（电力系统及其自动化专业论文）基于认知理论的电气倒闸操作票智能系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于认知理论的电气倒闸操作票智能 系统的研究，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：鱼邃苤日 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) 作者签名超导师签名：盥 皇壁皇耸：兰：兰p 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础产业，是国家的经济基础之一，它的安全稳定运行 对整个国民经济的发展和国家的安定起着举足轻重的作用，所以保证全国各地区电 网安全、稳定、可靠、高效运行是各级调度中心和发电厂的核心任务。编写倒闸操 作票是各电厂、变电站工作中一项重要而又繁琐且经验性较强的工作。由于发电厂 接线方式复杂。一二次设备繁多，编写电气操作票的工作人员必须具备非常丰富的 运行经验，且对现场的设备及电气操作规程也要有较为详细的了解。同时，由于操 作票的编写人和操作人般不是同一个人，所以各部门对操作票的书写格式要求很 严格，不允许有错字、漏字、涂改以及书写潦草等现象。此外，电厂的电气设备操 作票也极为复杂，有的操作任务竟达1 0 0 多项。那么，在一些紧急的情况下要想正 确、快速的编写操作票，就不是一件很容易的事了。 自计算机问世以来，它就在各个领域里显示无可替代的强大魅力。人工智能作 为计算机的一个新兴应用学科，长于分析推理，为发挥计算机的作用提供了又一技 术条件，正逐渐地应用于各行各业。那么。人工智能在电力系统的应用也日盏成为 电力行业中一门不可或缺的研究课题。目前，人工智能在电力系统的运行与控制和 电力系统的管理和规划两大方面都已经得到了很好的运用，但是由于现有的知识体 系并不是完美无暇的，随着各项知识在实际中的应用而产生的新问题，使得人类对 于知识总是处在永无止境的探索之中，其目的是就想寻求能更合理、更高效、更简 约地处理各项事宜的新策略。 专家系统是人工智能中的一个重要分支，也是第五代计算机的核心。它是一个 在某特定领域内，用人类专家水平去解决该领域中难以用精确数学模型表示的困难 问题的计算机程序，专家系统的基本思想是让计算机能够存储某一领域的专门知 识，并能像专家那样有效地利用这些知识去解决该领域的复杂问题。利用专家系统 的基本思想，不少电力研究工作者已经结合实际成功开发了很多操作票专家系统， 给电力行业的运营带来了很大的方便，但是根据目前的实际使用情况，这些系统仍 存在一些不足。主要表现在： 1 系统的通用性较差，没有通用的操作票专家系统的方案； 2 系统的智能性和自适应性较差，不能根据电网结构的改变以及运行方式的改 变自动生成操作票。 随着人类对大脑思维的研究，认知科学也逐渐形成，它是2 0 世纪7 0 年代末正 式宣告诞生的以研究智能系统的工作原理为对象的交叉学科。认知科学是在对人类 华北电力大学硕士学位论文 智能和人工智能的研究过程中发展起来的科学，它的理论反过来可以继续指导智能 系统的建立和完善。认知科学认为，智能系统应具有知觉环境的能力、形成概念的 能力、运用知识的能力、以及在此基础上进行推理的能力。其中，形成概念的能力 是智能中的基本要素，它是表达知识和推理的基础，是智能活动的基础内容。认知 科学的研究对象是智能原理，对智能系统的工作原理理解得越深，就越有可能构造 出越有用的计算机系统。在构建专家系统的过程中，自觉地以认知科学的理论成果 为指导，就能建立起更加通用和智能的系统。 目前，在操作票推理的基础之上，也已有不少研究者开发了具有图形界面的操 作票模拟操作系统，都在一定程度上缓解了操作票专家推理单一模式所存在的弊 端，但是现有的模拟操作系统都只是对运行人员的操作进行简单的校验，至于校验 结果的原因，运行人员并不知晓，所以并不能从根本上提高运行人员的操作水平。 元认知研究的是关于知识的知识，主要有元认知知识、元认知策略和元认知调节三 部分构成，它是研究人们认知事物，掌握技术的本质的一门学科，它的相关理论已 经初步地应用到如何提高学生的学习能力等问题当中，对运行人员的操作水平进行 训练的过程也是一个提高其操作能力的一个过程，在建立这样一个具有操作票培训 功能的系统中认真地研究操作过程中的认知特性，就能将此系统建立的更加完善、 全面，也更能从根本上解决提高运行人员操作水平的问题。 本课题根据认知理论中的信息加工理论和概念认知理论，对电气倒闸操作票专家系 统中的设备数据库，规则库和推理机制进行重构，此外，还认真学习了元认知理论。并 将其应用到操作票模拟培训的开发中，建立了集智能生成、模拟培训和网络管理于一体 的，具有较好扩展性、智能性和自适应性的操作票专家系统。 1 2 电气倒闸操作票智能生成系统的研究现状 操作票专家系统是倒闸操作票的智能处理系统，它的出现在很大程度上减轻了 调度运行人员的劳动强度，降低了误操作发生的机率，具有很大的实用价值。 倒闸操作内容的自动生成，含有很多启发性的规则和相当一部分习惯和经验。 而且是一种精确推理，用常规的数值分析方法很难解决，目前实用的系统大部分都 采用专家系统技术进行设计。