楊 祎，崔其會，秦佳峰，鄭文杰，喬 木

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著信息化的快速發(fā)展，電網(wǎng)企業(yè)在電網(wǎng)輸變電設(shè)備故障檢修與維護環(huán)節(jié)積累了大量的電網(wǎng)設(shè)備缺陷、故障及檢修記錄等文本數(shù)據(jù)［1］。其中包含了設(shè)備故障及檢修的詳細內(nèi)容，具有很高的專業(yè)價值，是故障診斷的寶貴經(jīng)驗［2］。檢修人員可從相似案例中獲取檢修流程、技術(shù)、手段、效果的相關(guān)知識，對檢修工作具有很大參考價值［3-4］。然而，由于其體量大、內(nèi)容豐富，人工查閱學(xué)習(xí)周期長，無法直接利用大量的故障案例文本的信息價值。

當(dāng)前，電網(wǎng)領(lǐng)域的文本匹配技術(shù)應(yīng)用研究成果較少，大多數(shù)文本匹配的方法都是通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建孿生網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測兩個故障案例的相似度。但是，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與長短期記憶網(wǎng)絡(luò)均忽略了海量無標(biāo)簽文本數(shù)據(jù)中潛在的深層語義信息，無法準(zhǔn)確把握每條案例的深層信息，造成對預(yù)測上準(zhǔn)確率不高并且存在較大的誤傷。

本文從大量的電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)出發(fā)，分析故障案例特點，提取案例過程、案例分析、經(jīng)驗體會、案例名稱等關(guān)鍵信息；相似案例推送需要用戶先給出一個案例作為輸入，模型從眾多候選案例中選出與輸入案例匹配度高的案例進行推送。傳統(tǒng)的文本分類解決的問題是輸入一個案例，給出案例屬于哪一類，不能直接推送匹配度高的相似案例。本文為實現(xiàn)相似案例推送，將該問題轉(zhuǎn)換為文本中的特征句子對的二分類問題，以改進的預(yù)訓(xùn)練語言模型（Bidirectional Encoder Representations from Transformers，BERT）為基礎(chǔ)，構(gòu)建了故障案例文本匹配模型。文本匹配模型能充分提取兩個句子的特征并計算出匹配程度，根據(jù)匹配程度計算案例之間的相似程度，選擇相似度高的進行推送。通過實驗和分析，基于改進版的BERT 的故障案例匹配模型所達到的分類準(zhǔn)確率能夠滿足案例推送需求，是具有可行性的解決方法之一。

1 文本匹配概述

文本匹配研究兩段文本之間的關(guān)系，即可以看作分類問題也可以看作回歸問題。自然語言推理、文本相似度計算、問答系統(tǒng)、信息檢索等，都可以看作針對不同數(shù)據(jù)和場景的文本匹配應(yīng)用。文本匹配［5］一直以來是自然語言處理領(lǐng)域里一個重要又困難的技術(shù)，尤其是將其與各專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合應(yīng)用。近兩年自然語言處理技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)、金融、電商等領(lǐng)域發(fā)展迅速，且取得了不錯的成果，而在電網(wǎng)領(lǐng)域仍處于起步階段［6］。在國外，谷歌公司將文本匹配應(yīng)用到搜索引擎［7］中，從億萬數(shù)據(jù)中檢索出用戶輸入的相關(guān)聯(lián)內(nèi)容。在國內(nèi)，一些電商公司將文本匹配應(yīng)用到智能客服［8-9］中，先對用戶輸入的問題做相似問題匹配，并對該問題做出回答，大幅度提升工作效率，減少人工客服的投入。隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展與計算機算力的不斷拓展，文本匹配技術(shù)取得了很大的進展。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)方式可以分為兩類，基于表示的模型和基于交互的模型［10-11］。

基于表示的模型一般是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別學(xué)習(xí)句子對的分布式表示，再拼接兩個向量輸入到分類器中進行二分類任務(wù)。文獻［12］描述一種類似潛在語義空間模型，利用兩個深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將句子對投影到潛在空間中的相同長度的低維表示向量中，并利用多層感知機預(yù)測相似度。文獻［13］和文獻［14］使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)文本的低維語義向量，相比于使用普通的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能學(xué)習(xí)句子對的上下文信息。

基于交互的模型關(guān)注兩個句子之間的語義交互特征，生成語義交互矩陣并提取匹配特征，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的全連接層預(yù)測分類結(jié)果。文獻［15］將句子對的低層文本匹配矩陣作為原始圖像，并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，逐層抽象，捕獲豐富的匹配特征。

