人工智能技術(shù)在電氣工程及自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

劉成山

關(guān)鍵詞 人工智能技術(shù) 電氣工程 自動(dòng)化 作用

近年來(lái)，部分專家和學(xué)者在歸納前人研究成果的基礎(chǔ)上，將人工智能技術(shù)的發(fā)展方向?qū)?zhǔn)了電氣自動(dòng)化控制領(lǐng)域，在理論及實(shí)踐上取得了一定突破，證實(shí)了人工智能技術(shù)對(duì)電氣工程及自動(dòng)化具有巨大的提升作用[1] 。

1概述

1.1人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)概念最早提出于20 世紀(jì)末，該技術(shù)以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為核心，以自動(dòng)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的模擬、仿真及控制。人工智能技術(shù)可視為融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、邏輯學(xué)、信息學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科門類，體現(xiàn)為帶有智能化屬性的程序框架。美國(guó)教授溫斯頓進(jìn)行了進(jìn)一步概括，為人工智能定義如下：“人工智能聚焦人的智能，研究人的智能如何賦予計(jì)算機(jī)，也就是通過對(duì)人類智能活動(dòng)及其規(guī)律進(jìn)行研究，以此為基礎(chǔ)構(gòu)造出能夠?qū)Υ艘?guī)律進(jìn)行模擬的系統(tǒng)或程序”。由此可見，人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)密不可分，前者是后者的重要分支，隨著人工智能技術(shù)研究的深入，人工智能（AI）已成為21 世紀(jì)的重要尖端技術(shù)。人工智能技術(shù)在對(duì)人類大腦智力運(yùn)行規(guī)律加以歸納時(shí)，主要以思想、語(yǔ)言、圖像及動(dòng)作指令為響應(yīng)要素，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助下對(duì)上述要素進(jìn)行處理[2] 。盡管人類大腦作為信息儲(chǔ)存分析“裝置”，無(wú)法被完全復(fù)制，但計(jì)算機(jī)通過模擬收集及分析反饋人腦信息，也能夠有效獲取并生成一種自動(dòng)化程序，基于人工智能技術(shù)的自動(dòng)化控制機(jī)制得以形成。

1.2電氣工程及自動(dòng)化

從傳統(tǒng)層面上看，電氣工程可定義為研究與電氣及電子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的學(xué)科。電氣工程涉及眾多元器件的組裝運(yùn)行，是工業(yè)生產(chǎn)及科技領(lǐng)域內(nèi)起引領(lǐng)作用的工程類型。因?yàn)槠湓骷熬⒖刂埔剌^多，電氣工程及自動(dòng)化需要技術(shù)層面的可靠保障，在信息技術(shù)發(fā)展迅猛的當(dāng)下，電氣工程的技術(shù)屬性不斷增強(qiáng)，與電子技術(shù)結(jié)合程度更深。從實(shí)際應(yīng)用上看，電氣工程及自動(dòng)化廣泛涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，呈現(xiàn)出電氣機(jī)械相結(jié)合、強(qiáng)弱電相結(jié)合、軟硬件一體化等特征，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、機(jī)械制造、電力、國(guó)防、航空、信息、電子等相關(guān)行業(yè)中[3] 。

2應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

人工智能技術(shù)作為新興技術(shù)形式，依托計(jì)算機(jī)技術(shù)及微控制器等元件，在電氣工程及自動(dòng)化中大有用武之地。從整體上看，人工智能控制具有適應(yīng)力強(qiáng)、操作便捷、抗干擾性強(qiáng)、資源占用率低、一致性突出等優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在自動(dòng)化模型參數(shù)設(shè)計(jì)及電氣設(shè)備資源節(jié)約使用等方面。

2.1降低外部因素的影響

在電氣工程早期運(yùn)行階段，實(shí)施控制操作時(shí)主要采用機(jī)械式控制器，需要人工進(jìn)行相關(guān)操作，如操作不慎，極易導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)短路等故障，減少設(shè)備使用壽命。人工智能技術(shù)的介入能夠?qū)鹘y(tǒng)模式下的控制器進(jìn)行性能參數(shù)上的改進(jìn)，通過構(gòu)建自動(dòng)化控制模型，對(duì)電氣工程設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及指標(biāo)數(shù)值變化進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而降低外部因素給電氣工程及設(shè)備帶來(lái)的不利影響。例如，在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中安裝基于人工智能技術(shù)的控制器，可以省卻參數(shù)設(shè)置內(nèi)容，借助自動(dòng)化模型對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤控制，有效阻斷外部環(huán)境及人為操作帶來(lái)的不利影響，同時(shí)憑借人工智能支持下的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以確保電氣操作始終規(guī)范一致。

