基于物理关系的变电仿真信息知识图谱构建与检索方法与流程

1.本发明涉及基于物理关系的变电仿真信息知识图谱构建与检索方法，属于变电设备仿真技术领域。


背景技术：

2.在变电站仿真系统中，为便于实现自主学习和知识辅助，以及在不同仿真系统间传递信息，对于变电设备在仿真过程中产生的各类信息，需配置变电设备仿真信息的检索查询功能。仿真的变电设备均模拟实际设备，具有种类众多、型号不一的特点，但对于同类型变电设备，不同设备间的测量、监测、调节、控制以及运行状态等信息的项目设置和数据属性等共性较多。信息反映了物理现象，但对于同一物理设备的同一信息，由于各子系统的生产厂家和研制时间、设计方案等存在差异，数据信息名称、关键字词、类型、属性等也经常存在差异。为实现变电设备仿真信息知识的查询，可以通过构建知识图谱组织管理变电设备仿真信息，不同仿真系统或同一仿真系统的变电设备仿真信息都与知识图谱建立关联，用于实现变电设备仿真信息的对照和知识检索，避免系统数据表达形式不一，影响信息检索的准确性和效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于物理关系的变电仿真信息知识图谱构建与检索方法，以物理实体为依据构建变电设备仿真信息知识图谱，能够借助于信息系统与物理系统的映射关系，实现来源不同的变电设备仿真信息与变电设备仿真信息知识图谱的快速匹配。
4.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.第一方面，本发明提供了基于物理关系的变电仿真信息知识图谱构建与检索方法，包括：
6.获取变电设备仿真信息；
7.以物理设备、系统或其组部件为基础，构建变电设备仿真信息知识图谱；
8.以变电设备仿真信息知识图谱为基础，基于物理设备或系统组建变电设备仿真信息知识图谱本体；
9.以仿真信息知识图谱本体为基础，构建变电设备仿真信息知识图谱本体属性，以及，基于物理实体关系构建变电设备仿真信息知识图谱本体关系；
10.对知识图谱本体关系和知识图谱本体属性进行扩展延伸推理；
11.所述变电设备仿真信息知识图谱供外部利用查询关键词及其组合对应的图结构进行变电设备仿真信息检索。
12.进一步的，所述变电设备仿真信息知识图谱结构中包含多个属性和多个关联关系，结构为：{本体、本体属性集合、本体关联关系集合}，其中，本体属性集合包含本体的多重属性，本体关联关系集合包含本体与其他本体的多个关系，本体间关联关系为本体之间
的物理关系，本体属性对应物理实体的各项应用。
13.进一步的，基于物理设备或系统组建变电设备仿真信息知识图谱本体，包括：按变电站、间隔、设备及组部件分层构建知识图谱本体，其中，变电站级本体为功能面向全站或多间隔的设备或系统，间隔级本体按实际物理间隔设置，每个间隔内包括一个或多个变电设备，包括一次设备、二次设备和辅助设备，变电设备级本体按实际变电设备构建，内含设备及其组部件。
14.进一步的，所述知识图谱本体属性描述了物理实体在各类应用中的信息内容，按类别划分为：参数资料、投退状态、运行数据、异常现象、操作控制、缺陷、评价、运维巡视和检修，所述物理实体包括物理设备或其组部件。
15.进一步的，所述变电设备仿真信息知识图谱本体关系包括：
16.包含关系：物理设备与物理设备组成部件、系统及其组成设备；
17.电气、通信连接关系：连接到物理设备与物理设备组成部件的线路和通信连接；
18.磁场、热力场关联关系：物理设备与物理设备组成部件间的磁场联系，或设备组部件在热传导上存在物理联系；
19.空间邻近关系：物理设备与物理设备组成部件空间上接近、接触；
20.应用关联关系：物理设备与物理设备组成部件应用功能一致或具备因果关系、交互关系。
