基于文本數(shù)據(jù)特征識別的電力運(yùn)營信息模型設(shè)計(jì)

俞陽，鄒云峰，康雨萌，孫少辰

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心，江蘇南京 210000）

在電力服務(wù)運(yùn)營過程中，各電網(wǎng)公司積累了海量、多樣化的電力運(yùn)營數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)占80%以上[1-3]，如錄音、文本數(shù)據(jù)等。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要來自于電網(wǎng)公司的客戶服務(wù)系統(tǒng)，其文本數(shù)據(jù)蘊(yùn)含客戶故障報修、信息查詢、業(yè)務(wù)辦理等業(yè)務(wù)需求[4-5]。如何充分利用該文本數(shù)據(jù)，深入了解客戶的真實(shí)需求，對進(jìn)一步提高供用電服務(wù)水平、改善用戶用電體驗(yàn)均具有重要意義。

基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)文本數(shù)據(jù)的特征分析，因此文本挖掘技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。文本挖掘技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能算法等，實(shí)現(xiàn)文本中有價值信息的提取[6-7]。目前，文本挖掘在電力領(lǐng)域的應(yīng)用主要有電力設(shè)備的狀態(tài)感知、故障診斷和系統(tǒng)可靠性評估等[8-10]，但其在電力運(yùn)營領(lǐng)域應(yīng)用較少。

針對此，該文將文本挖掘技術(shù)應(yīng)用于電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)的信息處理，以實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)營文本分類。同時深入了解電力客戶需求，進(jìn)而提高電網(wǎng)公司服務(wù)水平。

1 電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)預(yù)處理

電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)特征識別的流程框架，如圖1所示。將輸入的文本數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理得到文本數(shù)據(jù)的中間形式，然后通過文本特征識別模型挖掘文本數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系，最終輸出文本特征識別結(jié)果。若原始運(yùn)營文本數(shù)據(jù)質(zhì)量差，則將大幅降低對特征識別結(jié)果的準(zhǔn)確率。因此，文本預(yù)處理是進(jìn)行文本數(shù)據(jù)挖掘與特征提取的關(guān)鍵前置步驟。

圖1 文本數(shù)據(jù)特征識別流程

1.1 電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)特征分析

典型的電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)具有以下明顯的特征[11]：文本長度短、專業(yè)性強(qiáng)、規(guī)范性差、價值密度低。

因此，文本數(shù)據(jù)的預(yù)處理對于剔除電力運(yùn)營文本信息中的異常數(shù)據(jù)，過濾無實(shí)際意義的文本信息，并最終實(shí)現(xiàn)對地點(diǎn)、故障等關(guān)鍵特征的提取具有重要意義。該文采用的電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟包括：文本清洗和文本分詞。

1.2 電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)清洗

電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)清洗流程如圖2 所示[12]，主要包括以下步驟：剔除空白文本數(shù)據(jù)、剔除過短文本數(shù)據(jù)、規(guī)則過濾文本數(shù)據(jù)。

1.3 基于Dijkstra的文本分詞算法

基于迪杰斯特拉（Dijkstra）的文本分詞算法步驟，如圖3 所示[13]。

由圖3 可知，其主要包含以下步驟：

1）構(gòu)建文本數(shù)據(jù)的有向無環(huán)圖，假設(shè)A=a1a2…ai-1ai…aj…an為文本數(shù)據(jù)，其中ai為單個文字，文本數(shù)據(jù)共包含n個文字。如圖4 所示，構(gòu)建的有向無環(huán)圖G方法如下：

圖4 文本數(shù)據(jù)對應(yīng)的有向無環(huán)圖

1）G包含n+1 個節(jié)點(diǎn)V0,…,Vn，任意相鄰節(jié)點(diǎn)Vi和Vi+1通過有向邊連接，方向從Vi指向Vi+1，該邊對應(yīng)詞ai，邊的權(quán)重值為wi；

2）對于詞典中的詞Bk=aiai+1…aj，則在節(jié)點(diǎn)Vi-1與Vj之間增加一條有向邊，方向從Vi-1指向Vj，該邊對應(yīng)詞Bk，邊的權(quán)重值為wk。

2）將文本數(shù)據(jù)對應(yīng)的有向無環(huán)圖G中的節(jié)點(diǎn)劃分為兩類：已知最短路徑的節(jié)點(diǎn)與未知最短路徑的節(jié)點(diǎn)，分別對應(yīng)節(jié)點(diǎn)集合S和U。將中間向量L={lk}，lk表示節(jié)點(diǎn)Vk到初始節(jié)點(diǎn)V0的最短路徑長度值。

