CN102930479A - 一种用于电力系统规程知识的形式化方法及其形式化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力系统规程知识的形式化方法及其形式化系统，形式化方法包括下述步骤：A、对知识形式化进行建模；B、对知识形式化进行描述。步骤A包括下述步骤：（1）确定基本概念及概念结构；（2）抽象出概念属性；（3）确定复杂概念；步骤B包括下述步骤：（4）提取规程中包含的规则；（5）使用形式化规则语言描述规则；（6）使用形式化语言描述基础知识。形式化系统包括知识形式化建模模块和知识形式化描述模块。本发明从各类规程文本中识别有效知识，并借助合理的知识形式化方法，将蕴含其中的知识转为可被系统分析和识别的显性知识，大大提高电力系统的运行效率和电网的整体智能化水平。

Description

一种用于电力系统规程知识的形式化方法及其形式化系统

技术领域

本发明涉及电力系统信息化技术领域，具体涉及一种用于电力系统规程知识的形式化方法及其形式化系统。

背景技术

知识的形式化技术是构建知识系统的基础，涉及知识抽取、知识建模、知识表达以及知识存储。知识形式化技术将资源对象转换成便于计算机理解、处理和应用的形式，以便于构建基于知识的智能系统。业界对知识技术的研究从未间断，自本体论从哲学领域被引入知识研究领域后，引起了广泛的关注，并成为该领域的研究热点，本体论是指导知识建模的抽象层次的方法论，认为构建知识的过程首先需要抽象出研究领域中独立于具体环境状态的概念模型，给出明确的概念定义，采用形式化的规范说明使得知识在领域内能够被共同认可，并且是计算机可读和可处理的。基于本体论，国内外学术机构提出了如RDF、OWL等形式化语言，采用基于XML的形式描述领域知识，相应也出现了基于这些形式化语言的知识编辑工具及推理工具，如protégé和Jena等。本体论更多的关注所构建的知识模型应该满足的条件，并未针对知识构建的过程给出相应的步骤或方法。而形式化语言是在确定知识模型后，为便于阅读和处理而进行的描述工作，知识编辑工具为知识描述提供直观的操作和显示界面，自动生成基于形式化语言的知识文本，工具本身不能指导知识形式化的全部过程。不同领域的知识其知识结构的特点以及知识需求有所不同，领域专家根据自身经验对知识进行形式化。电力行业对基于本体的知识应用尚处于起步阶段，面临建设规模性知识库的需要，而电力系统中大量的经验知识和专家知识以文本化的形式存在于各类规程中，电力系统规程知识形式化工作的第一步是需要确定行之有效的知识形式化方法。

智能电网是21世纪电力系统的重大科技创新，而知识的应用是电网智能化的直接表现之一。电力系统包含各类生产运行管理系统，大量的电网基础知识、专家经验知识未能以有效的合理的表达方式被业务应用系统接受，而是以文本形式存在于各类规程文档或专家头脑中，这些具有重大指导价值的操作控制规则，如能被表达为系统可理解的形式化描述，并用于辅助智能决策将能大幅提高系统的运行效率和电网的智能化水平。通过合理的知识形式化方法，将原本隐藏于文本中的有效知识，经由统一、合理的知识模型和知识形式化描述，构成领域知识库，保证知识在电网各环节无歧义的流通，增强各类生产管理控制系统辅助决策的能力，也是电网建设与企业发展的重要资源，因此，开展电力系统规程知识的形式化方法研究，可以有效促进电网智能化发展。

