曾利， 孟文

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于專家系統(tǒng)的電網(wǎng)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)

曾利， 孟文

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)電網(wǎng)操作票系統(tǒng)智能性不足的問題，運(yùn)用專家系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)倒閘操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)。通過分析電力系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)操作票專家系統(tǒng)的兩大核心組成部分知識(shí)庫和推理機(jī)分別進(jìn)行了研究，采用更簡潔的知識(shí)表示方式進(jìn)行知識(shí)庫的設(shè)計(jì)，采用Rete算法對(duì)專家系統(tǒng)推理機(jī)制進(jìn)行研究，完成了操作票專家系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。同時(shí)，在Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境中搭建基于Web的操作票系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)，通過服務(wù)方式調(diào)用專家系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)了指定操作任務(wù)下操作步驟的自動(dòng)生成，系統(tǒng)安全可靠，基本滿足了用戶的需求。

操作票；專家系統(tǒng)；知識(shí)庫；Rete算法；自動(dòng)生成

0 引 言

電力操作票制度是我國電力系統(tǒng)運(yùn)行管理中有效的安全措施[1]，編寫操作票是電力調(diào)度人員重要工作之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，結(jié)合專家系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)能代替工作人員完成開票的智能操作票系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在電力大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，智能操作票系統(tǒng)需要將龐大的數(shù)據(jù)群進(jìn)行更合理有效的提取與處理，目前操作票系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)也集中在提高性智能性方面[2-5]。

Rete算法作為規(guī)則引擎模式中匹配效率最高的算法之一，通過犧牲部分內(nèi)存來保存并充分利用之前匹配過程中的信息，以提高匹配效率[6]。本文根據(jù)電力系統(tǒng)的特性，對(duì)電網(wǎng)操作票自動(dòng)生成系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出系統(tǒng)的基本模型框架，并重點(diǎn)對(duì)專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用基于Rete算法的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)了操作票系統(tǒng)快速高效地自動(dòng)開票。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由專家系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)模塊、開票模塊、知識(shí)管理模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)模塊封裝系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的操作邏輯，其他模塊通過它實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的交互。專家系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)操作票的邏輯推理。知識(shí)管理模塊負(fù)責(zé)專家系統(tǒng)知識(shí)庫的更新，如知識(shí)的新增修改。開票模塊主要完成操作任務(wù)的設(shè)置、校核與分解，與專家系統(tǒng)配合完成開票過程。操作票種類涉及典型票、歷史票、廢票等，操作票管理模塊實(shí)現(xiàn)各類操作票的查詢、修改、導(dǎo)入導(dǎo)出以及定期清理等工作。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 專家系統(tǒng)知識(shí)庫的設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)的知識(shí)庫主要由事實(shí)庫和規(guī)則庫組成。事實(shí)庫中存儲(chǔ)推理需要的基礎(chǔ)事實(shí)及推理過程中產(chǎn)生的中間事實(shí)，基礎(chǔ)事實(shí)主要來源于電力系統(tǒng)的設(shè)備信息、設(shè)備連接關(guān)系、操作任務(wù)指令以及其他與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的元事實(shí)，中間事實(shí)主要是推理產(chǎn)生的操作步驟。規(guī)則庫中存儲(chǔ)依據(jù)電力操作規(guī)程和操作經(jīng)驗(yàn)建立的開票規(guī)則，以及對(duì)這些規(guī)則起約束、選擇和控制作用的元規(guī)則。

2.1 電力系統(tǒng)特性分析

對(duì)電力系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，有助于知識(shí)庫的合理設(shè)計(jì)。

電力系統(tǒng)操作具有順序性和關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)。電力規(guī)程規(guī)定設(shè)備四種基本工作狀態(tài)：運(yùn)行、熱備用、冷備用和檢修，電力設(shè)備四種狀態(tài)層次間的轉(zhuǎn)換只能通過相鄰狀態(tài)傳遞進(jìn)行，不能“越層”操作，這種“逐層操作”的特點(diǎn)即系統(tǒng)操作的順序性。由于電力設(shè)備間存在特定的連接關(guān)系，設(shè)備之間的操作既相互影響又相互制約，這集中體現(xiàn)在設(shè)備組內(nèi)的設(shè)備之間，即一種設(shè)備狀態(tài)的改變將導(dǎo)致關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)隨著改變，這種操作的影響即系統(tǒng)設(shè)備的關(guān)聯(lián)性。

2.2 操作票事實(shí)庫的設(shè)計(jì)

