或者生產(chǎn)單元之間的關(guān)系也不可避免地變得更加復(fù)雜。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，關(guān)聯(lián)的設(shè)備或者生產(chǎn)單元可能會(huì)導(dǎo)致微小故障不斷傳播與擴(kuò)大。報(bào)警系統(tǒng)的作用是設(shè)置報(bào)警變量并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)警變量的監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)異常，就將當(dāng)前報(bào)警變量的異常信息及時(shí)反饋給操作者，同時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的異常，以報(bào)警的形式記錄并保存下來(lái)。目前，實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中報(bào)警信息僅用于給監(jiān)控人員查看，缺少語(yǔ)音播放形式，容易造成報(bào)警記錄遺漏。通過(guò)語(yǔ)音形式播報(bào)報(bào)警信息，還可以提醒生產(chǎn)作業(yè)人員及時(shí)處理報(bào)警故障和異常，對(duì)提高生產(chǎn)過(guò)程中報(bào)警信息的處理的效率和實(shí)時(shí)性具有重要意義。本文提出了基于智能語(yǔ)音預(yù)警方法，通過(guò)工藝段的不同為用戶篩選對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息，通過(guò)設(shè)定報(bào)警復(fù)報(bào)時(shí)間避免短時(shí)間內(nèi)大量重復(fù)的報(bào)警，利用TTS（TextToSpeech）引擎將報(bào)警文本轉(zhuǎn)為語(yǔ)音輸出，達(dá)到既能有效提醒操作員設(shè)備異常，又不會(huì)頻繁地輸出語(yǔ)音報(bào)警信息引起用戶反感。

1、系統(tǒng)整體架構(gòu)智能語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)是集報(bào)警處理、報(bào)警分類(lèi)、語(yǔ)音合成及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為一體的預(yù)警文本顯示轉(zhuǎn)向語(yǔ)音播報(bào)的功能系統(tǒng)，模塊示意如圖1所示。報(bào)警處理：對(duì)于已確認(rèn)的報(bào)警和已自動(dòng)恢復(fù)的報(bào)警采取報(bào)警抑制措施，在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)不再產(chǎn)生報(bào)警，減少短時(shí)間內(nèi)報(bào)警次數(shù)，超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，重新接收新產(chǎn)生的報(bào)警。報(bào)警分類(lèi)：按照生產(chǎn)工藝段劃分報(bào)警分類(lèi)，如生料磨段報(bào)警、回轉(zhuǎn)窯段報(bào)警等。語(yǔ)音合成：傳統(tǒng)的報(bào)警提示以文字為主，大量的報(bào)警信息條閃爍容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞和重要信息漏看。將報(bào)警提示文本通過(guò)語(yǔ)音引擎合成為聲音播放出來(lái)，容易引起重視，同時(shí)通過(guò)過(guò)報(bào)警抑制、報(bào)警分類(lèi)、語(yǔ)音播報(bào)間隔處理的模塊，也不會(huì)產(chǎn)生頻繁的語(yǔ)音播報(bào)。權(quán)限控制：主要為操作員分配所屬用戶權(quán)限組及用戶權(quán)限分配等，來(lái)確保被相應(yīng)操作員獲取。圖1系統(tǒng)模塊示意

2、系統(tǒng)構(gòu)成2.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)流智能語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是報(bào)警數(shù)據(jù)，而報(bào)警數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警規(guī)則、語(yǔ)音報(bào)警條件篩選等。本文基于WinCCOA建立智能語(yǔ)音預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)各系統(tǒng)、設(shè)備通過(guò)各類(lèi)驅(qū)動(dòng)接入到WinCCOA產(chǎn)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警規(guī)則產(chǎn)生報(bào)警信息，報(bào)警處理模塊抑制頻繁報(bào)警的產(chǎn)生，語(yǔ)音報(bào)警條件篩選出報(bào)警信息文本，最后通過(guò)語(yǔ)音引擎合成后播放。2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用OPCDA、Modbus、西門(mén)子S7Driver采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。OPC驅(qū)動(dòng)主要對(duì)接水泥線DCS，采集水泥生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如生料磨、煤磨、窯、水泥磨、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電流、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、壓力等運(yùn)行參數(shù)。Modbus驅(qū)動(dòng)采集智能電表數(shù)據(jù)，如三相電壓、電流、功率因數(shù)、有功電度、無(wú)功電度、功率等數(shù)據(jù)。