（电力系统及其自动化专业论文）基于一体化思想的电网智能操作票系统.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于一体化思想的电网智能操作 票系统，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：垫盔晕日期：击啦丘a ，幺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日期：趔：壹郭 导师签名彳锄 日期：2 竺：兰：订 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 电网的安全稳定运行对社会稳定、国民经济的发展和城乡居民生活有着重人的 影响。在电力系统正常运行中，由于电网运行设备较多，运行方式的变换，定期设 备检修和维护工作频繁，必须经常进行系统的倒闸操作。电力系统倒闸操作相当 频繁，因而由误操作引起的事故占电力系统事故的很大比例，给电力系统的安全稳 定运行造成了很大的威胁。为保证操作的准确性防止误操作，电网操作票制度已成 为电力系统运行管理中一项防止误操作的有效安全措施。 现在，我国在省调、地调、变电站已经广泛地推广使用利用人工智能技术实现 的操作票自动生成专家系统，在一定程度上减轻了调度员的工作强度，提高了电网 运行的安全性、稳定性、智能性水平。但由于从电网到变电站的操作任务、操作对 象和运行方式的多样性、多变性及复杂性的原因，现有的操作票专家系统多为独立 的系统，不能实现通用，重复开发问题严重。随着集中控制变电站运行方式的出现， 在调度需要代替行使集控站操作任务，因此需要集中考虑融合省调、地调、变电站 方式于一体的调度操作票自动生成与管理系统。另外，现有的调度操作票专家系统 在许多方面采用了最新的面向对象技术，使操作票专家系统的准确性有所增强，但 操作票专家系统要在提高智能性、实时性、通用性以及缩小用户可管理维护量方面 取得突破性进展，就必须应用更加先进且行之有效的方法。尤其随着电网建设规模 不断扩大，网架结构愈加牢固，相应的电网接线也愈加复杂，加之很多配套的新设 备不断投运，如何解决协调控制各个系统将是一个值得深入研究的问题。 为此，本课题首次将一体化思想应用于电网调度操作票系统，来实现各个相关 系统即从省调、地调、到变电站操作票系统的一体化管理及操作，极大提高电网调 度运行的效率和效益，使系统具有较高的智能性和通用性。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 专家系统口”( e x p e r ts y s t e m 简称e s ) 也称为基于知识的系统，是人工智能的一 个最为重要的应用领域。专家系统产生于6 0 年代中期，经过三十多年的科学研究， 理论和技术f 臻成熟，其应用得到了飞速发展。至今，世界各国己经在医疗诊断、 化学工程、语音识别、图像处理、金融决策、信号解释、地质勘探、军事等领域研 制出了大量的实用专家系统，其中不少系统在性能上已达到甚至超过了同领域人类 专家的水平。 华北电力大学硕士学位论文 以m y c i n 为代表的基于规则的 专家系统是由所谓的产生式系统发 展起来的，在目前专家系统建造中比 较流行。这种结构包括六个部分：知 识库、推理机、综合数据库、人机接 口、解释程序以及知识获取程序。其 中知识库、推理机和综合数据库是目 前大多数专家系统的丰要内容，而知 口 获取程序、解释程序和专门的人机 接口是所有专家系统都期望具有的 三个模块，但它们并不都得到了实 现。专家系统的一般结构如图1 1 所 示 人机接口 图1 1 专机系统结构图 电力系统操作票专家系统是专家系统在电力系统倒闸操作票编制中的应用，是 利用先进的计算机技术来帮助电力系统调度员及变电所值班员根据实际情况( 或工 作要求) 来制定出相应的倒闸操作票。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着专家系统理论在 电力系统中的应用，电网调度、运行、管理知识都可以利用专家系统的理论进行计 算机化。经过研究人员和运行人员的不断研究改进，操作票专家系统正逐步完善， 目前，国内己开发出的常见操作票专家系统可分为6 类：基于产生式系统方式、查 询丌票方式、子程序模块方式、图形校核开票方式、基于开关控制逻辑力式和面向 列象方式1 2 。】。这些系统大多在知识获取与推理方面作了很多努力，应_ 【； j 专家系统 的知识表示来描述电力系统运行的相关规则。其有效性已为许多运行人员认可，达 到了实用化水平。 ( 1 ) 查询开票方式 此类专家系统把现场的典型操作票以数据库的形式存放。开发出对数据库内容 进行管理的维护平台，能对操作任务进行分类存储、检索、输出。开发费用低，周 期短，但是不具有智能性。 ( 2 ) 基于产生式系统方式 此类专家系统一般利用p r o l o g l i s p 和b a s i c 语言来实现。该类系统的内核由数 据库、知识库、推理机3 大部分组成，用产生式规则作为知识的表示方式。但开发 较难，开发周期长。 ( 3 ) 子程序模块方式 此类系统通过对应用对象进行仔细分析，采用编制一段程序的方法来实现各类 2 华北电力大学硕士学位论文 操作任务的生成。