（电力系统及其自动化专业论文）电网调度操作票专家系统在泗阳电网的应用.pdf

东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee x p e r ts y s t e mo no p e r a t i o no r d e rh a ss e v e r a la d v a n t a g e s i tn o to n l yc a l l r e l i e v ep e o p l e sw o r k l o a d ，s h o r t e nt h et i m eo fm a k i n go u ta 1 1o p e r a t i o no r d e r ，b u ta l s o c n lr e a l i z et h es h e e t sw o r k f l o wm a n a g e m e n t ，a n dm a k es u r et h es t a n d a r d i z a t i o no f s h e e t sf u n c t i o na n dt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l y b u tm o s to ft h ee x i s t i n ge x p e r t s y s t e m sd on o tf i tt h ec o u n t yd i s p a t c h sp r a c t i c a ls i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o u n t yd i s p a t c h sn e c e s s a r y ，o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) i s i n t r o d u c e d t h ek n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o no fp o w e rn e t w o r k k n o w l e a g e a n d o p e r a t i o n k n o w l e d g ei sr e s e a r c h e d t h eo p e r a t i o nt e r mi sd i v i d e di n t oi n n e ra n de x t e r i o r , a n di ss t o r e dw i t h t h ef r a m ef o r m a t t h ee f f i c i e n c ya n da p p l i c a b i l i t yi si m p r o v e db yd o i n gt h e s e i nt h ei n f e r e n c e e n g i n es e c t i o n ，t a r g e t - d r i v ec o n t r o l ，d e p t h - f i r s ts e a r c ha n db r e a d t h - f i r s ts e a r c ha r ea d o r e d b y i n t r o d u c i n go p e r a t e u n i t ，t o p o l o g ym a i n t e n a n c ea n ds h e e t sc r e a t i o na r es o l v e dw e l l b a s e do nt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n ，r e g a r dt h es i y a n gc o u n t yd i s p a t c ha sr e s e a r c h o b j e c t o n ek i n do fo p e r a t i o no r d e re x p e r ts y s t e m 谢t l la g i l i t y , m a i n t a i n a b i l i t ya n d a p p l i c a b i l i t y i s e x p l o i t e d t h i ss y s t e ma d o p t s m o d u l a r i z a t i o nm e t h o d t h e k n o w l e d g eb a s ea n di n f e r e n c ee n g i n ea r es e p a r a t e d t h ek n o w l e d g eb a s ec a nb em o d i f i e d a n dm a i n t a i n e db yc o n v e n i e n tm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e b e c a u s eo ft h