国家电网公司已经建立起一体化企业级信息集成平台，实现了公司上下信息通畅和数据共享，但随着智能电网建设，海量信息环境下智能化系统的协调与控制规则将越发复杂，从各类规程文本中识别有效知识，并借助合理的知识形式化方法，将蕴含其中的知识转为可被系统分析和识别的显性知识，将大大提高电力系统的运行效率和电网的整体智能化水平。目前电网缺乏有效的规程类知识形式化的理论与方法，制约了智能电网中知识管理与智能应用的发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于电力系统规程知识的形式化方法及其形式化系统，本发明将知识形式化技术应用于电力系统规程知识中，知识形式化技术从各类规程文本中抽取出有效的电网运行、控制和各类管理知识，并对规程知识进行合理建模，采用形式化语言进行描述，使蕴藏在规程中的各类专家、经验知识能为智能系统所利用，有效提高电网的智能化水平。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种用于电力系统规程知识的形式化方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

A、对知识形式化进行建模；

B、对知识形式化进行描述。

其中，所述步骤A的对知识形式化进行建模包括下述步骤：

（1）确定基本概念及概念结构；

（2）抽象出概念属性；

（3）确定复杂概念；

所述步骤B的对知识形式化进行描述包括下述步骤：

（4）提取规程中包含的规则；

（5）使用形式化规则语言描述规则；

（6）使用形式化语言描述基础知识。

其中，所述步骤（1）中，所述基本概念是指不涉及利用约束概念属性取值范围而自然存在的概念；电力系统中涉及的基本概念包括电网环节、电网设备、电网物理节点、电网逻辑节点、辅助电网运行的生产管理系统、公司系统单位以及电网专有名词。

其中，所述基本概念是规程知识的基本组成元素。

其中，所述步骤（1）中，所述概念结构是指基本概念之间存在的包含、等价或相异逻辑关系；所述概念结构为网状的关联结构。

其中，基本概念的包含逻辑关系包括继承关系，即父概念与子概念的关系；所述父概念的内涵大于子概念，子概念包含于父概念中，并且子概念继承父概念拥有的所有属性。

其中，基本概念的等价逻辑关系定义两个以上具有相同内涵的概念，即同义概念；所述同一概念是相同对象的两个以上的不同代号。

其中，基本概念的相异逻辑关系定义两个以上概念，相异逻辑关系指代完全不同的电力系统对象；电力系统不存在任何一个个体实例同时属于两个以上的相异逻辑关系的概念。

其中，所述步骤（2）中，所述概念属性包括对象属性和数据属性；所述对象属性建立概念之间的关联关系和层次关系；所述数据属性建立概念和常量之间的关联关系；所述常量包括字符串和数字数学量。

其中，所述对象属性类型包括函数性属性、传递性属性、对称性属性、互逆性属性以及继承性属性。

其中，所述函数性属性是指作用于概念的对象属性，其取值唯一，不存在多值情况；

所述传递性属性是指属性在概念之间发生传递；

所述对称性属性是指该属性作用的定义域与值域互相交换；

所述互逆性属性定义两个属性互逆，即他们作用的定义域与值域相反；

所述继承性属性定义父类属性与子类属性的关系。

其中，所述步骤（3）中，所述复杂概念是指通过对基本概念的属性进行约束形成；属性约束类型包括指定性约束、存在性约束、全称性约束、最大值和最小值约束以及基数约束。

其中，所述指定性约束通过指定概念属性的取值内容定义的概念；

所述存在性约束是指通过约束概念属性的取值包含用户指定值定义的概念，该概念属性的取值存在用户指定值以外的取值；

所述全称性约束是指通过约束概念属性的所有取值为用户指定范围，该概念属性的取值不能为用户指定范围以外的取值；

所述最大值和最小值作用于数据属性，通过限制数据属性的取值范围定义的概念；

所述基数约束不同于上述的指定性约束、存在性约束和全称性约束，同一个概念的单个属性，基数约束取值个数有最小用户指定个数或最大用户指定个数；

基数约束是指通过约束概念属性的取值数量定义的概念（例如电网设备的连接关系，设备A拥有属性“连接变压器”，基数约束可用于限定设备A仅能与最多3个变压器存在连接关系）。

其中，所述步骤（4）和（5）依次进行，与步骤（6）为并列关系。

其中，所述步骤（5）采用形式化规则语言SWRL对电力系统规程知识中包含的规则进行形式化定义，定义中涉及的概念及概念关系均参照使用OWL语言描述的基础知识库，并得到电力系统规程的规则库。