整个系统由多个子程序构成，每个子程序对应一个操作任务，根 据用户选择的任务不同，运行相应的程序段。但用户无法进行维护，移植工作量很 大，通用性较差。 ( 4 ) 图形校核丌票方式 此类系统开发出一种逼真的图形化的用户界面，用户通过用鼠标点取图上相应 的电气元件来完成开票过程，每点取1 个元件即可自动生成1 条相应的操作指令， 但不能自动推理出操作票内容。 ( 5 ) 基于开关控制逻辑方式 此类系统根据操作任务来实现将电气设备由一种运行状态到另一种运行状态 转换的计算机求解系统，状态转换需经过一系列的倒闸操作完成。倒闸操作实质上 是一个逻辑式顺序控制问题。每个元件的操作必须遵循倒闸操作规则，而倒闸操作 规则可用开关控制逻辑表示。但状态数量极大程序实现有一定的困难。 ( 6 ) 面向对象方式 此类系统由于运用面向对象技术的不同又可分为用于开发图形编辑界面和用 于专家系统的知识表示2 种。用于开发图形编辑界面的系统做法是把系统一次接线 图中的所有电气组件分别抽象成各个类，为了作图的方便，从图形学的角度出发， 在各个类中定义了与作图有关的属性和成员函数。用于专家系统的知识表示的系统 把变电站中所有的一次设备按类型分别抽象成各种类。现有的面向对象方式系统只 是把所有电气设备都抽象成类，并没有完全发挥出面向对象技术的优良特胜。系统 不完全适合推理的进行，开发出的系统维护性很差。 操作票专家系统在减轻运行人员负担和提高电力系统安全运行水平等方面有 着重要意义，但直到现在，它的应用推广一直缓慢，全国多数发电厂、变电站仍然 实行由运行人员手工填写操作票的方式，这说明目前操作票专家系统还有待完善。 其主要原因是现有的操作票系统仍存在着很多问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 通用性差，扩充维护困难 由于各个电网的网络结构，= 次设备的配置等具体情况不同，大多操作票系统 软件是针对某一特定的调度或执行单位开发的，用户自然无法将其移植到其他单 位。某些软件过于固化，把知识库做在程序里，没有做到将规则库与推理机完伞分 离。电网结构，设备装置及操作规程变化时，必须对其程序源代码做大量的修改或 只能在电网拓扑知识库及保护配置库中作相应的调整和修改来满足设备扩建和改 建，保护配置变化等工作方面的要求。在操作票中信息的管理方面用户自主性差， 使用费时费力，管理和维护不方便。 ( 2 ) 功能单一 1 华北电力大学硕士学位论文 专家系统缺乏学习功能，无法兼顾人员的培训。同时未能很好地将操作票与防 务闭锁有机结合起来。操作人员在日常运行中所积累的宝贵经验应作为专家系统推 理判断的依据之一。专家系统如果不能学习扩充，那么随着实际电网运行方式的改 变，所开出来的票就不一定完全符合实际情况，容易造成失误。从另一个角度看， 长期以固定方式自动开票，也容易造成运行人员操作技能的退化。操作票系统未能 实现网络化，在操作票的管理、查询、统计方面功能欠缺。 ( 3 ) 操作界面不友好 多媒体技术在操作票系统应用的不够充分，系统界面及人一机交互方式不够生 动，己开发的系统大多采取电网图形与电网数据库相分离，各自为一体系，图形大 多仅供运行人员观看，未充分利用图形可视性好的优势，数据库内容完全靠人工输 入。 ( 4 ) 一致性差 由于目前的操作票专家系统都是在离线方式下工作的，因此电网拓扑知识库中 各电器元件的状态与当前其在电网中的状态可能会出现不一致，从而影响到开出的 操作票的准确性。 由于上述缺点，使得电力系统操作票系统相对发展缓慢，而随着变电站综合自 动化和配网综合自动化的迅速发展，要求我们解决操作票系统与其他系统的协作问 题，使电力系统操作票系统能够更好用到实际中去。为此，本课题首次将一体化思 想应用于电网调度操作票系统，来实现各个相关系统即从省调、地调到变电站操作 票系统的一体化管理及操作，极大提高电网调度运行的效率和效益，使系统具有较 高的智能性和通用性。 1 3 电力系统中一体化协作思想的发展 纵观已经发表的文献和现场运行的智能系统( 包括操作票智能系统) ，大多数 仍停留在解决单一问题的范围内，而与其它e s 间的协作则需要人为过多地加以干 涉，没有形成解决复杂问题的一体化结构。 ( 1 ) 生产方式的变革总是由量变到质变。单个智能体在解决专门领域问题时 显示出较强的能力，但处于复杂和综合性应用环境中则暴露出自身的局限性。 ( 2 ) 电力系统本身是一个复杂的综合性大系统，其运行管理任务具有协作特 性，需要多个智能体系统的协作完成。 电力系统的规模和复杂程度随着经济增长需求而不断增长，相应的运行管理功 能和组成部分也会不断增加，新扩充的和原有的智能系统之间存在信息交互和事件 协作的要求，而现有的各个e s 缺乏对其关联关系的考虑，各个e s 信息的输入和输 4 华北电力大学硕士学位论文 出，知识表示和存储方式互不相同，在需要协作解决问题时难以奏效，必须依靠运 行人员以手工方式协调完成任务和信息交换，增加了信息的冗余度和不一致性，降 低了e s 的解题效率，甚至可能造成决策失误。开发一个面向电力系统运行管理的 包括全部功能的集中式大型智能系统是难以行得通的。单个e s 针对的领域越宽， 问题越复杂，则自身的复杂程度也将大大提高，知识库的建立、推理机制、搜索方 法的设计难度增大，甚至不能进行下去。 