e s er e a s o n s ，t h e s y s t e mh a sg o o da p p l i c a b i l i t y , a n dt h ew o r k l o a do fa p p l i c a t i o na n dg e n e r a l i z a t i o ni s s h o r t e n e dg r e a t l y k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m ，k n o w l e a g er e p r e s e n t a t i o n ，i n f e r e n c ee n g i n e ，s e a r c hs t r a t e g y ， o p e r a t i o no r d e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：日期：丝2 ：垡 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名师签名：逸日期：塑! ：2 ：! ，师签名：呶日期：丝2 ：， 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 在电网调度机构实行操作任务票票制度是我国电力系统运行管理中几十年来形成的一 套行之有效的制度。它保证了操作的安全性，对电力系统的安全运行起到了及其重要的作 用。而对各级运行人员来讲，这又是一项频繁的、智能性的劳动。操作票制度是防止误调 度的基础，其中调度操作票是决定调度操作正确与否，是否发生误操作的重要因素，直接 关系到电网的安全运行。因此，正确填写调度操作票就成为确保调度操作正确完成的关键。 而长期以来，调度运行人员一直采用手工填表的开票方式，费工费时，开票效率低下。 由于开票过程经常要同时进行模拟操作屏的逐项核对，缺乏过程的直观性，极易开出错票 与废票，从而留下了因误操作而引起电网事故的隐患。 该项工作经验性强，难以建立精确的数学模型，需要熟练的专业知识和丰富的实际运 行经验。传统的手工填写操作票，调度员在编写操作票时难免会受到环境、时间、健康等 因素的影响，不可避免地出现差错。因此，开操作票是一项繁杂费时、责任重大的的工作。 随着我国电力建设的迅速发展，调度管辖的发电厂、变电站、输配电线路以及其它电 力设备的数量越来越多，尤其是年来，随着大机组、高电压、高可靠性大电网的出现，对 调度运行人员提出了更高的要求，尤其在故障状态，大量的报警信息提供给调度运行人员。 调度运行人员单纯依赖人脑，要在短时间内阅读和理解这些信息，并做出正确的分析判断 是十分困难的。电阿调度人员的工作日益繁重，调度操作原有的手工或微机拟票、审核方 式，已不能满足调度运行管理由经验型向逻辑型、智能型提升的要求。 为确保电网安全、稳定、经济运行，各级调度也相应制定了各种管理工作流程，确 保有效地防止电网事故的发生。其中对操作票的填写提出了极为严格的要求，不仅要求操 作票中的操作项、操作顺序准确无误，而且要求不允许有错字、漏字、涂改。这些严格的 规定使得在日常的调度操作中，仅是填写操作票就占用了运行人员很多的时间和精力。而 在一些临时的倒闸操作过程中，为了尽快完成操作，运行人员只得先在草稿上临时写个操 作顺序完成操作，待作业完成后重新抄写到正式的操作票上。这样作不但违反规程关于操 作票的有关规定，增加了出现误操作的机率，而且也使得原本为了安全及规范而制定的操 作票的各种要求与规定失去了实际意义，而纯粹变成了形式。 调度操作票系统利用计算机系统，采用专家系统技术，将电网操作规则和经验构成 1 东南大学工程硕士学位论文 知识库，帮助调度员形成符合操作规程的操作序列。借助计算机由专家系统来开操作票， 不但可以大大减轻运行人员的繁重负担，而且可以避免由于操作票的错误带来的操作事故。 另外，还可以作为辅助性培训工具，提高运行人员的业务水平，弥补新调度员操作经验不 足的缺点，避免由于经验不足而造成的疏漏。因此，研发各级调度的电网调度操作票专家 系统，即根据这些单位在电力系统中所处的不同，分析调度命令的实际要素，依据电网的 设备性能与构成，制定最佳的操作指令级序，实现操作票的的自动或半自动生成，提高操 作票正确率、缩短操作票拟票时间、减轻运行人员日常工作强度，实现操作票的网络流程 管理，确保操作票执行过程的规范化，已成为电力系统运行管理人员的一项重要课题，并 且日益受到电力工作者的高度重视。 1 2 电网调度操作票专家系统的研究现状 随着人工智能的发展，专家系统的观点逐渐被各行各业所广泛接受，被应用到各行各 业的问题求解中。电网调度操作票专家系统是运用调度人员的专业知识和现场经验进行推 理和判断，通过模拟现场工作人员的决策过程来开写、流转、管理调度操作票的应用软件。 现在对电网调度操作票专家系统的研究已经达到了实用化的水平，但较差的通用性和 可维护性阻碍了电网调度操作票专家系统的大面积推广。由于各个变电站的设各种类和操 作术语千差万别，想让一个电网调度操作票专家系统毫无改动地应用于不同的电网调度， 几乎是不可能的事情。而通用性的好坏和推理机对知识库的独立程度。