在基于交互模型的基礎(chǔ)上，并結(jié)合語言模型預(yù)訓(xùn)練的文本匹配模型近來受到廣泛關(guān)注。2018年，谷歌公司人工智能團隊在國際會議上發(fā)表了一篇關(guān)于自然語言處理技術(shù)的高水平論文，提出了一種新型的語言模型預(yù)訓(xùn)練方法BERT［16］，該方法在大量文本語料（維基百科）上訓(xùn)練了一個通用的“語言理解”模型。BERT 相比之前的文本表示方法表現(xiàn)得更為出色，因為它是第一個在預(yù)訓(xùn)練語言模型上的使用無監(jiān)督、深度雙向編碼方法［17］。無監(jiān)督意味著只需要用純文本語料來訓(xùn)練，不需要進行額外的人工數(shù)據(jù)標(biāo)注；深度雙向編碼意味著其能提取到更豐富的語義特征及句法特征。BERT中的關(guān)鍵的特征提取方法是Attention機制［18］，其擁有許多優(yōu)點，包括：通過query、key、value的向量點積計算方法捕獲詞與詞之間的語義與句法特征，把模型注意力聚集到關(guān)鍵的詞語上；可以靈活的捕捉全局和局部的聯(lián)系，對長期依賴關(guān)系捕捉能力強；可以進行并行計算減少模型訓(xùn)練時間，每一步計算不依賴于上一步的計算結(jié)果。

2 電網(wǎng)輸變電設(shè)備相似故障案例推送模型

2.1 相似故障案例檢索

在進行相似故障案例檢索過程中，案例庫數(shù)據(jù)量較大，對每一個案例與目標(biāo)案例進行相似度計算將造成巨大算力浪費，時間浪費。因此，采用以下方法來避免這個問題，其流程如圖1 所示。首先根據(jù)輸入的案例，利用模糊查找技術(shù)確定其設(shè)備類別，如變壓器；然后，從數(shù)據(jù)樣本中找出所有的同類別案例樣本，即變壓器案例；接著，將輸入的故障案例文本與篩選出的樣本數(shù)據(jù)構(gòu)成句子對，輸入到文本匹配模型中計算文本相似度；最后，對文本相似度的結(jié)果進行排序，按照從高到低的順序輸出。

圖1 相似故障案例檢索流程

其中，利用文本匹配模型計算相似度是核心部分，該部分計算出了文本對之間的匹配得分，可以根據(jù)得分的高低決定最后的推送結(jié)果，以下兩節(jié)將介紹電網(wǎng)輸變電設(shè)備相似故障案例推送過程中的文本匹配模型及其訓(xùn)練方法。

2.2 基于改進版BERT的文本匹配模型

BERT是在大量通用文本上訓(xùn)練的語言模型，能將其應(yīng)用到自然語言處理的各個專業(yè)領(lǐng)域，如文本分類、文本匹配、情感分析、閱讀理解、命名實體識別、實體關(guān)系抽取等。改進版BERT 的文本匹配模型框架如圖2 所示，從下至上依次是輸入層、嵌入層、編碼層、池化層、特征拼接層、預(yù)測層。

圖2 文本匹配框架

1）輸入層。BERT 維護一個字典，該字典涵蓋了常見中文字，字典中每個字映射至一個獨特的序號（從0至N-1，N為字典的長度）。輸入層是根據(jù)字典將原始文本，映射到序號列表。原始文本包括兩個句子，模型給輸入的兩個句子添加了分類標(biāo)識符（Classification，CLS）及句子對分隔標(biāo)識符（Separator，SEP）。

2）嵌入層。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，提取特征往往需要嵌入層。嵌入層實現(xiàn)了字的分布式表示，將每一個字映射為一個多維向量。

3）編碼層。編碼層是文本匹配模型的關(guān)鍵部分，實現(xiàn)了文本的特征抽取。編碼層通過多層雙向注意力機制網(wǎng)絡(luò)，捕獲文本的語義、語法信息及文本之間的交互信息，完成了特征提取功能。

4）池化層。池化層是提取兩個句子的語義信息，每個句子的每一個字都對應(yīng)一個向量表示其特征，通過連接一層CNN 網(wǎng)絡(luò)，再接入Pooling 層，得到兩個句子的各自語義信息。