事實(shí)庫中存儲(chǔ)的核心事實(shí)是設(shè)備信息，它是整個(gè)系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其中，設(shè)備事實(shí)需要包含設(shè)備的基礎(chǔ)信息與設(shè)備之間的連接關(guān)系，操作任務(wù)作為系統(tǒng)推理的啟發(fā)性事實(shí)，攜帶用戶設(shè)置的操作對(duì)象與狀態(tài)切換指令。

根據(jù)電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備類型，抽象出母線、線路、變壓器、斷路器與刀閘設(shè)備類，建立設(shè)備事實(shí)模板，定義名稱、編號(hào)、電壓等級(jí)、狀態(tài)等基本屬性，然后通過數(shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的交互，將數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備信息寫入到事實(shí)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。

根據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)備操作的關(guān)聯(lián)性特點(diǎn)，實(shí)際操作現(xiàn)場(chǎng)中各設(shè)備之間存在固定的連接關(guān)系，所以為設(shè)備類型設(shè)置組編號(hào)屬性，同一組內(nèi)的設(shè)備具有相同的編號(hào)。推理機(jī)在推理時(shí)可直接定位到目標(biāo)操作對(duì)象所在的設(shè)備組內(nèi)進(jìn)行搜索，因此不需要遍歷其他對(duì)象，保證了推理機(jī)高效的搜索效率。

2.3 操作票規(guī)則庫的設(shè)計(jì)

在特定的操作背景和操作規(guī)程的約束下，給定操作任務(wù)指令就可推理得到正確的操作步驟，其中操作規(guī)程以開票規(guī)則的形式寫入規(guī)則庫。根據(jù)電力系統(tǒng)操作的關(guān)聯(lián)性，設(shè)備之間遵循一定的操作順序，必須滿足電力操作規(guī)則，如“禁止帶電拉合刀閘”、“禁止帶接地刀閘合隔離開關(guān)”等。制定開票規(guī)則時(shí)，用規(guī)則優(yōu)先級(jí)來實(shí)現(xiàn)這種操作的關(guān)聯(lián)性，同一任務(wù)指令下形成對(duì)應(yīng)的規(guī)則鏈。同時(shí)依據(jù)電力系統(tǒng)操作的順序性，在進(jìn)行規(guī)則表示時(shí)，只需考慮相鄰狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原子任務(wù)的開票規(guī)則，其他操作任務(wù)的推理結(jié)果由各原子任務(wù)推理結(jié)果按序合成，從而縮減了規(guī)則數(shù)量，減輕了專家系統(tǒng)的推理工作。

3 基于Rete算法的推理機(jī)制的設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)推理機(jī)制主要包括搜索、匹配、沖突裁決和觸發(fā)四個(gè)部分。傳統(tǒng)的推理引擎存在正向推理和逆向推理兩種方式[7]。本文采用基于Rete算法的正向推理機(jī)制來研究操作票的生成過程。

Rete算法通過形成一個(gè)規(guī)則集對(duì)應(yīng)的Rete網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳播的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，從網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)出發(fā)往下走，匹配的數(shù)據(jù)將逐步減少，直至到達(dá)終節(jié)點(diǎn)，完成一個(gè)模式匹配過程[8]。

Rete網(wǎng)絡(luò)圖是一種數(shù)據(jù)流動(dòng)圖，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為四種：根節(jié)點(diǎn)、類型節(jié)點(diǎn)、alpha節(jié)點(diǎn)和beta節(jié)點(diǎn)。其中，根節(jié)點(diǎn)為虛擬節(jié)點(diǎn)，是所有對(duì)象進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的入口。類型節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)事實(shí)的類型，事實(shí)從對(duì)應(yīng)的類型節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Rete網(wǎng)。alpha節(jié)點(diǎn)主要進(jìn)行同對(duì)象類型內(nèi)的屬性約束，beta節(jié)點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)不同類型對(duì)象屬性的連接工作[9]。

下面以斷路器由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用的規(guī)則為例來闡釋Rete網(wǎng)絡(luò)的編譯算法。任務(wù)分解為運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用(01)和熱備用轉(zhuǎn)冷備用(12)兩個(gè)原子任務(wù)，下面列出主要的開票規(guī)則：

規(guī)則1：IF操作任務(wù)為斷路器a由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用，THEN 斷開斷路器a