圖2語(yǔ)音報(bào)警實(shí)現(xiàn)流程西門(mén)子S7Driver采集脫硫脫硝系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如NOx、SO2、CO、煙塵等濃度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警的基礎(chǔ)，需要在WinCCOA控制臺(tái)添加各類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序并在系統(tǒng)管理界面配置各類(lèi)驅(qū)動(dòng)參數(shù)保證驅(qū)動(dòng)能夠連接到DCS系統(tǒng)、OPC服務(wù)器、PLC、智能電表等。再建立數(shù)據(jù)點(diǎn)配置數(shù)據(jù)地址、采集周期采集需要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。水泥線生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)思想，完成多層級(jí)的畫(huà)面展示、趨勢(shì)監(jiān)測(cè)、綜合報(bào)表展示，以及交互式應(yīng)用的統(tǒng)一組態(tài)和發(fā)布。建立廠級(jí)（一級(jí)單位）、車(chē)間級(jí)（二級(jí)單位）、設(shè)備級(jí)（三級(jí)單位）的監(jiān)控系統(tǒng)，利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，及時(shí)記錄報(bào)警信息。水泥線生產(chǎn)過(guò)程的窯尾工序監(jiān)控畫(huà)面如圖3所示。圖3窯尾工序監(jiān)控畫(huà)面2.3WinCCOA語(yǔ)音合成播報(bào)軟件中的語(yǔ)音技術(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容，一個(gè)是語(yǔ)音識(shí)別（Speechrecognition），另外一個(gè)是語(yǔ)音合成（Speechsynthesis），即文本語(yǔ)音轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（TTS）。TTS系統(tǒng)用合成語(yǔ)音合成文本字符串和文件到聲音音頻流。而語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)則是轉(zhuǎn)換人類(lèi)的聲音語(yǔ)音流到可讀的文本字符串或者文件。這兩個(gè)工作，都是通過(guò)各種語(yǔ)音引擎來(lái)完成的。微軟所提供的SAPI（全稱TheMicrosoftSpeechAPI），正是在應(yīng)用程序和語(yǔ)音引擎之間提供一個(gè)高級(jí)別的接口，它實(shí)現(xiàn)了所有必需的對(duì)各種語(yǔ)音引擎的實(shí)時(shí)的控制和管理等低級(jí)別的細(xì)節(jié)。語(yǔ)音引擎通過(guò)DDI層（設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口）和SAPI進(jìn)行交互，應(yīng)用程序通過(guò)API層和SAPI通信。通過(guò)使用這些API，我們可以快速開(kāi)發(fā)在語(yǔ)音識(shí)別或語(yǔ)音合成方面應(yīng)用程序。SAPI應(yīng)用程序編程接口（API）無(wú)須實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和文本語(yǔ)音轉(zhuǎn)換的應(yīng)用程序所需要的高層代碼，使語(yǔ)音技術(shù)更加容易使用并且擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。TTS系統(tǒng)使用合成語(yǔ)音合成文本字符串和文件到聲音音頻流[8]。WinCCOA語(yǔ)音合成播報(bào)使用SAPI里的TTS，通過(guò)腳本篩選報(bào)警信息、調(diào)用SAPI的TTS，將報(bào)警文本轉(zhuǎn)為語(yǔ)音并以合適的速度播放出來(lái)，流程見(jiàn)圖4。圖4語(yǔ)音合成播報(bào)流程2.4語(yǔ)音預(yù)警條件語(yǔ)音報(bào)警腳本通過(guò)當(dāng)前登錄用戶的權(quán)限組和報(bào)警分類(lèi)做匹配，篩選出對(duì)應(yīng)報(bào)警信息，通過(guò)語(yǔ)音合成引擎播放報(bào)警文本。篩選報(bào)警信息流程如圖5所示。圖5語(yǔ)音預(yù)計(jì)條件2.5報(bào)警規(guī)則報(bào)警處理腳本監(jiān)視每條到來(lái)的報(bào)警，當(dāng)報(bào)警的狀態(tài)轉(zhuǎn)為已確認(rèn)或已恢復(fù)，會(huì)采用取消報(bào)警激活來(lái)抑制其下次報(bào)警。抑制時(shí)間可通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)報(bào)警規(guī)則配置界面來(lái)設(shè)定。流程如圖6所示。2.6報(bào)警復(fù)報(bào)通過(guò)報(bào)警抑制處理，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生同一問(wèn)題的報(bào)警，超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，報(bào)警會(huì)激活，如果故障未解除則新的報(bào)警能夠正常產(chǎn)生。抑制的時(shí)間主要通過(guò)延時(shí)函數(shù)及多線程處理，保證功能正常又不會(huì)阻礙系統(tǒng)其他程序正常執(zhí)行。圖6報(bào)警規(guī)則

