基于本體語言O(shè)WL的電網(wǎng)領(lǐng)域知識表示方法

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、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，知識的表示形式使其不能被有效地利用，這是因?yàn)槟壳暗闹R表示方法不利于電網(wǎng)知識的發(fā)現(xiàn)，不能形式化地表示電網(wǎng)領(lǐng)域知識。

電網(wǎng)領(lǐng)域普遍采用的知識表示方法有自然語言法、謂詞邏輯法、面向?qū)ο笾R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，二義性是首先應(yīng)該避免的;謂詞邏輯和其它的知識表示方法也都存在著知識表示隱晦、推理效率低、可視化水平差以及動態(tài)知識協(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)域知識表示，構(gòu)建了一個基于OWL本體語言的電網(wǎng)知識本體。統(tǒng)一了電網(wǎng)領(lǐng)域知識的概念，清晰地闡明了電網(wǎng)領(lǐng)域知識之間的相互聯(lián)系和相互作用，使電網(wǎng)領(lǐng)域知識得到有效組織，有利于電網(wǎng)知識的提取和利用。

1 本體論與OWL本體語言

本體論源于哲學(xué)，原意指對客觀事物的本質(zhì)認(rèn)識。隨著人們對本體認(rèn)識的不斷加深，本體論思想逐漸被引入到知識表示研究中，以解決在知識表示中存在的非顯式、明確性差和知識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)域知識表示中的研究和應(yīng)用是目前的熱點(diǎn)?；诒倔w的知識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，而后者可以隨時和RDF混合使用，它與RDF在類、屬性、個體和數(shù)值方面的定義完全相同。綜上可知，OWL DL兼顧了知識表示與推理［5］，所以本文將采用OWL DL來實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)領(lǐng)域知識的表示和建模。

2 電網(wǎng)領(lǐng)域知識分析

知識是人們在長期的生活及社會實(shí)踐中積累起來對客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識與經(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，知識可概括為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)知識包括設(shè)備類知識、電力規(guī)程類知識、電力故障診斷及決策知識等;動態(tài)知識包括電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的實(shí)時數(shù)據(jù)和信息以及預(yù)測型知識，即由歷史的或當(dāng)前的數(shù)據(jù)推測未來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，也可以認(rèn)為是以時間為關(guān)鍵屬性的知識。

電網(wǎng)知識具有四種特點(diǎn):

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

(2)關(guān)聯(lián)性，一個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，電流為0，開關(guān)閉合，電流為相應(yīng)的值。關(guān)聯(lián)知識在電網(wǎng)領(lǐng)域是廣泛存在的，對關(guān)聯(lián)知識的分析在知識推理過程中有重要意義。

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

(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，真正有價值的知識是隱藏在這些數(shù)據(jù)和信息背后的，需要通過一定的知識發(fā)現(xiàn)手段來發(fā)現(xiàn)。

由于電網(wǎng)領(lǐng)域知識具有上述特性，目前的知識表示方法往往只對某一特定領(lǐng)域的知識表示有效，而這些方法并不能合理地應(yīng)于電網(wǎng)領(lǐng)域?；诒倔w論的知識表示法是目前知識表示的前沿，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)域知識表示中，確定了電網(wǎng)領(lǐng)域共同認(rèn)可的詞匯，提供對電網(wǎng)領(lǐng)域知識概念的一致理解，提出基于OWL網(wǎng)絡(luò)本體語言的電網(wǎng)知識表示方法，該方法可詳盡地描述電網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)知識，具有較好的知識推理能力，為知識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)知識表示

3.1 基于OWL電網(wǎng)知識表示過程

知識表示就是把某一領(lǐng)域知識轉(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)對電網(wǎng)知識的表示應(yīng)該包括以下過程:

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

(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)知識表示，最終形成OWL知識文檔，多個文檔就構(gòu)成了基于本體表示的電網(wǎng)知識庫［7］。

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

圖1 基于OWL的電網(wǎng)領(lǐng)域知識表示過程

3.2 電網(wǎng)知識表示中的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)知識表示過程中，概念類、知識屬性及公理三個元素是最基本的知識元，其中最核心的是電網(wǎng)知識類的定義，后兩者都是基于知識類上的關(guān)系，電網(wǎng)知識類是電網(wǎng)知識對象的抽象。