专家系统在医疗、教学、地质等多个领域都有成功的 应用，但是在电力系统中，专家系统的应用则起步较晚，这是由电力系统本身特点 决定的。因为电力系统在国民经济和生产、生活中占有举足轻重的地位，稍有不慎 就会造成巨大的经济损失。因此，人们对专家系统在电力系统中的应用十分谨慎， 人们首先考虑正确性、可靠性，其次才考虑新技术的应用。从8 0 年代专家系统开 始应用于电力系统至今，已有不少操作票专家系统投入实用，如华北电力大学的电 网调度操作票专家系统和发电厂变电所倒闸操作票系统；东南大学的调度操作管理 2 华北电力大学硕士学位论文 系统：华南理工大学的变电站倒闸操作票专家系统等。我们把现有的常见操作票专 家系统分为：基于产生式系统方式、查询开票方式、子程序模块方式、图形校核方 式、基于开关逻辑方式和面向对象方式六类。 ( 1 ) 基于产生式系统方式 这类专家系统。”的内核由数据库、知识库、推理机三大部分组成，它采用产 生式规则作为知识的表示方式。 数据库：存储发电厂、变电站的主接线形式及所涉及的相关设备与电气名称、 事实语句以及推理过程中产生的中间结果； 知识库：存储电气操作知识规则及一个控制推理的元知识： 推理机：依据对知识规则的分类与管理，完成与目标任务的匹配，在求解空间 中搜索出一个满足目标解的途径。 ( 2 ) 查询开票方式 这类专家系统“1 把现场的典型票以数据库的形式存放。开发出对数据库内容 进行管理的平台，能对操作任务分类存储、检索、输出。每个操作任务的操作内容 以整张票的方式用文本形式存储，操作人员通过分类检索，可调出相应的历史票， 对其进行编辑修改，从而生成所需操作票。这在早期丌发的操作票专家系统和现在 投运的m i s 系统中较为常见。 ( 3 ) 予程序、模块方式 此类系统”3 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。有的系统也根据问题求解的需要，编制了不同的 模块来实现不同的推理机，如：变压器操作推理机、母线操作推理机、开关操作推理机 等。这种方式的智能性不高，系统性能的改善需要修改源程序，在设计之前，设计人员 还必须罗列出各种可能的操作任务的最大模式。 ( 4 ) 图形校核开票方式 这类系统”1 开发出一种逼真的图形化的用户界面，用户通过点击相应的元件来 完成开票过程。每点取一个元件即可自动生成一条相应的操作指令。在执行某一操 作步骤，如果用户点取元件的顺序违反了操作安全规程，系统则自动报警，提 示操作人员所犯的错误，而不生成这条错误的指令。 ( 5 ) 基于开关控制逻辑方式 此系统”。1 的开发者认为：操作票自动生成系统是根据操作任务来实现将电气 设备由一种运行状态到另运行状念转换的计算机求解系统。状态转换须经过一系 列的倒闸操作完成，倒闸操作实质上是一个顺序控制问题，每个元件的操作必须遵 3 华北电力大学硕士学位论文 循一定规则，这规则可用开关控制逻辑表示。 ( 6 ) 面向对象技术 这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两种。 a 用于开发图形编辑界面：此类系统“”是把系统一次接线图中的所有电气 组件分别抽象成各类，为了作图方便，从图形学的角度出发，在各类中定义了与作 图有关的属性和成员函数 b 用于专家系统的知识表示：此类系统n 3 1 利用面向对象技术把电气设备中所 有的一次设备按类型分别抽象成各种类，如母线类、开关类等，再找出这些类的共 性，从而抽象出这些类的基类。 在以上的总结中，可以在现有操作票智能系统的构建过程中，大体上都是以专 家系统为主架建立起来的，认知理论的应用较少。目前，认知理论在实际中的应 用以及在电力系统中的应用都是出于探索阶段，已有一些研究者将认知理论中的某 些理论应用到解决实际问题的某个方面，比如将信息加工理论应用到城市电网规划 中，将概念认知理论应用到设备知识库的建模中等，本文也是在这些应用的启发下， 深入学习认知理论，研究其对操作票智能系统有效的指导意义。 1 。3 本文的主要工作 本文研究认知理论厦元认知理论对于现有操作票智能生成系统的指导作用，并 将其应用到以专家系统为框架支持理论的操作票智能生成系统中，结合某一实际电 厂建立包括通用认知数据库、基于元认知理论的图形操作模拟培训系统、操作票智 能生成及管理系统。主要完成的工作有以下几方面： ( 1 ) 在认知理论的指导下，采用o r a c l e 数据库技术建立电气操作设各认知数 据库。在总体上，保证信息的完整性、无重复性及良好的可扩展性。可由电厂信息 管理中心统一管理，只有具有权限的工作人员才可对其进行访问、修改等，保证数 据的安全性； ( 2 ) 基于v b 环境下开发绘图软件，并对电厂一次接线图进行绘制，同时将相 应的参数存放在系统设备认知数据库中，以备开写操作票时对其加以调用。在元认 知理论的指导下，开发倒闸操作模拟培训系统，设置相应的“五防”校验规则知识 库和测评指导知识库，在此基础上可以对电气设备进行模拟操作，同时生成相应的 操作票，可用于工作人员的上岗自我培训和工作考核； ( 3 ) 以基于i n t e r n e t 的浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 为模式， 利用a s p 技术能够快速生成专业的服务器操作页面和代码的特点。