一种变压器知识图谱本体关系模型的构建方法与流程

本发明属于电力系统智能变电技术领域，尤其涉及一种变压器知识图谱本体关系模型的构建方法。

背景技术：

知识图谱用于对表达知识点之间关系和知识深度推理有需求的知识应用中，通常用一个三元组(h，r，t)表示一个事实，其中，h和t代表本体，分别代表头部本体和尾部本体，r表示关系。

目前电力领域知识图谱的研究尚处于起步阶段，尚未有针对具体电力设备的知识图谱构建方法。变压器是电力系统的重要设备，为充分挖掘与变压器有关的电力数字知识资产，实现变压器数字知识的高效应用，可构建变压器知识图谱，直观的体现知识点间联系，实现知识的轻量化表达，为知识的查询、搜索和应用准备基础条件。

构建变压器知识图谱，需将变压器知识分解为各个知识本体，并建立知识本体间关系，知识图谱的本体关系是知识推理的重要依据，也是体现知识图谱价值的核心部分。变压器以机械结构为基础，在工作过程中，各功能部件的电、磁、热和应力等物理量之间互相耦合，相互影响，组合实现完整的变压器功能。因此，为实现知识表达的系统性和完整性，变压器知识图谱应体现各功能实现过程中知识本体间的耦合关系。

利用计算机提取本体关系包括基于规则提取和基于机器学习提取等方法，但面向电力领域的知识图谱专业性强，知识应用的匹配准确度可信度要求高，要求知识图谱具有绝对的正确性，对专业知识处理能力要求高，相关领域的自然语言处理技术、本体和知识库构建技术以及查询语句的语义化理解等技术的研究尚处于起步阶段，尚不能满足构建知识图谱的需要。因此提取变压器知识图谱的本体关系尚无法全部由计算机实现。

技术实现要素：

本发明的目的旨在解决现有技术在利用变压器数字知识构建变压器知识图谱时，变压器本体间关系尚无规范的描述方法，进而未形成统一框架的变压器知识图谱本体关系模型，难以在其基础上以知识嵌入、补全的方式构建统一的变压器知识库。本发明提出一种变压器知识图谱本体关系模型的构建方法，规范变压器本体间关系的表示框架，建立了初始的变压器知识本体关系表示框架，可在此基础上基于本体关系实现知识的查询和推理。

为实现上述技术目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明提供了一种变压器知识图谱的本体关系的描述方法，在基于物理关系构建的变压器知识本体模型中，利用变压器各部件之间的结构关联关系和功能关联关系等物理关系描述本体间关系。结构关联关系即结构拓扑，体现支持功能实现的变压器制造结构关系、安装固定形式以及力学、热学传递关系等。功能关联关系体现变压器功能实现过程中与能量转换有关的物理场、表象以及应用之间的关联关系。通过物理关系建立变压器知识本体间关系，以变压器的物理本质特征为核心，便于串联变压器各部件知识，形成变压器知识推理的基础，并通过知识的嵌入、补全方式由人工或计算机根据知识资源构建完整的变压器本体关系模型知识库。

基于物理关系构建的变压器知识图谱，变压器本体划分为物理设备本体、物理量本体、物理现象及应用本体。物理设备本体按照变压器的物理功能和结构对变压器进行描述；物理量本体描述表征变压器运行状态及本体状态的物理量；物理现象本体描述表征变压器运行状态及本体状态的各类物理现象；应用本体描述变压器的各类应用知识。

变压器知识图谱本体关系模型方法包括：

(1)描述物理设备本体间结构关系；

(2)描述物理设备本体与物理量本体关系；

(3)描述物理量本体间耦合关系；

(4)描述物理量本体与物理现象本体关系；

(5)描述物理现象本体之间建立的关系；

(6)描述应用本体与其它本体关系；

1、物理设备本体间结构关系

物理结构关系可表述物理设备各部件之间的空间布置关系和机械连接关系，同时也可用于推导与结构关系有关联的热和应力等物理量的传递关系。变压器的本体i与本体j之间的结构关系描述可以用以下结构表示：