知识表示和推理机 制的不完善是现今电网调度操作票专家系统无法普及各个调度部门的主要原因。主要存在 以下一些问题： ( 1 ) 操作规则固化，缺乏灵活性。电力系统运行遵守一定的操作规则，但不同的运行状 态下操作规则不是一成不变的，开发软件时要充分考虑这些规则的适应性。许多软件系统 将操作规则在变成时就用源代码以规则库的形式固化，先不谈软件开发者对这些规则的理 解和掌握程度，单从今后电网运行发展的可能性角度来考虑，这种做法是不科学的。此外， 考虑运行经验和责任等方面的因素，显然，规则设置这项功能应留给用户( 即实际运行电 位) 来完成能才比较合理。 ( 2 ) 系统通用性差，扩充维护困难。现在的操作票专家系统，大多是调度单位针对自身 的技术特点定制开发的，软件过于固化，即使是电网结构的微小变化，也必须由软件开发 者对源程序代码做大量的修改。1 。 2 第一章绪论 ( 3 ) 系统缺乏学习功能，无法兼顾人员的培训。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。专家系统若无学习功能，则随着电网实际运行方 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3 1 。 电网调度操作就是通过电气倒闸操作实现电网运行状态的改变，使电网从某一初始状 态经过一系列的中间过程，转换到符合电网运行方式规定的另一个状态。实现电网状态的 转变需要操作一系列的一次设备( 线路、变压器、发动机、母线、开关和刀闸等) 和二次 设备( 继电保护、自动装置等) 。因此，电网调度员在填写操作票时需要考虑的基本因素有： ( 1 ) 电网的网络拓朴结构：它是一次设备的连接关系，包括静态的模拟连接关系和动态 的实时连接关系。 ( 2 ) 倒闸操作的顺序：它是在操作过程中必须遵循的一次设备( 开关和刀闸等元件) 状 态转换的相对顺序关系。 ( 3 ) 某些设备对倒闸操作的特殊要求。 ( 4 ) 电网中电气设备的潮流方向。 ( 5 ) 二次设备与一次设备的配合关系。 以上五点是我们设计电网调度操作票专家系统必须要考虑的问题。就单一的倒闸操作 而言，过程是比较简单的。但电网是是一系列相关设备的综合体，它们有很多相同点，但 也有各自的特点。设备彼此之间的相关性和差异性使得电网调度操作票专家系统模型相当 的复杂，这主要体现在四个方面“1 ： ( 1 ) 目前我国电网的主接线方式、一次设备和二次设备并没有做到完全的规范化，各地 电网结构迥异，各厂站的设备和构成形式多样，这就造成各地电网、各厂站的操作有各自 的特殊性。 ( 2 ) 电网中某一设备的局部操作可能引起电网运行方式的改变，造成电网较大范围内变 电站馈供关系的变化。为此，在进行某项设备操作前，必须进行一次供电路径的搜索，寻 求全部的相关设备，然后按电网运行的要求进行相关设备的操作。 ( 3 ) 由于电网调度命令可不直接涉及设备本身的实际切换操作，调度命令操作票，尤其 是具有智能化功能的电网调度命令操作票系统开发研制的难度。 ( 4 ) 电网设备两种典型的状态是运行和检修，相应地就有两个典型的操作，即送电操作 和停电操作。送电操作从设备的检修状态开始，经过一系列的中间过程，终结于运行状态， 停电操作正好相反。在日常的倒闸操作中，操作的初始状态可能不是运行( 或检修) 而终 3 东南大学工程硕士学位论文 结状态也不是检修( 或运行) ，有可能开始于某一中间状态，结束于另一中间状态；这就要 求开出的操作票能适应这种情况，其中的内容与实际情况相对应。为了使电网调度操作票 专家系统能适应各级各地的电网、各种形式的电气接线、各种操作对象，在专家系统的设 计中必须体现出对以上四个因素的综合考虑，缺一不可。 由于知识表示的不同，其实现方式也有所区别，现有的电网调度操作票专家系统的实 现常用方式为面向对象方式，这种实现方式可用于开发图形界面和专家系统的知识表示。 可用于开发图形编辑界面。面向对象方式的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。 面向对象方式还可用于专家系统的知识表示。专家系统的知识表示和推理机中用到面 向对象技术，它把变电站中所有的一次设备按类型抽象成各种类，如母线抽象为b u s 类， 开关抽象为b r e a k e r 类，再找出母线、开关等各个类的共同属性，如所属变电站名称、电 压等级、编号等，从而抽象出这些类的基类，称为元件e l e m e n t 类。由于开关的种类不同， 又从开关类中派生出变压器开关、线路开关和旁路开关三个子类。变压器再派生出两圈变 压器和三圈变压器等。 “基于面向对象技术方式”的调度操作管理系统应用了软件领域中的面向对象技术， 将对象的属性和相互作用封装在表示对象的结构中，按“派生”的思想形成一种树形的层 次结构。这种结构既可避免描述中的信息冗余，又增强了对知识的使用和管理。 这种实现方式根据对电网运行操作的分析，编制一些程序模块，来实现调度操作票的 推理。整个系统由多个子模块组成，不同的模块实现不同的推理机，如母线操作推理机、 线路操作推理机、变压器操作推理机等。这些推理机的适应能力取决于事先对实际问题考 虑的完善程度。考虑越完善，适应性就越好；反之则越差。