人类智能解决大型复杂问题的特点是：多个领域专家协同工作解决整个问题， 而没有任何一个专家拥有足以所有领域复杂问题的能力，这为使用智能系统模拟人 类专家求解大型问题提供了一条新思路。多个e s 协作系统能够弥补单一智能系统 所存在的缺陷。首先，多e s 协作求解反映了电力系统运行管理的固有属性：其次， 分布式系统的研究和计算机网络为多个e s 协作系统的研究和实现提供了支持。以 提高电力系统e s 问题求解速度为目的的分布式e s “i 的研究已经取得了初步进展， 建立电力系统多智能体及一体化系统有着迫切的实际需要。因此，探讨将电力系统 运行管理中的孤立智能系统进行一体化、集成化的理论、方法和技术，综合考虑单 个智能体系统的个体作用和在多智能体中的社会性和协同性，构造更适合于电力系 统运行管理的一体化思想具有十分重要的理论意义和良好的应用前景。 1 4 知识库系统建模框架 知识库系统i l o 叫6 l 建模框架是信息一体化服务的基础，旨在从建模的角度出发研 究知识库系统开发方法。本文就是寻求一种知识工程方法论来指导对电网智能操作 票系统的知识分析。早期对知识库系统的研究侧重于知识的表示及推理机制，与之 对应的开发技术能够用于实现一些规模较小的系统，但将其用于构造大型商业化知 识库系统的努力却往往以失败而告终。在当今各类知识库系统建模框架中比较有代 表性的有：k _ a d s ( k n o w l e d g ea n a l y s i sa n dd e s i g ns t r u c t u r e ) 及其后续的发展 c o m m o n k a d s ，m i k e ，p r o t e g e ，v i t a l ，c o m m e t 等。经过仔细研究和比较， 选择了己经在美国和欧洲被成功用于多个大型知识系统的c o m m o n k a d s 。 c o m m o n k a d s 知识工程方法是一系列国际研究和知识工程值用项目的结晶，这些 研究可追溯到1 9 8 3 年，经过多年根据工作人员和科学家们反馈的结果，这个方法 不断得到补充，其目的是建立一个应用推动的方法。这个方法可以向用户、客户和 项目相关人员保证新系统能够解决实际问题或者利用组织内真正的机会，解决复杂 人机交互的建模问题，解决新规范技术的引入问题等。目前，在国内采用 c o m m o n k a d s 来实施知识系统的研究还很少，但在美国和欧洲，它己被成功的用 于多个大型系统，成为了该领域一个事实上的标准。因此，有必要在这方面做进一 步的研究，在知识系统的开发构建中引入一个实用的，具有指导性的方法论。 5 、 华北电力大学硕士学位论文 电网智能操作票系统知识的特点是参数多，数据量大，利用c o m m o n k a d s 提 出的知识模型的结构构建电网智能操作票系统知识库模型，实现系统知识库优化设 计。系统采用面向对象和产生式相结合的方法表示相关电网设备参数知识和规则知 识，表达了电网智能操作票系统的多样性和过程性。 1 5 本文所做的工作 针对大型电网调度、运行、维护管理的电网电气设备倒闸操作票领域，需要设 计考虑融合省调、地调、变电站开票方式，协调不同层次系统一体化操作的通用操 作票自动生成与管理系统。本文的主要工作是用一体化理论和c o m m o n k a d s 知识 模型解决省网操作票智能系统与其它智能系统之间的协作和集成及电网的知识表 示，开发一套通用的和用户可维护的电网智能操作票指导系统。本文主要在以下几 个方面开展工作： ( 1 ) 建立从省调到变电站的一体化认知模型，完成从省调，地调，变电站间操作票 系统的协调与转换设计。 ( 2 ) 基于c o m m o n k a d s 知识模型构建电网知识模型，优化电网设备参数知识表 示，操作规则表示及推理机制表示。 ( 3 ) 结合以前的研究成果，研究一种基于c o m m o n k a d s 和一体化技术的电网操作 任务分解新方法。 ( 4 ) 设计电网数据结构，完备电网结构及相应厂、站的结构表示，充分发挥面向对 象技术编程语言的优越性。 ( 5 ) 建立完善的管理及维护机制，实现数据库、知识库及信息查询的有效管理维护。 ( 6 ) 实现与图形平台的无缝链接及信息的通讯传递，完成图形开票功能。 ( 7 ) 使用v i s u a lc + + 编程环境实现系统。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章一体化思想及c o m m o n k a d s 模型组件介绍 2 1 一体化思想的基本理论 2 1 1 一体化的基本概念 一体化思想7j 是指通过一定的联系使相对独立的各个系统形成能够协调解决 问题的方法，这些原来处于松散耦合的系统或联系不是很紧密的系统可以通过数据 的共享等方式实现联系。各个系统通过数据共享等的联系不但可以降低数据、信息 的冗余度，避免由于数据冗余造成的信息流阻塞或数据信息的丢失与错误而使得系 统瘫痪，而且这种联系还能够降低各个系统的复杂程度，提供解决复杂问题的有效 方法。 