5）特征拼接層。改進版BERT捕獲到的特征來自三部分，包括CLS 標(biāo)識符對應(yīng)的特征及兩個句子通過池化層產(chǎn)生的語義特征。通過將這三個特征向量拼接起來，得到最后的文本匹配模型特征向量。

6）預(yù)測層。預(yù)測層實現(xiàn)了模型捕獲的特征轉(zhuǎn)化為分類結(jié)果的功能。輸出層主要是一個線性層，輸入維度為3 倍的BERT 編碼維度，輸出維度為分類種類數(shù)量。歸一化后得輸出向量的每一維分別表示輸出為該類標(biāo)簽的概率值，取概率值最大的一個標(biāo)簽作為分類結(jié)果。

2.3 訓(xùn)練與預(yù)測

基于文本匹配模型的相似案例檢索排序分為訓(xùn)練階段與預(yù)測階段兩個階段。訓(xùn)練階段通過不斷調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)減少誤差，提高模型準(zhǔn)確率；測試階段使用訓(xùn)練好的模型對候選匹配文本數(shù)據(jù)進行語義相似度計算。

在訓(xùn)練過程中，本文中的文本匹配模型為一對文本的二分類模型，標(biāo)簽為0 表示兩個文本為不相似文本對，標(biāo)簽為1 表示為兩個文本為相似文本。模型使用交叉熵函數(shù)作為損失函數(shù)，計算公式為

式中：yi為樣本的標(biāo)簽，可以取值0 或者1；為預(yù)測為1的概率，取值為[0，1] ；n為樣本數(shù)量；L為在該批樣本下的損失函數(shù)。在預(yù)測過程中，需要對候選文本與目標(biāo)文本進行相似度計算，根據(jù)計算結(jié)果按照從高到低的順序?qū)蜻x文本進行排序。簡單的標(biāo)簽為0或者標(biāo)簽為1 只能表示兩者是否匹配，而不能捕獲兩個文本的相似匹配程度。修改基于BERT的文本匹配模型的輸出層，取標(biāo)簽為1 的概率值作為輸出結(jié)果表示兩個文本的匹配程度，替代之前的取概率值最大的一個標(biāo)簽作為分類結(jié)果。

3 電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)

3.1 電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)內(nèi)容

在對電網(wǎng)輸變電設(shè)備的實際運行、維護及檢修工作中，不斷地產(chǎn)生和積累故障設(shè)備的分析報告文檔，報告內(nèi)容通常包括案例名稱、設(shè)備類別、單位名稱、技術(shù)類別、案例經(jīng)過、案例分析、經(jīng)驗體會等內(nèi)容。案例經(jīng)過描述了設(shè)備故障的一些基本情況和周邊環(huán)境信息，案例分析則從理論角度分析故障的發(fā)生原因，最后經(jīng)驗體會總結(jié)了檢修工作中的詳細體會和后續(xù)設(shè)備維護的建議。報告中涵蓋了豐富的電網(wǎng)輸變電設(shè)備故障檢修專業(yè)指導(dǎo)信息，對檢修工作有很大的參考價值，因此電網(wǎng)輸變電故障案例匹配工作有著重要的意義。在本文中，選擇使用報告文檔中的案例名稱來作為故障案例匹配的文本數(shù)據(jù)，原因為：

1）案例名稱中覆蓋了案例數(shù)據(jù)的主要關(guān)鍵信息：故障發(fā)生地點、檢修技術(shù)方法、故障類型及故障類別，如“安徽—紅外熱像檢測發(fā)現(xiàn)220 kV變壓器套管接頭發(fā)熱?！?/p>

2）報告其他的內(nèi)容（如案例經(jīng)過、案例分析等）雖然也描述了案例的基本關(guān)鍵的信息，但是文本長度過長，均為篇章級內(nèi)容，長度為1 500～2 000 字之間，不適于用作文本匹配的數(shù)據(jù)，而案例名稱長度在20～40字之間，相比之下更適于文本匹配。

3.2 電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)分析原則和數(shù)據(jù)特點

中文文本數(shù)據(jù)可以分為通用數(shù)據(jù)及專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)的研究學(xué)者大部分是使用通用數(shù)據(jù)展開各項任務(wù)的研究工作，這主要是因為：中文通用數(shù)據(jù)較之專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)更加容易獲取，各行各業(yè)領(lǐng)域較多，無法一開始就將研究開展到所有的領(lǐng)域業(yè)務(wù)；對通用數(shù)據(jù)的研究工作應(yīng)用更加廣泛，可以對通用數(shù)據(jù)的研究工作進行優(yōu)化從而應(yīng)用至業(yè)務(wù)領(lǐng)域，但是數(shù)據(jù)之間存在偏移、分布不一致的情況，導(dǎo)致效果具有不確定性。