21.进一步的，对知识图谱本体关系进行扩展延伸推理，包括：配置关联系数属性描述关联关系，所述关联系数能够计算推理间接关联的本体间的关联关系程度，则有：
22.0≤a≤1
23.其中，a为关联系数，用于描述本体间关系的密切程度，当取值为0时，代表本体间无关联；当取值为1时，代表本体间强关联；
24.对于间接关联的本体间通过继承性获取的引申关联关系，间接关联的本体根据“包含关系”中被包含的部分本体在包含本体中的占比赋值作为关联系数；
25.对于间接关联的本体间通过关联性获取的引申关联关系，a本体与b本体的关联系数假设为a
ab
，b本体与c本体的关联系数假设为a
bc
，则a本体与c本体的关联程度a
ac
为：
26.a
ac
＝a
ab
×abc
27.进一步的，对知识图谱本体属性进行扩展延伸推理，包括：将被包含的部分本体属性和本体名称通过引申关联为包含本体属性名称，当a本体与b本体为包含关系且a本体包含b本体时，b本体的属性通过引申关联为a本体的属性，引申方法推理得出的a本体属性名称如下：
28.a本体属性名称＝b本体名称+b属性
29.进一步的，所述变电设备仿真信息的检索目标在于通过关键词字段将仿真信息与变电设备仿真信息知识图谱建立关联，关联目标包括变电设备仿真信息知识图谱的本体、属性及本体关系，对于需要构建与变电设备仿真信息知识图谱关联关系的变电设备仿真信息，抽取与物理设备及组件相关的字段作为备查询的本体关键词，抽取与物理设备及组件相关的属性词作为备查询的本体属性关键词，并抽取谓语词，确定抽取的谓语词的指向，构建查询的备选关键词组合，运用图搜索，即从隐含图结构的知识图谱中，搜索出含有备选关键词组成的结构的子图。
30.进一步的，所述变电设备仿真信息知识图谱供外部利用查询关键词及其组合对应的图结构进行变电设备仿真信息检索，具体包括：
31.遍历变电设备仿真信息知识图谱的本体、属性，对每个本体、属性等与备选关键词的匹配值进行语义度量计算，提取匹配值排序靠前的多个知识图谱本体、属性，筛选出与备选关键词近似的目标知识图谱的目标本体、属性集合；
32.计算目标知识图谱的目标本体属性集合中多个本体的关系及关联系数，形成附带关联关系的目标本体图结构，简化结构特征；
33.确认备选关键词组合中备选关键词间关系的图结构，简化结构特征，然后根据这些有效特征建立备选图结构；
34.通过图结构在目标图中搜索备选图的特征，返回具有目标图特征的子图作为备选图集；
35.计算备选图和目标图的匹配值，对匹配值的计算结果进行排序，给出查询评估结果；
36.根据目标关键词在知识图谱中的检索结果，按符合程度建立变电设备仿真信息与知识图谱的索引标签，建立变电设备仿真信息和变电设备仿真信息知识图谱本体、属性及本体关系的映射关系。
37.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
38.本发明以变电设备的物理实体为依据构建变电设备仿真信息知识图谱，能够借助于信息系统与物理系统的映射关系，实现来源不同的变电设备仿真信息与变电设备仿真信息知识图谱的快速匹配，构建不同应用系统中变电设备仿真信息与变电设备仿真信息知识图谱的索引标签，以便于应用中迅速定位检索信息内容在知识图谱的位置，实现变电设备仿真信息与知识图谱的快速精准对照。
附图说明
39.图1是本发明实施例一提供的示例变压器仿真信息知识图谱本体示意图；
40.图2是本发明实施例一提供的示例的变压器高压绕组的本体关系及关联系数示意图；
41.图3是本发明实施例一提供的示例的初筛后的目标知识图谱；
42.图4是本发明实施例一提供的示例的备选关键词组合及其图结构。
具体实施方式
43.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。
44.实施例一：