其中，所述步骤（6）采用形式化描述语言OWL，根据建立的知识形式化模型，描述规程知识，利用知识建模工具，得到电力系统规程的基础知识库。

本发明基于另一目的提供的一种用于电力系统规程知识的形式化系统，其改进之处在于，所述系统包括：

知识形式化建模模块：用于对知识形式化进行建模；

知识形式化描述模块：用于对知识形式化进行描述。

其中，所述知识形式化建模模块包括：

基本概念及概念结构单元：用于定义基本概念和概念结构；

抽象概念属性单元：用于抽象出概念属性；

复杂单元：用于定义复杂概念。

其中，所述知识形式化描述模块包括：

提取规则单元：用于提取规程中包含的规则；

描述规则单元：使用形式化规则语言描述规则；

描述知识模型单元：使用形式化语言描述知识模型。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、将知识形式化技术应用于电力系统中：本发明将知识形式化技术应用于电力系统规程知识中，该技术从各类规程文本中抽取出有效的电网运行、控制和各类管理知识，并对规程知识进行合理建模，采用形式化语言进行描述，使蕴藏在规程中的各类专家、经验知识能为智能系统所利用，有效提高电网的智能化水平；

2、依据本体论对电力系统规程文本进行知识拆分：本发明以本体论为指导对电力系统规程文本进行知识拆分，本体论是近年来用于知识类研究最为行之有效的方法论，依据本体论，将电力系统规程知识分为基本概念、概念关系以及由各类约束作用于概念而形成的复杂概念，使得知识形式化的过程清晰合理；

3、将电力系统规程内容分为基础知识和规则知识：本发明将电力系统规程知识内容分为基础知识和规则知识，基础知识对应规程中相对稳定的知识结构，可以在多个规程文档间复用，规则知识的定义以基础知识为依托，并且规则是会随着电网发展以及规程版本变动而有所变更，所以，对规程的维护和更新只需要对规则进行修改，而无须更新基础知识，实现基础知识和规则知识之间的松耦合；

4、知识形式化的过程由知识形式化建模和描述组成：本发明涉及的电力系统规程知识形式化过程由知识形式化建模和描述组成，建模过程从规程文本中抽取有效的概念和概念结构、概念关系和复杂概念的定义，构成了规程基础知识的内容，知识形式化描述分别采用形式化知识语言和规则语言描述基础知识和规则知识，从综合角度保证了电力系统规程知识形式化的合理性和可用性。

附图说明

图1是本发明提供的电力系统规程本文知识拆分内容示意图；

图2是本发明提供的用于电力系统规程知识的形式化方法的流程图；

图3是本发明提供的概念之间的逻辑关系类型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的电力系统规程本文知识拆分内容如图1所示，知识形式化的对象是规程文本，知识形式化的结果是图示中的知识内容结构，图示规程文本指电力系统中用于指导电网建设的各类规程性质文档，规程文本的内容是进行知识抽取和形式化的对象，依据本体论，对规程内容进行知识拆分，并形成相应的规程知识。规程知识内容包括基础知识和规则，其中基础知识指规程中定义或涉及的各类电网名词和概念、概念之间的关联关系以及由简单概念通过各种逻辑关联而合成的复杂概念，分别称为规程基本概念、概念关系和复杂概念。其中概念是指高于具体对象实例的抽象名词，是一类对象实例的统称，不指代任何具体的实物，任何具体的个体实例均对应于各自的概念，即个体实例拥有某种概念类型。规则是指规程中用于约束电网操作和控制的指导性条文，主要以满足条件则推出相应结论或结果的形式存在，规则的存在以基础知识为基础，即规则中涉及的概念以及概念关系参照已被定义好的基础知识。基础知识对应规程中相对稳定的知识结构，可以在多个规程文档间复用，而规则是会随着电网发展以及规程版本变动而有所变更。