一体化的实现能够完成系统之间的无缝连接，各个系统共享数据，上层系统通 过对数据的处理得到处理结果，通过相应的数据流程化处理，以某种数据格式通过 信道传送到下层系统，下层系统的接口负责接收这些数据信息，接收到的数据信息 并不一定能够完全为下层系统所使用，必须按照下层系统对数据格式的要求作相应 的数据格式转换，以满足下层系统对数据格式的要求。下层系统通过这种数据信息 共享方式，完成下层系统所要解决的问题。下层系统对问题的处理结果并不是停留 在下层系统中，上层系统很多时候都需要来自它所联系的其他系统的信息反馈，这 种信息反馈可能会作为上层系统数据信息进一步处理的依据，也可能只是简单的信 息返回，并不需要做进一步处理。数据信息通过在各个系统之间的流动与共享，系 统间通过协调与协作，各个系统相对独立的解决本系统的问题，这样就共同完成了 整个系统的工作。 2 1 2 一体化的研究内容与现状 虽然一体化的思想已经体现在社会生产生活的方方面面，但对于一体化的研究 并没有系统化和理论化，研究成果见诸较少，研究内容和范围也没有固定的模式， 一体化技术的研究应该根据研究过程分为两个方面： ( 1 ) 一体化技术的可行性研究 一体化技术作为人工智能技术研究领域的前沿，通过借鉴其它相关技术的优 点，建立适用于自身特点的模型，可行性研究十分重要。因为对于任何一项技术， 它是否适合使用在系统中是非常关键的问题。一项新技术如果不能适用于系统的要 求，那么它的使用无疑会增加系统的负担，降低系统的性能，不但没能起到改善系 统性能的作用，反而会增加系统使用的风险性，给系统的稳定运行带来潜在的隐患。 7 华北电力大学硕士学位论文 因此必须做好新技术的可行性研究工作，降低系统使用的风险，增强系统安全稳定 运行的能力，提高系统的效益。 可行性研究包括对各个系统的运行特性有着充分的了解，熟悉各个系统的性能 特性，考虑各个系统之间的数据信息流向，分析系统之间的联系可能，通过技术论 证建立系统之间的联系方法，并且考虑联系方式的安全性，考虑数据信息的数据格 式以及数据格式的转换，使各个系统能够识别本系统获得的数据，使数据信息能够 在各个系统中流动，通过这些数据信息的联系，把各个系统连接成串，形成一个整 体，为解决复杂的问题提供思路和方法。 ( 2 ) 一体化技术的研究内容1 8 , 9 1 一体化技术的研究内容非常广泛，传统的人工智能技术一般只是着重研究一体 化技术的理论基础和技术、经济的可行性，但随着一体化技术贴近实用化水平的脚 步越来越近，一体化技术的实用性研究变得越来越重要。随着对一体化研究的深入， 一体化技术赋予所拥有的各个子系统不同的结构、信息内容和推理、规划能力，一 体化技术主要研究的理论结构如下： 成员：是一体化技术所包含的系统单元的总称，这里的系统单元可以是自成一 体的系统，它们可以独立地负责系统的一项功能，包括自身相对独立的入口与出口， 这些入口与出口即可以独立的完成本系统的数据信息的流入和流出，又可以充当接 口连接一体化整体结构系统中的各个子系统，由于具有社会活动性，它必须拥有子 系统之间协作和系统协调等深层知识，即关于如何运用领域知识进行问题求解的经 验和策略，而这在单个专家系统的研制过程中是不必考虑的，从这个意义上讲，深 层知识的获取与形成更为困难。这些即独立又可以灵活地连接的各个子系统就构成 了一体化整体机构的系统单元 能力：指子系统所具有的推理、决策、规划、组织和控制能力。 目标：指一体化整体结构体所要实现的目的以及所要实现的功能，不仅包括技 术性方面的考虑，还包括系统经济性的考虑。 结构：是对组成一体化系统的各个子系统整体结构安排的一种机制。在电力系 统一体化系统中模型地表示也是一个不可缺少的组成部分。 2 2 一体化技术在电力系统中的应用 一体化技术在国内已经有了许多的积极探索和尝试，其中不乏一些研究成果已 经投入了使用，已投入使用的专家系统和相关资料表明：虽然有些科研单位和研究 者在多智能体和一体化方面做了一些工作，但目前的专家系统( 智能系统) 大多数 还只是相对孤立的系统，这些系统对于解决本领域内的问题具有较好的效果。但随 8 华北电力大学硕士学位论文 着电力工业的快速发展，对各个专家系统如何协调起来工作提出了更高的要求，一 体化技术应运而生。一体化技术在解决各个专家系统相互协调方面有其突出的优 点，为多个专家系统协调工作解决复杂的电力系统问题提出了新的方法。 2 3 知识工程研究1 0 1 我们正处在一个知识急剧增长的时代，由于微电子技术的飞跃发展，计算机技 术的日趋成熟，尤其是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e 简称a i ) 领域中的专家系统的 研究取得一定进展，使得计算机系统的应用正在从数值处理、数据处理阶段进入知 识处理阶段，知识处理智能化是计算机系统发展的必然趋势。以知识为处理对象的 知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) ，作为人工智能的一个应用分支，已成为人们研究 的一个热门课题。知识工程就是其中一种，它为分析和设计知识配备了科学的理论 方法，以知识为处理对象，借用工程化的思想对如何用人工智能的原理、方法、技 术为设计、构造和维护工具，其目的是在研究知识的基础上开发智能系统。知识的 表示、知识的获取、知识的利用便构成知识工程的三大要素【l o ”j 。