3、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)3.1數(shù)據(jù)庫(kù)及開(kāi)發(fā)工具系統(tǒng)采用雙數(shù)據(jù)庫(kù)，本地采用InfluxDB數(shù)據(jù)庫(kù)（短周期存儲(chǔ)）、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用PostgreSQL（長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)）數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及生成的預(yù)警數(shù)據(jù)并行歸檔到InfluxDB和PostgreSQL，如圖7所示。圖7PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存檔表InfluxDB是一個(gè)由InfluxData開(kāi)發(fā)的開(kāi)源時(shí)序型數(shù)據(jù)。它由G語(yǔ)言寫(xiě)成，著力于高性能地查詢與存儲(chǔ)時(shí)序型數(shù)據(jù)。InfluxDB被廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，IoT行業(yè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等場(chǎng)景。PostgreSQL是一款對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。它擁有現(xiàn)代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)基本的特性：（1）使用關(guān)系型模型作為數(shù)據(jù)模型；（2）使用鎖和WAL日志實(shí)現(xiàn)事務(wù)的原子性，使用查詢處理器運(yùn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)事務(wù)的一致性，使用鎖和MVCC實(shí)現(xiàn)了事務(wù)的隔離性，使用WAL日志完成了事務(wù)的持久性；（3）具有完善、先進(jìn)的查詢處理器，能夠使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃，遺傳算法進(jìn)行基于成本的代價(jià)優(yōu)化；（4）使用進(jìn)程模型作為工作模型；（5）具有豐富的系統(tǒng)函數(shù)、類(lèi)型、接口、插件、前端工具、語(yǔ)法等。WinCCOA數(shù)據(jù)歸檔功能被設(shè)計(jì)為采用InfluxDB作為本地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，使用PostgreSQL（也支持MSSQL（需要購(gòu)買(mǎi)），這里選用PostgreSQL（開(kāi)源免費(fèi)））作為遠(yuǎn)程存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)WinCCOA管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、歸檔及過(guò)期數(shù)據(jù)清理，以及斜率、突變計(jì)算公式、報(bào)警閾值的配置。同時(shí)，PostgreSQL作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，支持自定表結(jié)構(gòu)，可支持時(shí)序數(shù)據(jù)之外的其他關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如工序、設(shè)備、數(shù)據(jù)點(diǎn)建模。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具采用pgAdmin4或Navicat等圖形管理工具。3.2數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用PostgreSQL建立新的工序、設(shè)備、數(shù)據(jù)點(diǎn)建模數(shù)據(jù)表。采用開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)（ODBC）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。軟件平臺(tái)提供操作界面給系統(tǒng)維護(hù)人員來(lái)配置，包括建立新的工序、設(shè)備、數(shù)據(jù)點(diǎn)建模，為用戶提供表格式操作界面，用戶可自行修改報(bào)警閾值及啟用禁用報(bào)警。

4、測(cè)試結(jié)果及分析第一步，給某個(gè)點(diǎn)位配置報(bào)警上限并激活報(bào)警，例如選取813AI_II_AI80401II這個(gè)點(diǎn)位的METER屬性（840.1輕式板喂機(jī)電流）配置報(bào)警上限30（此處為測(cè)試用值，不代表實(shí)際報(bào)警上限，實(shí)際報(bào)警上限由相關(guān)人員根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)使用參數(shù)來(lái)確認(rèn)），選擇報(bào)警類(lèi)HYZ_LIMIT。第二步，等待該屬性值超過(guò)30時(shí)，觸發(fā)上限報(bào)警，報(bào)警文本紅底黑字。如圖8所示。此時(shí)，報(bào)警抑制腳本捕捉到該條報(bào)警信息，由于報(bào)警剛產(chǎn)生，還未確認(rèn)或恢復(fù)，不做處理，等待操作員確認(rèn)該報(bào)警或?qū)傩灾档陀?0時(shí)報(bào)警恢復(fù)，觸發(fā)報(bào)警抑制功能，先自動(dòng)取消報(bào)警激活，在等待設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)后，自動(dòng)激活報(bào)警。圖8產(chǎn)生上限報(bào)警在報(bào)警產(chǎn)生后，報(bào)警未確認(rèn)或未恢復(fù)前，語(yǔ)音報(bào)警腳本會(huì)實(shí)時(shí)捕捉報(bào)警信息，后臺(tái)打印報(bào)警文本（屬性點(diǎn)描述+設(shè)定的報(bào)警文本，次數(shù)為“異?！保⒁月曇舻男问讲シ懦鰜?lái)。在報(bào)警被確認(rèn)或恢復(fù)后，該報(bào)警信息不再語(yǔ)音播報(bào)。經(jīng)多次人工改變屬性值和通過(guò)采集設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)上面的