此类系统使用模块化推理方式 实现操作票的生成，运行维护人员无法进行维护，不能适应现场变化的要求，影响了现场 的使用；移植到其它应用对象重复工作量大，通用性较差。 1 3 本文所做的主要工作 本文在进行文献调研和资料研究的基础上，针对现有的电网调度操作票专家系统，首 先介绍了电网调度操作票专家系统研究的背景和意义，在此基础上深入研究了电网调度操 作票专家系统的知识表示和推理机制，并以泗阳县调为对象开发了一套电网调度操作票专 4 第一章绪论 家系统。本文的主要工作如下： ( 1 ) 引入面向对象表示法作为电网调度操作票专家系统的知识表示方法。将与调度操作 票系统相关的多种知识进行分类，包括电网模型知识、电网操作知识、操作票知识等，设 计了相应的表示方法。知识库采用模块化设计，尽量分化不同功能用途的知识，以便这些 知识模块能够采用各自合适的知识表示方法。 ( 2 ) 实现知识库和推理机的相互独立，提高了系统的可维护性和通用性。 ( 3 ) 引入目标驱动控制、广度优先搜索、深度优先搜索和启发式搜索等作为电网调度操 作票专家系统的主要推理策略和搜索策略。 ( 4 ) 在网络拓扑搜索及操作票生成功能的实现过程中引入操作单元的概念，即可以缩小 设备搜索范围，提高系统效率，也助于系统功能的实现。 ( 5 ) 应用相关理论，针对泗阳县调所辖电网建立了一个操作票专家系统，实现了自动 开票功能以及一些实用的辅助功能，如模拟演示、操作票流程管理和历史票查询统计等。 总之，本文针对电网调度操作票系统的技术特点和用户实用化的需求，基于专家系统 的原理，对专家系统的知识表示方法与推理方法策略进行了分析和应用性研究，并实际运 用到泗阳电网调度操作票专家系统中，较大地提高了系统的通用性和可维护性。 1 4 论文的结构安排 本论文分成六章，第一章绪论部分叙述选题情况及研究现状；第二章对专家系统进行 概述，阐述专家系统的概念、基本思想及结构；第三章阐述了该专家系统的知识表示方法； 第四章阐述了推理机的组成、推理方法、推理策略及操作票的生成：第五章对系统进行介 绍，包括结构和功能，系统的特点及存在的问题；最后一部分是概括操作票专家系统的结 论并作一些展望，结束论文。 东南大学= t ：= 程硕士学位论文 2 1 什么是专家系统 第二章专家系统概述 何谓专家系统? 专家系统”1 就是为了解决具有专家级的适当规模的问题，采取一定的 策略，具有相当丰富的权威性知识，且有学习机制，能对知识库进行改进，以增进解题能 力的计算机程序系统“：。专家系统是当前人工智能研究中最活跃的一个分支，它在某些特 定领域内，能以人类专家的水平去解决该领域中的问题，在某些方面甚至可能超过人类专 家。 专家系统强调所拥有的知识对系统的性能水平有着重要的影响，因此它具有区别于其 它计算机程序系统的一些特点： ( 1 ) 具有专家水平的专门知识。 专家系统所拥有的知识面可以很窄，针对某个特定的领域，但必须要有专家的水平。 即它能高效地解决领域范围之内的各种问题，它在解决质量、速度和运用启发式规则的能 力等方面都应体现出具有本领域专家的水平。 ( 2 ) 具有一定的复杂度和难度。 专家系统所处理的知识是很专门的领域知识，所涉及的面可能很窄，但必需要有一定 的复杂程度。因为简单到一定程度的领域问题就根本不需要任何专家来解决，从而也就没 有什么专家知识可言。这表明专家系统在解题时的推理深度不能太浅，搜索路径不能太浅 太直，必需具有一定的解题难度。 ( 3 ) 具有解释功能。 专家系统在解题过程中或在做出某个决定后，应能自己解释“为什么要这样做? ”， “如此做有什么好处? ”，“它是如何做的? ”等等问题。这在一些交互式专家系统中更是 十分重要的。当用户对专家系统的行为不可理解时，往往随机地要求专家系统回答“为什 么? ”，“有什么? ”以及“如何? ”等问题。 ( 4 ) 符号处理的能力 专家系统应具有进行符号处理的能力，它能采用符号准确地表示领域有关的信息和知 识，并对其进行各种处理和推理。这表明专家系统处理的对象主要是符号表示的知识和信 息而不仅仅是数据。 ( 5 ) 具有一般的问题求解能力。 6 第= 章专家系统概述 各种专家系统还应该具有一种公共的智能行为，能做一般的逻辑推理，目标搜索和常 识处理等工作。而且专家系统往往采用试探性( 或启发性) 方法进行推理，为了能更符合 现实情况甚至能采用不精确推理与知识不完全推理等。这些都是在一般求解时必需的，它 与专门的领域知识结合就使专家系统能够解决特定领域内的各种专业问题。 ( 6 ) 具有获取知识的能力。 与一般专家通过学习不断丰富自己的知识一样，高级的专家系统也应有进一步不断获 取知识的能力。它或者提供一种手段使知识工程师或领域专家能够不断的给系统“传授” 知识，使它的知识库越来越丰富：或者系统本身就具有一种自学的能力，能从系统运行的 经验中不断总结新知识和更新老知识，自动的使知识库中的知识不断的丰富和更新。目前， 专家系统的自学功能应该说只是一些思想而己，离问题的解决还差得很远。 与人类专家相比，目前的专家系统显得有些“浅薄”，它缺少人类专家知识面的广度 和对基本原理的理解。很显然，它不能象人那样思考；抓住重点，分析、判断得出结论， 从不同的角度考察同一问题。今天的专家系统只能大体上模仿人类专家的思考方法。它是 通过从人类专家那里得到的许多相关的判断或猜测而做出主要决策的。