多媒体技术在电力生产监控中的应用现状与展望

1　应用现状
　　多媒体技术在电力生产实时监控中的应用取得了长足的进展，主要形成了如下一些应用技术：
1.1　触摸屏技术
　　触摸屏是用户用手指或其它介质直接与屏幕接触，进行信息选择，向计算机输入信息的一种设备，是最简单、方便、自然的输入手段^［1、2］。从工作原理上分，触摸屏可分为五类，即电阻式、电容式、红外线式、表面声波式和遥控力感式。每一类触摸屏系统均包括两部分：触摸检测装置和触摸屏控制卡。触摸检测装置检测用户在触摸屏上的触摸位置，并将该信息传送给触摸屏控制卡，触摸屏控制卡有自己的CPU及固化的监控程序，它将接收的触摸信息转换成触点坐标，发送给计算机，并接收和执行计算机的指令。
　　在国外，触摸屏广泛地应用于服务业、公用信息查询、教育训练等各行各业；国内触摸屏应用才不到十年时间，但发展迅速。在实时电力生产监控系统的研究和开发中，触摸屏技术发挥了越来越大的作用。很多机组DCS画面中用触摸屏发送操作命令，进行工艺画面和趋势曲线的切换，可随时查看任意部分的生产情况，系统操作界面友好，有的还采用状态标志的方法使触摸屏重用，避免了多任务共享资源时发生予盾。如FOXBORO公司、Siemens公司、ABB公司及Elsag Bailey公司等推出的DCS操作系统中，均有提供触摸屏应用的实例。可见，采用触摸屏技术，操作员无需培训，人机界面友好，简化了信息输入操作和信息输入设备，采用标准触摸屏输入接口，便于系统维护和改造。正由于上述诸多优点，随着触摸屏技术的不断提高，触摸屏输入方式必将成为工业控制信息输入的主要手段。
1.2　音频技术
　　在现实生活中，音频主要有语音、音乐和音响效果。音频技术主要包括音频采样、压缩、合成及处理。在传统的生产监控中，或由专门报警系统发出声光报警，或由PC机发出频率、长短不等的“嘟嘟”声，以提示操作人员，值班人员接到报警后，即忙于查找故障，通常情况下，不能立即确定发生故障的原因，也来不及向上级部门反映事故情况，从而耽误了检测和决策时间。音频技术为解决这一问题提供了有力手段，其在电力生产监控中主要应用于以下两个方面。
1.2.1　利用被监控设备发出的声音信息进行监控和诊断
　　设备在运行过程中产生机械振动，机械振动在传播过程中会产生声波，所以，设备在工作过程中产生的声信号包含了丰富的信息，其中也包含有故障信息。这就要求监控系统必需具备以下功能：声音信号的采集、信号特征的提取、信号特征的分析和报警信号的给出。音频系统的原理如图1所示。

图1　多媒体音频监控系统原理图

其中控制平台上运行着多种控制算法和多媒体监控程序，并通过检测线路和被控对象相连。根据上述原理，结合故障诊断专家系统，将达到对声音的变化进行同步声频报警的监控目的。 
图1　多媒体音频监控系统原理图

1.2.2　利用语音合成技术和语音识别技术
　　利用语音合成技术可进行语音报警、操作指南、传呼传唤等；利用语音识别技术对生产设备可进行语音控制。

图2　语音合成操作指南系统

原理图如图2所示。DCS管理下运行的数据在工作站(WS)的专家系统的监视之下，专家系统根据过程状态的判断，发出操作员应该采取措施的语音指南。用自然语言进行操作提示，使报警和故障诊断更加准确可靠。由此我们看到，在电力实时生产监控中采用音频技术能够减轻操作人员的劳动强度，提高并行工作的能力和工作效率，缩短故障检测时间。

图2　语音合成操作指南系统


1.3　视频技术
　　视频包括位图图象、矢量图形、动态图象、符号等一系列通过视觉传递信息的媒体。视频技术主要为视频数字化及处理。
　　在电力自动化生产中，控制室一般远离生产现场，并且，在控制室内装备了大量的仪表和控制面板开关，操作人员要随时注视仪表和指示灯的状态，随着时间的延长，精神极易疲劳，而且，根据这些信息，往往是被动地分析而不是有效地预防故障发生。同时，许多故障的诊断必需依靠有经验的技术人员的现场实际经验，每隔一段时间，他们还要到现场巡视一番。应用视频卡可以使各种检测数据、工艺流程、生产状况的显示一目了然。视频卡可以从较宽的视频源如摄像机、录像机、视频光盘中获取视频信号，并将其在计算机屏幕上显示和播出，可捕获单帧或连续图象，将其数字化并存储在计算机存储器中。目前，视频信号处理卡的主要种类有：视频转换卡、视频捕获卡、视窗动态视频卡、动态视频捕获／播放卡、视频压缩卡等。利用视频技术进行实时生产监控的原理图与图1类似，只是采用的硬件和开发工具不同。视频技术在实时电力生产监控中的应用综合起来有以下几个方面。