2.2提升數(shù)據(jù)處理速率

電氣工程及自動(dòng)化系統(tǒng)模塊在遇到運(yùn)行問題時(shí)，如處理時(shí)間過長(zhǎng)，極易導(dǎo)致系統(tǒng)性能受損，降低生產(chǎn)效率。而通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將人工智能技術(shù)與電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行對(duì)接，能夠快速分析處理電氣工程設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)，在智能函數(shù)等計(jì)算功能輔助下，加快關(guān)鍵數(shù)據(jù)的處理速率，快速判定電氣工程設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。具體實(shí)施上，先設(shè)定用于提取數(shù)據(jù)的邏輯語(yǔ)言及響應(yīng)信息，然后將這些信息轉(zhuǎn)化為可供計(jì)算機(jī)識(shí)別的文字、語(yǔ)言、動(dòng)畫、圖像及圖形，最后在人機(jī)界面中進(jìn)行呈現(xiàn)。此外，針對(duì)電氣自動(dòng)化控制的操作，人工智能技術(shù)及其支持下的控制器，可以修改及擴(kuò)展參數(shù)，從而提升自動(dòng)化控制系統(tǒng)的便捷性。

2.3提高工作效率

電氣工程在構(gòu)成上較為繁雜，各類設(shè)備元件數(shù)量眾多，在進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)如智能化水平不高，極易導(dǎo)致人力物力資源的浪費(fèi)，使得工作效率過低。例如，電氣工程及連線往往需要電氣線路、變壓器及電力設(shè)施的共同配合，這些設(shè)備元件在操作上具備差異性，有的操作帶有危險(xiǎn)性。在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能技術(shù)，一方面能夠?qū)⒆儔浩鞯戎髟O(shè)備的操作交由計(jì)算機(jī)模塊加以智能化控制，另一方面能夠降低人工操作頻率，優(yōu)化工作步驟，避免人為操作產(chǎn)生過大誤差，最終提高電氣工程及自動(dòng)化的工作效率和精度。在電氣自動(dòng)化效率的保障及提升上，人工智能技術(shù)支持下的專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)借助分布式存儲(chǔ)及靈活性學(xué)習(xí)方法，可以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理要求，在電力系統(tǒng)的負(fù)荷規(guī)律預(yù)測(cè)及故障樹模型建立上，形成程序系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)問題的實(shí)時(shí)在線分析，從而大幅節(jié)約電力系統(tǒng)運(yùn)維檢修成本。

3提升作用和應(yīng)用要點(diǎn)

3.1優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

電氣工程及自動(dòng)化功能的發(fā)揮有賴于電氣設(shè)備及裝置的協(xié)同配合，在實(shí)施電氣工程及自動(dòng)化操作時(shí)，需要做好電氣產(chǎn)品及電氣設(shè)備的可靠性研究及高質(zhì)量設(shè)計(jì)[8] 。在該環(huán)節(jié)，人工智能技術(shù)能夠有效指導(dǎo)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)踐。例如，在電氣設(shè)備及產(chǎn)品的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、產(chǎn)品成形、產(chǎn)品試驗(yàn)等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，需要確保連貫無(wú)誤差，采用傳統(tǒng)模式下的電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式涉及人工多次檢查對(duì)照，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期被拉長(zhǎng)，降低電氣產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。而采用人工智能技術(shù)，可以極大提高設(shè)計(jì)水平及效率。從具體實(shí)現(xiàn)方式上看，電氣設(shè)備及電氣產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)支持下的CAD 設(shè)計(jì)軟件，能夠直觀顯現(xiàn)電氣產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，直至在計(jì)算機(jī)上形成設(shè)計(jì)圖紙，之后設(shè)計(jì)人員結(jié)合電氣產(chǎn)品的特點(diǎn)及需求，將設(shè)計(jì)草稿上傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在人工智能控制器內(nèi)輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)算法對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出最佳設(shè)計(jì)方案。

