基于多特征融合的電網(wǎng)調(diào)度員工作負(fù)荷綜合評(píng)價(jià)方法

周毅, 宋柄兵, 王臻, 傅山

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東調(diào)度分中心， 上海 200120；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

0 引言

電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)于生產(chǎn)、生活至關(guān)重要。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求迅速增加，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大、結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜。于此同時(shí)，為電力調(diào)度工作帶來了更大的壓力。電力調(diào)度中心是一個(gè)復(fù)雜的人在環(huán)系統(tǒng)，調(diào)度員在其中負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電能供求、保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作。盡管一系列自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入調(diào)度大廳，大大提高了調(diào)度員的工作效率，仍有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明電力調(diào)度過程中70%以上的安全事故由人為差錯(cuò)產(chǎn)生[1]。過高的工作負(fù)荷是誘發(fā)人為差錯(cuò)的主要原因之一[2,3]。因此，分析與評(píng)估電力調(diào)度人員工作負(fù)荷、并由此優(yōu)化工作安排，對(duì)于提高電力系統(tǒng)安全性意義重大。

目前已有一些研究開始關(guān)注電網(wǎng)調(diào)度員的工作負(fù)荷，它們大多基于工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)，例如通過每日關(guān)鍵業(yè)務(wù)的小時(shí)數(shù)反映調(diào)度員工作負(fù)荷[4,5]；文獻(xiàn)[6, 7]則考慮了不同水平調(diào)度員的能力差異，通過各類業(yè)務(wù)的總工作時(shí)間與調(diào)度員可承受的工作時(shí)間的比例來對(duì)其工作負(fù)荷做出評(píng)價(jià)。

相對(duì)而言，其它一些領(lǐng)域(如航空、核電等)在人員工作負(fù)荷評(píng)價(jià)方面已有一定的研究基礎(chǔ)[8,9]。研究發(fā)現(xiàn)，只通過“看得見的”工作負(fù)荷(工作時(shí)長(zhǎng))并不足以對(duì)工作負(fù)荷做出有效的評(píng)價(jià)[10]，它忽視了任務(wù)難度、經(jīng)驗(yàn)水平、人員狀態(tài)等因素的影響[11]。工作負(fù)荷的評(píng)價(jià)還需結(jié)合操作人員的心理剩余資源。個(gè)人的能力是有限的，剩余資源越少，越難以應(yīng)對(duì)主任務(wù)之外的附加任務(wù)，潛在的人因風(fēng)險(xiǎn)由此增加。當(dāng)執(zhí)行任務(wù)所需資源超過資源供給的極限時(shí)，主任務(wù)績(jī)效也無法保證。

心理資源占用情況屬于一種“看不見的”工作負(fù)荷，難以直接進(jìn)行測(cè)量。目前已提出的測(cè)量方法可分為生理測(cè)量、次任務(wù)績(jī)效測(cè)量以及主觀評(píng)價(jià)[12]。其中生理測(cè)量利用不同精神壓力下自主神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)人體器官的調(diào)控機(jī)理，可連續(xù)、客觀的對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行間接測(cè)量。典型的生理測(cè)量包括心電、眼動(dòng)、腦電等[13,14]，在測(cè)量過程中需要盡量減少測(cè)量設(shè)備本身對(duì)操作人員帶來的干擾。次任務(wù)績(jī)效測(cè)量在主任務(wù)過程中人為疊加次要任務(wù)，通過次任務(wù)績(jī)效反映操作人員的剩余資源。這類測(cè)量設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要考察不同認(rèn)知通道間的資源類型，在復(fù)雜任務(wù)情景中難以實(shí)施[15]。主觀評(píng)價(jià)法將被試人員的主觀感受進(jìn)行定量化處理以評(píng)價(jià)其工作負(fù)荷，需要被試具有一定的人因相關(guān)理論基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)，難以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量[16]。

根據(jù)工作負(fù)荷復(fù)雜、抽象的特性，單一測(cè)量指標(biāo)往往無法可靠的對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。選取哪些指標(biāo)才能全面的對(duì)其進(jìn)行描述也是目前的難點(diǎn)。

