曲朝陽，孫鵬飛

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

目前在電力系統(tǒng)中，特別是在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中存在的一個(gè)突出問題是系統(tǒng)數(shù)據(jù)多而決策支持缺乏，出現(xiàn)這種不足的原因，一方面在于決策知識(shí)的缺乏，激增的數(shù)據(jù)超過了人和系統(tǒng)所能接受、處理和利用的范圍，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法被及時(shí)、合理地組織，決策者未能從數(shù)據(jù)中得到應(yīng)有的啟示［1］，使電網(wǎng)故障恢復(fù)能力和自愈功能減弱;另一方面，知識(shí)的表示形式使其不能被有效地利用，這是因?yàn)槟壳暗闹R(shí)表示方法不利于電網(wǎng)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)，不能形式化地表示電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)。

電網(wǎng)領(lǐng)域普遍采用的知識(shí)表示方法有自然語言法、謂詞邏輯法、面向?qū)ο笾R(shí)表示法等十多種方法［2］。自然語言雖然最易于理解，但自然語言，特別是漢語有很強(qiáng)的二義性，要準(zhǔn)確地描述知識(shí)，二義性是首先應(yīng)該避免的;謂詞邏輯和其它的知識(shí)表示方法也都存在著知識(shí)表示隱晦、推理效率低、可視化水平差以及動(dòng)態(tài)知識(shí)協(xié)同處理困難等弊端，然而這些問題在電力系統(tǒng)中都是尤其重要的，基于本體語言的表示方法可以很好地解決這些問題。

本文將網(wǎng)絡(luò)本體語言O(shè)WL應(yīng)用于電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)表示，構(gòu)建了一個(gè)基于OWL本體語言的電網(wǎng)知識(shí)本體。統(tǒng)一了電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)的概念，清晰地闡明了電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)之間的相互聯(lián)系和相互作用，使電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)得到有效組織，有利于電網(wǎng)知識(shí)的提取和利用。

1 本體論與OWL本體語言

本體論源于哲學(xué)，原意指對(duì)客觀事物的本質(zhì)認(rèn)識(shí)。隨著人們對(duì)本體認(rèn)識(shí)的不斷加深，本體論思想逐漸被引入到知識(shí)表示研究中，以解決在知識(shí)表示中存在的非顯式、明確性差和知識(shí)推理能力不足等問題。在經(jīng)歷了自然語言法、產(chǎn)生式規(guī)則法等之后，目前知識(shí)表示方法的研究主要集中于本體表示法，其在各領(lǐng)域知識(shí)表示中的研究和應(yīng)用是目前的熱點(diǎn)?；诒倔w的知識(shí)表示依賴于具體的本體語言，目前OWL被認(rèn)為是最優(yōu)秀的本體語言，同時(shí)也被萬維網(wǎng)聯(lián)盟定為本體語言的標(biāo)準(zhǔn)。

OWL本體語言是在總結(jié)了XML、RDF、DML-ONT等本體語言的基礎(chǔ)上提出的［3］，它繼承了這些語言的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，既保證了強(qiáng)大的語義表達(dá)能力，又添加了更多新的屬性約束、邏輯關(guān)系，如類間的不相交性、基數(shù)、等價(jià)性等，使其具有更豐富的語義和邏輯表達(dá)能力，除此之外，OWL與RDF、DAML、OIL等本體語言有很好的兼容性和交互性［4］，它采用基于XML和RDF的語法規(guī)則，所以在對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的標(biāo)引和本體建模方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

OWL包含了三種子語言O(shè)WL Lite，OWL DL和OWL Full，它們的表達(dá)能力逐漸增強(qiáng)，但由于它們由下而上，添加了更多的公理定義、規(guī)則約束和屬性關(guān)系，而目前支持OWL Full的推理機(jī)尚未問世，所以它的知識(shí)推理能力不如OWL DL強(qiáng)。OWL DL擁有和OWL Full相同的語言結(jié)構(gòu)成分集，二者的區(qū)別在于它們與RDF的兼容程度不同。前者與RDF的混合使用受一定的限制，而后者可以隨時(shí)和RDF混合使用，它與RDF在類、屬性、個(gè)體和數(shù)值方面的定義完全相同。綜上可知，OWL DL兼顧了知識(shí)表示與推理［5］，所以本文將采用OWL DL來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)的表示和建模。

2 電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)分析

知識(shí)是人們?cè)陂L(zhǎng)期的生活及社會(huì)實(shí)踐中積累起來對(duì)客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，是經(jīng)過人的思維整理過的各種信息、數(shù)據(jù)而得到的抽象的產(chǎn)物［6］。在電網(wǎng)領(lǐng)域，知識(shí)可概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)知識(shí)包括設(shè)備類知識(shí)、電力規(guī)程類知識(shí)、電力故障診斷及決策知識(shí)等;動(dòng)態(tài)知識(shí)包括電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息以及預(yù)測(cè)型知識(shí)，即由歷史的或當(dāng)前的數(shù)據(jù)推測(cè)未來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，也可以認(rèn)為是以時(shí)間為關(guān)鍵屬性的知識(shí)。

