公共信息模型的本體解析與校驗(yàn)

費(fèi)越峰　閆紅漫　張弘　莫宇

摘 要：針對(duì)現(xiàn)在電力信息系統(tǒng)中CIM版本更新以及私有拓展導(dǎo)致的模型不一致的問題，提出一個(gè)基于Java基礎(chǔ)包的公共信息模型本體的解析算法以及特定要求下的校驗(yàn)方法，其中包括解析CIM模型，并重構(gòu)成Java模型并且完成電力系統(tǒng)所需要的功能校驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明整個(gè)解析以及模型重構(gòu)過(guò)程能準(zhǔn)確而快速得完成，校驗(yàn)過(guò)程能準(zhǔn)確得將模型中的不匹配信息提取并反饋給用戶。

關(guān)鍵詞：本體模型解析；模型重構(gòu)；全模型構(gòu)建；RDF解析；功能校驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP391.9

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)開放的電力系統(tǒng)信息模型是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成的基礎(chǔ)。IEC61968/IEC61970標(biāo)準(zhǔn)中的公共信息模型（CIM）不僅描述了不同電力應(yīng)用之間需要交換信息的語(yǔ)義，還為數(shù)據(jù)交換和利用提供了最大的靈活性和可擴(kuò)展性[1]。隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力企業(yè)應(yīng)用增加，應(yīng)用系統(tǒng)間存在大量信息交換，如何實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信息的無(wú)縫集成，即已成為電力企業(yè)信息化過(guò)程中的熱點(diǎn)問題。然而在實(shí)際應(yīng)用中，可能遇到以下2個(gè)問題：一是公共信息模型（CIM）隨著應(yīng)用的需求不斷進(jìn)化，版本更新頻繁，各廠家的產(chǎn)品在版本上不易保持同步，造成模型語(yǔ)義的差異；二是不同應(yīng)用或不同企業(yè)之間可能需要根據(jù)內(nèi)部需求，對(duì)CIM進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，那么私有擴(kuò)展模型可能導(dǎo)致應(yīng)用間的語(yǔ)義難以辨識(shí)。這2個(gè)問題可歸結(jié)為信息模型不匹配，及模型語(yǔ)義缺乏一致性[2]。要實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件或產(chǎn)品間的信息共享或者交互，模型的一致性是重要的前提，模型的版本或者模型定義不同可能會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)交互失敗以及信息提取錯(cuò)誤等問題，因此進(jìn)行公共信息模型的校驗(yàn)是比較必要的[1]-[2]。

目前國(guó)內(nèi)外正在使用的重點(diǎn)常見本體解析工具包可給出如下闡釋描述。

1） Jena解析工具包。時(shí)下，國(guó)外公司通過(guò)OWL解析包Jena制作了一個(gè)用于CIM模型解析以及校驗(yàn)的工具，可以完成特定版本CIM模型的解析和校驗(yàn)。但是由于CIM模型更新快速，以致于由Jena構(gòu)建的解析工具整體滯后CIM的更新速度，即使得最新的CIM模型有效實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)解析及校驗(yàn)，已有研究指出該解析校驗(yàn)工具在電力系統(tǒng)的使用將存在重大的局限性[3]。

2） Protégé OWL API工具包。 Protégé是一種樹形式的本體編輯方式，能夠允許本體模型操作人員在創(chuàng)建或解析相應(yīng)視圖時(shí)維護(hù)概念、關(guān)系與屬性的樹狀層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)本體模型的樹狀層次結(jié)構(gòu)對(duì)本體模型所包含的信息進(jìn)行解析。只是這種方式要更加側(cè)重于如下人群，也就是：對(duì)于本體模型的結(jié)構(gòu)以及語(yǔ)義具有清晰理解的專業(yè)人員適宜使用。