45.为实现仿真系统变电设备仿真信息的快速准确检索，本实施例提出了一种基于物理关系的变电仿真信息知识图谱构建与检索方法。该方法包括基于物理设备及其组部件构建变电设备仿真信息知识图谱本体；描述变电设备仿真信息知识图谱本体属性；基于物理实体关系构建变电设备仿真信息知识图谱本体关系。进行变电设备仿真信息检索时，可提取变电设备仿真信息查询关键词，利用仿真信息查询关键词及其组合对应的图结构，实现
仿真系统的变电设备仿真信息在知识谱图中的快速检索。
46.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
47.基于物理实体关系的变电设备仿真信息知识图谱构建与检索方法实现步骤如下：
48.(1)基于物理设备及其组部件构建变电设备仿真信息知识图谱
49.变电设备仿真信息与实际物理设备关联，因此选择以物理设备或系统为基础构建变电设备仿真信息知识图谱，可实现信息系统与物理系统的关联。
50.以物理设备、系统或其组部件为基础构建变电设备仿真信息本体，本体间关联关系即本体之间的物理关系，本体属性对应物理实体的各项应用。单个变电设备或其组部件大多包含多个属性，并与多个设备或部件关联，因此，变电设备仿真信息知识图谱结构中包含多个关联关系，结构为：{本体、本体属性集合、本体关联关系集合}，其中，本体属性集合包含本体的多重属性，本体关联关系集合包含本体与其他本体的多个关系。
51.(2)基于物理设备及其组部件构建变电设备仿真信息知识图谱本体
52.变电设备仿真信息的内容包括物理设备及其参数资料、投退状态、监测数据、监测现象、操作控制行为、缺陷信息、评价信息、运维巡视信息和检修信息等。这些信息均指向物理设备、系统或其组部件。变电设备仿真信息关联的设备包括一次设备、二次设备、变电站辅助设备等，为符合电力生产运行习惯，构建清晰的变电设备仿真信息知识图谱结构，基于物理设备或系统组建的知识图谱本体按变电站、间隔、设备及组部件分层构建，变电站级本体为功能面向全站或多间隔的设备或系统；间隔级本体按实际物理间隔设置，每个间隔内包括一个或多个变电设备，如一次设备、二次设备、辅助设备等；变电设备级本体按实际变电设备构建，内含设备及其组部件。
53.变电设备仿真信息知识图谱本体层次如表1所示：
54.表1变电设备仿真信息知识图谱本体层次
55.序号本体分类说明1变电站级站级设备或系统2间隔级间隔内设备3变电设备级变电设备
56.(3)构建变电设备仿真信息知识图谱本体属性
57.本体属性描述了物理设备或其组部件等物理实体在各类应用中的信息内容。按类别划分为：参数资料、投退状态、运行数据、异常现象、操作控制、缺陷、评价、运维巡视、检修等，具体属性项目如表2所示。
58.表2变电设备仿真信息知识图谱本体属性
[0059][0060]
(4)基于物理实体关系构建变电设备仿真信息知识图谱本体关系
[0061]
本体间关系以物理关系为基础，部分物理关联关系具备扩展延伸性。对变电设备及其组部件按知识图谱的本体关系构建知识图谱图结构。根据变电设备仿真系统的信息内容，变电设备物理关系包括：
[0062]
1)包含关系。如物理设备与物理设备组成部件，系统及其组成设备；
[0063]
2)电气、通信等连接关系。如连接到变压器的线路和所连接的变压器；通信光纤连接的装置；
[0064]
3)磁场、热力场等关联关系。如变压器的两个绕组通过磁场联系，在热传导上存在物理联系的设备组部件等。
[0065]
4)空间邻近关系。如保护屏柜与柜上安装的保护装置；
[0066]
5)应用关联关系。如系统或设备的主设备和备用设备，应用功能一致。
[0067]
(5)知识图谱本体关系的扩展延伸推理
[0068]
变电设备物理关系具备扩展延伸性，可通过知识推理获取未直接描述关联关系的本体间的引申关系。如下：
[0069]
