基于樹型模型庫的用電資料審查系統(tǒng)

李曉莉， 吳 奇

1. 國家電網(wǎng)上海市電力公司 上海 200122 2. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240

1 課題背景

按照相關(guān)規(guī)定，在客戶進(jìn)行新裝、增容或改造送(受)電工程時，應(yīng)對客戶受(送)電裝置電氣圖紙和有關(guān)資料進(jìn)行審查。同時，在客戶送(受)電工程竣工驗收時，應(yīng)對電氣試驗記錄進(jìn)行檢查，以保證國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和供電方案切實(shí)執(zhí)行，減少客戶用電安全事故，提高客戶安全用電水平。在具體工作中，圖紙量多，且不同受電客戶的設(shè)計資料差異大，用電檢查人員對設(shè)計圖紙資料及電試資料的檢查是一項重要且難度較大的工作。

目前，設(shè)計圖紙和電試報告的審查培訓(xùn)主要依靠授課教師收集部分圖紙資料，復(fù)印或掃描后帶至課堂進(jìn)行講解。由于圖紙資料多、完整收集難度大，且圖紙復(fù)印、掃描質(zhì)量不佳等原因，導(dǎo)致培訓(xùn)效果大打折扣。另一方面，現(xiàn)有的資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)較少，而且培訓(xùn)效果欠佳?；谝陨锨闆r，若能開發(fā)一套針對用電檢查人員的資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，將不同電壓等級和不同接線方式的典型受電工程設(shè)計圖紙、電試報告等資料提前錄入，培訓(xùn)考核時教師能對每份資料中的典型問題修訂設(shè)置，將是十分有益的[1-3]。此外，還可建立基于可拓關(guān)聯(lián)評價[4-7]的用電資料等級程度表示方法，進(jìn)而對不同用電資料按權(quán)值進(jìn)行有效分類。

目前二叉樹模型已成功應(yīng)用至電子產(chǎn)品期權(quán)項目定價探討[8]、評價對象抽取[9]、投資決策[10,11]等方面。筆者提出一種用電資料存儲查詢二叉樹模型，對用電資料進(jìn)行建模，按重要性和關(guān)聯(lián)程度將不同電壓等級、不同接線方式的典型受電工程設(shè)計圖紙及電試報告等資料進(jìn)行編排，存儲進(jìn)二叉樹模型。

在模型的基礎(chǔ)上，再對用電檢查人員資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計，綜合考慮用電檢查人員崗位工作及培訓(xùn)需求，設(shè)計的系統(tǒng)界面友好且功能合理，為提高審查水平打下了基礎(chǔ)。

2 用電資料模型

用電檢查人員資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包括不同電壓等級、不同接線方式的典型受電工程設(shè)計圖紙與電試報告等內(nèi)容。根據(jù)待審查資料影響因素的關(guān)聯(lián)性，建立用電資料審查實(shí)訓(xùn)評價模型。

2.1 評價模型庫

評價模型庫M是由元模型組成的模型向量：

M=(m1,m2,…,m|M|)

(1)

式中：mi表示第i個模型；|M|表示模型的容量，即模型庫中所含模型的個數(shù)。

稱所有適合參與某類查詢問題的模型集合為當(dāng)前有效模型庫，用Cval表示，且Cval?M，Cval≠?，其容量為|C|。

2.2 元模型遴選步驟

(1) 計算模型庫中各模型對當(dāng)前問題的評價值。

(2) 對各模型的評價值按誤差指標(biāo)進(jìn)行處理，并對一個模型的所有誤差指標(biāo)做歸一化處理，求誤差指標(biāo)的均值。

(3) 比較各模型誤差指標(biāo)歸一化處理后的均值，選擇兩個均值最小的模型Cp、Cq，滿足Cp均值≤Cq均值，作為元模型，如圖1所示。

圖1 模型庫示意圖

2.3 基于元模型的樹型模型庫

進(jìn)行以下定義： 節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)項及指向其它節(jié)點(diǎn)的分支，節(jié)點(diǎn)的度指節(jié)點(diǎn)所擁有的子樹棵數(shù)；葉節(jié)點(diǎn)即度為0的節(jié)點(diǎn)，又稱終端節(jié)點(diǎn)；分支點(diǎn)指除葉節(jié)點(diǎn)外的其它節(jié)點(diǎn)，又稱非終端節(jié)點(diǎn)。若節(jié)點(diǎn)x有子樹，則子樹的根節(jié)點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)x的子女。若節(jié)點(diǎn)x有子女，則x為子女的雙親樹。