来实现操作票文 4 华北电力大学硕士学位论文 档管理系统的网络化； ( 4 ) 用复杂产生式规则表示电气操作知识和经验睫知识，形成系统的具有元 认知特性的规则库。在此基础上，分析电气倒闸操作类型和运行规程，建立推理机 制，以快速、高效、准确地推理出各种类型操作票； ( 5 ) 设计简约、大方的人机交互界面，使操作人员能有条不紊、轻松自如的 完成操作票的编写，打印，登记等工作。 华北电力大学硕士学位论文 第二章认知理论及其对操作票智能系统的指导作用 2 1 认知科学的起源及研究现状 认知科学( c o g n i t i v es c i e n c e ) 是对心智和智能的本质和规律进行跨学科研究的 新兴学科，它建立在哲学、心理学、计算机科学、语言学、神经科学、人类学以及 其他基础科学( 例如数学、理论物理学) 等很多科学的基础之上。认知科学的起源 在上个世纪五十年代中期，在七十年代末正式宣告诞生，它的目标是揭示智能和认 知行为的原理，其关键方面就是要探索对认知的理解，不论这种认知是现实的或是 抽象的，是人的或是机器的“。 认知科学在发展过程中，产生了两个重要的理论，这两个理论是认知科学研究 的基础。 第一，信息加工理论。该理论是一种说明认知过程和机制的理论的模型，它将 人看作是一个可以接受、存储、检索、转换和传输信息的复杂系统，从根本上体现 了认知主体对被认知客体信息的能动的加工。如果我们要在信息加工理论的基础上 解释某一认知功能的机理，那么必须要回答三个不同类型的问题：待解决的信息 加工问题是什么：要解决该问题需要那些步骤；完成各步时需要那些物理属性。 认知科学的研究实质上就是提出各种理论来回答上述三个问题，因此心智和智能的 理解可以从三个不同的层次来分析研究：第一层次是“计算理论”层次，这也是最 抽象的层次；第二层次是“标征和算法”( r e p r e s e n t a t i o na n da l g o t i t h ) 的层 次：第三层次是“实现”( i m p l e m e n t a t i o n ) 的层次。这三个层次虽然都是必不可 少，相互联系的，但却在不同的抽象水平相互独立，分别对应着前述的三个问题。 特别是较之实现的层次和算法的层次，从信息处理的角度看，对心智和智能的理解， 计算理论的层次的分析具有特别重要的意义。因此，围绕“表征”和“计算”的基 本概念，基于上述三个层次的分析方法，认知科学的开创者们，如m i n s k y 和s i m o n 开始提出一些关于智力本质的科学理论假设。提出了认知科学的另一个基本理论 “认知的计算理论”。 第二，认知的计算理论。这种理论模型是在信息加工理论的基础上进一步提出 来的一种假设，它强调了“心智表达”和“心智计算”的重要性。该理论认为“认 知即计算”：按照三层分析的方法，无论人脑和计算机在硬件层次乃至软件层次可 能有不同之处，但是在计算机的理论层次，都是具有产生、操作和处理抽象符号的 能力：作为信息处理的系统，无论是入脑还是计算机都是操作处理离散符号的形式 系统。这种离散符号的操作过程就是图灵机意义下的“计算”。认知的计算理论认 为，通用图灵机给出最一般的精确定义，认知和智力的任何一种状态都不外乎是图 6 华北电力大学硕十学位论文 灵机的一种状态，认知和智力的任何活动都是图灵机定义的离散符号的、可以一步 一步地机械实现的“计算”。因此这种认知的计算理论又被称为“符号处理的学说”。 图灵意义下的计算使得我们对心智和智能的研究不再是只是直觉的、思辨式的、哲 学的讨论，而是开始建立在现代科学的基础之上。 按照现代科学技术体系常用的划分方法，认知科学可以从研究对象和纵向的角 度近似的划分为两大层次：基础研究和应用研究。基础研究又包含两个部分，其中 一类认知科学研究的认知主体是人的大脑，所以该类研究可以成为个体认知研究， 还有一类认知科学的研究目前逐渐引起人们的注意，这就是关于社会群体的集体认 知研究。对于个体认知研究而言，在前述的认知科学理论和三个层次的分析方法的 基础之上，可以对其所包含的研究领域进行划分：哲学、计算机科学和语言学的某 些研究领域通过使用数学和逻辑进行形式证明来对“计算理论层”进行研究，心理 学、语言学和计算机科学的某些研究领域主要对认知科学的“表征和算法层”进行 研究，神经科学的某些研究领域主要对“实现层”进行研究，同时其他的方法，如 p d p 模型在该研究中发挥着重要的作用。 除了上述基础研究领域，认知科学也发展了自己的应用研究，习惯上将其称为 应用认知科学。目前应用认知科学可以近似地划分为四个主要研究领域： ( 1 ) 人工智能。该领域实际上就是设计一个计算机系统，使之能显示出某种 人类智能活动的特性以延伸人类智能的科学，它是认知科学的重要组成部分。1 9 5 6 年夏季在达特茅斯召开的世界上第一次人工智能大会标志着人工智能作为一门独 立的学科诞生了，它也直接影响了认知心理学的发展。