浅析电网中EMS人机交换技术

李飞

摘要：能量管理系统(EMS)在电网中运用越来越智能化。本文重点对智能电网中能量管理系统(EMS)A-机交互的关键技术进行分析。分析了单窗口多视图、多窗口多视图及多屏多视图等3类多视图的协作方式，以实现人机交互的智能化。因此引入事件与任务触发机制相关规则的几个要点——所处状况的判断、信息的选取及信息在视图中的分配、可视化及协作方式选取等等。对时间序列可视化的方式进行探讨，以实现EMS的人机交互由间接操作模式转向直接操作模式，从而保障调度员能够专心应对系统所发生的问题。

关键词：EMS；人机交互；智能化；设计；关键技术；

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言：随着智能电网中能量管理系统(EMS)的智能程度不断提高。EMS将承担更多决策型工作。在调度员决策型工作减少的同时，将更多地通过人机界面与EMS进行交互。并随时准备在计算机出错时进行必要的危机和错误管理。这些改变对智能电网中EMS人机交互的设计提出了新的要求。此外还得改进EMS的核心算法以实现高度智能化，从而从本质上体现人机交互智能化。本文将探索智能电网中EMS人机交互的设计，并重点对人机交互的关键技术进行分析。

1人因工程对人机交互的指导

与辅助决策阶段相比，在交互型人工智能阶段，决策工作将更多地交由EMS完成，调度员工作负担得以减轻。同时，随着调度员对计算机依赖程度的上升，调度员的“可靠性”可能会受到影响。依据人因工程学进行分析，具体反映在以下3点：

（1）调度员的觉察能力降低。调度员将不易觉察到系统所出现的问题，特别是某些出现概率较低的事故类别。

（2）调度员对系统的情境意识缺失。调度员对当前系统状态难以做出正确的判断，对电力系统全局及某些关键局部的认识和判断能力下降。

（3）调度员的知识和技能退化。调度员对计算机的过度依赖会导致认知、分析、决策等工作的减少，从而造成工作能力下降。

智能电网中，为避免调度员出现上述问题，或降低所述问题产生的负面影响，有必要以人因工程为指导，在EMS人机交互设计过程及调度员的实践环节过程做出改变，以促使调度员保持高度的“可靠性”。

1．1 高度监控参与感

若调度员过于信任EMS的决策能力，则容易主动减少对系统监控的参与程度。此时一旦出现故障并需要调度员选择决策，调度员可能会因缺失对系统运行状态及决策过程的了解，从而错失执行决策的最佳时机。

因而尽管高智能化的EMS有助于减轻调度员工作负担，特别是减少其认知和决策的思考过程,这并不表示调度员可以主动降低工作的紧迫感。为保持高度的“可靠性”，调度员仍应该融入整个监控过程之中，保持高度的监控参与感。同时，基于上述原因，调度员应对EMS保持适度的信任感；既不能过度信任EMS，也不能丧失信任。

1．2高度设计参与感

调度员的工作任务除了要体现在实时监控端，应更多地在EMS的设计、维护和升级过程中予以体现。

经验在事故处理中往往有着至关重要的作用，为保证高度智能化的EMS“拥有”调度员所积累的经验。需要调度员较以往更多地参与设计。同时，在使用过程中。即使EMS拥有较强的自我学习功能，也仍需设计人员依据其运行情形不断进行修改，以期更加完善。因此,在设计环节及后期的修改环节，调度员都需要保持高度的参与感．甚至有必要实现调度员和设计者在角色上的融合。

1．3人机交互技术的改进

在交互型人工智能的EMS发展阶段，人机交互依然会是监控工作的一个重要环节，相关交互技术会对监控效率产生较大影响。同时，随着智能电网的实施，调度员将要面临更加复杂、要求更高、数据量更加庞大的电网，仅凭现有的交互技术，调度员已难以迅速、准确、全面地了解系统运行的真实状态。因此，有必要加大对人机交互技术的研究力度。依照计算机领域人机交互的发展方向以及电力系统的实际需求，在EMS人机交互技术的研究中，除了继续以高效率、低认知为目标之外，还应加大交互自然性和交互智能化的研究，以期实现调度员和EMS之间更加协调的配合。下文将重点对智能电网中EMS人机交互的关键技术展开分析。