電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)研究價值體現(xiàn)在，利用其進行數(shù)據(jù)分析能給電網(wǎng)領(lǐng)域帶來技術(shù)提升、減少人力運維，比如輸變電設(shè)備故障自動判定、相似故障案例推送等，基于電網(wǎng)領(lǐng)域數(shù)據(jù)并結(jié)合人工智能技術(shù)能解決許多難點、痛點問題，這些針對性是基于通用數(shù)據(jù)無法獲得較好效果的。文中對基于文本數(shù)據(jù)的預(yù)訓(xùn)練語言模型實現(xiàn)了從通用數(shù)據(jù)的文本匹配到電網(wǎng)領(lǐng)域的文本匹配的轉(zhuǎn)化，項目通用數(shù)據(jù)的訓(xùn)練效果有所提升。電網(wǎng)輸變電故障案例數(shù)據(jù)具有以下特點：

1）故障案例數(shù)據(jù)包含大量的電網(wǎng)輸變電設(shè)備及其故障類型的名詞，具有強烈的領(lǐng)域特性。對文本分詞并抽取其中的關(guān)鍵詞，最后根據(jù)詞頻分布繪制云圖如圖3 所示，圖中詞的字體越大表示該詞在數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的頻率越高，能有效展示數(shù)據(jù)所描述的關(guān)鍵內(nèi)容，同時也側(cè)面證實了數(shù)據(jù)具有強烈的領(lǐng)域特性，這使得對領(lǐng)域文本進行分析具有很大的必要性。

圖3 詞頻云圖

2）故障案例數(shù)據(jù)格式分布統(tǒng)一，都是由故障發(fā)生地點、檢修技術(shù)方法、故障類型及故障類別組合而成，易于進行數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建文本匹配模型。

3）故障案例數(shù)據(jù)按照設(shè)備類型可以分為8類：輸電線路、變壓器、開關(guān)設(shè)備、互感器、避雷器、電纜、開關(guān)柜和其他設(shè)備，每種類型的數(shù)據(jù)數(shù)量如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)類型及數(shù)量

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗環(huán)境

試驗環(huán)境的硬件和軟件配置對試驗起著必要的支撐作用，本文試驗環(huán)境如表2所示。

表2 試驗環(huán)境配置

4.2 試驗數(shù)據(jù)

為研究本文構(gòu)建的文本匹配模型在電網(wǎng)輸變電故障設(shè)備案例匹配中的效果，選取某公司2009—2016年專業(yè)電網(wǎng)領(lǐng)域人工編寫的電網(wǎng)輸變電故障檢修報告共1 025 篇。基于故障設(shè)備、故障類型及檢修手段的種類，人工對檢修報告進行評估分類，將類似的檢修報告放至一個類中，最后共計有35 類數(shù)據(jù)，平均每類30條數(shù)據(jù)。

生成數(shù)據(jù)集時，采取自動標(biāo)注的方法：對每個類的數(shù)據(jù)分別生成一個句子對，其標(biāo)簽為1；對每個類的任意一條數(shù)據(jù)，在其他類中隨機取一條數(shù)據(jù)生成一個句子對，其標(biāo)簽為0。在本論文中，樣本數(shù)據(jù)有2 000 條，其中標(biāo)簽為1 的樣本數(shù)據(jù)有1 000 條，標(biāo)簽為0的樣本數(shù)據(jù)有1 000條。

4.3 對比試驗

為了充分驗證改進版BERT 的文本匹配模型的有效性、增強對比性，選擇多個廣泛研究及應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)算法，設(shè)置了對比試驗組：

1）基于CNN 的文本匹配模型。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）在計算機視覺領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時研究人員發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用到自然語言處理技術(shù)領(lǐng)域也有著很好的效果［19］。

2）基于LSTM的文本匹配模型。長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）的產(chǎn)生很好地解決了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）中的梯度消失及梯度爆炸問題，同時LSTM在捕獲長距離依賴問題上表現(xiàn)也很好［20］。

3）基于雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（Bidirectional Long-Short Term Memory，BiLSTM）的文本匹配模型。語言學(xué)具有雙向性的特點，BiLSTM［21］分別利用LSTM 網(wǎng)絡(luò)從正向和反向提取語義特征。