知识工程就是研 究如何获取、表示、利用知识和经验，进行分析、决策、规划、设计和实施，以期 在现有的条件和规定的时间内合理地解决问题。本文的研究就是基于这样一个理论 背景。 2 3 1 知识表示 人工智能与计算机的结合产生了所谓“知识处理”的新课题。既要求计算机来 模拟人脑的功能，以知识和智能来解决各种问题，回答各种询问，或从已有的知识 来推演出新知识等。这时计算机要处理的不再是简单的数据、函数或其它各种形式 的信息，而是表示在机器中的“知识”。一般而言，所谓知识，使人们对自然现象 的认识和从中总结出的规律、经验。表示是为描述世界所作的一组约定，是知识的 符号化过程，即表示是将知识编码成一种适当的数据结构。知识表示是将关于世界 的事实、关系、过程等编码成为一种合适的数据结构。即知识表示是将数据结构和 解释过程结合起来，如果在程序中以适当方式使用，将使得程序产生智能行为。同 一知识可以来用不同的表示方法。但在解决某一问题时不同的表示方法可能产生完 全不同的效果，因此，为了有效解决问题，我们必须选择一种合适的表示方法。 知识表示方法大致可分为两类：叙述性知识表示法和过程性知识表示法。叙述 性表示法，把知识表示成为一个静态的事实集合，并附有处理它们的一些通用程序。 过程性表示法，将一组知识表示成如何运用这些知识的过程。粗略地说，一个子程 序或一个函数可以是某种知识的过程性表示。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 2 知识获取 讨论如何表示知识的问题还不够。因为人类的知识是不断的更新的，只有不断 的获取新的知识，人类社会才能不断地进步。因此，知识获取就必须加以讨论。知 识获取的任务就是把专家对书本上的知识、对客观世界的认识和理解进行选择、抽 取、汇集、分类、组织。从不同的角度出发，知识获取方法有不同的分类。按照基 于知识的系统本身在知识获取中的作用来分类，知识获取方法可分为主动型知识获 取和被动型知识获取。按照基于知识的系统获取知识的工作方式分类，可分为非自 动型知识获取和自动型知识获取。在研制专家系统时，知识工程师首先要从领域专 家那里获取知识，这一过程实质上是个发现过程，是非常复杂的个人到个人之间的 交互过程，有很强的个性和随机性。 2 3 3 知识利用 知识工程的目的就是通过利用知识，限制探索范围使问题容易解决。知识利用 是在某一数据结构的基础上。用形式化的知识解决问题，它主要涉及推理机的设计 问题，所以知识利用的核心是推理。 推理是由一个或几个已知判断推出一个新判断的思维形式。推理都是由前提和 结论两个部分组成，推理中的触发判断叫前提，从前提推出的新判断叫结论。推理 的一般形式是：如果a 则b ，这种形式也称为规则。迄今，已经提出了许多推理方 法，常用的包括归纳推理、演绎推理、类比推理、正向推理、反向推理、混合推理、 元推理、模糊推理、不精确推理和非单调推理。 2 4 知识工程理论背景研究 2 4 1c o m m o n k a d s 模型m 。1 5 1 的发展 在上个世纪9 0 年代以前，知识系统最流行的范型是快速原型方法，使用诸如 l i s p 机、专家系统s h e l l 等专用的硬件和软件来开发一次性的应用程序。在过去 的1 5 年里，许多开发人员和管理者开始认识到，知识系统与其他信息系统一样， 需要用结构化的方法来分析、设计和管理。因为，相对于第一代专家系统来说，知 识的体系结构己变得越来越复杂，越来越依赖于语境，需要按照大规模、结构化、 可控制、可重复的方式构造工业质量的知识系统。现在，这种观点已被普遍接受， 在当今各类知识库系统建模框架中比较有代表性的有：k a d s 及其后续的发展 c o m m o n k a d s ，m i k e ，v i t a l ，c o m m e t 等。其中，k a d s 和c o m m o n k a d s 由于 提出了“知识模型”的结构而在研究中占有十分重要的地位。各种建模框架的基本 思想是类似的，但具体实现的途径、细节和侧重点不同。下面主要结合 1 0 华北电力大学硕士学位论文 c o m m o n k a d s 研究当前知识库建模框架的基本思想： 1 知识库的层次组织 c o m m o n k a d s 描述了一组相关模型的建立，其中每一个均与知识库系统的开 发及其所处环境中的特定方面有关，包括组织、任务、主体、通信、知识及设计等 模型。c o m m o n k a d s 方法的主要贡献及其精髓在于“知识模型”( e x p e r t i s e m o d e l l ， 该模型将用于求解特定任务的知识划分为三个不同的层次：领域层、推理层和任务 层，分别对应着知识库系统的静态视图、功能视图和动态视图。 其中领域层( d o m a i nl a y e r ) 包含了求解问题所需的特定领域内的知识及对该领 域概念的描述。构建领域层的一个重要目标就是使其尽可能多地被重用于求解各种 不同的问题。推理层指明了求解问题采用的方法，包含推理步骤和领域知识在其中 所起的作用。任务层则将所需求解的问题分解成子任务，并为每一个子任务确定目 标，同时明确了对子任务的控制。对知识库结构层次的划分使知识库的可维护性大 大提高，并使知识的重用成为可能。