基于本體推理的水電站水工建筑物安全決策模型

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳星豪 李裕勇

基于本體推理的水電站水工建筑物安全決策模型

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳星豪 李裕勇

為了更好地使用科學(xué)技術(shù)來指導(dǎo)水電站水工建筑物安全決策問題，本文引入本體的概念，提出了安全決策模型。通過OWL描述語言，構(gòu)建水電站水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體。同時(shí)，制定推理規(guī)則，對(duì)水電站水工建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，從而達(dá)到?jīng)Q策的目的，避免了決策過程中根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判斷所帶來的主觀性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此模型具有高效、智能化、語義性等特點(diǎn)，對(duì)水電站水工建筑物安全決策具有一定的指導(dǎo)意義。

本體推理；智能化；水電站；水工建筑物；安全決策

1.引言

水利工程是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重大工程，而水工建筑物又是水利工程安全有效運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。大型或重要的水工建筑物失事，常會(huì)造成重大災(zāi)害。水電站水工建筑物大壩迎水面、泄水建筑物、門槽、防沖段等隱蔽工程常年處于水下，其安全狀況常常直接影響大壩的正常安全運(yùn)行。

水電站水工建筑物類型眾多，在水電站運(yùn)行的過程當(dāng)中會(huì)監(jiān)測(cè)到大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。這些大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了水電站運(yùn)行的安全情況，有的數(shù)據(jù)能反應(yīng)水工建筑物的安全隱患，有的則是需要挖掘才能捕獲到安全隱患；另外，有些數(shù)據(jù)單獨(dú)反應(yīng)情況良好，但是組合起來可能也會(huì)存在安全隱患，甚至?xí)磉B鎖的災(zāi)害。面對(duì)如此大量且復(fù)雜的數(shù)據(jù)，必須采用相關(guān)的信息技術(shù)將所有信息有機(jī)得整合在一起，才能實(shí)時(shí)地解讀和挖掘出隱藏的安全隱患?，F(xiàn)階段，對(duì)于水工建筑物安全隱患的診斷基本是通過專家主觀經(jīng)驗(yàn)打分來進(jìn)行判斷，這對(duì)預(yù)警效果的邏輯性和實(shí)時(shí)性造成一定的負(fù)面影響。

本體這個(gè)術(shù)語最初來自于哲學(xué)，是形而上學(xué)的一個(gè)分支。用于定義相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)詞匯的本身定義以及相互關(guān)系，并且根據(jù)這種本身的關(guān)系可以確定相關(guān)規(guī)則的定義。本體可以應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。本文引入本體的概念，通過OWL描述語言，構(gòu)建水電站水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體。同時(shí)，制定推理規(guī)則，對(duì)水電站水工建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，從而達(dá)到?jīng)Q策的目的。避免了決策過程中專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷所帶來的主觀性影響。

2.安全決策模型

2.1 系統(tǒng)模型

水電站運(yùn)行過程中，對(duì)于水工建筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需采用自動(dòng)化的處理技術(shù)代替人工經(jīng)驗(yàn)判斷，才能實(shí)時(shí)對(duì)水工建筑物的安全狀況進(jìn)行判斷。本文提出的水工建筑物安全隱患預(yù)警模型，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，推理機(jī)模塊等，涉及到領(lǐng)域知識(shí)庫和領(lǐng)域本體庫。具體框架如圖1所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)預(yù)處理用來處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為推理機(jī)可以進(jìn)行推理的格式。推理機(jī)根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)庫和領(lǐng)域本體庫結(jié)合推理規(guī)則進(jìn)行相關(guān)推理，最終得出推理結(jié)果。如發(fā)現(xiàn)存在安全隱患則及時(shí)報(bào)警。其中推理機(jī)推理過程中所應(yīng)用的領(lǐng)域知識(shí)庫和領(lǐng)域本體以及推理規(guī)則采用開放接口，領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處熆梢愿鶕?jù)實(shí)際情況進(jìn)行維護(hù)，具有良好的擴(kuò)展性。

2.2 水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體

水工建筑物按照功能性可分為擋水建筑物、泄水建筑物，進(jìn)水建筑物，輸水建筑物等，各種分類下還可以進(jìn)行更加細(xì)致的分類。每一種具體的建筑物都有可能存在不同情形的狀況，而不同的狀況反映了水電站的安全情況，每一種情況應(yīng)該采取什么樣的決策。例如：大壩發(fā)生滑動(dòng)位移應(yīng)該采取搶救措施的決策。根據(jù)水電站領(lǐng)域?qū)＜业慕ㄗh以及具體的內(nèi)容分析，本文把水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體分為三類，分別是：水工建筑物本體，水工建筑物狀態(tài)本體，水工建筑物決策本體。