1)继承性。如a本体包含b本体，b本体包含c本体，则a本体包含c本体，a本体与c本体之间也通过b可推理为“包含关系”；
[0070]
2)关联性。如电气连接中，a本体与b本体电气连接，b本体与c本体电气连接，则a本体与c本体之间也通过b可推理为“电气连接”的关系；“磁场”、“热力场”和“空间邻近”等关系均具备关联性。
[0071]
对于间接关联的本体间通过继承性和关联性获取的引申关联关系，在采用知识推理本体间的引申关系时无法识别本体间关联程度，因此，对关联关系的描述可配置关联系数属性，采用关联系数可计算推理间接关联的本体间的关联关系程度。关联系数假设为a，则有：
[0072]
0≤a≤1
[0073]
关联系数描述本体间关系的密切程度。当取值为0时，代表本体间无关联。当取值为1时，代表本体间强关联。
[0074]
本体关系均可通过关联系数，获取关联程度的量化指标，并推理本体间关联程度。
[0075]
对于间接关联的本体间通过继承性获取的引申关联关系，间接关联的本体可根据“包含关系”中被包含的部分本体在包含本体中的占比赋值。如包含本体中包含两个部件本体，则每个部件本体可设置关联系数为0.5。
[0076]
对于间接关联的本体间通过关联性获取的引申关联关系，a本体与b本体的关联系数假设为a
ab
，b本体与c本体的关联系数假设为a
bc
，则a本体与c本体的关联程度a
ac
可采用以下方法推理为：
[0077]aac
＝a
ab
×abc
[0078]
(6)知识图谱本体属性的扩展延伸推理
[0079]
部分本体的属性信息具有引申关联的性质，某一物理设备组部件的属性可通过以下结构引申为与该物理设备组部件具有包含关系的本体的属性。当a本体与b本体为包含关系且a本体包含b本体时，b本体的属性可通过引申关联为a本体的属性。引申方法推理得出的a本体属性名称如下：
[0080]
a本体属性名称＝b本体名称+b属性
[0081]
(7)基于图结构的变电设备仿真信息知识图谱检索
[0082]
变电设备仿真信息检索目标在于通过关键词字段将仿真信息与变电设备仿真信息知识图谱建立关联。关联目标包括变电设备仿真信息知识图谱的本体、属性及本体关系等。
[0083]
对于需要构建与变电设备仿真信息知识图谱关联关系的变电设备仿真信息，抽取与物理设备及组件相关的字段作为备查询的本体关键词，抽取与物理设备及组件相关的属性词作为备查询的本体属性关键词，并抽取谓语词，确定抽取的谓语词的指向，构建查询的备选关键词组合。
[0084]
运用图搜索，是从隐含图结构的知识图谱中，搜索出含有备选关键词组成的结构
的子图的过程。
[0085]
基于图结构的变电设备仿真信息知识图谱检索步骤如下：
[0086]
1)遍历变电设备仿真信息知识图谱的本体、属性，对每个本体、属性等与备选关键词的匹配值进行语义度量计算，提取匹配值排序靠前的多个知识图谱本体、属性，筛选出与备选关键词近似的目标知识图谱的目标本体、属性集合；
[0087]
2)计算目标知识图谱的目标本体属性集合中多个本体的关系及关联系数，形成附带关联关系的目标本体图结构，简化结构特征，例如路径、环、子图、树之类的特征子结构；
[0088]
3)确认备选关键词组合中备选关键词间关系的图结构，简化结构特征，然后根据这些有效特征建立备选图结构；
[0089]
4)通过图结构在目标图中搜索备选图的特征，返回具有目标图特征的子图作为备选图集；
[0090]
5)计算备选图和目标图的匹配值，对匹配值的计算结果进行排序，给出查询评估结果。
[0091]
6)根据目标关键词在知识图谱中的检索结果，按符合程度建立变电设备仿真信息与知识图谱的索引标签，建立变电设备仿真信息和变电设备仿真信息知识图谱本体、属性及本体关系的映射关系。
[0092]