4）基于門循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)（Gate Recurrent Unit，GRU）的文本匹配模型。GRU［22］是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，是LSTM的精簡版，有著更少的參數(shù)及門結(jié)構(gòu)，經(jīng)常在性能上取得與LSTM差不多的效果。

5）基于BERT 的文本匹配模型。使用原生的BERT 作為文本匹配模型，直接使用CLS 標(biāo)簽生成的向量接入分類網(wǎng)絡(luò)。

6）本文提出的改進版BERT模型。

4.4 參數(shù)設(shè)置

模型的參數(shù)設(shè)置對模型的性能產(chǎn)生直接的影響，主要的模型參數(shù)包括：學(xué)習(xí)率、隱藏層大小、隱藏層層數(shù)等。各個對比模型的參數(shù)大小設(shè)置如表3所示。

表3 試驗參數(shù)設(shè)置

4.5 評價指標(biāo)

本文要解決的是一個句子對的二分類問題，其主要的評價指標(biāo)包括精確率（Precision）、召回率（Recall）、F1值，其中Precision 及Recall 可以通過混淆矩陣來計算，混淆矩陣如表4 所示。其中，TP表示算法預(yù)測值為正類，真實值也是正類的個數(shù)；TN表示算法預(yù)測值為負類，真實值也是負類的個數(shù)；FN表示算法預(yù)測值為負類，真實值是正類的個數(shù)；FP表示算法預(yù)測值為正類，真實值是負類的個數(shù)。

表4 混淆矩陣

精確率、召回率及F1值的計算公式如式（2）—式（4）所示。精確率Ppr表示預(yù)測值為Positive 且預(yù)測正確的比例，召回率Pre表示真實值為Positive預(yù)測正確的數(shù)據(jù)比例。F1值是精確率和召回率的調(diào)和平均數(shù)。只有當(dāng)精確率和召回率二者都非常高的時候，它們的調(diào)和平均才會高，如果其中之一很低，調(diào)和平均就會被拉低接近其中較低的數(shù)。

4.6 試驗結(jié)果分析

CNN、LSTM、BiLSTM、GRU、BERT、改進版BERT模型在電網(wǎng)輸變電案例數(shù)據(jù)集上的評測結(jié)果如表5所示，使用的評價指標(biāo)是F1值，綜合考慮精確率和召回率的影響。

表5 電網(wǎng)報告數(shù)據(jù)集評測結(jié)果對比

從試驗結(jié)果中可以看出，BERT 模型的F1值比CNN 模型、LSTM 模型、BiLSTM 模型及GRU 模型的F1高。BERT 模型的性能優(yōu)于CNN 模型，這是因為BERT是具有雙向的結(jié)構(gòu)，能捕獲文本中各個詞之間的時序關(guān)系，而CNN 模型不具有這種特點，CNN 模型對局部特征提取能力較強，這種機制使得BERT模型能考慮到文本的上下文信息。BERT模型的性能優(yōu)于LSTM 模型，這是因為相對于LSTM 模型、BiLSTM模型及GRU 模型，BERT 使用的是自注意力機制的編碼方式，而LSTM 使用的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼方式。自注意力機制的編碼方式比循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼方式在提取文本中特征的能力強，捕獲文本詞與詞之間的依賴性也更好，模型效果更佳。

同時，改進版BERT 模型相比原生BERT 模型有了2.2%的提升，這證明了本文提出的改進版模型的有效性。改進版BERT模型針對文本匹配任務(wù)提出的優(yōu)化方法，提取BERT輸出的兩個句子的向量表示作為補充特征，有效提高了文本匹配模型的F1值。

5 結(jié)語

研究電網(wǎng)輸變電故障設(shè)備的相似案例推送，基于推送案例挖掘出電網(wǎng)輸變電故障設(shè)備的故障原因、檢修方法等信息，對后續(xù)的檢修工作具有重要的輔助決策支持意義。其中，重點研究電網(wǎng)輸變電故障設(shè)備的相似案例的文本匹配工作，并通過試驗結(jié)果驗證本文模型的可行性和性能優(yōu)點。

試驗結(jié)果表明：BERT模型的性能顯然比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中常見的CNN 模型及LSTM 模型要好；相比CNN模型使用卷積核提取特征及LSTM 模型使用長短期依賴提取特征，BERT模型使用的注意力機制提取語義特征的可解釋行更強；利用基于改進版BERT的文本匹配對下游的分類模型有較大的效果提升。