例如，在以上模型中，领域知识与问题求解方 法被明确地划分到领域层和推理层，这将有利于两种类型的重用：一方面，对特定 领域的描述可以被不同的问题求解方法所重用；另一方面，问题求解方法通过定义 新的领域视图可以被不同的领域所重用。但仅仅将不同层次的知识区分开还是不够 的。要实现系统的重用，还需要一种有效的机制来实现各层次问的灵活配置，将相 互独立的层次紧密地联系在一起，共同组成一个完整的系统。 2 c o m m o n k a d s 基本原则 c o m m o n k a d s 方法学提供了一种结构化方法，它基于几个基本思想或原则， 而这些基本思想或原则是从长期的经验中得到的。 ( 1 ) 知识工程不是“从专家的头脑中挖掘”的某种东西，而是由构造人类知识不 同方面的模型组成。今天，知识工程被视为一种建模活动。知识项目用于构造某些 方面的模型，这些模型应成为项目所提交的产品的一个重要部分。c o m m o n k a d s 模型套件是分解和结构化知识工程过程的方便工具。 ( 2 ) 知识级原则：在知识模型中，首先要集中考虑知识的概念结构，而把编程细 节留在以后考虑。知识级原则首先是由a l a nn e w e l l1 9 8 2 年提出的，他说知识要在 概念级上建模，而不应依赖于特殊的计算结构和软件实现。知识建模中所使用的概 念应参照和反映现实世界领域，并用相关人员可理解的词汇进行表达。 ( 3 ) 知识具有稳定的内部结构，由可区别的特定的知识类型和角色进行分析。知 识可能是复杂的，但不是杂乱无章的，也是可以理解的。现代知识工程研究的一个 重要结果是：人的专长可根据知识的稳定和通用的种类、模式和结构来进行明确的 分析。因此，可以把知识看作是具有良好结构的函数模型，其不同部分在人类问题 1 1 华北电力大学硕士学位论文 求解中担当着不同的、有限制的和专门的角色。 ( 4 ) 知识项目必须根据从经验中所学的，以可控的“螺旋”方式来管理。 c o m m o n k a d s 采用的一种可配置的、平衡的项目管理方法，它比瀑布型更灵活， 比快速原型法更易于控制。知识项目管理遵循螺旋式方法，这种方法支持结构化学 习，即c o m m o n k a d s 模型的暂时结果或“状态”可作为下一步采取什么步骤的信 口 丐o 3 应用与发展前景 以知识库系统建模框架为基础，美国和欧洲已在大型知识库系统的开发上投入 了巨额的人力和财力，目标是建立大型、易维护和可重用的知识库系统。影响较大 的有美国军方d a r p a 投资的h p k b 及欧洲数国联合开发的i b r o w 。实际研究表明： 尽管完全达到预定目标还有很多问题需要解决，但这些目标正在通过知识的分层、 方法库的引入、本体的建立、建模工具的开发以及知识交换标准的完善而逐步得到 实现。 纵观整个知识库系统建模框架的发展过程，知识库系统的开发将会向以所求解 任务为目标的知识库组件智能拼装的方向发展，整个开发过程将逐步实现自动化， 这将有赖于组件化技术和智能代理技术的进一步发展。建立知识库系统的最终目标 就是以i n t e r n e t 为基础实现一个巨大的、虚拟的、分布式的知识仓库，它能够利用 散布在i n t e r n e t 上的所有知识帮助使用者解决所提出的问题。知识库系统与下一代 i n t e r n e t 的结合将促成知识化网络新时代的早日到来。 2 4 2c o m m o n k a d s 模型套件研究 c o m m o n k a d s 含有一个预先定义好的模型集合，每一个模型侧重于一个限定 的方面，综合起来就提供了一个全面的视图。主要包括下面这些模型【1 3 】。 组织模型，对一个组织的主要特征进行分析，以发现知识系统的问题和机会， 确定其可行性。 任务模型，分析任务全局布局、它的输入和输出、先决条件和性能准则以及所 需要的资源和能力。 主体模型，主体是任务的执行者。一个主体可以是人、信息系统，也可以是其 他可以执行一项任务的实体。主体模型描述了主体的特征、能力、行使的权力和权 力的约束。 知识模型，详细解释执行任务时用到的知识的类型和结构。不同的知识组件在 解决问题时所担当的角色是不一样，知识模型描述了这些角色的独立的实现，而它 采取的方式是人可以理解的。这使得知识模型在系统开发过程中成为了一种重要的 12 华北电力大学硕士学位论文 交流工具。 通信模型，既然一个任务可能包括几个主体，那么相关的主体之间的通信事务 就需要建力通信模型来完成。与知识模型一样，通信模型也是概念性的而不依赖于 实现。 设计模型，以上这些c o m m o n k a d s 模型可以看作构成知识系统的需求规范说 明，不同的模型用于不同的方面。基于这些需求，设计模型要提供技术上的系统规 范说明，包括在实现知识和通信模型是所需要的体系结构、实现平台、软件模块、 表示构造和计算机制等。 组织模型，任务模型和主体模型分析了组织环境和相应知识系统中的关键的成 功因素。知识模型和通信模型为问题求解功能以及知识系统要处理和提交的数据生 成概念上的描述。设计模型把它转换成一个技术规范说明，作为软件系统实现的基 础。 图2 一lc o m m o n k a d s 模型套件 然而，并不总是需要构造以上的所有模型，这依赖于项目的目标和从项目运作 中所获得的经验。