本实施例以110kv变电站为例，说明变电站的变电设备仿真信息知识图谱本体层次，如表3所示：
[0093]
表3110kv变电站变电设备仿真信息知识图谱本体层次
[0094][0095][0096]
以双绕组油浸式变压器仿真信息为例说明变电设备仿真信息知识图谱的结构及本体的构建方法：
[0097]
(1)构建变压器仿真信息知识图谱
[0098]
变压器仿真信息知识图谱结构为：{本体、本体属性集合、本体关联关系集合}，其中，本体属性集合包含本体的多重属性，本体关联关系集合包含本体与其他本体的多个关系。
[0099]
(2)构建变压器仿真信息知识图谱本体
[0100]
以物理设备、系统或其组部件为基础构建变压器仿真信息知识图谱本体，包括了变压器设备及其组部件，本体如图1所示。
[0101]
以双绕组油浸式变压器仿真信息知识图谱说明本体属性的构建方法：
[0102]
变压器本体属性按类别划分为：参数资料、投退状态、运行数据、异常现象、操作控制、缺陷、评价、运维巡视、检修等，具体属性项目如表4所示。
[0103]
表4变压器仿真信息知识图谱本体属性
[0104][0105][0106]
以双绕组油浸式变压器仿真信息知识图谱的“高压绕组”本体说明本体关系的构建方法：
[0107]
与变压器“高压绕组”存在关联关系的变压器部件如下：
[0108]
1)包含关系。如“绕组”部分包含：“高压绕组”、“低压绕组。
[0109]
2)电气、通信等连接关系。如“绕组”与“引线”为直接电气连接关系；“绕组”经“引线”与“分接开关”、“出线装置(套管)”、“升高座(套管型电流互感器)”等发生间接电气连接关系；
[0110]
3)磁场、热力场等关联关系。如“变压器”的“高压绕组”、“低压绕组”通过“铁芯”等
产生的磁场联系，“变压器”的“高压绕组”在热传导上通过“油”散热。
[0111]
4)空间邻近关系。如“绕组”外包“绝缘”、又与“引线”连接等；
[0112]
5)应用关联关系。如“高压绕组”中流过“高压电流”，与“变压器”的“运行数据”属性存在关联。
[0113]
与高压绕组有关联关系的本体关系及关联系数如图2所示，图2中展示了部分引申关联关系，并按本体关联程度给出了关联系数。关联系数赋值说明如下：
[0114]
1)包含关系。“绕组”与“高压绕组”为“包含关系”。“绕组”中包含“高压绕组”和“低压绕组”，设置“高压绕组”和“低压绕组”与“绕组”的关联系数均为0.5；
[0115]
2)电气连接关系。“高压绕组”与“高压引线”电气直接连接，为强连接，设置二者“电气连接关系”关联系数为1；
[0116]
3)磁场关联关系。“高压绕组”与“低压绕组”通过“铁芯”产生磁场联系，设置“高压绕组”和“低压绕组”与“铁芯”的关联系数均为0.5；
[0117]
4)热力场关联关系。“高压绕组”浸泡在“油”中，“油”起绝缘和热传导作用，变压器油中浸泡了“高压绕组”、“低压绕组”、“铁芯”、“夹件”等设备，这些部件产生的热量全部由油传递，设置“高压绕组”与“油”的关联系数为0.5；
[0118]
5)空间临近关系。“高压绕组”外包“绝缘”，与“高压引线”连接，“绝缘”覆盖了“绕组”、“引线”等，设置“高压绕组”与“绝缘”的关联系数为0.8，设置“高压绕组”与“高压引线”的“空间临近关系”关联系数为1；
[0119]
6)应用关联关系。“高压绕组”中流过“高压电流”，与“高压电流”强关联，设置“高压绕组”与“高压电流”关联系数为1；“高压功率”由“高压电压”和“高压电流”计算得出，设置“高压绕组”与“高压电压”关联系数为0.5；“高压电度”由“高压电压”和“高压电流”计算得出，设置“高压绕组”与“高压电度”关联系数为0.5。
[0120]
以变电设备仿真信息中的“#1主变绕组温度过高”信息为例，构建该信息与变电设备仿真信息知识图谱的索引标签，说明基于图结构的变电设备仿真信息知识图谱检索方法。
