基于知識圖譜與優(yōu)化數(shù)據(jù)架構的電力服務系統(tǒng)設計

張 靖，方 銳，周 婕，張 迪

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司信息通信分公司，安徽合肥 230000）

當前，電力公司的營銷服務主要包括95598 電話、掌上電力、電e 寶、微信公眾號與營業(yè)廳現(xiàn)場等多種方式[1-5]。其中線下服務渠道人員成本較高，且服務范圍有限；而線上服務渠道僅限于客戶業(yè)務的線上自助辦理，故無法提供實時在線的人工客服功能。以某省公司為例，該省營銷服務中心的人工客服坐席有20 余人，服務方式仍為線上通話，基本可滿足話務需求。但其一對一的服務模式不僅時效性較差，且還無法提供圖片等多媒體交互方式[6-11]。隨著線上咨詢工單數(shù)量的迅速增加，現(xiàn)有客服人員的規(guī)模與工作模式已難以滿足客戶日益增長的服務訴求。因此，亟需增加多元化的在線互動服務模式。即通過拓展文字、圖片等交互手段來實現(xiàn)一對多的服務方式，進而提高人工坐席的工作效率，并提升客服人員的服務質(zhì)量。

知識圖譜(Knowledge Graph)是實現(xiàn)電力服務智能化中智能問答及搜索的關鍵技術。該技術是一種由節(jié)點和邊組成的語義網(wǎng)絡，其特點是規(guī)模龐大、數(shù)據(jù)稀疏，還可根據(jù)系統(tǒng)需求不斷增長數(shù)據(jù)量。因此，如何實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲，并在海量噪聲數(shù)據(jù)下完成對知識圖譜的查詢是智能化服務的關鍵。該文基于知識圖譜設計了線上電力服務系統(tǒng)，同時對其數(shù)據(jù)存儲架構設計、查詢方法進行了深入研究。

1 理論基礎

1.1 系統(tǒng)設計

文中基于軟件工程理論的指導進行了系統(tǒng)設計。在該理論下，需要通過詳細的需求分析將系統(tǒng)的相關功能轉(zhuǎn)化為軟件技術可實現(xiàn)的模塊。

根據(jù)前期調(diào)研，參與電力智能化服務業(yè)務的人員主要可分為三類，其各自的角色定義如表1所示。

表1 智能化服務的角色定義

為實現(xiàn)電力服務的智能化，設計了系統(tǒng)功能模塊，具體如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊設計

各模塊的功能如下：

1）在線服務接入

該模塊主要用于實現(xiàn)在線會話流程的創(chuàng)建、會話服務的分派與人工服務的接入等。同時還可智能化判斷客戶接入的優(yōu)先級，并完成對客戶排隊策略的控制，從而進行智能化的服務引導。

2）人工交互管理

該模塊主要負責線上人工服務對接與在線業(yè)務受理。具體服務包括智能識別用戶需求、實現(xiàn)會話控制和及時完成在線交互等。此外其還能為客戶提供智能化的問答內(nèi)容推薦，并進行服務指導。最終，再根據(jù)用戶的需求完成電力報修、工單生成等服務。

3）知識圖譜管理

該模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的核心模塊。文中依據(jù)電網(wǎng)運行、用電服務過程中積累的結構化或非結構化數(shù)據(jù)進行規(guī)律性組織，進而構建知識圖譜并輔助客服人員對線上業(yè)務加以辦理。在該模塊中，首先需完成知識圖譜的建模，包括概念定義、屬性定義及關系規(guī)約的建立；其次，進行結構化數(shù)據(jù)的架構，實現(xiàn)知識圖譜的高效存儲；最后，實現(xiàn)對知識圖譜的模糊、精準、關聯(lián)及推薦等多維度搜索。

4）系統(tǒng)支撐管理

該模塊主要實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)、服務及告警的智能化監(jiān)控；并對系統(tǒng)的運行參數(shù)、用戶權限等進行設置與管理?？蛻羰褂么四K能夠查詢用戶信息、用電量、電費、繳費記錄及停電公告等。

1.2 知識圖譜的查詢算法

該文基于FastDFS 文件系統(tǒng)實現(xiàn)了知識圖譜的分布式存儲，而如何快速、有效地完成知識圖譜查詢是提升電力服務系統(tǒng)效率的關鍵。因此，文中引入了一種分布式知識圖譜查詢的方法[12-13]。

知識圖譜的本質(zhì)是一張具備頂點標簽的實體網(wǎng)絡，在FastDFS 文件系統(tǒng)上，通過圖的數(shù)據(jù)結構進行存儲。因此，知識圖譜的查詢可轉(zhuǎn)化為數(shù)學中的子圖匹配問題[14-15]。首先，以無向圖表示知識圖譜過程的表達式如下：

式中，v、u表示知識圖譜的頂點，V、E、T和L分別是頂點、邊、頂點類型與標簽類型的集合。記全量的知識圖譜、查詢的子圖分別為G=(VG、EG、T、L)和Q=(VQ、EQ、T、L)。