{物理设备本体i，物理设备本体i与物理设备本体j之间的结构关系描述变量，物理设备本体j}

根据变压器各部件结构，以及变压器结构描述的应用场景，结构关系描述变量有以下几类描述方式：

(1)接触关系：物理设备本体i与物理设备本体j之间存在直接接触，但不直接连接；

(2)相邻关系：物理设备本体i与物理设备本体j之间存在相互影响，但不直接接触；

(3)连接关系；物理设备本体之间直接接触，且具有机械连接关系；

(4)部分整体关系：物理设备本体i属于物理设备本体j的一部分；

(5)包含关系：物理设备本体j属于物理设备本体i的一部分；

(6)无关系：物理设备本体之间无接触且互相之间不存在热、应力等影响。

(7)其它关系：根据实际需要进行扩展。

2、物理设备本体与物理量本体关系

物理设备作为物理量的载体，物理量体现物理设备的运行特征。变压器的物理设备本体i与物理量本体j之间的关系描述方法如下：

{物理设备本体i，物理设备本体i与物理量本体j之间的关系描述变量，物理量本体j}。

物理设备本体i与物理量本体j之间的关系描述变量有以下描述方式：

(1)物理量本体j用于描述物理设备本体i的物理特征；

(2)物理量本体j与物理设备本体i无关。

3、物理量本体间耦合关系

变压器物理量本体间关系以电、磁、热和应力等物理量间的耦合为主干建立。变压器为多物理场耦合的设备，分析某个物理量也要关注其与其它物理量间的耦合作用。物理量本体间的耦合关系包括：电磁耦合关系、电和磁与热的耦合关系、电和磁与应力的耦合关系、以及热与应力耦合关系。

物理场耦合分单向耦合和双向耦合，单向耦合表现为物理量本体i影响物理量本体j，同时物理量本体j对物理量本体i无影响；或者表现为物理量本体j影响物理量本体i，同时物理量本体i对物理量本体j无影响；

双向耦合表现为物理量本体i和物理量本体j两个物理量本体之间互相影响。

物理量本体间耦合关系的通用描述方法如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，相互耦合影响程度，耦合影响效果，物理量本体j}。

耦合数学表达式直接用数学关系式描述物理量本体i和物理量本体j的关系；相互耦合影响程度可采用强、弱、无耦合等描述物理量本体j对物理量本体i的影响强弱程度；耦合影响效果用正影响和负影响描述物理量本体j对物理量本体i的影响效果。

(1)电磁耦合

变压器铁芯在电压激励下建立磁通，交变的电场和磁场互相影响。电磁耦合关系为双向耦合关系，电磁本体的双向耦合关系描述如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，电磁耦合影响程度，电磁耦合影响效果，物理量本体j}

{物理量本体i，耦合数学表达式，磁电耦合影响程度，磁电耦合影响效果，物理量本体j}

(2)电和磁与热的耦合

变压器热量的主要来源为电磁损耗，热量传递引起的温度变化也会影响电磁参数，导致电磁场的变化。电和磁与热的耦合关系为双向耦合关系，电磁损耗与热量之间的关系可用损耗及热传递方程进行详细描述。

电本体和磁本体与热本体的双向耦合关系描述如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，电和磁与热的耦合影响程度，电和磁与热的耦合影响效果，物理量本体j}

{物理量本体i，耦合数学表达式，热与电和磁的耦合影响程度，热与电和磁的耦合影响效果，物理量本体j}

(3)电和磁的力耦合

变压器应力包括电磁应力和机械应力。电介质在电磁场中受到电磁力作用，电本体和磁本体与应力本体的耦合关系描述如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，电和磁与应力的耦合影响程度，电和磁与应力的耦合影响效果，物理量本体j}

(4)热和应力耦合

变压器在温度改变时，由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的热应力。热与应力的耦合关系描述如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，热与应力耦合影响程度，热与应力耦合影响效果，物理量本体j}

4、物理量本体与物理现象本体关系

物理设备运行中，物理现象是物理量不同取值的具体表象，既可以是某个部件体现的物理现象，也可以是整个设备表现的物理现象，可通过观测或测量获取物理现象的信息。物理量在启停、正常运行、设备在线投退以及各类异常工况下，都会对应不同的物理现象表征。物理量和物理现象之间建立的本体关系可描述如下：