在建立樹型模型庫時，遵循以下規(guī)則。

規(guī)則1： 每個節(jié)點(diǎn)上都有相應(yīng)的評價模型，且所有節(jié)點(diǎn)上評價模型的評價能力互不相同。

規(guī)則2： 如果存在左右子樹，則左右子樹所有節(jié)點(diǎn)上模型的評價能力都小于根節(jié)點(diǎn)上模型的評價能力。

規(guī)則3： 所有左節(jié)點(diǎn)上模型的評價能力均大于右節(jié)點(diǎn)上模型的評價能力。

規(guī)則4： 左子樹模型和右子樹模型也是評價模型庫。

基于上述規(guī)則，以元模型作為樹型模型庫的根(Root)，以元模型的評價能力為中心，求出各模型相對于元模型評價能力的距離。對上述距離進(jìn)行歸一化處理，即為各模型與元模型評價能力的關(guān)聯(lián)度，同時得到關(guān)聯(lián)度區(qū)間[Rmin,Rmax]。選擇兩個關(guān)聯(lián)度最大的模型作為元模型的子模型(Level 2水平)，且滿足在樹型結(jié)構(gòu)中左節(jié)點(diǎn)上模型的關(guān)聯(lián)度>右節(jié)點(diǎn)上模型的關(guān)聯(lián)度。

按如下算法選擇Level 2下方的子模型： 以左節(jié)點(diǎn)上的模型為中心，求出剩余各模型相對于左節(jié)點(diǎn)上子模型評價能力的距離；對所得到的距離進(jìn)行歸一化處理，即為剩余各模型與左節(jié)點(diǎn)上子模型評價能力的關(guān)聯(lián)度；選擇兩個關(guān)聯(lián)度最大的模型作為左節(jié)點(diǎn)上模型的子模型。以右節(jié)點(diǎn)上的模型為中心，求出剩余各模型相對于右節(jié)點(diǎn)上模型評價能力的距離；對該距離進(jìn)行歸一化處理，即為剩余各模型與右節(jié)點(diǎn)上模型評價能力的關(guān)聯(lián)度；選擇兩個關(guān)聯(lián)度最大的模型作為右節(jié)點(diǎn)上模型的子模型。重復(fù)上述過程，直至所有模型都被放入樹型模型庫的節(jié)點(diǎn)上，如圖2所示。

圖2 樹型模型庫示意圖

圖2所示樹型結(jié)構(gòu)模型具有如下性質(zhì)。

性質(zhì)1： 若樹型模型庫的層次從1開始，則在模型樹的第i層最多有2i-1個節(jié)點(diǎn)。

性質(zhì)2： 高度為k的模型樹最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為2k-1。

性質(zhì)3： 對于任何一棵模型樹，如果其葉節(jié)點(diǎn)個數(shù)為n0，度為2的非葉節(jié)點(diǎn)個數(shù)為n2，則有n0=n2+1。

對第3條性質(zhì)進(jìn)行證明： 統(tǒng)計樹中節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為n，設(shè)樹中度為1的節(jié)點(diǎn)個數(shù)為n1，因為樹只有度為0、度為1和度為2的節(jié)點(diǎn)，所以樹中節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=n0+n1+n2；樹中分支條數(shù)(邊數(shù))為e，因為樹中根節(jié)點(diǎn)沒有雙親節(jié)點(diǎn)，邊數(shù)為0，其它每一結(jié)點(diǎn)都有且只有一個雙親節(jié)點(diǎn)，邊數(shù)各為1，所以二叉樹中總邊數(shù)e=n-1=n0+n1+n2-1；由于每個度為2的節(jié)點(diǎn)發(fā)出2條邊，每個度為1的節(jié)點(diǎn)發(fā)出1條邊，度為0的節(jié)點(diǎn)發(fā)出0條邊，因此總邊數(shù)e=2n2+n1；將兩個關(guān)于邊的等式聯(lián)立，有n0+n1+n2-1=2n2+n1，得n0-1=n2，即n0=n2+1。

2.4 二叉樹模型的權(quán)重

用R表示審查資料各影響因素的特征矩陣,N表示影響資料審查的各因素，c表示各個時刻,μ(v) 表示資料審查各因素c相應(yīng)量值v的隸屬度,由m個因素N、n個時刻(c1、c2、…、cn)、評價量值μ(vxj)(x=1,2,…,m;j=1,2,…,n)構(gòu)成的陣列為：

