語義網技術及其在供電企業中的應用前景

張燁華，張子仲，顧建煒

（1.國網電力科學研究院，南京 210028； 2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 210028；3.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）

近年來，隨著配電增量市場的放開和電力體制改革的逐步深入，要求各供電企業能夠更有效、更靈活地進行運作。只有擁有一個足夠靈活的信息技術構架及能夠獲取整個運行系統信息，并進行控制的供電企業，才能與日益變化的商業環境相適應。

1 語義網基本概念

語義網由萬維網發明者英國科學家蒂姆·伯納斯·李于1998年提出。它的核心概念是：通過給萬維網上的文檔加上能夠被計算機所理解的語義，使得整個互聯網成為一個通用的信息交換媒介，也就是數據網或者說全球數據庫[1-2]。本質上，語義網將知識分布在萬維網上，使得不通過機器學習，讓系統獲得知識、理解概念，從而促使知識孤島的集成和合作。例如，一個供電企業中有不同的業務系統，且這些業務系統對相同的業務對象有著不同的認識背景，語義網可以通過語義處理將不同知識領域關聯起來。如當某變壓器出現事故時，事故分析人員希望了解有關該變壓器的所有信息，包括資產信息、資源信息等[3-5]。傳統信息技術系統需要聯系各系統維護人員，對照數據字典，從各業務中心數據庫中逐一檢索并提取信息，這一過程極度依賴各業務系統數據庫維護人員[6-9]。當原維護人員離職或調離崗位時，需要對新維護人員進行培訓以適應前者的維護內容。極端情況下，甚至由于原維護人員的離開，導致失去原業務系統有關方面的資料，不得不重新規劃系統[10-11]。

語義網技術能夠通過“將知識傳授給計算機，讓計算機理解業務”的方式，在有效提高分析效率的同時，降低企業系統維護成本，規避人員流動帶來的維護風險。

2 語義網實現方式

語義網實現的主要方式是建立來源于哲學的本體概念。笛卡爾在《第一哲學沉思集》中對本體進行了如下闡述：“一件東西，以它為主體直接寄托著、或者以它為依靠存在著某種我們理會到的東西，即我們心里有實在觀念的某種特性、性質或屬性，就是本體。因為嚴格來說，我們對于本體沒有別的觀念，只認為它是這樣一個東西，其中形式地或卓越地存在著我們所理會地東西，即客觀地在我們的某個觀念里面的東西，因為天然的光亮告訴我們，無是不能有任何實在的屬性的。”

本體的本意是有可區別性且內于其自身而獨立存在的某種事物。在相關領域中，本體可以理解為“對特定領域之中某套概念的形式化表達”。簡單來說，在系統中“存在”一個事物，使得系統理解什么是變壓器，什么是斷路器。

顯然，光有本體不能解決一切，還需要關心不同主體之間的關系以及不同關系之間的聯系。例如，2臺不同業務系統中的變壓器之間的關系，變壓器A的容量是100 kVA和100 kVA是變壓器A的容量之間的關系。

主體以及它們之間的關系共同組成了語義網的主要組成部分。通俗來說，在系統中“鏡像”現實世界，進而獲取所需要的信息。圖1展示了語義網中各個關鍵技術的架構分層。

圖1 語義網架構

3 語義網在電力行業的應用前景

自2009年下半年起，國家電網公司開始全面建設智能電網，其中配電自動化是智能電網建設的一項重要內容，現已在60多個城市建立了配電自動化系統[1]。目前，最常用的方法是使用可XML（擴展標記語言）作為數據集成的工具[2]。雖然對于XML有了各種解析推理器，但是XML并沒有定義書寫內容，使得各類文件所用詞匯不具有通用性。因此，必須擁有一個相同的引擎來處理詞匯的語義。IEC（國際電工委員會）提出了CIM（公共信息模型）這一抽象模型，表示包含包括EMS（能源管理系統）在內的在供電企業中的所有主要對象，即規定了書寫內容。

但是CIM也有其局限性，如CIM沒有覆蓋電力行業所有業務信息范圍；UML（統一建模語言）不支持在ESM中對業務詞匯極其重要的同義詞；CIM不支持OCL（對象約束語言）等。

通過在電力行業應用語義網技術，結合CIM模型，能夠更好地將模型驅動應用到更廣領域。

4 UML，CIM和語義網的關系

利用統一建模語言能夠方便地建立各類模型，CIM是采用其建立的模型之一，通過對類、屬性及其之間關系的描述，建立繼承關系、關聯關系、組合關系和聚合關系等。

UML和語義網可在一定程度上互相轉換。但是相比而言，語義網更側重于領域知識的表示和共享，而UML更側重于建模過程中開發人員與用戶之間的交流[3]。

因此，從模型設計上考慮，UML也具有一些缺點：一方面，UML不能描述語義，如極其重要的同義詞概念不能靈活地和其他信息模型結合；不能將模型和數據結合等。另一方面，因為UML更多考慮的是軟件工程，因此在繼承上不鼓勵使用多重繼承，然而多重繼承在業務層面是極其重要的。CIM因使用UML進行建模，所以繼承了UML的這些缺點。

語義網在建立本體的過程中，更多考慮的是業務領域而不是軟件工程。在語義網中，本質上描述了資源和資源、資源和屬性之間的路線網，并基于此進行推理。因此，語義網對UML（CIM）來說，核心優勢在于能進行語義推理。根據系統已獲取的知識來對存儲的信息進行推理，這是UML做不到的。