与人类专家不同， 专家系统不能有效地依靠最初的原理或常识推理，也不能学习过去的经验举一反三。 比起数据处理系统，专家系统似乎更智能、更专门。传统的数据处理系统是通过从算 法上对大量的数据进行累积和处理，使费时的事务员的工作自动化，而专家系统通常是完 成那种典型的要具有专门知识的人在几分钟或几小时内完成的量大而性质相对重要的任 务，如翻译、诊断、订计划、排时间表等等。为了完成这些任务，专家系统有选择的利用 数据进行推理。与基于算法的数据处理方法中所出现的问题相反，专家系统通常要考察大 量的可能性，或者说动态的建立解决问题的方法。 2 2 建造专家系统的基本思想 人类专家之所阻能成为某一领域中的专家，关键就在于它掌握了该领域中的大量的专 业知识”1 。计算机要模拟人类专家来处理专业问题，它首先必需获取这些知识。然后把它 们有效地组织和存储起来以便利用”。 一般应用程序是把问题求解的知识隐含地编在程序中，而专家系统则将其应用领域的 问题求解中的知识单独分开组成一个知识库的实体。知识库的处理是通过独立于知识库的、 易识别的控制策略来进行的。也就是说，一般的应用程序将其知识组织成两级一数据级和 7 东南大学工程硕士学位论文 程序级，而大多数专家系统则将知识组织成三级一数据级、知识库级和控制级。 专家系统的主要特征是有一个巨大的知识库，存储着某个专门领域( 如医学、化学、 地质学等) 的知识。而系统的控制级，通常表达成某种推理机制。整个系统的工作过程是 从知识库出发，通过控制推理，得到所需的结论。对一般传统的应用程序系统来讲，系统 的工作过程是在程序或数据的控制下，按规定的步骤逐条执行程序指令的过程。专家系统 有所不同，它是在环境控制下的推理过程。它比前者能更及时、更灵活的反映环境的变化。 专家系统在控制推理机的引导下，利用存储起来的知识分析和解决问题。专家系统的 解题能力主要取决于知识库所存的知识和推理机的功能，因此知识库和推理机的设计是专 家系统设计的关键。这当然并不是说其它模块不重要而不予重视，设计者应把专家系统设 计当做一个整体来考虑，否则就很难发挥专家系统的整体效率。 在知识库设计中，根据不同的领域知识选择最合适的知识表示模式是知识工程师的主 要责任之一。对有些具体问题可能采用一种知识表示是不够的，或者需要采用一种混合的 表示技术。另外，知识的组织结构也是设计知识库的重要问题，组织知识应该在对有关知 识实行合理分类的基础上进行，尽量体现知识之间有意义的联系，便于推理机检索相关知 识”。这里所说的知识都是广义的知识，不仅包括进行推理所需要的判断性知识，也包括 各种描述各种事实的知识。因此，数据作为一种描述性知识也可以放在知识库中。 推理机的设计与实现一般与知识的表示方法与组织结构有关，但应注意使推理机的实 现与知识的具体内容无关，以免知识的变更引起推理机的修改。 2 3 专家系统的基本结构 不同领域的专家系统的结构不尽相同，但基本结构是一致的，如图2 1 所示。它包 括了两个主要部分：知识库和推理机。 ( 1 ) 知识库 为了满足求解问题的需要，按照一定的知识表示方式在计算机系统中组织、存储和使 用的互相联系的知识集合。知识库与具体专家领域有关。它存储与该领域有关的规则和事 实。在通用的知识库系统中，知识库中的知识可以为多个用户共享。 ( 2 ) 推理机 一组用来控制、协调整个专家系统工作的程序，它使用系统知识库中的领域知识推导 结论。 8 第= 章专家系统概述 知识工程师从领域专家那里获取专业知识，然后有效的组织和表示这些知识，并把它 们存储到知识库里。推理机利用用户提供的数据，根据知识库中的知识进行推理，最终获 得结果并把它提交给用户。 知识工程师 数据 领 2 4 小结 图2 1 专家系统的基本结构 本章对专家系统进行了概述。专家系统就是为了解决具有专家级的适当规模的问题， 采取一定的策略，具有相当丰富的权威性知识，且有学习机制，能对知识库进行改进，以 增进解体能力的计算机程序系统。专家系统在控制推理机的引导下，利用存储起来的知识 分析和解决问题，专家系统基本结构包括了两个主要部分：知识库和推理机。 9 东南大学工程硕士学位论文 第三章操作票专家系统的面向对象知识表示 3 1 知识表示方法的选取 知识是智能活动的基础。专家系统中知识库的大小和质量是决定其性能和水平的关键 因素。整个专家系统的构建都是围绕知识的获取、表示和利用来进行的。 3 1 1 知识和知识表示 知识是人们对客观世界的规律性的认识。在人工智能中，指的是事实、过程、规则及 启发式信息。知识可以分成以下三类“1 ： ( 1 ) 元知识 关于知识的知识。元知识告诉系统如何使用它所知道的知识，及其限制是什么。在专 家系统中，指有关系统如何运行和推理的知识，如有关领域知识的使用和控制等。 ( z ) 过程型知识 传统的寓于程序中的知识“。这种知识很有针对性的表达特定问题的求解步骤，其执 行效率较高。但它依附于成熟完善的解法，并需要提供准确、完整的数据，因此适应性很 差。 ( 3 ) 描述型知识 以描述的方式来表示的知识。描述型知识包括了事实知识和判断知识。事实知识是对 事实的描述，例如：“南京有地铁”，“东南大学有一百多年的历史”等。判断知识是指对事 实的判断，例如：“如果论文通过答辩，则会被授予工程硕士学位”等。