{物理量本体i，物理量本体i与物理现象本体j对应关系，物理现象本体j}

物理量本体i与物理现象本体j对应关系描述方法如下：

(1)越限因果关系：物理量本体i越限为物理现象本体j的原因；

(2)产生关系：物理量本体i是物理现象本体j的充分不必要条件；物理量本体i存在可推出物理现象本体j，且物理现象本体j不可推出物理量本体i；

(3)结果关系：物理量本体j是物理现象本体i的充分不必要条件；物理量本体j存在可推出物理现象本体i，且物理现象本体i不可推出物理量本体j；

(4)共存关系：物理量本体i与物理现象本体j共存，物理量本体i产生必然有物理现象本体j产生，反之亦然；

(5)其它待补充关系。

5、物理现象本体关系

物理现象本体之间建立的关系可描述如下：

{物理现象本体i，物理现象本体i与物理现象本体j对应关系，物理现象本体j}

所述物理现象本体间关系描述如下：

(1)越限因果关系：物理现象本体i越限为物理现象本体j的原因；

(2)产生关系：物理现象本体i是物理现象本体j的充分不必要条件；物理现象本体i存在可推出物理现象本体j，且物理现象本体j不可推出物理现象本体i；

(3)结果关系：物理现象本体j是物理现象本体i的充分不必要条件；物理现象本体j存在可推出物理现象本体i，且物理现象本体i不可推出物理现象本体j；

(4)共存关系：物理现象本体i与物理现象本体j共存，物理现象本体i产生必然有物理现象本体j产生，反之亦然；

(5)其它待补充关系。

6、应用与其它主体关系

应用功能与其它本体的关系主要用于在运维和检修等设备应用过程中，需要根据面对的现象查询该现象产生的可能原因，或者根据工作状态估计设备物理特征量的范围，以及可能的物理现象等。功能应用本体与其它本体间均可建立联系。功能应用的对象为物理设备，面向具体功能，可建立物理现象本体与物理量本体之间的状态判断、原因分析以及处理策略的关联关系。对于划分为运维本体和检修本体的应用本体，与其它本体关系包括：运维本体与其它本体关系和检修本体与其它本体关系。

具体关系描述如下：

(1)运维本体与其它本体关系

运维本体集合可继续划分为运行方式、运行状态、运维措施等本体。运维本体关系可分为：

1){物理设备本体i，运行方式关系，运行方式本体j}；

2){物理设备本体i，运行状态关系，运行状态本体j}；

3){运行方式本体i，对应关系，物理现象本体j}；

4){运行状态本体i，对应关系，物理现象本体j}；

5){运行方式本体i，对应关系，运行状态本体j}；

6){物理现象本体i，处置关系，运维措施本体j}；

7){运行方式本体i，处置关系，运维措施本体j}；

8){运行状态本体i，处置关系，运维措施本体j}；

运行方式关系指物理设备本体i是否处于运行方式本体j所描述的运行方式；运行状态关系指物理设备本体i是否处于运行状态本体j描述的运行状态；对应关系指关系本体i所描述属性的发生是本体j所描述属性发生的充分条件；处置关系指本体i所描述属性的发生是否需要实施本体j的处置措施。

(2)检修本体与其它本体关系

对于划分为检查项目，检修方法，检修标准等本体的检修本体。与其它本体关系可分为：

1){物理设备本体i，项目关系，检修项目本体j}；

2){物理设备本体i，方法关系，检修方法本体j}；

3){物理设备本体i，标准关系，检修标准本体j}；

4){检修项目本体i，标准关系，检修标准本体j}；

5){检修项目本体i，方法关系，检修方法本体j}；

6){检修方法本体i，标准关系，检修标准本体j}。

项目关系指物理设备本体i是否与检修项目本体j有关，方法关系指本体i是否与检修方法本体j有关；标准关系指本体i是否引用检修标准本体j。

以上技术方案实现了变压器知识图谱本体关系模型的构建，直观的体现知识点间联系，实现知识的轻量化表达，便于变压器知识的推理、扩充和完善，并且为知识的查询、搜索和应用准备基础条件。

在基于物理关系构建的变压器知识本体中，利用本发明提出的本体关系模型构建方法，补充知识本体之间的关系，形成完整的知识图谱。

知识推理的步骤如下：

(1)根据应用场景，确定有关联的物理设备本体知识；

(2)根据物理设备本体与物理量本体关系，确认有关联的物理量本体知识；

(3)根据物理量本体间关系确认有关联的物理量本体知识；

(4)根据物理设备本体、物理量本体以及物理现象本体间的关系知识，推理出应用场景下物理现象与物理设备、物理量之间的影响关系；

(5)与应用本体关联，生成设备、现象、原因和措施的基于结构化数据的语义知识库；

(6)应用数据库工具，实现语义知识库的存储和表示。

进一步地，基于上述变压器知识图谱本体关系模型进行知识查询，所述知识查询的方法采用如下步骤：

(1)按照本发明的本体关系构建方法，将搜索内容转换为知识本体、知识本体关系和属性的数据；

(2)将查询内容转化为符合知识图谱存储形式的查询语言格式；

(3)通过查询工具，获取初步查询结果；

(4)对结果进行聚合，最终确定查询答案。

本发明所取得的有益技术效果：

本发明提出了构建变压器知识图谱本体关系模型的构建方法，实现了变压器知识本体关系的通用化和轻量化表达，可用于构建统一框架的变压器知识图谱，为统一变压器知识模型提供基础，规范变压器数字知识的结构，为实现通用型变压器知识服务准备前提条件。