(2)

Rmn稱為資料審查的特征矩陣。

若以Rw表示影響每一評價資料各項因素的權(quán)矩陣，并以wi(i=1,2,…,n)表示每一資料第i項因素的權(quán)重，則有一層關(guān)聯(lián)權(quán)特征矩陣：

(3)

具有若干層次影響因素的資料審查，對應(yīng)的權(quán)重也分為若干層，以兩層為例，兩層關(guān)聯(lián)權(quán)特征矩陣為：

(4)

式(4)中cik表示資料審查影響層次模型中第i項主要影響因素所屬的第k項次要影響因素，與其對應(yīng)的權(quán)重用wik(i=1,2，…,n)來表示。其余層次關(guān)聯(lián)權(quán)特征矩陣可依次類推。

對資料審查系統(tǒng)各項影響因素相應(yīng)的隸屬度通過關(guān)聯(lián)變換得到各自的關(guān)聯(lián)因數(shù)ξxj，進(jìn)而構(gòu)造關(guān)聯(lián)因數(shù)特征矩陣，記為Rξ：

(5)

3 模型庫的插入位置和剔除算法

3.1 插入位置算法

3.2 剔除算法

在樹型模型庫中刪除一個節(jié)點(diǎn)，必須將因刪除節(jié)點(diǎn)而斷開的樹重新連接起來，同時確保模型庫樹的性質(zhì)不會丟失。此外，為了保證在執(zhí)行刪除后樹的搜索性能不降低，還需要確認(rèn)重新連接后樹的高度不能增加。

此處有如下規(guī)則： 如果被刪節(jié)點(diǎn)沒有子模型，直接刪除；如果被刪節(jié)點(diǎn)缺右子樹，可以使它的左子模型頂替原有位置；如果被刪節(jié)點(diǎn)缺左子樹，可以使它的右子模型頂替原有位置；如果被刪節(jié)點(diǎn)左、右子樹都存在，重新對其父節(jié)點(diǎn)及其以下所有節(jié)點(diǎn)模型的評價能力進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，計算被刪節(jié)點(diǎn)上所有子樹上模型與被刪節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)上模型評價能力的關(guān)聯(lián)度，選擇兩個關(guān)聯(lián)度最大的模型作為被刪節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)上模型的子節(jié)點(diǎn)模型，且左節(jié)點(diǎn)上模型相對于父節(jié)點(diǎn)上模型評價能力的關(guān)聯(lián)度大于右節(jié)點(diǎn)上模型相對于父節(jié)點(diǎn)上模型評價能力的關(guān)聯(lián)度。

4 基于樹型模型庫的用電資料審查算法

4.1 關(guān)聯(lián)變換算法

由式(5)可明顯看出，各項影響特征的隸屬度較為分散，不利于各因素在整體上的對比，有必要集中為一個值，一般采用加權(quán)集中處理。在此，提出一種確定權(quán)重的新方法，即先求出各因素在各時刻的特征之和，然后對各因素的特征作歸一化處理，得出各因素的關(guān)聯(lián)因數(shù)，再以查詢資料的重要性權(quán)值為中心，作各因素在各個時刻與用電資料的距離，最后對同一因素各個時刻的距離作均值處

理，即為各因素相對于待查詢用電資料的關(guān)聯(lián)度。

(1) 求出各因素特征的算術(shù)平均值：

(6)

(2) 對各因素特征進(jìn)行歸一化處理：

(7)

(3) 以Nk(1≤k≤m)為中心，計算Mi(i=1,2,…,k-1,k,k+1,…,m)到Nk(1≤k≤m)的距離dik(Ni,Nk)，得到：

(8)

(4) 組成資料審查各因素Ni(i=1,2,…,k-1,k,k+1,…,m)對因素Nk(1≤k≤m)的關(guān)聯(lián)度：

(9)

式(9)中rik表示用電資料審查實(shí)訓(xùn)影響系統(tǒng)第i項影響因素對第k項的關(guān)聯(lián)度。

4.2 用電資料審查分析

(1) 分析資料審查系統(tǒng)各因素間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)。

(2) 用關(guān)聯(lián)變換算法處理各影響因素的權(quán)特征，得到各因素相對于審查問題的關(guān)聯(lián)度。

(3) 計算各因素與待審查目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行排序。

(4) 以關(guān)聯(lián)度為評價指標(biāo)來研究各因素對審查問題的影響程度。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