本发明提供的用于电力系统规程知识的形式化方法的流程如图2所示，包括下述步骤：

A、对知识形式化进行建模；

步骤A包括下述步骤：

（1）确定基本概念及概念结构：

根据规程上下文内容，采取由下至上的方法，提取出规程文本中涉及的基本概念，基本概念对应于复杂概念，是指不涉及利用约束概念属性取值范围而自然存在的简单概念，电力系统中涉及的基本概念包括电网各环节、电网设备、电网物理和逻辑节点、辅助电网运行的各类生产管理系统、公司各系统单位以及其他电网专有名词。电力系统的这些基本概念是各类规程知识的基本组成元素，概念结构、概念关系、复杂概念以及知识规则的定义均以基本概念为依据和参照。

电力系统中的基本概念并不是独立存在的，如图3所示概念之间存在包含、等价或相异等的逻辑关系，他们构成了基本概念之间的概念结构，将基本概念组织成网状的关联结构。概念包含定义了类似面向对象方法论中的继承关系，即父概念与子概念的关系，父概念的内涵大于子概念，子概念包含于父概念中，并且继承父概念所拥有的一切属性，适用于子概念的规则必定适用于父概念，反之则未必。概念等价定义了两个或多个具有相同内涵的概念，即同义概念，是相同对象的两个或多个不同代号。概念相异定义了两个或多个概念他们彼此没有任何交集，指代完全不同的电网对象，不可能存在任何一个具体的个体实例同时属于两个或多个相异概念。概念包含、概念等价和概念相异可用于简单的知识推理。

如图3所示，基本概念间的简单集合关系可以形成新的概念，具体包括概念的交、并和补。概念将多个概念相交形成的公共部分定义为一个新的概念；概念并将多个概念的集合定义为一个新的概念；概念补则通过否定概念A来定义新的概念B。概念间的集合关系定义补充完善了基本概念的定义。

（2）抽象出概念属性：

根据规则内容，提取出规程概念的通用属性，概念属性是指概念本身特有的区别于其他概念的特征，个体实例通过关联相应的概念获得预先定义的概念属性，并给出具体的属性值，形成该个体实例具有的具体特征，概念属性的定义需要确定概念属性适用的定义域和值域范围。概念属性分为对象属性和数据属性，对象属性建立了概念之间的关联关系，对象属性也可以建立层次关系。数据属性建立了概念和常量之间的关联关系，常量包括字符串、数字等常用数学量。

电力系统规程中的具体概念属性因规程面向的领域而具有不同的概念属性集，因此无法例举所有的规程类知识的概念属性，但是通过分析规程类概念属性的类型可以总结出概念属性的特征，并依照属性特征，根据具体的规程，进行属性抽取和定义。对象属性定义了特定的概念关系，概念之间通过特定属性而产生关联关系，如图3所示，适用于电力系统规则知识的对象属性类型包括函数性属性、传递性属性、对称性属性、互逆性属性以及继承性属性。其中函数性属性是指作用于特定概念的对象属性其取值唯一，不存在多值情况；传递性属性是指属性在概念之间发生传递，即概念A通过属性R与概念B产生关联，同时概念B通过同样的属性R与概念C产生关联，那么可以推导得到概念A由于属性R具有传递性而获得与概念C的通过属性R产生的关联关系；概念对称性属性是指该属性作用的定义域与值域可以互相交换，即概念A通过属性R与概念B产生关联，那么可以推导得到概念B通过属性R与概念A产生关联；互逆性属性定义两个属性互逆，即他们作用的定义域与值域刚好相反；继承性属性定义了类似于概念继承的属性关系，即父类属性与子类属性的关系，即概念A与概念B存在的子属性关系，必定也存在该属性对应的父属性关系，反之则未必。对象属性的这些逻辑特征同样为知识推理提供了依据。