電網(wǎng)知識類常用的定義方法是顯式定義:owl:Class，定義時顯式地給出類名，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)知識類或類的具體的某個實(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rdf的擴(kuò)展，在電網(wǎng)知識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)知識表示常用的屬性還包括傳遞屬性、對稱屬性"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類或一個枚舉類的取值范圍，owl:hasValue則把屬性值限定為某一個具體的類的實(shí)例或具體的數(shù)值。

此外，公理是基于OWL的電網(wǎng)知識表示中另一重要概念，它說明了電網(wǎng)知識類、屬性和實(shí)例之間的關(guān)系。類公理包含三種:子類、等價和類不相交關(guān)系。屬性公理包含子屬性、對等、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)知識表示過程中必不可少的元素，是建立OWL電網(wǎng)知識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)知識表示方法的核心思想和基本過程是在明確電網(wǎng)知識內(nèi)涵以后，將電網(wǎng)知識中的概念和組成電網(wǎng)知識的某些元素抽象為OWL語言中描述知識的元素，進(jìn)而使用符合OWL本體語言的知識表示原語，并遵循一定的語法規(guī)則來完成對電網(wǎng)知識的完整描述。該方法在兼顧知識表示的完備性和明確性的同時更注重于對知識內(nèi)容的表示，而不是知識的具體形式［9］。

4 基于OWL的電網(wǎng)知識表示應(yīng)用

本文以電網(wǎng)中相關(guān)知識為研究對象，首先構(gòu)建一個電網(wǎng)知識類，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)備類劃分出多個類別的設(shè)備，如Transformer類，Generator類等?；谝陨戏治龊蛯︻?、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)本體知識的表示方法:

以上程序段的含義是定義了電網(wǎng)知識本體的概念，它包括兩類知識:電力設(shè)備類知識和電力規(guī)程類知識，并且說明了這兩大類知識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)知識本體的表示方法，這里將電網(wǎng)知識分為了兩大類:設(shè)備類知識和規(guī)程類知識，并定義了二者之間的一種不相交關(guān)系，設(shè)備類知識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)備的動態(tài)信息;規(guī)程類知識包括電力生產(chǎn)中諸多規(guī)則和前文列舉的關(guān)聯(lián)知識。從這部分代碼可看出，基于OWL語言的知識表示方法可詳盡地表示電網(wǎng)領(lǐng)域知識以及知識之間的傳遞、包含、繼承等關(guān)系，同時具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)知識表示的需要實(shí)時添加，這就有利于知識更新。

5 結(jié)束語

本文著重對電網(wǎng)領(lǐng)域中的知識表示進(jìn)行研究，明確了電網(wǎng)中知識來源，針對目前知識表示方法不適于電網(wǎng)知識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，便于機(jī)器識別，提高了互操作性，促進(jìn)知識共享。同時基于具體領(lǐng)域知識表達(dá)的需要，支持更多的語義擴(kuò)展，使其描述的知識內(nèi)容更豐富?；贠WL本體語言的電網(wǎng)知識表示是未來電網(wǎng)領(lǐng)域知識研究的基礎(chǔ)，為對電網(wǎng)知識進(jìn)行更高層次的利用和電網(wǎng)知識可視化展現(xiàn)提供了必要支持。

［1］曲朝陽.智能電網(wǎng)知識可視化引擎的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2009，12.

［2］張沛超，胡炎，郁惟鏞.繼電保護(hù)專家系統(tǒng)中知識的面向?qū)ο蟊硎痉ǎ跩］.繼電器，2001，29(2):16-19.

［3］李景.主要本體表示語言的比較研究［J］.現(xiàn)代圖書情報技術(shù)，2005，21(1):1-4.

［4］于娟，馬金平.基于Web本體語言O(shè)WL的知識表示［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2006，22(27):4356-4357.

［5］韓韌，黃永忠，劉振林，等.OWL本體構(gòu)建方法的研究［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29(6):1397-1399.

［6］謝新文.基于OWL的模具企業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識庫構(gòu)建方法的研究［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，3(21):1-5.

［7］于潔，王磊.基于本體的電網(wǎng)運(yùn)行知識庫構(gòu)建與研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用研究，2008，25(12):3615-3616.

［8］蘇亞萍.基于本體的領(lǐng)域知識建模研究［D］.長春:吉林大學(xué)2007，5.

［9］王鈺，袁小紅，石純一，等.關(guān)于知識表示的討論［J］.計算機(jī)學(xué)報，1995，18(3):212-224.