以國網(wǎng)上海市電力公司培訓(xùn)中心的用電檢查人員資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為例進(jìn)行應(yīng)用論述。該系統(tǒng)硬件部分依托10kV典型客戶實(shí)訓(xùn)室中的計算機(jī)與交換機(jī)，不用進(jìn)行重新配置，硬件框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖

系統(tǒng)軟件分為兩大模塊： 教員模塊和學(xué)員模塊。其中，教員模塊具有賬號管理、圖紙錄入和修改、發(fā)送試卷等系統(tǒng)權(quán)限；學(xué)員模塊僅具有題庫練習(xí)和答題功能，不具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行更改的權(quán)限。系統(tǒng)軟件框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框架圖

教員模塊包含三套系統(tǒng)。

(1) 登錄系統(tǒng)(圖5)。允許教員進(jìn)行各類賬號的注冊、修改、管理操作(圖6)，防止無權(quán)限人員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改或破壞，保證系統(tǒng)不會因人為因素出現(xiàn)問題。

圖5 登錄界面

圖6 用戶管理界面

(2) 圖紙管理系統(tǒng)。允許進(jìn)行圖紙和試卷管理，將圖紙有效錄入數(shù)據(jù)庫，方便查詢和教學(xué)。

(3) 圖紙評測系統(tǒng)。允許進(jìn)行考核和審批，以及分發(fā)和回收試卷操作，審批過程中可以與正確圖紙進(jìn)行比對，方便發(fā)現(xiàn)錯誤，提高批卷效率。

學(xué)員模塊同樣包含三套系統(tǒng)。

(1) 登錄系統(tǒng)。允許進(jìn)行學(xué)員賬號注冊、修改操作，防止無權(quán)限人員進(jìn)入進(jìn)行操作練習(xí)。

(2) 練習(xí)系統(tǒng)。允許學(xué)員訪問試題庫進(jìn)行自由練習(xí)，通過練習(xí)提高讀圖識圖能力，全面提高審圖能力。

(3) 考核系統(tǒng)。接收教員發(fā)送的試卷進(jìn)行考核,教員發(fā)出開始考核命令后，自動接收試卷，并彈窗提示開始考核,答題完畢后可提前交卷。

通過對10kV典型配電資料實(shí)訓(xùn)審查研究，確認(rèn)用電檢查人員進(jìn)行圖紙審核時需提交的資料明細(xì)包括： ① 受電工程設(shè)計及說明；② 負(fù)荷組成及用電設(shè)備清單；③ 影響電能質(zhì)量的用電設(shè)備清單；④ 主要電氣設(shè)備一覽表；⑤ 受電裝置接線圖及平面布置圖；⑥ 繼電保護(hù)及電能計量方式；⑦ 隱蔽工程設(shè)計資料；⑧自備電源及接線方式。

系統(tǒng)提供了10kV受電工程設(shè)計圖紙，可以在以下方面進(jìn)行性能比對： ① 所有高低壓設(shè)備選型是否合理，是否有淘汰和高能耗設(shè)備；② 變電所的總體布置是否合理，是否滿足防潮要求，易燃爆氣體、危險品是否處理妥當(dāng)，設(shè)備進(jìn)出口通道是否符合規(guī)定等；③ 變電所進(jìn)線方式是否符合工詢方案要求；④ 無功補(bǔ)償設(shè)備配置是否合理；⑤ 是否有沖擊、不對稱和諧波負(fù)荷的治理措施；⑥ 電能計量與準(zhǔn)確度等級是否滿足要求；⑦ 防電倒送連鎖與閉鎖配合是否完善；⑧ 五防裝置是否合理；⑨ 線路路徑、導(dǎo)線截面積載流量是否合規(guī)；⑩ 保護(hù)裝置配置。可見，基于二叉樹模型的用電檢查人員資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以有效提供待查問題的所需資料，實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

6 結(jié)論

針對以往電力培訓(xùn)資料隨機(jī)存儲等缺點(diǎn)，建立了用電資料二叉樹模型庫，并研究了插入位置算法和剔除算法，在模型庫的基礎(chǔ)上建立了用電檢查人員資料審查實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用關(guān)聯(lián)變換算法，軟硬件技術(shù)成熟，可切實(shí)提高用電檢查人員的審查水平，應(yīng)用效果良好。

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