(1)水工建筑物本體

水工建筑物可分為通用性水工建筑物和專門性水工建筑物。其中通用性水工建筑物又可以分為：擋水建筑物，泄水建筑物，進(jìn)水建筑物，輸水建筑物等。往下再細(xì)分有各種壩、水閘、各種溢流壩、岸邊溢洪道、泄水隧洞、分洪閘等。

(2)水工建筑物狀態(tài)本體

水工建筑物狀態(tài)本體包括各種水工建筑物的實(shí)時(shí)狀態(tài)名詞，用來描述水工建筑物的實(shí)時(shí)狀況。例如：描述大壩壩身的狀態(tài)：完整牢固、有缺口、無缺口、有滑動(dòng)位移、無滑動(dòng)位移、有裂縫、無裂縫等相關(guān)的名詞；描述壓力管道的的狀態(tài)：沉陷、變形、裂縫、漏水和銹蝕等。

(3)水工建筑物決策本體

水工建筑物決策本體包括所有檢測(cè)到安全隱患后所應(yīng)該采取具體措施。例如：正常維護(hù)、小修、大修、搶修等維修類別，另外還有泄洪、關(guān)閉閘門、啟閉機(jī)螺桿等技術(shù)類別，等等諸如此類。

2.3 水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體關(guān)系經(jīng)驗(yàn)

水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體各種本體之間具有嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，同時(shí)，這種關(guān)系已經(jīng)經(jīng)過專家理論的證明以及水電站運(yùn)行過程實(shí)踐證明?，F(xiàn)實(shí)中，水電站水工建筑物的安全隱患排查以及處理正是通過這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來執(zhí)行。歸納現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)資料以及結(jié)合專家的經(jīng)驗(yàn)，可得出水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體關(guān)系經(jīng)驗(yàn)各主要本體之間的相互關(guān)系主要有3種：

(1)發(fā)生。主要用于描述水工建筑物本體與水工建筑物狀態(tài)本體之間的關(guān)系，說明水工建筑物發(fā)生某些具體的狀況。例如，大壩壩身發(fā)生滑動(dòng)位移；壓力管道發(fā)生變形；壓力管道發(fā)生裂縫。

(2)采取措施。主要用于描述水工建筑物狀態(tài)本體與水工建筑物安全隱患處理本體的關(guān)系，說明水工建筑物發(fā)生某些狀況應(yīng)該采取什么樣的措施。例如，大壩發(fā)生滑動(dòng)位移應(yīng)該搶修；大壩水位過高應(yīng)該采取泄洪措施。

(3)引發(fā)。主要描述水工建筑物狀態(tài)本體之間相互影響和依存關(guān)系，說明某一水工建筑物發(fā)生某些狀況是否會(huì)引發(fā)其它的狀況。例如，大壩有缺口同時(shí)又滑動(dòng)位移會(huì)引發(fā)潰堤。

2.4 水工建筑物安全決策領(lǐng)域本體建立

根據(jù)2.3節(jié)所提出的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎胮rotege作為編輯工具，OWL DL作為描述語言，建立水工建筑物安全決策領(lǐng)域OWL本體模型。根據(jù)Cruber在1995年提出本體建立5大基本原則來規(guī)劃本體的建立流程：

(1)定義類及層次關(guān)系

通過分析并抽象出水工建筑物安全決策領(lǐng)域里相關(guān)概念，自頂向下構(gòu)建本體的層次關(guān)系。例如，擋水建筑物是通用性水工建筑物的子類，而壩和水閘又分別是擋水建筑物的子類。使用OWL語言描述這種概念類之間的關(guān)系如下所示：

(2)定義各本體類之間的關(guān)系

通過2.3節(jié)的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍そㄖ锇踩珱Q策領(lǐng)域各只要本體之間的相互關(guān)系主要有“發(fā)生”和“采取措施”以及“引發(fā)”三種?！鞍l(fā)生”關(guān)系主要針對(duì)的是水工建筑物本體與水工建筑物狀態(tài)本體之間的關(guān)系，順序是不可逆的。這種關(guān)系相當(dāng)于一個(gè)二元關(guān)系，前后的群體分別代表定義域和值域?！安扇〈胧焙汀耙l(fā)”關(guān)系也是同樣的道理。這種關(guān)系對(duì)應(yīng)本體體系中的對(duì)象屬性（object properties）。采用OWL描述語言描述它們的這種關(guān)系，以“發(fā)生”關(guān)系為例，具體代碼如下所示：

(3)設(shè)置各本體類的屬性

主要描述的是類與其實(shí)例之間關(guān)系的屬性，對(duì)應(yīng)本體體系中的類型屬性（datatype properties）。

(4)定義同義等語義擴(kuò)展關(guān)系

本體技術(shù)的一大特點(diǎn)是能支持本義、同義、近義和上下位的語義擴(kuò)展，所以在構(gòu)建本體的過程當(dāng)中要將這些語義擴(kuò)展關(guān)系描述出來。