從語義網的角度考慮，CIM本質上不單單是一種數據交換規范，而是對一個本體的描述。CIM描述了電力行業各個業務領域的主體及其之間的關系。因此，可將CIM轉換為語義網中的本體，進而根據各業務系統需要增加主體及其間的關系，最終使得各個業務系統知識孤島得到互聯互通。

5 語義網優勢

語義網對于傳統技術，使得計算機能夠存儲知識，利用知識實現一定程度的人工智能。傳統信息技術取決于維護人員，當維護人員離職或調離崗位時，需要重新對新上任的維護人員進行培訓以適應之前的環境，尤其表現在傳統關系型數據庫的管理和SQL語句的操作上。語義網技術能夠使得計算機存儲并理解知識，進而理解業務環境，一定程度上不受限于開發、維護人員。當新的維護人員上任后能較為容易地承上啟下，有效降低企業維護成本。

6 簡單展示

以下選取某區域電網PMS（生產管理系統）和CIS（營銷系統）不同數據源的數據，通過語義網進行簡單展示。

表1數據來自于PMS，表2數據來自于CIS，二者均為傳統關系型數據庫表。OID和OBJ_ID均表示各業務系統中的唯一ID。PMS中的設備ID（SBID）應與CIS中的DXMPYXKID一一對應。同時，設備名稱（SBMC）也應唯一存在。

圖2展示了PMS的語義網，通過圖2可以清楚地看到不同類之間的關系以及實體和類之間的關系。如資產變壓器和電氣系統資源變壓器有關聯關系，它們都是資源的子類；實例ID為80001104，是系統資源變壓器的一個實例。

圖2 PMS語義網展示

圖3展示了PMS和CIS中某臺變壓器的實例，其中SBMC等箭頭表示原始關系型數據庫中的關系。等價和重復這種關系在原始關系型數據庫中是不存在的，通過推理引擎使得計算機能夠理解語義并推理出相應的關系。由圖3可知，來自PMS的OID為80001104的變壓器，和來自CIS的OBJ_ID為959242af-10e9-4bb3-8fc6-b238ab092c83的變壓器，為同一變壓器，且它們的命名和其他變壓器存在重復。

圖4顯示了具有重復ID的實例。原始數據中并沒有命名重復關系，也沒有重復ID錯誤關系，這些層關系是由系統根據所具有的知識推理判斷得出的。

圖5顯示了單一實例。可以清楚地看到這一實例有多少相關的關系，每個關系有多少資源與其連接。

通過工程實例可知，通過語義網的強力支撐，賦予了原有數據以語義，使得模型、信息和數據的處理不再分割。因此，借助語義網強大的支撐，可以使得現有的信息系統得到本質的提升。

表1 原始數據1

表2 原始數據2

圖3 PMS和CIS實例聯合展示

圖4 具有重復ID的實例

圖5 單一實例展示

7 結語

近年來，隨著配電增量市場放開及電力體制改革的逐步深入，要求各個供電企業能夠更有效、更靈活地進行運作。各個供電企業紛紛開始采用IEC主導的CIM作為自身信息系統的模型。但是，對于CIM的利用僅僅停留在將CIM作為數據傳輸規范，用于不同系統間的數據傳輸。文中通過介紹語義網技術，將UML、CIM和語義網進行對比，并將語義技術融入CIM，擴展CIM適用范圍，突破各個業務系統間的知識壁壘，使得各個業務系統的知識孤島得以連接，促使各個知識孤島的合作和互聯。

[1]周煒，汪延峰，張子仲.信息交互總線在配電自動化中的應用研究[J].中國電業，2014，64（8）∶42-45.

[2]趙俊峰，莊哲寅，承軼青，等.資源描述框架語義網視角下的智能電網模型[J].華電技術，2014，36（4）∶19-21.

[3]冉婕，漆麗娟，黃吉亞.UML模型到OWL本體知識庫的轉換研究[J].電子設計工程，2017，25（7）∶24-26.

[4]顧建煒，周志芳，邵學儉.基于IEC 61968國際標準的智能電網信息集成[J].浙江電力，2011，30（4）∶30-34.

[5]顧建煒，蘇毅方，劉理峰.DMS系統互聯公共通信平臺設計與實現[J].電力信息化，2007，4（8）∶53-55.

[6]顧建煒，李曉波，王海彪，等.基于本體的IEC 61968松耦合消息模型研究與應用[J].電力信息化，2012，9（7）∶36-40.

[7]鄭毅.配電自動化工程技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2016.

[8]R SANTODOMINGO，J R MONDEJAR，M A SANZ-BOBI.Using Semantic Web Resources to Translate Existing Files Between CIM and IEC 61850[J].IEEE Transactions on Power Systems，2012，27（4）∶2047-2054.

[9]梁曄，劉宏哲.運用Jena對本體模型進行推理及其應用[J].北京聯合大學學報（自然科學版），2009，23（9）∶23-27.

[10]沈兵兵，張子仲，張偉偉.基于IEC 61968的電力系統互操作體系構建思路[J].南方電網技術，2015，11（9）∶13-17.

[11]曲朝陽，孫鵬飛.基于本體語言 OWL的電網領域知識表示方法[J].東北電力大學學報，2012，32（4）∶30-34.