本文研究的重点是知识模型。 另外需要指出，知识系统及其工程并不是和信息系统和管理等其他种类完全无 关的，c o m m o n k a d s 已经受到其他方法学的影响，包括结构化系统分析和设计、 面向对象方法、组织理论和质量管理等。例如，对于面向对象方法来说，信息系统 中的对象就是使用自然的方式来对现实世界中的实体进行建模，这和上面讨论的知 识级原则极为相似。因此，在这个意义上，c o m m o n k a d s 类型的知识工程可以被 看作是对现有方法的扩展。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于c o m m o n k a d s 知识模型电网智能操作票知识建模 3 1c o m m o n k a d s 知识模型 在c o m m o n k a d s 中需求工程分为两部分，即知识模型指定预期系统知识和推 理需求。通信模型指定与其它主体接口的需求和期望，如一个用户接口或一些软件 系统的接口。知识模型和通信模型共同构成了系统设计和实现的输入。知识模型本 身是一个帮助我们阐明知识密集型信息处理任务结构的工具。一个应用的知识模型 可提供应用所需要的数据和知识结构的规范说明。知识模型与其他模型关系的角色 如图3 1 所示。 图3 - 1 知识模型与其它模型关系的角色示意图 知识模型【1 3 , 1 4 , 16 1 在本质上与软件工程中传统分析模型具有相似结构。推理任务 通过函数或过程的层次分解来描述。功能操作的数据和知识类型通过一个类似与数 据模型或对象模型的方案来描述。这些概念与其他现代方法所采取的概念在目的上 是相似的。当然也有许多关键的区别。 一个知识模型包括三部分：领域知识、推理知识和任务知识，每一部分包含一 组相关的知识结构。 领域知识，详细说明特定领域知识和在一个应用中我们所讨论的信息类型。一 个领域知识的描述在某种程度上类似于软件工程中的“数据模型”或“对象模型”。 推理知识，描述了使用领域知识的基本推理步骤。可以把推理看作推理机的构 件，推理表示功能分解的最低水平。 任务知识，描述了一个应用所要达到的目标以及如何通过将任务分解成子任务 和推理来实现这些目标。这个“如何”包含了任务的动态行为描述，即它们的内在 控制。 3 1 1 领域知识 领域知识描述一个应用中主要的静态信息和知识对象，一个领域知识通常有两 1 4 华北电力大学硕士学位论文 部分组成：单或多领域模式、单或多领域知识库。 领域模式，通过一些类型定义对特定领域知识和信息进行的纲要性描述。模式 描述了应用领域的静态信息知识结构。 知识库包含了某个领域模式中详细说明类型实例。知识系统和数据库应用系统 之间的一个主要区别是数据库应用在分析过程中，人们很少对放进数据库中的真实 事实感兴趣。而在知识系统中，知识库通常包含特定的知识片断，例如规则。 知识模型提供了一套指定一个应用领域模式的建模结构，四个主要的结构是 c o n c e p t ( 概念) 、r e l a t i o n ( 关系) 、s u b t y p e o f ( 子超类型) 和r u l et y p e ( 规 则类型) 。 ( 1 ) c o n c e p t ( 概念) 概念通常是领域建模的起点，它描述应用领域中发生的具有相似特征的对象和 实例。其含义类似于其他方法中所谓的“类”或“对象类”。与面向对象方法的区 别是概念描述中不包含功能( 如操作、方法等) 。 概念的特征可以用不同的方式来描述。最简单的是定义一个概念的 a t t r i b u t e ( 属性) 。属性可具有一个v a l u e ( 值) ，该值是概念实例具有的一条信息。 这些信息是原子的，即它们代表简单的值。因此一个概念的值不可能用另外一个概 念实例作为其属性值，这种复杂关系将用其他结构来描述( 通常是关系) 。将某些事 物单独定义而不是将其作为其他概念的一个属性的重要原因是它具有不依赖其他 概念而单独存在的意义。 对于每个属性，需定义其v a l u et y p e ( 值的类型) ，详细说明属性的允许值。 标准的数值类型包括布尔型、数值( 实数、整数、自然数等) 、数值范围和文本字符 串以及可能定义的符号等。u n i v e r s a l ( 通用) 值类型可以允许任意值。 ( 2 ) r e l a t i o n ( 关系) 用r e l a t i o n ( 关系) 或b i n a r yr e l a t i o n ( _ 二元关系) 结构来定义概念之间的 关系。关系可用于标准实体一关系( e r ) 模式，也可用于复杂的建模类型。关系通过 a r g u m e n t ( 变元) 的规范说明来定义。对于每一个变元，都可以定义 c a r d i n a l i t y ( 基数) 。默认的基数为1 ，这意味着在关系中参与是强制性的。此外， 还可以给变元指定一个r o l e ( 角色) 【1 2 】，定义变元在关系中所担任的角色。关系可 以有任意多个变元，但大多数关系只有两个变元，这就是b i n a r yr e l a t i o n ( _ 二元 关系) 结构。象概念一样，关系也可以有属性，这些属性的值取决于语境。二元关系 可以以多种方式用图来表示，最简单的形式就是在两个概念之间画一条线，并标注 关系的名称。