在傳統(tǒng)模式下進(jìn)行電氣設(shè)備及產(chǎn)品設(shè)計(jì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不具備較高的設(shè)計(jì)準(zhǔn)度，極易出現(xiàn)設(shè)計(jì)誤差及漏項(xiàng)。采用人工智能技術(shù)可將電氣設(shè)備及產(chǎn)品設(shè)計(jì)納入框架系統(tǒng)，可隨時(shí)對(duì)設(shè)備及產(chǎn)品的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。在電氣產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)上，由于其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣有直接影響，也關(guān)系到設(shè)計(jì)成本及技術(shù)性能等要素，在此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如電機(jī)、機(jī)床等，先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型層次劃分，了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖及使用需求，然后考慮電氣設(shè)備運(yùn)行方式及控制模式的差異，通過人工智能技術(shù)中基于粗糙集理論的“樹”模塊，對(duì)產(chǎn)品的屬性進(jìn)行提取，然后確定設(shè)計(jì)重點(diǎn)，最后采用模糊相似度計(jì)算及不確定參數(shù)計(jì)算的方式形成設(shè)計(jì)方案。

3.2提高資源利用率

電氣工程及自動(dòng)化前期需要用到大量資源，如在傳統(tǒng)電氣工程建設(shè)及運(yùn)行中，需要對(duì)電力系統(tǒng)線路、元器件、變壓器等相應(yīng)電氣設(shè)備進(jìn)行安裝和處理，這一過程涉及眾多電氣資源的調(diào)度使用。在滿足電氣設(shè)備控制系統(tǒng)模塊的精準(zhǔn)操作這一基本要求外，還需要調(diào)用數(shù)量龐大的電氣工作人員負(fù)責(zé)開展對(duì)電氣設(shè)備資源的日常運(yùn)行檢查及定期維修工作，會(huì)產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)成本支出。而在地理方位較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備的維保檢修上，往往得不到全面保障服務(wù)，造成資源不足或浪費(fèi)問題多發(fā)。而通過人工智能技術(shù)，特別是借助專家系統(tǒng)、遺傳算法及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一方面能夠減少電氣設(shè)備元件的數(shù)量，降低對(duì)線路及變壓器等設(shè)備的依賴程度，最大化地節(jié)約電氣資源，另一方面省卻了大量人力成本支出，通過設(shè)置配合人工智能技術(shù)支撐的無(wú)人值守系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以做到24 小時(shí)監(jiān)控電氣設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)一步縮減了電氣工程及自動(dòng)化運(yùn)行的時(shí)間成本，達(dá)到了電氣資源合理利用的目的。例如，在電氣設(shè)備的檢修上，利用人工智能技術(shù)，通過在電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中增加微型監(jiān)控模塊，或者在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入故障樹數(shù)據(jù)庫(kù)及模糊計(jì)算方法，可以將設(shè)備的易損部位進(jìn)行判定，為檢修人員提供最優(yōu)的檢修方案。

3.3提高故障診斷效率

電氣設(shè)備元器件數(shù)量多，在電氣設(shè)備日常運(yùn)行時(shí)較易產(chǎn)生程度不一的磨損及受損問題，電氣故障發(fā)生概率高。在對(duì)電氣設(shè)備的故障進(jìn)行判斷及處理時(shí)，傳統(tǒng)方式是在電氣設(shè)備內(nèi)提取油和氣，借助氣體樣本進(jìn)行分析，這在效率及成本上都不具備優(yōu)勢(shì)，有時(shí)會(huì)影響整個(gè)電氣線路的運(yùn)行效率。人工智能技術(shù)在故障診斷上具備提速及降低難度的優(yōu)勢(shì)，可以滿足突發(fā)故障的處理需求。在具體實(shí)施上，主要是借助人工智能技術(shù)支持下的專家技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及模糊理論等，對(duì)電氣設(shè)備的故障點(diǎn)進(jìn)行快速判定，然后對(duì)故障信息進(jìn)行提取和分析，直至找到故障源。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，可以在計(jì)算機(jī)中輸入設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，由自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，然后將異常數(shù)據(jù)提供給人工智能終端，讓其通過信息數(shù)據(jù)的變化對(duì)電氣設(shè)備及線路的性能進(jìn)行評(píng)估，最后采用人工智能技術(shù)中的數(shù)值計(jì)算機(jī)符號(hào)推理等診斷方法來(lái)提出解決故障的方案。從實(shí)際效果上看，借助人工智能技術(shù)中的專家系統(tǒng)，可以解決電氣系統(tǒng)及設(shè)備的絕大多數(shù)故障。

4結(jié)論

人工智能技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，給電氣工程及自動(dòng)化領(lǐng)域起到了助推作用。在應(yīng)用人工智能技術(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合電氣工程及自動(dòng)化的具體情況，發(fā)揮人工智能技術(shù)在電氣設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電氣操作控制、電氣資源利用、電氣故障維保等方面的作用，使電氣工程及自動(dòng)化領(lǐng)域能夠取得更大突破。