語義網(wǎng)技術及其在供電企業(yè)中的應用前景

張燁華，張子仲，顧建煒

（1.國網(wǎng)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(wǎng)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(yè)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(gòu)架及能夠獲取整個運行系統(tǒng)信息，并進行控制的供電企業(yè)，才能與日益變化的商業(yè)環(huán)境相適應。

1 語義網(wǎng)基本概念

語義網(wǎng)由萬維網(wǎng)發(fā)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(wǎng)上的文檔加上能夠被計算機所理解的語義，使得整個互聯(lián)網(wǎng)成為一個通用的信息交換媒介，也就是數(shù)據(jù)網(wǎng)或者說全球數(shù)據(jù)庫[1-2]。本質(zhì)上，語義網(wǎng)將知識分布在萬維網(wǎng)上，使得不通過機器學習，讓系統(tǒng)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(yè)中有不同的業(yè)務系統(tǒng)，且這些業(yè)務系統(tǒng)對相同的業(yè)務對象有著不同的認識背景，語義網(wǎng)可以通過語義處理將不同知識領域關聯(lián)起來。如當某變壓器出現(xiàn)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(chǎn)信息、資源信息等[3-5]。傳統(tǒng)信息技術系統(tǒng)需要聯(lián)系各系統(tǒng)維護人員，對照數(shù)據(jù)字典，從各業(yè)務中心數(shù)據(jù)庫中逐一檢索并提取信息，這一過程極度依賴各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護人員[6-9]。當原維護人員離職或調(diào)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(nèi)容。極端情況下，甚至由于原維護人員的離開，導致失去原業(yè)務系統(tǒng)有關方面的資料，不得不重新規(guī)劃系統(tǒng)[10-11]。

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

2 語義網(wǎng)實現(xiàn)方式

語義網(wǎng)實現(xiàn)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(zhì)或?qū)傩?，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(qū)別性且內(nèi)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(tǒng)中“存在”一個事物，使得系統(tǒng)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(lián)系。例如，2臺不同業(yè)務系統(tǒng)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(wǎng)的主要組成部分。通俗來說，在系統(tǒng)中“鏡像”現(xiàn)實世界，進而獲取所需要的信息。圖1展示了語義網(wǎng)中各個關鍵技術的架構(gòu)分層。

圖1 語義網(wǎng)架構(gòu)

3 語義網(wǎng)在電力行業(yè)的應用前景

自2009年下半年起，國家電網(wǎng)公司開始全面建設智能電網(wǎng)，其中配電自動化是智能電網(wǎng)建設的一項重要內(nèi)容，現(xiàn)已在60多個城市建立了配電自動化系統(tǒng)[1]。目前，最常用的方法是使用可XML（擴展標記語言）作為數(shù)據(jù)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(nèi)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(tǒng)）在內(nèi)的在供電企業(yè)中的所有主要對象，即規(guī)定了書寫內(nèi)容。

但是CIM也有其局限性，如CIM沒有覆蓋電力行業(yè)所有業(yè)務信息范圍；UML（統(tǒng)一建模語言）不支持在ESM中對業(yè)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(yè)應用語義網(wǎng)技術，結(jié)合CIM模型，能夠更好地將模型驅(qū)動應用到更廣領域。

4 UML，CIM和語義網(wǎng)的關系

利用統(tǒng)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(lián)關系、組合關系和聚合關系等。

UML和語義網(wǎng)可在一定程度上互相轉(zhuǎn)換。但是相比而言，語義網(wǎng)更側(cè)重于領域知識的表示和共享，而UML更側(cè)重于建模過程中開發(fā)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(jié)合；不能將模型和數(shù)據(jù)結(jié)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(yè)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(wǎng)在建立本體的過程中，更多考慮的是業(yè)務領域而不是軟件工程。在語義網(wǎng)中，本質(zhì)上描述了資源和資源、資源和屬性之間的路線網(wǎng)，并基于此進行推理。因此，語義網(wǎng)對UML（CIM）來說，核心優(yōu)勢在于能進行語義推理。根據(jù)系統(tǒng)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(wǎng)的角度考慮，CIM本質(zhì)上不單單是一種數(shù)據(jù)交換規(guī)范，而是對一個本體的描述。CIM描述了電力行業(yè)各個業(yè)務領域的主體及其之間的關系。因此，可將CIM轉(zhuǎn)換為語義網(wǎng)中的本體，進而根據(jù)各業(yè)務系統(tǒng)需要增加主體及其間的關系，最終使得各個業(yè)務系統(tǒng)知識孤島得到互聯(lián)互通。

5 語義網(wǎng)優(yōu)勢

語義網(wǎng)對于傳統(tǒng)技術，使得計算機能夠存儲知識，利用知識實現(xiàn)一定程度的人工智能。傳統(tǒng)信息技術取決于維護人員，當維護人員離職或調(diào)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(huán)境，尤其表現(xiàn)在傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫的管理和SQL語句的操作上。語義網(wǎng)技術能夠使得計算機存儲并理解知識，進而理解業(yè)務環(huán)境，一定程度上不受限于開發(fā)、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(yè)維護成本。

6 簡單展示

以下選取某區(qū)域電網(wǎng)PMS（生產(chǎn)管理系統(tǒng)）和CIS（營銷系統(tǒng)）不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，通過語義網(wǎng)進行簡單展示。

表1數(shù)據(jù)來自于PMS，表2數(shù)據(jù)來自于CIS，二者均為傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫表。OID和OBJ_ID均表示各業(yè)務系統(tǒng)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(wǎng)，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(chǎn)變壓器和電氣系統(tǒng)資源變壓器有關聯(lián)關系，它們都是資源的子類；實例ID為80001104，是系統(tǒng)資源變壓器的一個實例。

圖2 PMS語義網(wǎng)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(shù)據(jù)庫中的關系。等價和重復這種關系在原始關系型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)根據(jù)所具有的知識推理判斷得出的。

圖5顯示了單一實例?？梢郧宄乜吹竭@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(wǎng)的強力支撐，賦予了原有數(shù)據(jù)以語義，使得模型、信息和數(shù)據(jù)的處理不再分割。因此，借助語義網(wǎng)強大的支撐，可以使得現(xiàn)有的信息系統(tǒng)得到本質(zhì)的提升。

表1 原始數(shù)據(jù)1

表2 原始數(shù)據(jù)2

圖3 PMS和CIS實例聯(lián)合展示

圖4 具有重復ID的實例

圖5 單一實例展示

7 結(jié)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(yè)能夠更有效、更靈活地進行運作。各個供電企業(yè)紛紛開始采用IEC主導的CIM作為自身信息系統(tǒng)的模型。但是，對于CIM的利用僅僅停留在將CIM作為數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，用于不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。文中通過介紹語義網(wǎng)技術，將UML、CIM和語義網(wǎng)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(yè)務系統(tǒng)間的知識壁壘，使得各個業(yè)務系統(tǒng)的知識孤島得以連接，促使各個知識孤島的合作和互聯(lián)。

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