2人机交互的关键技术

基于目前EMS人机交互的发展水平以及考虑未来的发展方向，本文归纳出智能电网初期人机交互方面亟需解决的4项关键技术：协作多视图、事件与任务触发机制、时间序列可视化及直接操作模式。

2．1协作多视图的实现

为满足调度员实时大容量信息监测的需求，如何将数量众多、种类繁杂的数据合理显示一直是电力系统人机交互的研究重点。尽管电力系统可视化技术发展迅速且已较为成熟，但一张图例上所显示的数据类别依然难以满足调度员的需求。在此基础上．多视图便成为不可或缺的工具和数据总量。多视图和可视化技术的结合使用，有利于减少大量的调画面操作，且降低调画面过程所增加的短期记忆负荷，从而在操作和认知两个方面均降低调度员的工作负担。与传统电网相比，智能电网中的信息类别和信息总量将会更多，多视图在EMS中的作用也将更加显著，有必要加大对其研究力度。

2．1．1 多视图的呈现方式

多视图有多种呈现方式，既可共存于同一窗口中，也可分布在多个窗口甚至多个屏幕中。常用的多视图呈现方式可归纳为以下3类。

（1）单窗口多视图：单一窗口被分割为多个框架，每一个框架对应一个视图。

（2）多窗口多视图：一个屏幕中存在多个窗口，视图分布在各窗口中。

（3）多屏多视图：视图分布在不同的屏幕中。通常以全屏形式呈现。

具体设计时，应充分发挥各类多视图的特点，相互配合以满足需求。多屏多窗口适用于放置信息量较大的视图，单屏多窗口或单窗口多视图适用于各视图信息量有限且视图显示内容关系紧密的情形。多屏显示在电力系统的应用较为广泛，而其他多视图的呈现方式则应用较少。但随着桌面型显示器面积的不断增大，单一屏幕可呈现的信息容量会显著增多。在这种情形下，应更多地翻用单窗口和多窗口2类多视图方式，这将有助于提高操作灵活性，并增强视图间的联系。

2．1．2多视图的协作

协作多视图是指在多视图中建立基于交互行为的联动关系，当用户与视图进行交互时，如改变、点击或移动某个视图的观察对象，其他视图内容也随之更新关系。在与可视化相关的众多研究领域中，协作多视图都是不可忽视的研究课题。EMS的协作多视图有必要在吸取一般协作关系及其他领域的协作多视图的基础之上展开深入的研究，可以参考的经典协作方式有画笔和链接全局和细节信息、追溯、同步滚动等。

2．2事件与任务触发机制的引入

协作多视图中各视图的联动由调度员的操作触发，即调度员的交互动作引起多视图显示内容的变换和协调配合。为进一步减轻操作负担，有必要在人机交互中引入事件与任务触发机制，这将是EMS入机交互智能化的重要体现。

一方面，事件触发机制可在第一时间将系统的综合故障信息合理呈现，节约事故处理时间。

另一方面，调度员的监控任务会随着系统运行状态的更改而改变，监控任务呈现出多样性的特点。若能够依据不同监控任务的特点，计算机自行调整人机界面的输出内容及形式，将有助于减轻调度员的操作负担。

在深层次的事件和任务触发机制中，具体的规则是设计关键。规则涉及到以下几个要点：一、所处状况的正确判断；二、所需显示的信息类别和信息总量范畴；三、信息在多视图中的合理分配；四、可视化方式的选择；五、多视图的布局、协作方式等的确定；

事件与任务触发机制的引入需要设计者对可能出现的问题以及人机交互技术(特别是视图的布局以及可视化技术)进行较为全面的分析。这要求调度员在设计过程中高度参与，该问题已在前文提及。同时，由于需针对不同的监控事件、任务。为降低设计的复杂程度，有必要将各类预想事件和任务进行合理分类，以降低研究和设计的难度。