1.3.1　静态画面
　　照片或者文件可由信息扫描仪录入，录像画面也可以方便地由装有视频捕获卡的多媒体计算机获取。一工业静态画面数据库系统如图3所示。

图3　利用静态画面的数据库系统

　　在PC机上对照片、图像、图形等进行画面提取，并与数值及文字信号等组合，一同进行数据库化，必要时可随时检索相应的画面，具有高分辨率数字化图像存储、编辑、定位、缩放裁减和打印等功能，并且采用图像菜单界面提示。 

1.3.2　动态画面(动画)
　　在电力实时生产监控系统中采用动态画面，尤其是工艺过程中物质的动态、装置的动作状态、调节过程中的变化动态等，可以减轻监视的疲劳程度，提高监视的效率。利用动画技术来描述生产过程变化，可比常规方法如变色、闪烁、曲线等取得更好的效果。随着更有效的数据压缩技术及大容量存储介质的出现，动画技术在电力实时生产监控中将会取得更大的进展。
1.3.3　可视化技术
　　可视化技术是目前迅速发展并引人注目的一个领域，其内涵在于用图形、框图、图标等直观表现形式来表示计算过程。它以传统计算为基础，向智能多媒体迈出了第一步。采用可视化技术，除仍可用数字或表格来表示测试结果外，结合动画等技术，还可利用可视化图形将这些数据表示出来。这可明显地提高系统的可靠性和异常情况的可辩识性，缩短处理事故的反应时间。在火电机组的监控中，采用可视化技术，可将以前无法图示的汽轮发电机运行点在其综合特性曲线、效率曲线及其某微增率曲线中形象、直观地表示出来，使电厂的运行监控提高到一个新的水平。
1.3.4　交互式视频技术
　　交互性意味着用户在对响应采取行动时，按照所收到的适当信息给予期望的反馈。生产过程的实时监控系统中采用交互式视频技术，可直接地调用各工作现场的图像，利用图像识别故障与处理技术对图像进行分析，给出故障报警信号，或直接在视频图像上进行故障分析；当发生故障时，可自动判断出发生故障的设备，并将摄像机对准该设备，这样就大大缩短了操作人员下现场巡视的时间，降低了劳动强度，缩短了故障巡测时间。
1.4　多媒体通信技术
　　多媒体通信即远距离传输语音、数据、视频等综合信息，以帮助用户与用户以及用户与计算机之间进行交流，使计算机的交互性、通信的分布性和电视的真实性融为一体。为多媒体通信提供传输环境的新型网络，90年代发展的重点是宽带综合业务数字网(B-ISDN)，速率将达到2.4 Gbps，可以传输高保真立体声和高清晰度电视，是多媒体通信的理想传输环境；光纤通信技术是研究热点，其中全光通信、光纤孤子通信、相干光纤通信技术在不断发展；新的高速交换技术，以异步传输模式(ATM)、交换式多兆位数字服务(SMDS)和帧中断(FR)技术作为信息交换方式的网络技术正在日新月异地发展。
　　现代化电厂的实时生产监控涉及多方面的专业知识。采用多媒体通信技术，使不同地区的各方面的技术人员和管理人员通过视频会议系统共同讨论生产、技术、管理问题成为可能。使用视频卡和图像压缩技术可以实现图像等视频的远程传输。在火力发电厂的计算机监视和控制系统中利用多媒体PC机或工作站的视频输入接口，将电厂的工业电视系统和计算机监控系统联网，相互交换信息，既增加了分析事故的原始资料，又可将实况影视信息送到厂长终端或电网调度室，以供上级部门进行分析评价。

2　发展展望
　　由上可知，多媒体技术在工业生产实时监控系统中的应用，较之以单纯的仪表监测，不仅形象直观，而且可以提高操作人员的反应速度，减轻操作人员的工作强度，增加系统的可靠性，使监控系统的自动化程度及功能有了很大提高。
　　同时我们也发现，目前多媒体在电力实时生产监控中的应用，只是不同媒体信息在同一平台上的集中表现，在实时控制中有许多与时间和稳定可靠有关的特殊问题需要解决。多媒体在该领域的应用前景是实现多媒体的系统化应用，这就需要充分利用各种媒体的信息并取得最佳协同效果［3，4］。语音、图像、动画等信息与通常的数字、文字、图形数据等应一样数据库化，使之可以随时自由、方便地处理、传输、存储和检索。这一方面需要有高速网络和应用平台的协助，另一方面需要定义适当的、标准化的多媒体协作应用的模型和通信结构［5］。文［6］给出了未来的多媒体系统，如图4所示。其中智能化发信器用于监测机器是否异态或异动；多媒体传送装置能够集中传送不同的媒体信息；多媒体人—机界面、三维在线仿真器等则有赖于便于人们理解的智能化会话系统，予人以临场的信息表示、操作技术和环境等的进一步发展。

图4　未来的多媒体系统