描述型知识易于理 解、可读性好，同时知识之间联系简单，可扩充性好。但由于它是比较底层的知识，因此 处理问题需要的知识量比较大，效率也较低。在知识库中考虑知识的独立性、可维护性， 以及知识库的通用性和适应性，采用描述型知识表示是适宜的。 以上这些知识要由计算机进行处理必须有一个能系统地管理、存储和使用知识的机构， 这就是知识库系统。知识库系统就是一个具有能用计算机所存储的知识对输入的数据进行 解释，生成作业假说并有对其进行验证的功能的系统。 专家系统中的知识表示就是研究表示知识的原则和有效的表示方法或模式，使知识能 够合理地存储在机器中，以便于对知识的使用、修改、增加、删除及变换”。知识表示是 专家系统研究的一个最基本的问题。知识采用什么形式表示，使计算机能对其进行处理， 并以一种人类能理解的方式将处理结果告知人们，这是知识库系统首先要解决的关键。知 第三章操作票专家系统的面向对象知识表示 识表示必须使人容易理解，除了分散的个别的知识容易理解之外，还要求使整体的知识也 容易理解。即要求知识表示具有层次化、模块化、网络化，统称为知识的结构化。 3 1 2 知识表示方法的比较 知识表示法。8 3 ，又称知识表示模式或知识表示技术。目前，知识表示法有：逻辑表示 法、语意网络法、产生式规则法、框架表示法、剧本法、面向对象的表示法、脚本表示法 和神经网络表示法等。下面介绍一下几个比较常用的知识表示法。9 1 ； ( 1 ) 面向对象的表示法“。 面向对象方法的基本出发点是按照人类认识客观世界的方法和思维方式来分析和解决 问题。它以抽象数据类型为基础，能方便描述复杂对象的静态特性、动态行为及相互作用。 面向对象的方法是以描述对象的数据结构为中心来构筑系统的，这直接对应于人类知识和 记录客观对象的方式。它通过引入对象类的概念及消息传递，实现了数据抽象、信息隐蔽 和对象类之间的( 关于对象特性和操作的) 继承性。这种“类”的概念，反映了人类认识 事物从特殊到一般的归纳抽象，而继承性则实现了从一般到特殊的演绎过程。使用面向对 象方法开发的系统占用硬件空间较大，运行时间开销也较大，因此往往被应用在规模较大、 问题领域较复杂的专家系统中。 ( 2 ) 语意网络表示法。” 一个语意网络被定义为由结点和弧( 或链) 组成，其中节点表示事实、概念或事件等， 弧表示节点间的关系”3 。例如有下述事实：方为洲体重8 0 k g 、张茂斌体重7 5 k g ，方为洲 比张茂斌重。由于语意网络表示知识简洁、直观，且求解问题时可以通过网络的连接关系 推导有关对象和概念，而不必遍历整个庞大的知识库，从而在专家系统、自然语言理解等 领域获得了广泛应用。但试图用节点代表世界上的各种事物，用弧代表事物间的任何联系， 则形式过于简单。如果节点间的联系只局限于几种较典型的关系，则对其它联系难以表达， 从而表达内容受到限制，而增加联系又会大大增加网络的复杂性。 ( 3 ) 产生式表示法” 产生式是一种知识表示方法，有的心理学家认为人脑对知识的存储就是产生式。产生 式的特点是表达格式固定，形式单一，规则( 知识单元) 间相互较为独立，没有直接关系 使知识库的建立较为容易，处理较为简单的特点是可取的。另外推理方式单纯，没有复杂 计算。特别是知识库与推理机是分离的，这种结构给知识库的修改带来方便，无需修改程 序，对系统的推理路径也容易做出解释。基于这些特点，产生式表示知识常用作为建立专 家系统的第一选择的知识表示方法。下文对此方法有专门的论述。 东南大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 框架表示法： 框架表示法的原理：把大量的经验知识以类似框架的结构存储在知识库中，当遇到的 问题发生变化时，从知识库中选择一个框架，根据实际情况填写或修改它的细节，从而对 新的问题做出新的解答。 框架表示法的特点： 框架是一种结构化知识表示形式，适合表示固定的、典型的概念、时间和行为。 知识描述模拟人脑对客体的分层存储结构，直观自然，易于理解。 在同一个数据结构上能表现描述型和过程两种不同的知识类型，但附加过程会降低 知识系统的清晰度。 具有知识属性继承的性能，知识库中的知识冗余度小，框架之间可以形成层次的或 更复杂的关系，形成框架网络来表示大规模的知识，同时也增加了知识库设计的难度。 推理方式不固定，通用性好。系统设计者可以根据对象领域的性质和解决问题的特 点自由选择推理方式。 ( 5 ) 脚本表示法“” 脚本描述的是特定范围内一串原型事件的结构，而不是事物本身。这里的原型事件指 的是一类性质类似的事件的概括模式。脚本有用的原因在于现实世界里事件之间有因果关 系，这些因果关系可以理解为事件发生的模式。脚本其实就是对这种模式的描述，它包含 了事情发生的激活条件及其结局。尽管脚本较框架而言不是太通用的结构，不适用于表达 各种知识，但它们对表达预先构思好的特定知识很有效。 这些知识表示方法各有所长，在不同的领域应选用不同的知识表示法。在不变意义上， 选用的方法应满足一下一些要求“： ( 1 ) 独立性 表示方法对于各类知识的表示机制应该是尽可能避免重复或冗余。 ( 2 ) 准确性和一致性 指表示方法是否具备良好定义的语文并保证推理的正确性，所表示的知识之间不应出 现自相矛盾，以便能明确地表示各类知识。 ( 3 ) 可维护性和可读性 表示法应该是使用时便于推理、修改、增加及解释等。 ( 4 ) 完备性或弱完备性 这表现在知识表示的表示能力上，理论上知识表示法应能将问题求解所需的各类知识 1 2 第三章操作票专家系统的面向对象知识表示 有效地表示出来。 3 1 f 3 面向对象技术的优越性和特点 面向对象技术的出现被认为是程序设计方法学的一场实质性革命。它与传统的结构化 程序设计相比较，具有三大特性“： ( 1 ) 多态：它指同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式。 ( 2 )封装：指将一个数据和与这个数据有关的操作集合放在一起，形成一个能动的实体 对象，用户不必知道对象行为的实现细节，只需根据对象提供的外部特性接口访问 对象即可。 ( 3 ) 继承：它表达的是一种对象类之间的相交关系。它使得某类对象可以继承另外一类 对象的特征和能力。 在面向对象系统中，引入继承机制后具有如下优点： ( 1 ) 是在一些比较一般的类的基础上构造、建立、扩充新类的最有效手段。 ( 2 ) 减小代码和数据的重复冗余度，大大增加程序的重用性。 研究开发表明，采用面向对象方法开发应用程序，具有其他各种软件工程方法无可比拟 的优点： ( 1 ) 单个对象中封装了数据和行为，为知识和被模拟领域中实体的表示提供了条件，可将 设计的注意力放在实体上，并构造具有相同抽象能力的计算实体。 ( 2 ) 有利于对事物的认识，通过采用面向对象方法对系统的分析，加深了对系统的了解， 有利于及时完善和建立完整的模型。 ( 3 ) 由于对象封装了状态和行为，且具有一致性良好的信息交换能力，容易实现分布式多 处理机智能系统。 ( 4 ) 面向对象技术能将传统程序集成，有利于建立智能数值混合的模型。 3 1 4 面向对象的表示方法 为了满足知识表示方法所应具备的表示能力、可理解性、可访问性和可扩充性的要求， 在人工智能领域里已经发展了若干种知识表达方法，具体来讲主要有：语义网络、产生式规 则、框架、面向对象的表示方法和神经网络的知识表示等方法。产生式规则是一种十分自然 的知识表示形式，具有准确灵活的特点，但所表示的对象较为简单，无法有效地描述复杂对 象：语义网络是知识的图解表示，长于表示事物间的静态关系：框架是一种复杂结构的语义网 络，能有效地描述复杂事物。而面向对象的知识表示是一种理想的知识表示形式，它以抽象 数据类型为基础，能方便地描述复杂对象的静态特性、动态行为及相互作用，兼有上述一般 东南大学工程硕士学位论文 知识表示方法的优点。 3 1 4 1 面向对象的概念 面向对象方法认为系统是一系列彼此独立却又互相联系的实体一对象组成。对象间通过 消息传递和数据关联( 数据流) 实现相互联系。从面向对象的观点来看，系统是一个由所有对 象组成的有机体。各个对象并不关心别的对象在千什么，能干什么，它只关心的是自己能干 什么。它采用了不同的视角看待系统。它认为对象本身就是一个具有一定状态保持和实旋动 作能力的实体，因此最终系统的功能体现在对象所具有的操作和通过消息机制的组合，而数 据流则体现在对象对于状态的保持和对象间的数据关联和消息参数上。面向对象模型中看不 到功能处理，看不到明显的数据流。因此，我们可以看出面向对象方法是一个全新的方法， 它使对象是同时具备静态和动态特性，这使得该方法从一开始就从整体的角度来对待系统的 静态和动态特性。 面向对象分析方法的目标是识别对象和对象间的关系，并定义对象应具有的状态保持和 动作能力。面向对象方法一般都提供一种能够解决规模复杂性的机制，我们可以统一地称为 包。包将那些紧密相关的对象放置在一起，从而建立了层次化的系统视图，解决复杂性问题。 3 1 4 2 向对象几个术语的解释 ( 1 ) 对象 对象是系统中用来描述客观事物的一个实体，它是构成系统的一个基本单位。一个对象 是由一组属性和对这组属性进行操作的一组服务构成的。属性是用来描述对象静态特征的一 个数据项：服务是用来描述对象动态特征( 行为) 的一个操作序列，它们是构成对象的两个主 要因素。 ( 2 ) 封装 封装是面向对象方法的一个重要原则。封装就是把对象的属性和服务结合成一个独立的 系统单位，并尽可能隐蔽对象的内部细节。它有两个含义：第一，把对象的全部属性和全部 服务结合在一起，形成一个不可分割的独立单位( 即对象) 。第二个含义也称作“信息隐蔽”， 即尽可能隐蔽对象的内部细节，对外形成一道边界，只保留有限的对外接口使之与外部发生 联系。 ( 3 ) 类 类是具有相同属性和服务的一组对象的集合，它为属于该类的全部对象提供了统一的 抽象描述，其内部包括属性和服务的两个主要部分。 ( 4 ) 消息 】4 第三章操作票专家系统的面向对象知识表示 对象发出的服务请求称作消息，通过消息进行对象之间的通信。封装使对象成为一些互 不干扰的独立单位，消息通信则为它们提供了唯一台法的动态联系途径，使它们的行为能够 互相配合，构成一个有机的运动的系统。 ( 5 ) 继承 继承是面向对象方法中一个十分重要的概念，并且是面向对象的几个关键术语技术可提 高软件开发效率的重要原因之一，其定义是：特殊类的对象拥有其一般类的全部属性与服务， 称作特殊类对一般类的继承。 