（3）确定复杂概念：

电力系统规程中除了可以直接提取的基本概念，还包括通过对基本概念的属性进行相应约束而形成的复杂概念，这些约束主要作用于属性的取值范围，如图3所示，具体的属性约束类型包括指定性约束、存在性约束、全称性约束、最大值和最小值约束以及基数约束。其中指定性约束通过指定特定属性的取值内容来定义一个全新的概念；存在性约束是指通过约束概念属性的取值包含用户指定值定义的概念，该概念属性的取值存在用户指定值以外的取值；全称性约束是指通过约束概念属性的所有取值为用户指定范围，该概念属性的取值不能为用户指定范围以外的取值；；最大值和最小值仅作用于数据属性，通过限制特定数据属性的取值范围来定义一个新的概念；基数约束不同于上述的指定性约束、存在性约束和全称性约束，同一个概念的单个属性，基数约束取值个数有最小用户指定个数或最大用户指定个数；基数约束是指通过约束概念属性的取值数量定义的概念（例如电网设备的连接关系，设备A拥有属性“连接变压器”，基数约束可用于限定设备A仅能与最多3个变压器存在连接关系）。电力系统规程由于其主要用来指导电网的运行和控制，存在的各类约束较多。

B、对知识形式化进行描述。

步骤B包括下述步骤：

（4）提取规程中包含的规则：

基本概念及概念结构、概念关系以及复杂概念并不能构成电力系统规程内容的全部，规程中包含了大量的指导性规则，用于指导系统运行或人员操作判断，其基本特征是满足特定的条件则需要做相应的操作或得出相应的结论，是典型的规则类知识。虽然规则的具体内容无法通过步骤（）1至（3）进行定义，但是规则中涉及的概念及概念关系可以通过以上步骤进行定义。针对单条规则，分别抽取出前件和后件，前件即规则的结论部分，而后件对应规则的条件部分，其中前件和后件分别由多个概念关系的逻辑与或组成，为简化规则定义，将涉及逻辑或的规则拆分成多条规则，从而使得规则定义中仅包含逻辑与。

（5）使用形式化规则语言描述规则：

采用形式化规则语言SWRL对电力系统规程知识中包含的规则进行形式化定义，定义中涉及的概念及概念关系均参照使用OWL语言描述的基础知识库，并得到电力系统规程的规则库。

（6）使用形式化语言描述基础知识：

采用形式化描述语言OWL，根据建立的知识模型，描述出规程内的知识内容，可利用protégé等知识建模工具，得到电力系统规程的基础知识库。

本发明提供了一种用于电力系统规程知识的形式化系统，包括：

知识形式化建模模块：用于对知识形式化进行建模；

知识形式化描述模块：用于对知识形式化进行描述。

知识形式化建模模块包括：

基本概念及概念结构单元：用于定义基本概念和概念结构；

抽象概念属性单元：用于抽象出概念属性；

复杂单元：用于定义复杂概念。

知识形式化描述模块包括：

提取规则单元：用于提取规程中包含的规则；

描述规则单元：使用形式化规则语言描述规则；

描述知识模型单元：使用形式化语言描述知识模型。

本发明从各类规程文本中识别有效知识，并借助合理的知识形式化方法，将蕴含其中的知识转为可被系统分析和识别的显性知识，大大提高电力系统的运行效率和电网的整体智能化水平。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (19)

1.一种用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

A、对知识形式化进行建模；

B、对知识形式化进行描述。

2.如权利要求1所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤A的对知识形式化进行建模包括下述步骤：

（1）确定基本概念及概念结构；

（2）抽象出概念属性；

（3）确定复杂概念；

所述步骤B的对知识形式化进行描述包括下述步骤：

（4）提取规程中包含的规则；

（5）使用形式化规则语言描述规则；

（6）使用形式化语言描述基础知识。

3.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述基本概念是指不涉及利用约束概念属性取值范围而自然存在的概念；电力系统中涉及的基本概念包括电网环节、电网设备、电网物理节点、电网逻辑节点、辅助电网运行的生产管理系统、公司系统单位以及电网专有名词。