電網(wǎng)知識(shí)具有四種特點(diǎn):

(1)多樣性，電力設(shè)備的種類繁多，形式復(fù)雜，設(shè)備類知識(shí)類目是多樣的。

(2)關(guān)聯(lián)性，一個(gè)事件和另一事件之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系或依賴關(guān)系，如開關(guān)和電流的屬性之間存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電流為0，開關(guān)閉合，電流為相應(yīng)的值。關(guān)聯(lián)知識(shí)在電網(wǎng)領(lǐng)域是廣泛存在的，對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)的分析在知識(shí)推理過程中有重要意義。

(3)協(xié)同性，電網(wǎng)知識(shí)都不是孤立存在的，決策措施的做出往往需要綜合運(yùn)用多方面的知識(shí)。

(4)隱晦性，電網(wǎng)中大量的原始數(shù)據(jù)和信息，可能是不完整的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的，本身不具有實(shí)際意義，真正有價(jià)值的知識(shí)是隱藏在這些數(shù)據(jù)和信息背后的，需要通過一定的知識(shí)發(fā)現(xiàn)手段來發(fā)現(xiàn)。

由于電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)具有上述特性，目前的知識(shí)表示方法往往只對(duì)某一特定領(lǐng)域的知識(shí)表示有效，而這些方法并不能合理地應(yīng)于電網(wǎng)領(lǐng)域?；诒倔w論的知識(shí)表示法是目前知識(shí)表示的前沿，并已經(jīng)在生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、電子政務(wù)等領(lǐng)域知識(shí)表示中得到廣泛應(yīng)用，顯示了很好的效果。本文將本體論思想引入到電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)表示中，確定了電網(wǎng)領(lǐng)域共同認(rèn)可的詞匯，提供對(duì)電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)概念的一致理解，提出基于OWL網(wǎng)絡(luò)本體語言的電網(wǎng)知識(shí)表示方法，該方法可詳盡地描述電網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)，具有較好的知識(shí)推理能力，為知識(shí)更高層次的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示

3.1 基于OWL電網(wǎng)知識(shí)表示過程

知識(shí)表示就是把某一領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可處理的具有語義的編碼的過程，基于OWL本體語言實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)知識(shí)的表示應(yīng)該包括以下過程:

(1)確定電網(wǎng)領(lǐng)域涉及到的知識(shí)種類，了解電網(wǎng)知識(shí)特征。

(2)定義類和類之間的關(guān)系，構(gòu)建本體模型。

(3)使用OWL進(jìn)行知識(shí)表示。

在遵循OWL語法規(guī)則下，采用OWL本體語言實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)知識(shí)表示，最終形成OWL知識(shí)文檔，多個(gè)文檔就構(gòu)成了基于本體表示的電網(wǎng)知識(shí)庫(kù)［7］。

基于OWL的電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)表示的大致過程可由下圖概括:

圖1 基于OWL的電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)表示過程

3.2 電網(wǎng)知識(shí)表示中的OWL語法定義

OWL本體語言遵循XML語法并有自身的特點(diǎn)。在基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示過程中，概念類、知識(shí)屬性及公理三個(gè)元素是最基本的知識(shí)元，其中最核心的是電網(wǎng)知識(shí)類的定義，后兩者都是基于知識(shí)類上的關(guān)系，電網(wǎng)知識(shí)類是電網(wǎng)知識(shí)對(duì)象的抽象。

電網(wǎng)知識(shí)類常用的定義方法是顯式定義:owl:Class，定義時(shí)顯式地給出類名，例如:

在上面的示例中通過語法"rdf:ID="定義了類"Generator"和"Synchronous generator"，完成類的定義以后，通過rdf:resource="#Generator"來引用Generator類。

電網(wǎng)知識(shí)表示中屬性的作用非常關(guān)鍵，它表示的是一種二元關(guān)系，描述知識(shí)的眾多元素之間通過屬性的關(guān)聯(lián)而聯(lián)系在一起。OWL語言中有三種常用的表示不同類型關(guān)系的屬性，分別如下:

(1)表示類之間的關(guān)系的屬性，記為"owl:ObjectProperty"，其值域是電網(wǎng)知識(shí)類或類的具體的某個(gè)實(shí)例。

(2)表示類與數(shù)據(jù)類型之間關(guān)系的屬性，記為"owl:DatatypeProperty"，其值域是XML Schema數(shù)據(jù)類型、rdfs:Literal或枚舉類型。

(3)表示子屬性關(guān)系，記為"rdfs:subProperty Of"，該屬性關(guān)系是rdfs對(duì)rdf的擴(kuò)展，在電網(wǎng)知識(shí)推理過程中有重要應(yīng)用。

除上述三種基本的屬性關(guān)系外，基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示常用的屬性還包括傳遞屬性、對(duì)稱屬性"等。每種屬性都有一定的屬性值，包括基數(shù)約束與值約束?；鶖?shù)約束包含owl:cardinality，owl:min-Cardinality和 owl:maxCardinality三種［8］。值約束包含 owl:allValuesFrom，owl:someValuesFrom，owl:has-Value，前兩種值約束作用是把屬性值限定在某個(gè)類或一個(gè)枚舉類的取值范圍，owl:hasValue則把屬性值限定為某一個(gè)具體的類的實(shí)例或具體的數(shù)值。