2．3时间序列数据可视化的研究

智能化程度及预测水平提高，EMS中预测技术的应用也更广，预测所产生的数据也将更多。同时，数据挖掘能力的加强将会使得历史数据更具参考价值。因此，如何将标刻有过去、未来等时间尺度的数据，特别是时间序列数据用可视化技术予以展现，是值得研究的课题。

近年来，EMS可视化研究重心在空间类数据的显示上。在基于地理信息系统(GIS)的研究中，通过引入等高线及Have Green等可视化技术，采用离散数据连续化或数据聚类的方法，解决了海量数据集中显示的难题，并因此更好地展现出大系统的运行状态。与之相比，EMS时间序列数据的可视化研究较为匮乏。

如何选择适用于电力系统的方法，或是依据电力系统设计特殊的显示方式将是本研究的重点。在对EMS时间序列数据的可视化进行初步分析、总结之后。提出从像素条形图、协作多视图及基于GIS的3-D图等3个方面进行研究。

2.3．1像素条形图

条形图(pixel bar chart)是描述时间序列数据时最常用的一种可视化法，通常一个坐标用来表示时间，另一个坐标表示某一参数。而像素条形图是对传统条形图的改进，通过像素结合色彩的表达方式展现更多种类及更多数量的数据，该方法有助于解决电力系统大量时间序列数据的同时显示问题。像素与色彩结合的概念还可进一步扩展，例如在曲线图中加以使用。

2．3．2协作多视图

时间序列数据的种类及数量众多、可采用可视化结合多视图的方式予以表示。适当的时候有必要采用前文所提及的协作多视图方式将时间序列数据分散显示。例如，可以采用曲线和柱形图相结合的方式，曲线图可包含多条曲线以显示多参数，而柱形图则对相应的参数特征进行归纳总结。涉及到大量与日期相关的数据，也可以采用主图为可视化日历、次图为曲线图的方式予以展示。

2．3．3 时空融合的3-D GIS

在电力系统中，数据大都与空间位置或对象有一定联系。因而，在时间序列数据可视化中，不可避免地要涉及到时间、空间2个纬度相互融合的研究内容。对于该问题的解决，可以采取在3-D GIS的基础上进行开发的方式，在原有空问维度可视化的基础上合理地融合时间维度的可视化。常用的方法如在3-D GIS的纵向纬度上加入时间序列数据的可视化图形，如铅笔图、曲线图等。

2．4 间接操作模式转向直接操作模式

鼠标和键盘仍是目前EMS中最常用的输人工具，二者均属于间接操作模式，即调度员需操纵辅助工具间接完成输入任务。间接操作模式会使得计算机和调度员之间产生“隔阂”，交互的自然性较差、同时调度员需要分散过多的精力在交互行为上。在智能化水平较高的EMS中，引入直接操作模式将在减轻调度员认知负担的同时，进一步解放调度员，促使调度员和计算机之间形成更好的融合。计算机人机交互技术的发展，提供了实现直接操作的可能性。其中多通道用户界面及所包含的输入技术是直接操作模式的典型范例，在效率、认知负荷及自然性等方面均展现出良好的应用前景。多通道界面中，语音识别技术、手势识别技术和视线跟踪技术是常见的输入方式。

在EMS的人机交互中．手势识别和视线跟踪都不宜单独使用，有必要与语音识别整合，多个通道整合后的并行输入会比单一的通道更加高效、自然。考虑到多通道界面的应用潜力，有必要开展其在EMS中应用的研究。随着智能电网的不断实施，应逐渐将成熟的直接输入技术引入到EMS中加以合理使用。在对该问题进行研究之初，建立适用于电力系统的模型是一项重要的基础性工作。如图l所示。

3.结语

本文简述了改进智能电网系统中的一些不足的关键技术，有助于提高EMS人机交互的自然性和智能性。如协作多视图的实现、事件与任务触发机制的引入、时间序列数据的可视化实现都是比较容易得。而多通道界面的直接操作模式则由于手势识别、视线跟踪技术的识别率及灵敏度所限，在现阶段难以保持较好的实用性和推广。同时本人也将继续研究多通道界面的直接操作模式则由于手势识别、视线跟踪技术的识别率及灵敏度所限的问题。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。