在查詢過程中，還需定義Q、G之間的相似度。則此時需引入鄰域向量：

式中，q∈V，m為Q的頂點個數(shù)。φQ的計算方式如下：

式中，lu,v是兩個頂點間的最短路徑長度，nu,v則是最短路徑的數(shù)量，α為取值在[0,1]之間的調(diào)節(jié)因子。

基于式（2）的定義，對于查詢頂點qi，可得到其與匹配頂點鄰域向量間的相似度：

其中，f是圖的一個嵌入。而Θ 的定義方式如下：

圖2 給出了算法對于圖譜的查詢示意，已知Q找到了兩個嵌入f1和f2。通過式（2）的鄰域計算與式（4）相似度對比，得到f1(q3)為更優(yōu)匹配點。

圖2 查詢圖與查詢結果

為避免采用枚舉法(Enumeration Method)來求解子圖匹配的問題，該文對每個待搜索的頂點均進行了篩選，并在G中提取高質(zhì)量頂點，以縮小搜索空間。對于嵌入f，將其代價C分解可得：

2 方法實現(xiàn)

2.1 分布式存儲系統(tǒng)搭建

文中設計的電力服務系統(tǒng)預計用戶規(guī)模為2 500 萬，并根據(jù)通用估算公式：并發(fā)數(shù)=（用戶總量/統(tǒng)計時間）×影響因子=(25 000 000/(8×60×60))×1≈868，估算出系統(tǒng)的并發(fā)用戶量約為1 000 個。因此，服務系統(tǒng)的知識圖譜建設需求如表2 所示。

表2 系統(tǒng)建設需求

經(jīng)前期的數(shù)據(jù)庫設計，知識圖譜共包含84 張數(shù)據(jù)表，涉及795 個字段。其中包括了電力服務的知識、問題與素材等數(shù)據(jù)，后續(xù)每年的增長量為110 GB。為滿足上述需求，并保證知識圖譜的存儲、查詢及擴增效率，采用分布式的文件架構FastDFS 實現(xiàn)存儲，具體架構如圖3 所示[16]。

圖3 系統(tǒng)硬件架構

根據(jù)FastDFS 架構，系統(tǒng)中部署了3 臺追蹤服務器(Tracker)并開啟22122 端口偵聽，進而保證客戶端(Client)可通過專用的API 接口找到對應的存儲服務器(Storage)。同時，還使用了9 臺Storage 來保存知識圖譜的元數(shù)據(jù)。且將這9 臺Storage 分成3 個集群(Group)，每個集群有3 臺Storage。所有的Storage 均默認開啟23000 端口以監(jiān)聽服務端請求。此外Storage 及Tracker 的單機配置一致，具體如表3 所示。

表3 單臺服務器配置

系統(tǒng)實現(xiàn)時，其他相關技術參數(shù)如表4 所示。

表4 知識圖譜管理后臺技術實現(xiàn)參數(shù)

2.2 系統(tǒng)測試結果

在系統(tǒng)實現(xiàn)后，需對上文知識圖譜查詢方法的查找效率進行驗證。文中使用RDF-3X、NESS 算法與該文方法進行對比，算法的相關特性對比如表5所示。

表5 3種算法相關特性對比

從表中可以看出，相較于現(xiàn)有算法，該文算法可完全支持知識圖譜的近似匹配，且對于數(shù)據(jù)的組織形式要求也較低，故其應用場景更為廣泛。在進行查詢測試時，結合電力服務場景設計了100 個查詢實例，測試結果如表6 所示。

表6 查詢測試結果

從表中可以看出，3 種算法的匹配精度在相同空間復雜度下基本一致，但該文算法相較RDF-3X、NESS 分別提升了0.88%及1.71%。該文算法的提升主要體現(xiàn)在知識圖譜的查詢效率上，相較于RDF-3X和NESS算法，用時分別降低了85.59%和73.71%。

最后，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫后臺的相關性能進行了普通黑盒測試和業(yè)務高峰下的壓力實驗，結果如表7所示。

表7 壓力測試結果

作為對比，該文通過斷開部分Storage 和Tracker間的通信，來模擬采用集中式存儲文件系統(tǒng)的SQL響應和知識圖譜查詢時間，具體結果如表8 所示。

表8 集中式存儲文件系統(tǒng)的測試結果

根據(jù)表7、8 可知，該文算法采用分布式存儲對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構優(yōu)化后，在業(yè)務高峰時期，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的SQL 平均響應時間從22.3 s 降低到9.3 s，降低了58.3%；知識圖譜的查詢時間從26.2 s 降低到2.18 s，降低了91.7%。

3 結束語

該文以提升電力營銷服務的智能化水平為目的，整合現(xiàn)有的營銷服務體系，設計了電力服務平臺。文中對知識圖譜的存儲、查詢兩項關鍵技術進行了研究，保障了系統(tǒng)在高并發(fā)下的運行效率和后期數(shù)據(jù)增長的可擴展性。系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)可以進一步提高電力公司業(yè)務辦理效率，提升服務管控水平。