此外，公理是基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示中另一重要概念，它說明了電網(wǎng)知識(shí)類、屬性和實(shí)例之間的關(guān)系。類公理包含三種:子類、等價(jià)和類不相交關(guān)系。屬性公理包含子屬性、對(duì)等、互逆關(guān)系。實(shí)例關(guān)系有兩種類型:一是表明實(shí)例所屬類或?qū)傩灾档年愂?二是實(shí)例之間是否等同，與之相關(guān)的詞匯包括owl:sameAs，owl:differentFrom 和 owl:AllDifferent等。

綜上，類、屬性和公理是基于OWL電網(wǎng)知識(shí)表示過程中必不可少的元素，是建立OWL電網(wǎng)知識(shí)本體模型的基本原語。通過以上分析可以看出，基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示方法的核心思想和基本過程是在明確電網(wǎng)知識(shí)內(nèi)涵以后，將電網(wǎng)知識(shí)中的概念和組成電網(wǎng)知識(shí)的某些元素抽象為OWL語言中描述知識(shí)的元素，進(jìn)而使用符合OWL本體語言的知識(shí)表示原語，并遵循一定的語法規(guī)則來完成對(duì)電網(wǎng)知識(shí)的完整描述。該方法在兼顧知識(shí)表示的完備性和明確性的同時(shí)更注重于對(duì)知識(shí)內(nèi)容的表示，而不是知識(shí)的具體形式［9］。

4 基于OWL的電網(wǎng)知識(shí)表示應(yīng)用

本文以電網(wǎng)中相關(guān)知識(shí)為研究對(duì)象，首先構(gòu)建一個(gè)電網(wǎng)知識(shí)類，進(jìn)而派生出電力設(shè)備類和電力規(guī)程類，再由電力設(shè)備類劃分出多個(gè)類別的設(shè)備，如Transformer類，Generator類等?；谝陨戏治龊蛯?duì)類、屬性以及公理的定義，下面的程序段具體地給出了基于OWL DL語言的電網(wǎng)本體知識(shí)的表示方法:

以上程序段的含義是定義了電網(wǎng)知識(shí)本體的概念，它包括兩類知識(shí):電力設(shè)備類知識(shí)和電力規(guī)程類知識(shí)，并且說明了這兩大類知識(shí)之間的一種不相交關(guān)系。然后定義了升壓變壓器類，指出它變壓器類的一個(gè)子類，繼承了變壓器類的所有屬性。

這段代碼定義了隔離開關(guān)類，并對(duì)隔離開關(guān)類的屬性作了限制。

本段代碼定義了隔離開關(guān)的操作屬性，主要有“開”和“關(guān)”兩種，分別表示隔離開關(guān)處于工作和斷開的狀態(tài)。綜上，這幾段代碼給出了電網(wǎng)知識(shí)本體的表示方法，這里將電網(wǎng)知識(shí)分為了兩大類:設(shè)備類知識(shí)和規(guī)程類知識(shí)，并定義了二者之間的一種不相交關(guān)系，設(shè)備類知識(shí)主要包括了電力系統(tǒng)中常用的設(shè)備的本身所固有的一些基本屬性，在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)該包含設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息;規(guī)程類知識(shí)包括電力生產(chǎn)中諸多規(guī)則和前文列舉的關(guān)聯(lián)知識(shí)。從這部分代碼可看出，基于OWL語言的知識(shí)表示方法可詳盡地表示電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)以及知識(shí)之間的傳遞、包含、繼承等關(guān)系，同時(shí)具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)知識(shí)表示的需要實(shí)時(shí)添加，這就有利于知識(shí)更新。

5 結(jié)束語

本文著重對(duì)電網(wǎng)領(lǐng)域中的知識(shí)表示進(jìn)行研究，明確了電網(wǎng)中知識(shí)來源，針對(duì)目前知識(shí)表示方法不適于電網(wǎng)知識(shí)表示的問題提出基于本體語言O(shè)WL的表示方法，給出了使用該方法表述電網(wǎng)知識(shí)的基本思想和一般過程，通過文末的實(shí)例已經(jīng)可以看出，OWL具有很強(qiáng)的表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)了以一種明確的、形式化的方式來表示電網(wǎng)知識(shí)，便于機(jī)器識(shí)別，提高了互操作性，促進(jìn)知識(shí)共享。同時(shí)基于具體領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)的需要，支持更多的語義擴(kuò)展，使其描述的知識(shí)內(nèi)容更豐富?；贠WL本體語言的電網(wǎng)知識(shí)表示是未來電網(wǎng)領(lǐng)域知識(shí)研究的基礎(chǔ)，為對(duì)電網(wǎng)知識(shí)進(jìn)行更高層次的利用和電網(wǎng)知識(shí)可視化展現(xiàn)提供了必要支持。

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