附图说明

图1是本发明方法的变压器知识图谱关系概要示意图；

图2是本发明方法的油浸变压器物理设备本体的结构关系示意图；

图3是本发明方法的变压器直流偏磁物理量及相互关系示意图；

图4是本发明方法的变压器直流偏磁物理现象及相互关系示意图；

图5是本发明方法的变压器直流偏磁知识本体关联关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

知识图谱的本质是本体与本体之间的多关系图。

知识是不断扩充和完善的，对于领域知识，需要利用人工建立知识本体和本体关系的初始框架，在此基础上遵循知识图谱内在语义结构，按照本体与其它本体的关联关系，把增补知识嵌入已有框架，或扩充修改有关本体的关联描述，为用户提供更完整系统的知识图谱表达。

以油浸式变压器为例，按所述方法构建变压器知识本体关系，可根据知识本体关系实现变压器知识的查询和推理。油浸式变压器本体关系如图1所示。

油浸式变压器本体间结构关系描述以结构关系描述变量表示。结构关系描述变量sij为结构关系矩阵s的元素，按定义的几种结构关系描述序号作为表示代码表示对应的结构关系，形成结构关系矩阵如图2所示。变压器的物理设备本体i与本体j之间的结构关系描述可以用以下结构表示：

{物理设备本体i，物理设备本体i与物理设备本体j之间的结构关系描述变量sij，物理设备本体j}

示例油浸式变压器有高中低三侧，物理设备本体与物理量本体关系描述方法如下：

{物理设备本体i，物理设备本体i与物理量本体j之间的关系描述变量，物理量本体j}。

示例油浸变压器的物理设备本体和物理量本体的对应关系简单列举如表1所示：

表1油浸式变压器物理设备本体与物理量本体对应关系

根据表1，可对物理设备本体i与物理量本体j之间的关系描述变量进行配置。

示例变压器电磁本体的双向耦合关系描述如下：

{物理量本体i，耦合数学表达式，电磁耦合影响程度，电磁耦合影响效果，物理量本体j}

{物理量本体i，耦合数学表达式，磁电耦合影响程度，磁电耦合影响效果，物理量本体j}

以绕组高压侧电压和铁芯磁通的电磁耦合关系为例，高压侧电压与铁芯磁通的耦合关系可描述为：

{绕组高压侧电压本体，u＝4.44fnφm，强，正影响，铁芯磁通本体}

{铁芯磁通本体，φm＝u/(4.44fn)，强，正影响，绕组高压侧电压本体}

耦合表达式中，u为高压侧电压有效值，f为高压侧电压频率，n为高压侧绕组匝数，φm为铁芯磁通，s为铁芯截面积；

图2是本发明方法的油浸变压器物理设备本体的结构关系示意图。如图2所示根据应用场景确定油浸变压器有关联的物理设备本体知识，包括电路、磁场、绝缘以及油类确定其物理设备本体。

以变压器直流偏磁为例，有关的物理量及相互关系如图3所示。

变压器物理量和物理现象之间建立的本体关系可描述如下：

{物理量本体i，物理量本体i与物理现象本体j对应关系，物理现象本体j}

以变压器直流偏磁为例，根据定性推理，根据图3中所有物理量关系，推理出物理现象的对应关系均为越限关系，即直流偏磁发生时，物理现象本体对应的物理量均为越限关系。根据推理结果，生成变压器设备、现象、原因和措施的语义知识库。

在以上实施例的基础上，为了基于上述实施例提供的变压器知识图谱本体关系模型进行查询，包括以下步骤：

依据图4图5所示的变压器直流偏磁知识关系，将所生成的语义知识库存储于neo4j图数据库中，将搜索内容转换为满足cql(cypherquerylanguage)查询语言的形式，借助cql查询函数，可获取初步查询结果，应用aggregation聚合函数，实现结果的整理，最终获取查询答案。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思及原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。