本研究在認(rèn)知科學(xué)理論指導(dǎo)下建立工作負(fù)荷評(píng)價(jià)模型，通過多指標(biāo)定量測(cè)量，利用音頻處理、圖像處理、生理信號(hào)處理等技術(shù)手段，結(jié)合真實(shí)調(diào)度場(chǎng)景中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建一套全面、連續(xù)、有效可行的電網(wǎng)調(diào)度員工作負(fù)荷評(píng)價(jià)方法。

1 方法

根據(jù)Wickens提出的人的信息處理階段模型[17]，一般操作人員的工作過程包含信息感知與處理、反應(yīng)決策與執(zhí)行等階段，并且各個(gè)階段都需要投入“心理資源”。結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度人員的任務(wù)特性，其需要感知與處理的信息絕大部分來自于生產(chǎn)方和用戶的電話請(qǐng)求；其反應(yīng)執(zhí)行表現(xiàn)為在調(diào)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中以鍵盤輸入方式擬定操作票，以及通過電話語音方式下達(dá)操作指令。為此，本研究構(gòu)建模型，從信息感知、操作行為、語音輸出以及心里資源占用四個(gè)維度評(píng)價(jià)電網(wǎng)調(diào)度員的工作負(fù)荷,如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)調(diào)度員工作負(fù)荷評(píng)價(jià)模型

在此模型的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了一系列客觀定量測(cè)量及特征提取方法，以實(shí)現(xiàn)工作負(fù)荷定量化評(píng)價(jià)，其中信息感知維度通過音頻監(jiān)控與處理統(tǒng)計(jì)調(diào)度員接收信息的數(shù)量；動(dòng)作反應(yīng)維度通過視頻監(jiān)控及圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)調(diào)度員操作活動(dòng)的數(shù)量；語音反應(yīng)維度通過音頻監(jiān)控及語音信號(hào)處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)語音輸出行為的數(shù)量；心理資源占用維度通過生理測(cè)量及生理信號(hào)處理描述“看不見的”腦力工作負(fù)荷。

1.1 信息感知維度

本研究以打入電話的頻繁程度反映調(diào)度員信息感知方面的工作負(fù)荷。

為此，首先通過分析電話鈴聲的頻譜特性，設(shè)計(jì)切比雪夫I型帶通濾波器，以定位音頻中的電話鈴聲。所設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)如下：通帶截至頻率上下限分別為：3 300 Hz和3 450 Hz；阻帶截止頻率上下限分別為：3 200 Hz和3 500 Hz；通帶波紋1 dB，阻帶波紋5 dB。濾波前后的時(shí)域波形如圖2所示。

(a) 原始語音信號(hào)

(b) 帶通濾波后提取的鈴聲信號(hào)

可以看出經(jīng)過該帶通濾波器處理，原音頻信號(hào)中的鈴聲被有效的分離出來。

通過設(shè)置長(zhǎng)度為10分鐘的滑動(dòng)窗口，并在窗口中統(tǒng)計(jì)來電鈴聲的次數(shù)，即可反映調(diào)度員單位時(shí)間內(nèi)接收信息的數(shù)量。

1.2 語音輸出維度

通過語音強(qiáng)度和語音的復(fù)雜度來反映語音輸出過程中的工作負(fù)荷。

同樣，首先采集并分析調(diào)度員語音的頻譜特性，以此設(shè)計(jì)切比雪夫I型帶通濾波器，用以提取音頻中的語音。所設(shè)計(jì)的語音提取濾波器參數(shù)如下：通帶截至頻率上下限分別為：100 Hz和800 Hz；阻帶截止頻率上下限分別為：50 Hz和850 Hz；通帶波紋1 db，阻帶波紋5 db。

針對(duì)提取出的語音信號(hào)，首先利用長(zhǎng)度為200個(gè)采樣點(diǎn)的窗口對(duì)信號(hào)進(jìn)行分幀處理，在每一幀中通過公式(1)。

(1)