这条线可以是有方向的，也表示特定的含义。不过一般说来，最好设 计成无方向的，因为无方向名称强调一个关系的静态特征，并且不易随应用功能的 15 华北电力大学硕士学位论文 改变而改变。 ( 3 ) s u b t y p e o f ( 子超类型) 在大多数的现实应用中有多层次的需求，通过子超类型结构可以在子类型层次 中组织概念。子类型的定义放置在子概念的定义中，定义子类型并不局限于概念， 关系也可以有子类型。子概念继承了超类型的属性和关系，并且可以增加自己的东 西。当然，子类型也可以没有增加新的属性，而只是对继承属性的值加以限制。一 般的说，当生成一个子类型时可以引入三个特化的实例： a ) 新特征：在关系中加入一个新属性或一个联系。 b ) 类型限制：限制属性或相关概念类型的值。 c ) 基数限制：限制属性值的数量或关系中联系的数量。 有时即使没有任何特化的特性时，引入子类型也是有用的。这种情况出现在当 一个术语在应用领域中作为一个中心概念的时候。可以将子类型看作“膨胀属性”， 因为从技术上说，它们可以通过引入一个属性而替代，子类型作为可能值而出现。 ( 4 ) r u l et y p e ( 规则类型) 规则是领域模式和传统数据模型的本质区别。规则表明两个逻辑语句之间的一 种逻辑关系，规则中的逻辑语句通常是概念的一个属性值的表达式，因此这些规则 是一种特殊类型的关系。这种关系并不是概念实例本身之间的关系，而是关于概念 表达式之间的关系。在描述一个应用的领域模式时通常需要以纲要的形式描述这种 规则，为了对这种规则的结构建模，我们使用了r u l et y p e 结构。对这种结构的 具体介绍和使用我们将在后面的实际应用中作进一步阐述。 规则类型包含两个要件：前件和后件。一般认为，前件是因，后件是果。规则 并不要求严格的逻辑依赖性，如暗示，通常它们表明领域表达式之间的一些启发式 关系。另外，规则类型是一种分析工具，应该获得应用领域的结构逻辑依赖性，而 独立与软件系统的最终表示。 ( 5 ) 知识库 领域模式描述领域一知识类型，诸如概念、关系和规则类型。知识库包含那些 知识类型的实例。知识建模的典型特征是具有知识库这样的概念。领域模式和知识 库的分离意味着必须将“知识获取”重新解释成至少包含两个步骤的过程： 定义一个知识类型，如规则类型。 抽取这种类型的实例，将其放入知识库中。 这两步之间通常会有一个反馈环，在反馈环中类型定义可以被看作一个领域中 特定知识结构格式的假设，知识抽取过程的功能就是通过回答我们能否抽取这种形 1 6 华北电力大学硕士学位论文 式的知识这个问题判断假设的真伪。 3 1 2 推理知识 领域知识是应用领域的静态信息知识结构。在推理知识中，我们描述了如何将 静态结构用于执行一个推理过程。推理知识中主要有这样三个概念：推理、知识角 色和传递函数。 ( 1 ) 推理 知识模型中的推理知识描述了功能分解的最低层次。一个推理执行一个基本的 推理步骤。通常，推理使用知识库中包含的知识从其动态输入中衍生出新信息。推 理完全是通过它的输入和输出的声明性规范说明进行描述的。其内部过程是一个黑 箱，知识建模不关心这一内部过程。 ( 2 ) 推理和知识角色 区别推理和传统的“处理”或“功能”的主要特征是描述推理操作所基于的数 据方式。推理i o 用函数角色来描述，即指明它们在推理过程中的角色的数据对象 的抽象名称。这样的角色称为知识角色。 我们用动态角色和静态角色区别两种类型的知识角色。动态角色是运行时的推 理输入和输出；静态角色指用于推理的领域知识集合。采用这种方式，就可以描述 推理如何通过知识角色的中介途径绑定到领域知识类型。“知识角色”的概念给了 我们一个在推理过程中谈论领域对象行为的单独词汇。每一个推理任务都有自己的 角色词汇，而不依赖于任务执行的领域。 ( 3 ) 传递函数 在知识模型中我们从与其他主体( 用户、其他系统) 的通信中进行抽象。强调的 重点在于推理过程的结构。然而，任何人不可能完全抛开与外部世界的相互作用。 其中一些相互作用在推理过程本身起作用。因此，这里引入了传递函数。 传递函数，是一种在知识模型中描述的推理主体和外部世界之间转换一条信息 项的函数。从知识模型的角度来看，它是一个黑箱，即仅仅描述了它的名称和i o 它具有两个性质：谁具有主动性，被传递函数信息项归谁所有? 基于这些性质，我 们将传递函数分为四种类型：获得、接受、提出和提供。 3 1 3 任务知识 任务知识是描述目标以及为实现这些目标所采取的策略的知识范畴。任务知识 通常以层次方式来描述：高层任务分解成小任务，这些任务还可分解成更小的任务。 在任务分解的最底层，推理和传递函数与任务相链接，这些任务称为基本任务，其 17 华北电力大学硕士学位论文 他任务称为复合任务。 有两种知识类型在描述任务知识时起主要作用：任务和任务方法。任务以输入 一输出对定义一个推理目标。任务方法描述任务如何通过分解成子函数而实现。任 务和任务方法可分别理解为关于推理任务的“需要做什么”和“怎样做”。 3 2 知识建模目的 由于电网运行方式调整和定期的设备检修维护，电气设备倒闸操作成为电网日 常运行中的重要工作。电网操作票制度是在考虑系统运行方式、保护配合、安全操 作等规则要求下，保证设备运行方式的