这次会议之后，人工智能迅 速发展起来，不仅在理论上，而且在实践中获得了丰硕的成果，目前人工智能主要 有符号主义、联结主义和行为主义三种学派，在这三种学派的共同努力下，人工智 能的研究和应用非常广泛，主要有问题求解、逻辑推理与定理证明、自然语言理解、 自动程序设计、专家系统、机器学习、人工神经网络、机器人学、模式识别、机器 视觉、智能控制、智能检索，等等； ( 2 ) 认知系统工程。认知系统工程是一系列用以指导大型、复杂工程问题的 规划、设计、实施、控制、评估的思想、理论、方法、技术手段等综合体系，其核 心思想是将人和计算机结合起来共同完成对复杂工程问题的认知。认知系统工程的 核心是以用户为中心的系统分析和设计。它一方面试图将认知科学中的研究成果应 用于机器的设计和制造，另一方面研究如何利用对人类心理行为的研究成果来解决 实际问题。目前，认知工程的成果主要集中于硬件的设计、软件的人机界面设计和 人因分析等领域： ( 3 ) 认知系统。认知系统是认知工程中分析和设计的基本单元，它是指在环 境中以情景相关和场景自适应的方式，通过信息加工来获得行为自治的系统。认知 ， 华北电力大学硕士学位论文 系统可以是独立的人、软件和硬件系统，也可以是人机组合的综合系统。该领域的 研究成果主要集中于群体研究领域，尤其是对多主体系统的研究； ( 4 ) 认知科学在医学、教育和心理学中的直接应用。认知是一种心理活动， 它包括知识的获得、存储、转化和作用。而医学、教育和心理学都是研究现实表象 的具体学科，是对人类认知这一类知识的总结归纳和应用，所以将认知理论直接应 用到这些学科中可以从某种程度上提高人类解决实际问题的能力，而将认知科学引 入到电力系统的某些应用设计中也可帮助设计人员从根本上解决问题。 认知科学的研究领域可由图1 1 近似表示。 ，- 计算理论层研究 l r 个体认知研究 表征和算法研究 ，_ 基础研究l 实现层研究 ll 群体认知研究 认知科学1r 人工智能 l 应用研究j 认知系统工程 i 认知系统 、认知理论的直接应用 图2 1 认知科学研究领域结构 目前，认知科学的工程应用多是集中于上述介绍的四个研究领域，由于认知科 学的一个显著特点是多学科性，各个学科从不同层面和不同角度对认知科学进行研 究，因此认知学方法必然呈现多样性的特点，可以解决不同侧面，不同类型的工程 问题。本课题主要针对操作智能生成系统中的部分问题，系统地研究了认知方法在 操作票智能生成系统的开发过程中的应用。本文首先在认知系统工程的基础上对操 作票智能生成系统的认知性质进行了研究，然后结合一个实际的电厂操作票智能生 成的开发，将认知方法理论应用其中。本课题在研究过程中结合了认知科学的基础 研究和人工智能、认知系统工程和认知系统等多个领域的研究成果。 2 2 操作票智能生成系统的认知性质 认知系统工程从工程、心理学、认知科学、信息科学以及计算机科学等领域提 取模型概念，为系统分析、规划和设计构成一个广泛的、动态的结构框架。认知系 统工程理论的建立为综合应用多门学科解决复杂工程系统中的问题提供了理论基 础。 电力系统中电气设备的倒闸操作必须遵循调度规程，实行分级管理。正常的倒 闸操作通常先由调度员以“操作指令”或“操作许可”的形式丌出符合典型操作任 毫 华北电力人学硕士学能论文 务的典型操作票，然后按照操作票中的步骤改变调度模拟盘的设置。核对其是否与 实际情况相符，最后在确保操作票正确的情况下，通知有关的下一级调度，由现场 的操作人员执行调度操作指令，执行完毕后向上一级调度汇报。研究操作票智能系 统的目的就是要以计算机代替手工自动完成开列操作票这一过程，并以图形变位来 检验所开出的操作票是否正确。此系统是人对于其自身活动的转换，是必须对此活 动全面、详细的研究的基础上才可以设计具体的实现方法和步骤，所以在开发操作 票智能生成系统中主要体现了以下认知特性： 1 全面认知操作票的知识性。 操作票是为了保证电力系统安全运行的重要举措，实现操作票智能生成系统是 提高工作效率和经济效益的有效手段，在此实现的过程中应充分了解掌握操作票的 具体实施制度、规则，操作票中所涉及的设备知识、操作规程，实际的电气接线方 式的总况，在此基础上建立通用的、高可维护性的操作票知识库和设备数据库模型。 本文将基于认知理论中的概念认知理论来建立通用的电气设备操作认知模型。 2 总体优化操作票的生成策略性 目前的操作票智能生成系统中都有以专家系统为基础建立的操作票推理生成 模块，虽然对于最初的手工开票方式已经迈出了关键性的一步，但是仍有不尽人意 之处，主要体现在自动生成的能力不强和用户可维护性差。前者就属于智能性问题， 也即系统实现的策略性问题。据上文分析可知人工智能是认知科学中的一个重要应 用分支，而专家系统又是人工智能应用研究最活跃、最广泛的课题之，是一种求 解问题的智能软件，它仍旧是实现操作票智能生成系统的不可缺少的理论基础，本 文仍以其为操作票智能生成系统的中心指导理论，在此基础上分析实际需求中的问 题。形成一个并发的、多任务的专家推理系统。 3 简约有效的协作性 操作票智能系统不仅仅包括操作票专家推理模块，还应包括数据库自适应管 理、一次接线图绘制、操作票模拟操作以及人员管理等模块，各模块之间需要相互 协作才能构成一个有机的操作票智能生成系统。从认知理论的角度来考虑，这属于 认知的分析和综合中的综合部分，即需要总体考虑各功能模块以及物理模块之间的 简捷有效的协作关系。 