計(jì)算語音短時(shí)平均能量[18]。該指標(biāo)反映了調(diào)度員語音強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況，如圖3所示。

圖3 語音短時(shí)能量

其中，En代表第n幀語音信號(hào)的短時(shí)平均能量，xn(m)為第n幀中第m個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)幅度，N是幀長(zhǎng)度，這里取200。

(2)

5)通過式(3)計(jì)算當(dāng)前幀信號(hào)的譜熵,如式(3)。

(3)

一段時(shí)間內(nèi)語音譜熵隨時(shí)間的變化如圖4所示。

圖4 語音譜熵

1.3 操作行為維度

本研究通過肢體運(yùn)動(dòng)速度反映調(diào)度員動(dòng)作輸出方面工作負(fù)荷。

利用視頻監(jiān)控以及圖像處理技術(shù)提取調(diào)度員肢體運(yùn)動(dòng)速度。處理過程主要包括膚色檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)檢測(cè)兩條路線。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)部分通過以下四個(gè)部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：1)彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；2)通過“開運(yùn)算”進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波，減少圖像中的噪點(diǎn)、填充圖像中較小的空洞；3)通過幀間差分計(jì)算相鄰視頻幀的差異如式(4)。

Dn(x,y)=|fn(x,y)-fn-1(x,y)|

(4)

其中fn(x,y)是第n幀視頻圖像,fn-1(x,y)是第(n-1)幀視頻圖像。Dn(x,y)差分后的圖像。4)二值化處理，通過設(shè)置閾值，提取差分圖像中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域如式(5)。

(5)

其中T是二值化閾值，本研究中取60。Mn(x,y)是一幅黑白圖像，其中白色部分代表檢測(cè)出的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，區(qū)域的大小反映了運(yùn)動(dòng)速度的快慢；黑色部分代表靜態(tài)區(qū)域。

視頻中調(diào)度員手部之外其它物體的運(yùn)動(dòng)很容易對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，為此另一條途徑是通過膚色檢測(cè)做出限制，只考慮調(diào)度員肢體(特別是手部)的動(dòng)作行為[20]。本研究利用基于YCrCb顏色空間膚色橢圓模型的肢體檢測(cè)方法：1)將原始視頻圖像從RGB顏色控件轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr顏色空間；2)通過公式(6)、(7)判斷各像素點(diǎn)顏色是否落在以下膚色橢圓模型內(nèi)如式(6)、式(7)。

(6)

(7)

3)二值化處理，提取膚色區(qū)域。

最后對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與膚色檢測(cè)結(jié)果取交集，得到圖像中的運(yùn)動(dòng)肢體部分，如圖5所示。

(a) 監(jiān)控視頻圖像

(b) 運(yùn)動(dòng)肢體圖像

通過統(tǒng)計(jì)該圖像中白色區(qū)域的面積即得到調(diào)度員肢體運(yùn)動(dòng)速度，如圖6所示。

1.4 心理資源占用維度

本研究通過心率來反映調(diào)度員心理資源占用情況。

大量不同領(lǐng)域中的研究都指出心率可以作為一種反映腦力工作負(fù)荷的有效指標(biāo)：當(dāng)操作人員處理難度較大的任務(wù)或心理壓力增加時(shí)，心率會(huì)顯著提高[21-23]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，心率測(cè)量設(shè)備已可在保證測(cè)量精度的情況下實(shí)現(xiàn)便攜化。測(cè)量過程中基本不會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生干擾。基于PPG(Photoplethysmography，光電容積脈搏波)技術(shù)的心率傳感器可以集成在運(yùn)動(dòng)手表或手環(huán)中，并通過藍(lán)牙將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)的導(dǎo)出。本研究中我們對(duì)測(cè)量到的心率信號(hào)進(jìn)行均值濾波，消除其中的野值，如圖7所示。

圖6 肢體運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)

(a) 原始心率測(cè)量

(b) 處理后的心率

1.4 綜合評(píng)價(jià)

各維度中的特征提取后，利用時(shí)間同步技術(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，然后通過公式(8)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱差異如式(8)。