3 2 用面向对象语言建造专家系统知识表示的适宜性 专家系统应该具有启发性、透明性、灵活性和智能性四个基本特征，面向对象技术适合 于建造专家系统。在面向对象的技术中，对象能在单个实体中封装数据和操作，并为专家系 统的知识和被模拟领域中的实体的表示提供条件。由于我们能将对象看成是实体在计算机中 的表示，因此，面向对象的方法可以让我们将注意力集中在这些实体上，并且构造那些有相 同的抽象能力的计算实体。 面向对象的程序设计还具有模块性的优点。模块性和其他的面向对象特征允许异构型知 识结构和推理机的无缝集成。虽然不同的对象可采用不同的内部表示方法，而且行为差异也 甚大，但它们都能响应同一组消息或协议。 同时，面向对象的程序设计也是一项能使专家系统与传统应用程序集成的技术。面向对 象的程序设计还为系统的构造提供了其他策略。由于对象封装了状态和行为且具有一致性的 良好的通讯能力，它们是实现分步式、多推理智能系统的自然选择。 面向对象的方法是以描述对象的数据结构为中心来构筑系统的。这直接对应于人类认识 和记录客观事物的方式。它通过引入对象类的概念及消息传递，这种“类”的概念，反映了 人类认识事物从特殊到一般的归纳抽象，而继承性则实现了从一般到特殊的演绎过程。可见， 面向对象的方法符合人们的一般思维过程。因而，把面向对象的方法用于变电站操作票专家 系统的设计，是完全可行的。 由于面向对象技术较以往的知识表示方法有其优越性，所以它可使专家系统中知识库的 维护更灵活、方便“。 东南大学工程硕士学位论文 3 3 操作票专家系统的面向对象知识表示 3 3 1 电网模型知识库 3 3 1 1 图形库 图形数据库：图形数据库存储一次接线图的作图数据和各元件的位置数据，是由操作 票管理模块依据一次接线图生成的。该数据库是拓扑知识库的数据来源，对以后的操作票 生成起着很重要的作用。系统可以通过分析变电站的接线方式，再与常见接线方式的拓扑 结构相比较，建立自己的拓扑知识库。 i d 自动编号 n a m e 设备编号 s t y l e 设备类型 v o l t a g e 电压等级 图元的坐标、颜色、图层等信息 3 3 1 2 一二次设备元件库 设备元件库：存储各设备元件的相关信息。包括所属操作单元。 将电网各组成部分视为不同的对象，并用类来进行定义和描述。根据各电气设备的共 同属性抽象出父类一电气设备类。在这一电气设备类的下面分为若干子类，如“主变类”、 “开关类”、“母线类”、“刀闸类”、“出线间隔单元类”等。 一次设备“开关”的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、电压等级、首末节点编 号、所属操作单元编号、设备全称、开关型号、允许开端次数、允许拉闸次数等。 一次设备“线路”的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、电压等级、节点编号、 所属操作单元编号、设备全称、长度、型号等。 一次设备“主变”的基本参数包括：名称、编号、所属厂站、各侧电压等级、主变类 型、接线组别、容量等。 二次设备“保护”的基本参数包括：名称、编号、类型、保护定值等。 t 操作单元的基本参数包括：名称、电压等级、所属厂站、关联设备等“”“。 开关刀闸表设计如表3 - 1 。 域中文名域英文名实例 开关刀闸i d 号 d e vi d7 0 0 0 9 0 0 厂站i d 号 f a ci d 4 0 0 0 0 0 9 1 6 第三章操作票专家系统的面向对象知识表示 开关刀闸名称 c dn a m e 临河变a 开关 开关刀闸序号 c bn o a 开关刀闸类型c b t y 1 0 0 电压等级i d 号 v o li d9 8 0 0 0 0 0 1 0 一 操作单元o p r t u n i ti d l 首端结点名 n df i r s t1 0 末端结点名 n de n d1 1 设备全名 d e vf u ll n a m e临河变3 5 k v l # 主变 1 0 k v 侧a 开关 线路表设计如表3 - 2 。 表3 - 1 开关刀闸表 域中文名域英文名实例 线路i d 号d e vi dl1 0 0 0 0 3 1 首端厂站i d 号 f a ci ds4 0 0 0 0 0 1 末端厂站i d 号f a ci de4 0 0 0 0 0 9 线路名称l nn a m e 洋临线3 3 1 线路序号 i nn o 3 3 1 一 电压等级i d 号 v o li d9 8 0 0 0 0 0 0 8 一 首端结点 n df i r s t 3 末端结点 n de n d3 操作单元( 首端)o p r t u n i t i d f i r s t 2 9 3 操作单元( 末端) o p r t u n i t i d e n d 5 设备全名 d e vf u ll n a m e 临河变3 5 k v 临洋线3 3 1 变压器表设计如表3 - 3 。 表3 2 线路表 域中文名域英文名 实例 变压器i d 号 d e vi d1 3 0 0 0 0 0 3 厂站i d 号 f a ci d4 0 0 0 0 0 9 变压器名称t ri 2 a m e 1 # 主变 1 7 东南大学工程硕士学位论文