規(guī)則2：IF操作任務(wù)為斷路器a由熱備用轉(zhuǎn)冷備用，THEN 斷開線路側(cè)刀閘b

規(guī)則3：IF操作任務(wù)為斷路器a由熱備用轉(zhuǎn)冷備用并且線路側(cè)刀閘b在分位置，THEN 斷開母線側(cè)倒閘c

根據(jù)Rete網(wǎng)絡(luò)的編譯算法，建立規(guī)則匹配的網(wǎng)絡(luò)圖，如圖2所示，其中Ai(i=1,2,…,5)表示alpha節(jié)點(diǎn)，Bj(j=1,2,3,4)表示beta節(jié)點(diǎn)，Rk(k=1,2,3)表示規(guī)則。初始事實(shí)進(jìn)入Rete網(wǎng)絡(luò)通過類型節(jié)點(diǎn)過濾形成alpha節(jié)點(diǎn)，A1和A2匹配成功形成B1，與R1匹配成功激發(fā)R1；R1執(zhí)行完畢后，原子任務(wù)12進(jìn)入Rete網(wǎng)形成A5，A5相繼與A2、A3匹配得到B3，與R2匹配成功激發(fā)R2，B3繼續(xù)與A4匹配形成B4，與R3匹配成功而激發(fā)R3。

從圖2可以看出，圖中存在大量節(jié)點(diǎn)共享的現(xiàn)象，已經(jīng)完成模式匹配的節(jié)點(diǎn)會(huì)保存在內(nèi)存中，在執(zhí)行下一次匹配過程時(shí)可直接調(diào)用而避免重復(fù)操作，例如B3共享B2節(jié)點(diǎn)。Rete算法的這種節(jié)點(diǎn)共享和狀態(tài)保存的特點(diǎn)使得它比傳統(tǒng)模式匹配算法具有更高的執(zhí)行效率。

圖2 Rete網(wǎng)絡(luò)圖

4 推理開票的實(shí)現(xiàn)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)需要更簡潔的客戶端和友好的操作方式來更好地服務(wù)用戶[10]，本文以Visual Studio2010為開發(fā)平臺(tái)，MySQL為工具開發(fā)基于Web的智能操作票系統(tǒng)平臺(tái)，專家系統(tǒng)以模塊化方式嵌入系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)。在用戶界面完成操作任務(wù)的設(shè)置、校核與分解后，開票界面通過Web服務(wù)的方式調(diào)用專家系統(tǒng)模塊，操作任務(wù)作為啟發(fā)事實(shí)寫入到事實(shí)庫，推理機(jī)通過Rete網(wǎng)絡(luò)的搜索匹配過程而激發(fā)規(guī)則，添加操作步驟到事實(shí)庫，最終將結(jié)果輸出到開票界面，如圖3所示。

圖3 推理開票

5 結(jié)束語

電網(wǎng)操作票系統(tǒng)的智能性一直是研究的熱點(diǎn)。本文采用模塊化的方式對(duì)倒閘操作票專家系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，各模塊之間協(xié)同配合，協(xié)作專家系統(tǒng)模塊共同完成了操作票的自動(dòng)生成。模塊化的開發(fā)方式使系統(tǒng)具有良好的可移植性，同時(shí)專家系統(tǒng)可應(yīng)用于其他智能系統(tǒng)的開發(fā)，安全可靠，大大降低了開發(fā)成本。

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An Automatic Generation System for the Power Network Operation Order Based on the Expert System

Zeng Li1, Meng Wen2

(College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

An automatic generation system is realized for the switch change operation order by means of expert system technology in view of inadequate intelligence of the power network operation order system. The two core components of the operation order expert system - knowledge base and inference engine - are studied through analysis of the characteristics of the electrical power system. The knowledge base is designed in a more compact knowledge representation mode, and the inference engine of the expert system is studied by means of Rete algorithm. Thus, we complete our preliminary design of the operation order expert system. In the meanwhile, a Web-based basic platform of the operation order is built up in Visual Studio 2010 development environment. The expert system module is called in the service mode to realize automatic generation of operational sequences based on assigned operation task. The system is safe and reliable and can basically meet the requirements of users.

operation order； expert system； knowledge base； Rete algorithm； automatic generation

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.019

TM732

A

1000-3886(2017)01-0064-02

曾利(1991-)，女，四川巴中人，碩士生，專業(yè)：機(jī)械電子工程，研究方向?yàn)殡娏CADA系統(tǒng)開發(fā)。 孟文(1966-)，男，四川德陽人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院老師，主要從事智能控制技術(shù)及應(yīng)用方面的研究教學(xué)工作。

定稿日期: 2016-07-19