(8)

通過式(9)進(jìn)行多指標(biāo)綜合，其中各特征權(quán)重通過實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于任務(wù)難度差異越敏感的指標(biāo)權(quán)重越大,如式(9)。

(9)

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取華東電網(wǎng)調(diào)度中心6名現(xiàn)任調(diào)度員作為被試(均為男性，年齡28～32歲，調(diào)度工作經(jīng)驗(yàn)：3～6年)。被試分別在兩種任務(wù)情境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

調(diào)度大廳中進(jìn)行日常調(diào)度工作

反事故演習(xí)室進(jìn)行事故處置工作

其中事故處置工作的難度、操作數(shù)量與緊迫程度遠(yuǎn)高于日常工作。在實(shí)驗(yàn)過程中通過廣角全高清攝像頭記錄被試操作行為、通過麥克風(fēng)記錄任務(wù)過程中的音頻信號(hào)，通過Mio Alpha藍(lán)牙心率手表監(jiān)測(cè)被試的心率。

將兩種工作情景中的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，各特征指標(biāo)的均值及相對(duì)差異分別如表1所示。

表1 各特征指標(biāo)在日常調(diào)度工作于事故處置工作中的特性

指標(biāo)的相對(duì)差異進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后作為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重如式(10)。

(10)

由此得出調(diào)度員工作負(fù)荷綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的表達(dá)式如式(11)。

(11)

將調(diào)度員在日常調(diào)度工作中的測(cè)量數(shù)據(jù)帶入式(11)，調(diào)度員值班過程中的工作負(fù)荷綜合連續(xù)評(píng)價(jià)曲線如圖8所示。

圖8 工作負(fù)荷測(cè)量及評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

通過調(diào)研電網(wǎng)調(diào)度專家，“擬定操作票”任務(wù)是調(diào)度員的一項(xiàng)重要且復(fù)雜的任務(wù)，專家普遍認(rèn)為擬定操作票過程工作負(fù)荷較高。為此，結(jié)合調(diào)度日志，在圖中對(duì)“擬定操作票”任務(wù)的完成時(shí)刻進(jìn)行標(biāo)記(見圖8中豎線)，可以發(fā)現(xiàn)該任務(wù)完成之前工作負(fù)荷評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯較高，而在任務(wù)結(jié)束后出現(xiàn)回落。由此表明本研究提出的方法可以比較有效的反映調(diào)度員任務(wù)過程中工作負(fù)荷的變化。

不過本文的方法仍存在不足之處，例如在信息感知方面，沒有考慮的視覺信息的認(rèn)知，這主要受限于目前仍沒有找到能夠有效測(cè)量視覺信息量的方法。眼動(dòng)儀是一種備選方案，不過根據(jù)我們對(duì)調(diào)度員的實(shí)際考察，發(fā)現(xiàn)大部分調(diào)度員佩戴眼鏡，這使得現(xiàn)有的眼鏡式的應(yīng)用受到限制。而調(diào)度員較大的注意力分配范圍(往往需要監(jiān)控多個(gè)屏幕)又難以滿足桌面式眼動(dòng)儀的監(jiān)控條件。

4 總結(jié)

本研究結(jié)合人的信息處理模型與電網(wǎng)調(diào)度員的實(shí)際工作情景，提出了一種多特征融合的調(diào)度員工作負(fù)荷綜合評(píng)價(jià)方法。該方法從“信息感知”“語音輸出”“行為輸出”“腦力資源占用”四個(gè)維度對(duì)工作負(fù)荷進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)維度都通過連續(xù)的定量測(cè)量進(jìn)行描述。本文詳細(xì)介紹了每個(gè)維度中特征提取的方法以及多指標(biāo)綜合方法。最終將所提出的方法應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從一定程度上證明了本方法的有效性，相對(duì)現(xiàn)有工作負(fù)荷評(píng)價(jià)方法，本方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面、詳細(xì)。在未來的研究中將通過更大的實(shí)驗(yàn)樣本量對(duì)方法中的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化與完善。