3）初始狀態(tài)下，S只包含初始節(jié)點(diǎn)V0，U包含節(jié)點(diǎn)V1,…,Vn共n個節(jié)點(diǎn)。然后從U中篩選到初始節(jié)點(diǎn)V0長度值最短的節(jié)點(diǎn)Vk，并將節(jié)點(diǎn)Vk從U轉(zhuǎn)移到S，且有：

4）將節(jié)點(diǎn)Vk當(dāng)作中繼節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)在U中搜索到初始節(jié)點(diǎn)V0的最短路徑。假設(shè)搜索的下一個節(jié)點(diǎn)為Vu，則有：

5）判斷是否搜索至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)Vg，若為否，則循環(huán)步驟3）和步驟4）；若是，則退出循環(huán)，輸出結(jié)果。

2 電力運(yùn)營信息模型設(shè)計(jì)

2.1 TF-IDF模型

經(jīng)過上述電力運(yùn)營文本分詞，將得到包含文本數(shù)據(jù)含義的特征項(xiàng)。該文采用詞頻-逆向文檔頻率算法（Term Frequency-Inverse Document Frequency，TF-IDF）來提取這些特征項(xiàng)。TF-IDF 是文本挖掘中常用的基于文本相似的特征提取技術(shù)，采用權(quán)重來評估單詞、句子甚至文檔的重要性[14]。

TF-IDF 的核心思想是對于一個單詞，其高頻率地出現(xiàn)于某個文本數(shù)據(jù)中，且該單詞又較少出現(xiàn)在總文本樣本中的其他文本數(shù)據(jù)中。則可以認(rèn)為該單詞對于該文本樣本具有較強(qiáng)的區(qū)分能力，能夠用作為該文本數(shù)據(jù)的分類標(biāo)簽。因此，TF-IDF 算法采用詞頻與逆向文檔頻率之乘積作為權(quán)重，其計(jì)算方法如下：

式中，TFi,j是單詞i在文本j中的出現(xiàn)頻率，計(jì)算方法如下：

IDFi描述的是單詞i在其他文本中出現(xiàn)頻率的倒數(shù)，計(jì)算方法如下：

式中，D為文本樣本總數(shù)，{j:i∈j} 為包含單詞i的文本數(shù)量。為了避免所有文本樣本不包含單詞i導(dǎo)致分母為零的情況，通常在{j:i∈j} 的基礎(chǔ)上加1。

2.2 數(shù)據(jù)處理模型

1）深度學(xué)習(xí)模型

典型深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其由輸入層、輸出層和多層隱藏層構(gòu)成。

圖5 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)通過層層迭代實(shí)現(xiàn)信息傳播與特征的學(xué)習(xí)。層與層之間的關(guān)系如下：

式中，zl表示l層的輸入信息；fl-1()表示l-1 層的激活函數(shù)；Wl與bl分別為從l-1 層到l層的權(quán)重值和偏置值。

2）LSTM 模型

對于處理具有時間序列特征的數(shù)據(jù)樣本，傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)模型適應(yīng)性較差，因此長短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）模型由此發(fā)展而來，其屬于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）的一種。RNN 的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖6 所示。其與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于隱藏層的輸入由當(dāng)前時刻的輸入信息和上一時刻隱藏層的輸出信息構(gòu)成，從而使得網(wǎng)絡(luò)具備了記憶功能。

圖6 RNN結(jié)構(gòu)

LSTM 相對RNN 的區(qū)別在于LSTM 采用了特殊結(jié)構(gòu)的記憶單元作為循環(huán)單元[15-16]。典型記憶單元的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 LSTM結(jié)構(gòu)

由圖7 可知，LSTM 引入了一個內(nèi)部狀態(tài)ct，計(jì)算方式如下：

式中，ft∈[0,1]D、it∈[0,1]D、ot∈[0,1]D分別為遺忘門、輸入門和輸出門的狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)信息傳輸路徑的控制。為中間狀態(tài)，計(jì)算方式如下：

上述三個門實(shí)現(xiàn)的功能如下：遺忘門實(shí)現(xiàn)上一時刻內(nèi)部狀態(tài)遺忘信息的控制；輸入門實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時刻中間狀態(tài)保留信息的控制；輸出門實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時刻內(nèi)部狀態(tài)輸出信息的控制。其計(jì)算方式如下：