為了能夠更好地核心切合電力系統(tǒng)的CIM模型，并且在解析以及校驗(yàn)過(guò)程中能清晰地跟蹤各函數(shù)及對(duì)象所處理的具體工作，以便于在后期出現(xiàn)解析錯(cuò)誤或者問題時(shí)能輕松地展開問題追蹤，并且做出決定性的精準(zhǔn)修改。本文為此而提出一種不依賴于OWL解析包Jena的解析以及校驗(yàn)方法，采用Java基礎(chǔ)工具包對(duì)構(gòu)建完成的CIM模型進(jìn)行解析，并且根據(jù)電力系統(tǒng)的需求，針對(duì)性地設(shè)計(jì)4個(gè)校驗(yàn)函數(shù)達(dá)成校驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ诮馕黾靶ｒ?yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問題可以追蹤到出現(xiàn)錯(cuò)誤的步驟，高效調(diào)整后即可使用，可以方便得進(jìn)行錯(cuò)誤修改。另外，校驗(yàn)函數(shù)之間相互獨(dú)立，若電力系統(tǒng)有進(jìn)一步的校驗(yàn)需求，則可以編寫定制函數(shù)加入到校驗(yàn)系統(tǒng)中即可使用。

1 工具及相關(guān)技術(shù)

1.1 DOM4J

DOM4J是一個(gè)Java的XML API，是JDOM的升級(jí)品，設(shè)計(jì)上可用于XML文件的讀取。DOM4J是一個(gè)十分優(yōu)秀的Java XML API，功能強(qiáng)大、且易于使用。不僅如此，在性能上已然超過(guò)SUN公司官方的DOM技術(shù)，同時(shí)更是一款開放源代碼的軟件。本文主要運(yùn)用DOM4J對(duì)于XML文件呈現(xiàn)的高超處理能力，來(lái)對(duì)OWL構(gòu)建的CIM模型進(jìn)行解析處理。

1.2 OWL

網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（Web Ontology Language）源起于W3C的開發(fā)設(shè)計(jì)，可用于對(duì)本體進(jìn)行語(yǔ)義描述。進(jìn)一步地，OWL有3種表達(dá)能力遞增的子語(yǔ)言[4]。

OWL DL（Description Logic，描述邏輯）將可判定推理能力和較強(qiáng)表達(dá)能力作為首要目標(biāo)。OWL DL提供了描述邏輯的推理功能，描述邏輯是OWL的形式化基礎(chǔ)。本文研究解析的CIM模型即是通過(guò)OWL DL定義實(shí)現(xiàn)構(gòu)建的。

2 本體模型的解析

2.1分類處理

對(duì)構(gòu)建的CIM模型采用信息提取技術(shù)，并將得到的模型信息進(jìn)行分類處理，通過(guò)研究將得到的子節(jié)點(diǎn)信息分為五大類，具體則為類、包、屬性、實(shí)例、自己數(shù)據(jù)類型。為了方便之后的解析以及Java模型構(gòu)建，將分類后的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)于對(duì)應(yīng)的列表中。

對(duì)獲取得到的信息展開遍歷解析工作，本文通過(guò)對(duì)CIM模型構(gòu)建2層XML樹，并通過(guò)遍歷生成樹的方式對(duì)根節(jié)點(diǎn)下的各信息進(jìn)行提取，將獲取的信息通過(guò)Type屬性實(shí)施重點(diǎn)分類處理，構(gòu)建生成Class、Individual、Property、Package、Datatype五個(gè)列表。

2.2實(shí)例建模

獲取子節(jié)點(diǎn)之后再次采用DOM4J的XML樹遍歷功能，對(duì)子節(jié)點(diǎn)下的各條信息進(jìn)行遍歷，分別提取出相應(yīng)的信息。從上文中給出的示例可以得到Class的模型中包括的信息如圖1所示。

由圖1可知，其中的IsDefinedBy標(biāo)注類屬于哪個(gè)包，SubclassOf標(biāo)注該類的父類。

由于OWL語(yǔ)法和Java不同，需要用Java對(duì)CIM模型設(shè)計(jì)提供更多處理則必須對(duì)解析得到的信息再以Java語(yǔ)法進(jìn)行重新建模。但由于在Java中類僅支持單繼承，而OWL卻支持多繼承，因此就要將類的繼承經(jīng)由適當(dāng)轉(zhuǎn)換以滿足下文處理的需求，同時(shí)還要對(duì)CIM模型的信息含量不會(huì)產(chǎn)生影響[5-8]。