(5)本體模型的修正

本體的開發(fā)和建立是一個(gè)不斷修正的重復(fù)過程，采用推理機(jī)對(duì)本體模型進(jìn)行邏輯推理，不斷修正不合理處，最終得出健壯和穩(wěn)定的本體。

(6)本體存儲(chǔ)

OWL描述的本體知識(shí)庫可以采用三種不同類型進(jìn)行存儲(chǔ)。第一種是純文本的方式（如.OWL文件），第二種是專門的管理工具以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫。三種類型各有優(yōu)點(diǎn)，本文水工建筑安全決策領(lǐng)域本體采用OWL文件存儲(chǔ)方式保存。

3.水工建筑物安全決策推理實(shí)現(xiàn)

模型的推理實(shí)現(xiàn)過程主要包括兩個(gè)步驟：首先設(shè)置并制定相關(guān)的推理規(guī)則，然后采用JANA提供的推理機(jī)接口結(jié)合其它編程工具編程進(jìn)行推理，最終得出邏輯結(jié)果作為決策依據(jù)。

3.1 推理規(guī)則

Jena本身包含了大量的通用推理規(guī)則，都是是針對(duì)本體的特點(diǎn)而定義的，用于檢查概念的可滿足性，不同類之間的關(guān)系以及屬性的傳遞、互逆、不相交等。但是，這些通用規(guī)則不一定能全部滿足某些具體領(lǐng)域內(nèi)的一些推理和信息檢索的要求。根據(jù)水工建筑物安全隱患領(lǐng)域中各本體之間的關(guān)系特點(diǎn)，本研究定制自己的規(guī)則并創(chuàng)建特定的推理機(jī)以滿足相關(guān)推理的要求。推理自定義規(guī)則包括類關(guān)系規(guī)則、實(shí)例關(guān)系規(guī)則以及屬性關(guān)系規(guī)則三部分，這里僅以類關(guān)規(guī)則為例，介紹制定過程。

(1)引發(fā)傳遞規(guī)則

Rule1(?a sd#yinfa ?b)(?b sd#yinfa?c)-->(?a sd#yinfa c)

若狀態(tài)本體a可引發(fā)狀態(tài)本體b，狀態(tài)本體b可引發(fā)狀態(tài)本體c，則狀態(tài)本體a可引發(fā)狀態(tài)本體c。

(2)發(fā)生繼承規(guī)則

Rule2(?a rdf:subClassof ?b)(?b sd#fasheng ?c)-->(?a sd#fasheng c)

若水工建筑物本體a是水工建筑物本體b的子類，而水工建筑物本體b發(fā)生狀態(tài)本體c，則水工建筑物本體a發(fā)生狀態(tài)本體c。

(3)采取措施繼承規(guī)則

Rule3(?a rdf:subClassof ?b)(?a sd#cuoshi ?c)-->(?b sd#cuoshi c)

若狀態(tài)本體a是狀態(tài)本體b的子類，而狀態(tài)本體b應(yīng)要采取措施水工建筑物處理本體c，則狀態(tài)本體a也應(yīng)要采取措施水工建筑物處理本體c。

3.2 推理實(shí)現(xiàn)

推理實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)選擇Netbeans，開發(fā)語言采用Java，加載jena2 API庫文件，另外結(jié)合自定義規(guī)則文件創(chuàng)建語義本體推理應(yīng)用程序。首先從感應(yīng)注冊(cè)機(jī)中獲得OWLReasoner。可以獲得返回的標(biāo)準(zhǔn)配置OWL reasoner。然后將reasoner綁定到本體。接著，將使用綁定的reasoner從本體模型創(chuàng)建相關(guān)模型。從原始數(shù)據(jù)和OWL本體創(chuàng)建了推理模型后，它就可以像任何其他Model實(shí)例一樣進(jìn)行處理。創(chuàng)建和查詢推理模型部分代碼如下：

4.實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)采用手工輸入輸入兩組信息，模擬實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。三組信息包括：(1)大壩+水位過高；(2)壓力管道+變形。兩組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過決策模型推理之后分別得出相應(yīng)的決策如圖2、圖3所示。

圖2 “大壩+水位過高”決策模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 “壓力管道+變形”決策模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖2、圖3表明，本決策模型能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，快速、高效地進(jìn)行推理，最終得出決策。該模型具備語義性和智能性。

5.結(jié)束語

為了避免決策過程中根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判斷所帶來的主觀性影響，本文引入本體的概念，提出水電站水工建筑物安全決策模型，使用智能化的推理手段達(dá)到?jīng)Q策的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有有效性、合理性以及邏輯性，對(duì)水電站水工建筑物的安全決策具有一定的指導(dǎo)意義。

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陳星豪（1980—），男，廣西防城港人，講師，研究方向：本體、語義網(wǎng)、智能電網(wǎng)。

李裕永（1965—），男，廣西欽州人，講師，研究方向：水電站動(dòng)力設(shè)備。