2.3 信息處理算法

基于上述算法模型，設(shè)計(jì)了基于TF-IDF-LSTM的電力運(yùn)營信息處理算法流程，如圖8 所示。將電力運(yùn)營原始文本作為輸入，然后進(jìn)行文本清洗、文本分詞等數(shù)據(jù)預(yù)處理操作；進(jìn)一步基于TF-IDF 算法實(shí)現(xiàn)文本數(shù)據(jù)特征的提?。蛔罱K，通過LSTM 模型實(shí)現(xiàn)電力運(yùn)營文本的分類識別。

圖8 電力運(yùn)營信息處理算法流程

3 算例分析

為驗(yàn)證該文所提算法的準(zhǔn)確性和有效性，文中選取某電網(wǎng)公司在2020 年的10 000 條真實(shí)電力運(yùn)營文本數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本，并將其以4∶1 的比例隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測試集。分類結(jié)果包括業(yè)務(wù)辦理、信息查詢、停送電查詢、法律法規(guī)、服務(wù)質(zhì)量、停電、電能質(zhì)量和供電安全共八類。

3.1 電力運(yùn)營信息處理算法性能對比

選取LSTM、TF-IDF-SVM 兩種算法與該文所提TF-IDF-LSTM 算法進(jìn)行對比。選取2 000 條測試文本數(shù)據(jù)，一級分類結(jié)果的準(zhǔn)確率如表1 所示；二級分類結(jié)果的準(zhǔn)確率如表2 所示。

表1 一級分類不同算法的性能對比

表2 二級分類不同算法的性能對比

對于一級分類，所提TF-IDF-LSTM 算法的準(zhǔn)確率為92.6%，LSTM 與TF-IDF-SVM 算法的準(zhǔn)確率分別為84.1%和84.8%；對于二級分類，所提TF-IDFLSTM 算法的分類準(zhǔn)確率均大于90%，LSTM 和TFIDF-SVM 算法分類準(zhǔn)確率均小于90%。

由此可見，該文所提TF-IDF-LSTM 算法具有更高的分類準(zhǔn)確率。這是因?yàn)槲闹兴崴惴ㄏ啾扔贚STM 算法，通過TF-IDF 算法提取特征信息，實(shí)現(xiàn)了分類學(xué)習(xí)模型的預(yù)訓(xùn)練。相比于TF-IDF-SVM 算法，LSTM 算法通過記憶單元的特殊結(jié)構(gòu)提高了模型的學(xué)習(xí)能力，從而提升電力運(yùn)營文本分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 電力運(yùn)營信息處理算法應(yīng)用效果

將該文所提算法模型應(yīng)用于該電網(wǎng)公司2018-2020 年中的全部電力運(yùn)營信息文本，得到的文本分類結(jié)果如圖9 所示，縱坐標(biāo)代表數(shù)據(jù)量。可以看到在客戶的反饋中，業(yè)務(wù)辦理、信息查詢和停送電查詢這三類比重較大，占全部業(yè)務(wù)訴求的91%。對于這三類業(yè)務(wù)的處理，電網(wǎng)公司可以進(jìn)一步加大網(wǎng)上業(yè)務(wù)辦理以及微信查詢等功能的應(yīng)用推廣。以滿足客戶的業(yè)務(wù)需求，并減少客服人工資源的投入，提高運(yùn)營服務(wù)水平。

圖9 電力運(yùn)營文本分類結(jié)果

4 結(jié)束語

該文開展了文本挖掘技術(shù)在電力運(yùn)營信息中的應(yīng)用研究，提出了基于TF-IDF-LSTM 的電力運(yùn)營文本分類方法。通過算例分析表明：文中所提算法相比于僅采用LSTM 算法，能夠通過TF-IDF 算法實(shí)現(xiàn)文本特征單詞的預(yù)提取，且提高模型的泛化能力；相比于TF-IDF-SVM 模型，采用LSTM 算法具有更高的學(xué)習(xí)能力，且分類結(jié)果更加準(zhǔn)確。然而該文僅實(shí)現(xiàn)了對電力運(yùn)營文本的分類，如何結(jié)合電力生產(chǎn)的文本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的精準(zhǔn)定位，輔助電力運(yùn)維業(yè)務(wù)的智能化，將在未來的研究中展開。