由于下文校驗(yàn)中需要對(duì)類的存在性以及類中各屬性的基數(shù)、屬性值進(jìn)行校驗(yàn)，為此本文將采用將多個(gè)父類重構(gòu)一個(gè)新類，以涵蓋多個(gè)父類所有的信息。這種處理不會(huì)波及下文中的校驗(yàn)過(guò)程，也能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于多繼承到單繼承的轉(zhuǎn)換。因?yàn)榇颂巸H在該類處理過(guò)程中對(duì)于多父類進(jìn)行重新構(gòu)建，并不影響原始信息[9-10]，對(duì)于其他類處理時(shí)的父類查找以及信息集成也不會(huì)不產(chǎn)生任何作用效果。

2.3 構(gòu)建整體模型

1）同上節(jié)中的方法，可以得到Package的Java模型，從其IsDefinedBy屬性可知上一層定義的包名，如此縱向迭代即可獲得模型中定義的包結(jié)構(gòu)。得出Java中的以“.”連接的包名結(jié)構(gòu)。

2）解析重構(gòu)生成的模型存放于List中，通過(guò)迭代列表對(duì)比URI的方式查找需要的類。

3）通過(guò)類模型中的SubclassOf屬性獲取對(duì)應(yīng)類的所有父類，通過(guò)前述提及的構(gòu)建方法，將同一個(gè)類的多個(gè)父類合并成一個(gè)新類，只用于該類的繼承，其余類之間的關(guān)系與構(gòu)成的新類無(wú)關(guān)?？v向迭代以生成所有類的繼承關(guān)系。具體合并方式如圖2所示。

4）在解析過(guò)程中通過(guò)Type的標(biāo)注就會(huì)發(fā)現(xiàn)屬性可以分為5類，分別為Property、DatatypeProperty、FunctionalProperty、ObjectProperty和InverseFunctionalProperty。其中，DatatypeProperty為數(shù)據(jù)屬性，約束該屬性值的數(shù)據(jù)類型。

5）OWL中類的對(duì)象屬性（ObjectPorperty）可認(rèn)定為是該類的父類，因此解析類的對(duì)象屬性需要該類的所有父類，縱向迭代即可獲取所有對(duì)象屬性約束。在OWL中，對(duì)象屬性分為2種，一種被存在量詞所約束，另一種被全稱量詞所約束。OWL API中，有2個(gè)不同的類型與之相對(duì)應(yīng)，分別為OWLObjectAllValuesFrom和OWLObjectSomeValuesFrom。

6）遍歷實(shí)例列表，獲取每個(gè)實(shí)例的Type屬性值，實(shí)例模型中的Type標(biāo)注的是該實(shí)例所屬的類名。將獲取到的屬性值與類列表中的Name屬性值提供對(duì)照比較，找到對(duì)應(yīng)的類，建立起類與實(shí)例的關(guān)系。

通過(guò)以上步驟可以得到轉(zhuǎn)變完成以后以Java語(yǔ)法整體構(gòu)建實(shí)現(xiàn)的CIM模型，如圖3所示。

3 待校驗(yàn)RDF文檔解析

CIM/XML是將CIM語(yǔ)義信息模型及其擴(kuò)展映射為包含電力系統(tǒng)模型信息的CIM/RDF應(yīng)用，因此必須遵守CIM語(yǔ)義及其自己的約束機(jī)制 [1] 。如前所述，CIM版本的快速更新以及各廠家根據(jù)各自的需求對(duì)CIM模型的私有擴(kuò)展即使得CIM/XML和OWL構(gòu)建的CIM模型表現(xiàn)出一定差別，因此為了更好地創(chuàng)建提供信息交互以及文件信息的讀取，則需要對(duì)CIM/XML文件引入正確性校驗(yàn)環(huán)節(jié)，如存在不符合當(dāng)前CIM模型的信息需在有效更正后方能正確地進(jìn)行信息交互。

4 文件校驗(yàn)