认知科学理论和人工智能的研究是相辅相承的。认知科学的研究对象是智能原 理，对智能系统的工作原理理解的越深刻，就越有可能建造出更有用的计算机系统。 在构建专家系统的过程中，自觉地以认知科学的理论成果为指导，就能建立更加通 用和智能的系统。 2 3 专家系统 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 专家系统的基本概念 电力系统朝着提高供电的经济性和可靠性方向发展，虽然有关发电、输电、配 电的理论没有多大变化，但许多新技术在电力系统中大有用武之地，一个普遍的趋 势是多种人工智能技术在电力系统中加以应用。人工智能。简称a i ( a r t i f i c a l i n t e l l i g e n c e ) ，它是认知科学的一个重要的应用分支，是一新型跨多学科的边缘综 合科学，它的发展与生物科学、认知心理学、逻辑学、计算机科学以及各具体应用 科学等学科紧密相连。它采用人工设计的方法，使机器实现人类的部分智能，故称 为人工智能。 专家系统是一个在给定领域中具有专家经验和知识的计算机程序。当一个系统 拥有大量的数据而又需要在短时间内处理时特别有用。专家系统能够拥有人类多年 的工作经验，做出高水平的决策，在很短的时间内。就能完成人工需要几个小时才 能完成的事情。它擅长处理具有启发式信息且难以建立数学模型的专门领域的问 题。专家系统应用于电力系统可以解决具有以下特征的问题：减轻运行人员的负担： 常规方法和数值分析程序不能有效解决的问题；需要快速决策的问题；操作中容易 出错的问题；需要保留系统知识和运行人员的经验的问题。 2 3 2专家系统的基本组成 目前对于专家系统的结构尚没有完全一致的看法。但对实用专家系统的基本结构， 则看法大致相同。它由：知识库、数据库、推理机、咨询解释和人机接口等组成，如图 2 2 所示。其中知识库、推理机是核心部分，也是众多学者研究的热点。 图2 2 专家系统结构图 ( 1 ) 知识库 存放系统求解问题所需要领域的专业知识。知识获取过程中获得的专业知识以 1 0 华北电力大学硕士学位论文 适当的知识表示方法和结构形式存入知识库中，采用事实库和规则库的形式表示。 一个专家系统性能的好坏决定于知识库中知识的完善程度和良好的组织结构。在建 立知识库的过程中认真的研究人类对认知知识的存储模式的差异，可以寻求到更为 合理的组织方案。它是开发专家系统的关键工作。 ( 2 ) 数据库 存放所解问题的原始数据( 事实) 和推理过程中得到的各种中间信息。为了使推 理机能方便地求解问题，数据的表示和组织形式应尽量和知识库的表示相容。 ( 3 ) 推理机 它是一组程序，用来控制和协调整个专家系统的工作。它根据数据库中的信息， 利用知识库中的知识，按一定的推理策略去解决所研究的问题，也即是认知过程中 的信息加工过程， 主要完成： 接受人机接口的操作任务。 向数据接口发信，通知刷新数据库。 检查操作任务的合法性，形成有效的问题求解空间。 对知识库和数据库进行搜索、推理，形成正确的操作序列。 对操作序列中涉及的设备，通知数据库管理模块修改其状念。 将操作序列送人机接口成票。 将所开操作票进行归档管理。 推理机还具有向知识库添加新内容或删除旧内容的功能。 ( 4 ) 咨询与解释 负责对推理出的结果做出必要的解释，以便向用户说明推理过程，使用户容易 接受推理的结果，同时也有利于新手向专家系统学习和为用户维护和管理专家系统 提供方便。 ( 5 ) 人机接口 为了使用方便，大多数专家系统有人机接口。人机接口负责把用户熟悉的信息 表示手段( 如：自然语言、表格、图形) ，转换成内部表示的形式，再交给相应的组 成部分去处理。专家系统输出的信息也由人机接口转换成用户能理解的形式显示给 用户。 2 4 基于认知理论的操作票智能系统的特点 “操作票智能系统”是以专家系统为主要理论支柱的，应用于发电厂、变电站 以及网调的倒闸操作票智能处理系统，它根据电力系统对倒闸操作的“五防”要求 和现场设备的状态，按照规则进行判断。开出完全实用的包括一、二次设备操作项 l l 华北电力大学硕士学位论文 目的倒闸操作票。在本论文中，基于认知理论的专家系统具有以下几个特点： ( 1 ) 知识性 操作票专家系统是在对人类专家知识归纳总结的前提下，模仿专家的处理问题 思维方式进行相应的程序编制，而其首要解决的是专家系统的知识支持，所以操作 票专家系统的首要特点是它的知识性，即应具有完善健全的与编写操作票相关的知 识。 ( 2 ) 启发性 虽然经验性知识通常没有严谨的理论依据，很难保证其在各种情况下是普遍正 确的，但在一定条件下用来解决问题往往能有效地简化问题或快速求得问题的解。 人们把具有这种特点的知识称为启发性知识，把具有严谨理论依据的专门知识称为 逻辑性知识。使用启发性知识处理问题是人类认知推理的特征之一。人类专家的技 能也主要来源于这些启发性知识。因此，专家系统要达到人类专家处理问题的水平 就必须能够存储和利用这些启发性知识，像专家那样，通过推理和判断来求解问题。 专家系统的这个特点称为启发性。 ( 3 ) 策略性 通过操作栗专家推理形成操作票的过程是对已有的操作票知识进行加工的过 程，这个过程不是固定统一的，设计者往往根据自己或者某个行业专家的主导思维 习惯进行制定，那么在不同的专家系统中就存在着推理策略的差异，在设计一个专 家系统之前充分考虑各推理策略之问的差异，选择一种合理高效且符合现场实际应 用需求的推理模式也是一项不可忽视的工作。 ( 4 ) 透明性 专门知识大都是人类专家在实践中积累起来的启发性知识，通常只有专家本人 掌握，为了使用户对求得的结果放心，专家系统必须具有向用户解释推理过程、回 答用户提问的解释功能，使它对用户是透明的。 ( 5 ) 正确性 以专家系统理论为支柱的操作智能系统所开出的票应该是符合现场实际的正 确的可操作票。 ( 6 ) 灵活性、通用性 要把专家头脑中的经验知识全部而且明确地表示出来不是一件很容易的事，而 要充分分析人类认知事物、规律的过程和特性，要反复多次研究知识的最佳表示形 式t 并使其具有不断扩充的能力。况且，这些启发性知识往往是有针对性的，在特 定情况下才是正确的，情况变化后也要随之而变化。这就要求专家系统具有灵活性。 系统中的知识要便于修改、扩充。 1 2 华北电力大学硕十学位论文 操作票智能系统还应具备提供“自动开票”、“图形开票”、“手工开票”、“典型 票调用”和“预存票调用”等多种丁r 票方式，用户可以任意选择一种或者互相转换 使用，使开写操作票的方式灵活多样，还应具有模拟培训、操作票管理、用户管理 等辅助功能。 ( 7 ) 开放性、可维护性 专家系统除可以完成诸如设备编号定义、常用开票术语修改、保护数据编辑、 操作票格式的定制、操作人员管理等常规维护之外，还应允许对系统的一次接线图、 闭锁条件等进行修改。 ( 8 ) 协作性 操作票智能系统不仅仅包括操作票专家推理模块，还应包括数据库自适应管 理、一次接线图绘制、操作票模拟操作以及人员管理等模块，各模块的工作往往是 建立在其他相关模块的基础之上的，也就是说各模块之间需要相互协作才能构成一 个有机的操作票智能生成系统。 2 5 基于认知理论的操作票智能生成系统的基本结构设计 作为实用的操作票智能生成系统，其智能性、通用性、用户可维护性是极其重 要的特征。根据对一些电厂的调研可知电厂电气倒闸操作票的特点主要是操作任务 多、运行方式变化多、但对于一种方式操作内容变化不大的特点，在推理模式上， 本系统采用了“多层模块化”的设计思想。在总体结构上采取了数据库和推理机分 离的思想。主要功能模块和数据库组成之间的关系如下图所示 图2 3 操作票智能生成系统结构简图 华北电力大学硕士学位论文 2 5 1 功能模块 ( 1 )图形绘制和操作票模拟操作模块 此模块向用户提供绘制电力系统一次接线图的功能，并且用户可以在所绘制的 接线图上进行模拟操作，同时生成操作票。此功能的开发是基于元认知理论，在模 拟操作的基础上加强了系统对模拟操作的监控和调节功能，可协助运行人员进行自 我培训和演练。此模块也是本论文研究的主要部分。 ( 2 ) 操作票专家推理模块 此模块在以专家系统理论为骨干思想的基础上，将认知科学中的信息加工理论 以及概念认知理论应用知识库和设备事实数据库组建过程中，采用启发式正向推理 模式，只需运行人员根据提示选择启发性配置选项，就可以快速高效的推理生成电 气倒闸操作票。 ( 3 ) 网络化操作票文档管理模块 操作票文档管理的网络化是操作票自动生成系统广泛应用之后所涉及到的新 问题，随着适用于公司、企业、机关等范围的局域网的体系结构和协议标准研究的 进展，局域网的普遍应用使得各单位中的各项信息管理，工作交流都变得更加快捷 高效、井井有条。那么，操作票文档的网络化管理的实现也将使整个电厂的相关人 员对操作票的开票、查询、统计、整理等工作变得更加简洁轻松。 ( 4 ) 人员管理及其他 由于操作票的开写都要有专门的运行人员来进行，并对丌写的操作票担负一定 的责任，所以不是全厂的任何个人都可以有权开票，因此，我们根据实际情况建 立了人员管理系统，由系统管理员对可操作人员的姓名、密码权限进行管理。 2 5 2 远程数据库 本系统采用一直处于数据库技术领先者地位的o r a c l e 数据库技术，从网络角度 讲，o r a c l e 全面支持局域网、广域网和i n t e r n e t i n t r a n e t ，这为实现操作票智能生 成系统的网络化管理提供了良好的技术支持。在本系统所设置的数据库主要有以下 几部分： ( 1 ) 设备事实数据库 由于本应用系统具有图形绘制的功能，所以，所有的设备数据都在绘制电力系 统一次接线图时自动添加到设备数据库中，即采用图形建模的方式。此数据库是在信 息加工理论和概念认知理论的指导下，认真全面的研究电力系统一次、二次设备的 组织结构、设备操作性质及其在操作票中的调用规则后进行组建的。 ( 2 ) 规则指导知识库 华北电力大学硕士学位论文 这一知识库是整个操作票智能生成系统的最为重要的一部分，是专家系统理论、 认知科学理论及其元认知理论在本系统中应用的集中体现。其中存放的规则是关于 操作票的专家知识，是推理机运行的传动力，也是在图形模拟操作中对运行人员操 作进行监控调节的标尺。 ( 3 ) 人员管理数据库 顾名思义是存放全厂具有操作权限的操作人员的相关信息，设置的基本属性 有：姓名、密码、所在单元以及职位等。 ( 4 ) 历史票数据库 存放经操作人员登记录入的操作票的相关信息，根据操作票的使用情况将其分 为已执行票、未执行票和作废票三种，主要的属性设罱有：开始时间，结束时间、 开票人、操作人、监护人、操作任务、操作票编号、单元以及页数等，并且，在实 现的操作票网络查询中将各属性设罱为查询条件，查询时可以对各查询条件设置不 同的值进行查询。 数据库管理直接使用o r a c l e 数据库系统的编辑等其他管理功能，简单、方便、 可维护性强，无需另外编程。因为数据库的f 确与否关系到系统的运行结果是否正 确，不能随意变动，只有当系统结构或设备元件发生变化时，由系统管理员进行扩 充或修改。所以为了保持数据库的安全性，设计了密码管理机制。 华北电力大学硕士学位论文 第三章操作票智能生成系统的知识表示和推理机制 3 1 知识表示方法及其选择标准 知识表示是认知理论研究中的一个重要分支，通过对人类思维活动的全面分析 总结，而后研究用机器表示知识的可行性、有效性的实现方法，它是一种数据结构 和控制结构的统一体，既要考虑知识的存储又要考虑知识的运用。知识表示可以看 成是一组描述事物的约定，以便把人类的知识表示成机器能处理的数据结构。 人工智能。的常用表示方法有：以离散数学的命题逻辑和谓词逻辑为理论基础 的谓词逻辑表示法，此方法适用于用定理方法求解问题的系统；通过概念与语义关 系来表达知识的语义网络表示法，此方法适用于求解较简单关系的问题；根据关系 设景由各种框架内外嵌套组成的框架表示法，它适合适合于表示典型的概念、事件 和行为，但框架结构本身还没有形成完整的理论体系：基于推理理论的产生式规则 法，此方法接近人的主要自然思维方式，单纯，没有复杂计算，是建立专家系统的 首选知识表示方法。 其它的表示方法还有状态空间表示法、剧本表示法、特征表示法等。在操作票 专家系统中较少用到，在此就不一一列举了。知识表示的理论尚待继续研究和完善， 目前还不能给出通用的知识表示形式，因此对一个具体问题域的知识描述，往往可 以有多种等效的知识表示法。然而，各种知识表示形式在具体问题求解过程中所表 现的效能是有差异的，应该根据它们在问题的知识处理过程中控制知识运用的要 求，择优选择。一般选择知识表示应考虑其有效性、可扩展性、可理解性以及清晰 性。本系统设计研究采用适合专家系统推理的常用知识表示方式一产生式表示法。 本系统设计采用“激发树”结构的产生式规则，每一个树枝对应一条规则，当前规 则的条件是上一个树枝的结论，当前规则的结论是下一个树枝的条件，具体规则的 应用由推理机控制。这种树型结构可以提高规则库的检索效率，也有利于表达复杂 知识。 3 2 知识库设计 要想准确、完整的表示知识，首先要了解操作票推理中需要什么样的知识。作 为本论文的实践单位的华能上安电厂操作票的操作类型较多，涉及到的操作设备主 要是断路器、开关、隔离开关、电容器、接地线、二次保护压板等，操作规则主要 是运行部门针对设备操作所做的运行规程和运行人员在实际操作中积累的经验型 知识。第一类知识统称为设备知识，放在产生式系统的事实库中：第二类知识统称 为操作知识，放在产生式系统的规则库中。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 产生式系统的事实库一般存放有关问题的状态、性质等事实的叙述性知识，也 称为综合数据库。综合数据库的设计应考虑到以下几个因素： ( 1 )数据库信息完整，无遗漏。 ( 2 )数据准确，无错误。 ( 3 )数据库应具有可扩展性。 3 2 1 关系数据库 从知识的逻辑表示观点来看，关系数据库模型“刚是数据库的重要模型之一，其 数据冗余小、弹性大、易扩充，具有较高的数据和程序独立性。关系模型是用表格 作为用户和计算机专业人员之间的界面，数据的组织模型用若干个表格表示，表格 也称为关系。 本论文所研究的操作票智能系统的事实库、规则库、培训指导知识库及其管理 系统就是利用大型关系数据库来构造的，采用关系表格实现知识的标示有其明显的 优越性： ( 1 ) 采用分表格存放然后再根据关键字链接起来的多重表格关系，使知识的表示 模块化，模块之间又有紧密的联系，减少了知识库的容量，提高了推理搜索 效率； ( 2 ) 可以有效地防止规则组合“爆炸”问题： ( 3 ) 提供多重接口，包括与用户、专家系统及其它应用软件的接口： ( 4 ) 提供强有力的人机接口和方便的修改方式，便于非专业人员对事实库的修改 维护。 本论文进行研究开发的操作票智能系统采用o r a c l e 这一强大的数据库技术，建 立了独立于推理机的事实库、规则库、培训指导知识库以及操作票管理库，它们具 有以下特点： ( 1 ) 所有知识库与推理机有完全的独立性，知识库内部组织方式的改变不会影响 推理机功能，但是要在考虑推理机推理模式下，对其进行合理的改动； ( 2 ) 借助于数据库的管理机制，可以很方便地对知识库进行扩充、修改和维护， 使今后无论功能上的扩充，还是性能上的改进都有可能： ( 3 ) 便于知识的运用和输入输出，以及知识库内容的一致性和完整性检查和维 护： ( 4 ) 建立表间关系实现知识的继承输入。 