[0121]
(1)提取查询目标关键词及其组合：
[0122]
变电设备仿真信息的可分解为：“#1”、“主变”、“绕组”、“温度”、“高”。其中作为查询备选关键词为“主变”、“绕组温度”、“高”或“主变”、“绕组”、“温度”、“高”。
[0123]
(2)基于图结构的变电设备仿真信息知识图谱检索，步骤如下：
[0124]
1)遍历变电设备仿真信息知识图谱的本体、属性和本体关系，对每个本体、属性等与备选关键词的匹配值进行语义度量计算，提取匹配值排序靠前的多个知识图谱本体、属性，初步筛选出与备选关键词近似的目标知识图谱的本体、属性集合；
[0125]
初步筛选出的变电设备信息知识图谱中的目标本体包括：“变压器”、“站用变”、“绕组”、“温度计”；
[0126]
初步筛选出的变电设备信息知识图谱中的目标本体及属性如表5所示：
[0127]
表5初筛获取的目标本体及属性
[0128][0129][0130]
有关联的本体及属性在图3中框出，其中标识了初步检索后获取的多个本体及本体间的图结构。
[0131]
2)计算知识图谱的目标本体集合中多个本体的关系及关联系数，形成目标关键词组合的目标关键词图结构，简化结构特征，例如路径、环、子图、树之类的特征子结构，然后根据这些有效特征建立目标图索引；获取的目标本体和属性的图结构如图3中“初筛后的目标知识图谱”所示。
[0132]
3)确认备选关键词组合中备选关键词间关系的图结构，简化结构特征，应用“主变”、“绕组”、“温度”、“高”获取的备选关键词组合图结构如图4中“备选关键词组合及结构”所示，为4级链式结构；应用“主变”、“绕组温度”、“高”获取的备选关键词组合则为3级链式结构；
[0133]
4)应用“主变”、“绕组”、“温度”、“高”获取的备选关键词组合，在“初筛后的目标知识图谱”中搜索备选图的4级链式结构的特征，返回具有目标图特征的子图作为备选图集。备选图只有1个，为结构
①
，如图3所示；
[0134]
5)应用“主变”、“绕组温度”、“高”获取的备选关键词组合，在“初筛后的目标知识图谱”中搜索备选图的3级链式结构的特征，返回具有目标图特征的子图作为备选图集。备选图只有1个，为结构
②
，如图3所示；
[0135]
6)根据本发明提供的方法，结构1和结构2均作为知识图谱中符合需求的检索结果；
[0136]
7)根据知识图谱本体属性的扩展延伸推理方法，“变压器”本体中，“绕组”为变压器设备组部件，因此“变压器”本体的“绕组”本体的“温度”属性还可推理为“变压器”的属性，如下所示：
[0137]“变压器”属性名称＝“绕组”+“温度”＝“绕组温度”[0138]
因此，变电设备仿真信息知识图谱中，备选图结构
①
与备选图结构
②
均包含备选关键词的所有要素；
[0139]
8)实例给出的检索结果为备选结构1与备选结构2。因此可快速建立“#1主变绕组温度高”对应的知识图谱本体及属性为“变压器
”‑“
绕组
”‑“
温度
”‑“
高”、以及“变压器
”‑“
绕组温度
”‑“
高”两组对照标签。
[0140]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0141]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0142]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0143]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0144]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。