4.如权利要求3所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述基本概念是规程知识的基本组成元素。

5.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述概念结构是指基本概念之间存在的包含、等价或相异逻辑关系；所述概念结构为网状的关联结构。

6.如权利要求5所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，基本概念的包含逻辑关系包括继承关系，即父概念与子概念的关系；所述父概念的内涵大于子概念，子概念包含于父概念中，并且子概念继承父概念拥有的所有属性。

7.如权利要求5所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，基本概念的等价逻辑关系定义两个以上具有相同内涵的概念，即同义概念；所述同一概念是相同对象的两个以上的不同代号。

8.如权利要求5所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，基本概念的相异逻辑关系定义两个以上概念，相异逻辑关系指代完全不同的电力系统对象；电力系统不存在任何一个个体实例同时属于两个以上的相异逻辑关系的概念。

9.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述概念属性包括对象属性和数据属性；所述对象属性建立概念之间的关联关系和层次关系；所述数据属性建立概念和常量之间的关联关系；所述常量包括字符串和数字数学量。

10.如权利要求9所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述对象属性类型包括函数性属性、传递性属性、对称性属性、互逆性属性以及继承性属性。

11.如权利要求10所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述函数性属性是指作用于概念的对象属性，其取值唯一，不存在多值情况；

所述传递性属性是指属性在概念之间发生传递；

所述对称性属性是指该属性作用的定义域与值域互相交换；

所述互逆性属性定义两个属性互逆，即他们作用的定义域与值域相反；

所述继承性属性定义父类属性与子类属性的关系。

12.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述复杂概念是指通过对基本概念的属性进行约束形成；属性约束类型包括指定性约束、存在性约束、全称性约束、最大值和最小值约束以及基数约束。

13.如权利要求12所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述指定性约束通过指定概念属性的取值内容定义的概念；

所述存在性约束是指通过约束概念属性的取值包含用户指定值定义的概念，该概念属性的取值存在用户指定值以外的取值；

所述全称性约束是指通过约束概念属性的所有取值为用户指定范围，该概念属性的取值不能为用户指定范围以外的取值；

所述最大值和最小值作用于数据属性，通过限制数据属性的取值范围定义的概念；

所述基数约束不同于上述的指定性约束、存在性约束和全称性约束，同一个概念的单个属性，基数约束取值个数有最小用户指定个数或最大用户指定个数；

基数约束是指通过约束概念属性的取值数量定义的概念（例如电网设备的连接关系，设备A拥有属性“连接变压器”，基数约束可用于限定设备A仅能与最多3个变压器存在连接关系）。

14.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（4）和（5）依次进行，与步骤（6）为并列关系。

15.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（5）采用形式化规则语言SWRL对电力系统规程知识中包含的规则进行形式化定义，定义中涉及的概念及概念关系均参照使用OWL语言描述的基础知识库，并得到电力系统规程的规则库。

16.如权利要求2所述的用于电力系统规程知识的形式化方法，其特征在于，所述步骤（6）采用形式化描述语言OWL，根据建立的知识形式化模型，描述规程知识，利用知识建模工具，得到电力系统规程的基础知识库。

17.一种用于电力系统规程知识的形式化系统，其特征在于，所述系统包括：

知识形式化建模模块：用于对知识形式化进行建模；

知识形式化描述模块：用于对知识形式化进行描述。

18.如权利要求17所述的用于电力系统规程知识的形式化系统，其特征在于，所述知识形式化建模模块包括：

基本概念及概念结构单元：用于定义基本概念和概念结构；

抽象概念属性单元：用于抽象出概念属性；

复杂概念单元：用于定义复杂概念。

19.如权利要求17所述的用于电力系统规程知识的形式化系统，其特征在于，所述知识形式化描述模块包括：

提取规则单元：用于提取规程中包含的规则；

描述规则单元：使用形式化规则语言描述规则；

描述知识模型单元：使用形式化语言描述知识模型。

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