3 2 2 基于概念认知的关系事实库 认知科学”“认为，智能系统应具有知觉环境的能力，形成概念的能力，运用知 华北电力大学硕士学位论文 识的能力，以及在此基础上进行推理的能力。其中，形成概念的能力是智能中的基 本要素，它是表达知识和推理的基础，是智能活动的基础内容。概念的形成以一定 的知觉经验作为基础，它代表着某一类认知对象共同的本质的属性。无论是精确的 科学概念还是生活中形成的日常概念都具有巨大的认知功能，是人们不可缺少的认 知工具。概念是通过对研究对象的本质属性充分抽象和概括而建立的。 本文在概念认知理论的指导下，建立了通用的电气设备认知事实库，在此基础 上建立的专家系统，具有较好的通用性和智能性。电力系统操作票所描述的是对电 气设备的操作，一般包括一次设备和二次设备操作。电气设备是操作票的处理对象。 但是每一个电气设备都是有所属的，大到某个电网，小到某个接线间隔，所以在以 建立一个通用的设备知识库为目标的情况下，就要从整个电网或者电力系统出发， 因此，本文将电网或电力系统中的各种能被调度员独立考虑和处理的对象根据其性 质进行分类，定义为不同的操作对象。 本文结合华能上安电厂一次接线图及其操作票，研究操作对象本身的功能属性 和操作属性，以及操作对象之间的相互关联性，根据操作任务的组成中所涉及到的 设备种类，可将推理中涉及到的设备知识分为可操作设备和系统设备： 1 可操作设备 ( 1 ) 断路器 根据实际情况，在此类设备参数中主要有：i d 、名称、状态、所连线路、所连 变压器、所连母线1 、所连母线2 、所连母线3 。当给与一组不同的参数值时，就可 以得到不同的断路器或者同一断路器的不同状态，如图3 1 所示。 图3 1 断路器表样 ( 2 ) 隔离开关 此设备的参数主要有：i d 、开关名、状态、种类、所连母线、所连线路、所连 变压器、所在单元、所连发电机及其它等。 华北电力火学硕十学位论文 ( 3 ) 接地刀闸 接地刀闸的主要参数有：i d 、刀闸名、状态、种类、所连线路、所连母线、所 连变压器等。 2 系统设备 ( 1 ) 母线 此组设备的属性参数主要有：i d 、母线名、电压等级、所在单元、接线方式、 所连工作变压器l 、所连工作变压器2 、所连工作变压器3 、所连备用变压器1 、所连 备用变压器2 等。 ( 2 ) 线路 此组设备的属性参数有：i d 、线路名、电压等级、所连变压器、所连发电机、 所连母线、备用母线1 、备用母线2 、线路性质、所属厂站等。 3 ) 变压器 此组设备的属性参数有：i d 、名称、状态、种类、所连发电机、所在单元、所 属厂站。如图3 2 所示。 图3 2 变压器表样 ( 4 ) 发电机 发电机的属性参数主要有：i d 、发电机名、所在单元、所属厂站。 虽然电气一次设备中的可操作设备种类不多，但是由于数量大，而且和系统设 备进行组合的种类较多，所以为了减少数据库的冗余。必须详细分析各可类操作设 备和系统设备之间的关系。在本系统的电气事实库中的各表之涮的关系是依据电气 一次接线图中可操作设备和系统设备的所属关系、以及系统设备之间的级联关系而 1 9 华北电力大学硕士学位论文 设置的。 经研究分析电气倒闸操作票的特点可知一般操作票中操作任务的命名是以系 统设备命名的，例如“安罗i 线由运行转检修”、“# l 启动变压器由运 行转检修”、“6 k v i a i 段母线由运行转检修等，以可操作设备 命名的可操作设备主要有断路器：“2 8 3 断路器由检修转运行，因此在 编写操作票时要首先要得到与操作任务相关的可操作设备，也即只要明确表示可操 作设备的归属问题即可。 对于一个具体的厂站而言，在设备事实数据库中是以厂站及其属性为顶级数据 库节点，以厂站的发电机、变压器、母线、线路为二级节点，断路器、隔离开关、 接地刀闸等可操作设备为三级节点，其它还有控制回路保险、操作回路保险、保护 压板等有关二次设备数据二次设备等属于四级附属结点，各级节点都和上一级节点 有直接关联，而同级节点之间根据具体的接线图也会有相应的关联。如图3 3 所示， 此图表示了厂站节点库和发电机、变压器、母线和线路是通过“厂站名”和“所属 厂站”来直接关联的。 图3 3 以厂站数据表为中心的关系图 如图3 4 所示，是以二级节点变压器数据表为中心节点对其和其他各级数据表 关系进行展示。 华北电力大学硕士学位论文 图3 4 以变压器为中心的数据表间关系 图3 5 中是以线路数据表为中心显示了线路表中“线路名”和断路器、隔离开 关和接地刀闸等下级数据表中的“所连线路”之间的一对多的关系，同时也显示了 线路表和级数据厂站表和二级数据变压器表、母线表以及发电机表之间的关系。 图3 5 以线路为中心的数据表间关系图 3 2 3 操作规则的知识表示 操作规则是由调度规程规定和运行人员的经验总结而来。本系统中对此类规则 采用非经典产生式系统中的“如果，则”的产生式规则表示。一般一个规则由 前项和后项两部分组成，前项表示前提和条件，各个条件由逻辑连接词( 合取、析 取等) 组成各种不同的组合。后项表示当前条件为真时应采取的行动和所得的结论。 规则的条件是否满足以当前事实库中的事实为依据，如果存在事实满足条件，则相 2 l 华北电力大学硕士学位论文 应规则被激活。规则执行的动作是使事实库发生变化或激发其它的规则，最终实现