本文中設(shè)計(jì)提出的公共信息模型的校驗(yàn)總共劃定為4個(gè)校驗(yàn)方法，分別為類的存在性校驗(yàn)、屬性存在性校驗(yàn)、屬性基數(shù)校驗(yàn)以及屬性值類型校驗(yàn)。下面對(duì)這4種校驗(yàn)的具體方法展開詳細(xì)剖析與論述。

4.1 類存在校驗(yàn)

由于版本更新以及各廠商對(duì)于私有功能的拓展，可能會(huì)發(fā)生更改類名或者添加部分特殊需要的類以適用特定的場(chǎng)景等事件，此時(shí)在CIM/XML中就可能出現(xiàn)CIM語(yǔ)義信息模型定義中根本不存在的類，這就使得需要對(duì)類的存在性進(jìn)行校驗(yàn)，以確保在信息交互的時(shí)候每個(gè)類都能在CIM中找到與之對(duì)應(yīng)的模型，高效實(shí)現(xiàn)信息加載和讀取。

4.2 屬性存在校驗(yàn)

每個(gè)子節(jié)點(diǎn)下面有若干屬于該子節(jié)點(diǎn)的屬性，在CIM/XML文檔中為子節(jié)點(diǎn)更下一層的子節(jié)點(diǎn)，依然采用DOM4J中設(shè)計(jì)研發(fā)的XML樹的遍歷函數(shù)對(duì)其進(jìn)行遍歷解析，可以得到每一條屬性信息。子節(jié)點(diǎn)下的屬性值包括其父類的屬性，需要通過(guò)一個(gè)類名找到所有與其相關(guān)的父類，并且得到父類的所有屬性，用于屬性存在性校驗(yàn)。

4.3 屬性基數(shù)校驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言中對(duì)于屬性基數(shù)的約束有2類。一類為屬性基數(shù)約束，在屬性中通過(guò)maxCardinality或者minCardinality進(jìn)行約束，另一類則通過(guò)FunctionalProperty以及InverseFunctionalProperty進(jìn)行全局屬性約束。

具體過(guò)程中，分別對(duì)以上2類約束研究采用了遍歷校驗(yàn)，通過(guò)獲取CIM模型的節(jié)點(diǎn)信息，對(duì)以上4個(gè)關(guān)鍵字設(shè)置了比對(duì)查找，若存在相應(yīng)屬性條，則進(jìn)行屬性基數(shù)校驗(yàn)。若對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)下的相應(yīng)屬性基數(shù)不符合CIM模型的約束，則生成一則屬性基數(shù)錯(cuò)誤信息。

4.4 屬性值校驗(yàn)

在OWL中，屬性值分為Integer、String、Float等幾類，研究中對(duì)于CIM/XML中屬性值的校驗(yàn)主要分為2部分，一為屬性值類型校驗(yàn)，確保屬性的屬性值滿足信息模型中的約束條件；另一為屬性值域校驗(yàn)，使得屬性的值域滿足信息模型中的約束?；诖?，兩者相應(yīng)的設(shè)計(jì)論述可分做如下呈現(xiàn)

4.4.1屬性值類型校驗(yàn)

CIM/XML模型中對(duì)于屬性值類型的約束只有Integer、String、Float三類，因此需要區(qū)分屬性值的類型后再與模型中的約束值配置指定比對(duì)，若兩者相符則通過(guò)校驗(yàn)，否則添加一則“屬性值類型錯(cuò)誤”信息。

屬性值的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和隨機(jī)，若設(shè)計(jì)匹配算法不僅繁瑣，也容易忽略細(xì)節(jié)因素，導(dǎo)致校驗(yàn)存在漏洞，為了更方便、也更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)比對(duì)，本文選用正則表達(dá)式對(duì)屬性值進(jìn)行文本轉(zhuǎn)換校驗(yàn)。

正則表達(dá)式又稱規(guī)則表達(dá)式，是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)基本概念。正則表通?？捎脕?lái)檢索、替換那些符合某個(gè)模式的文本。研究中需用到的正則符號(hào)則如表1所示：

采用Java語(yǔ)言中String類的matches方法即可將獲取到的屬性值上述正則表達(dá)式展開設(shè)計(jì)比對(duì)，若符合正則表達(dá)式內(nèi)置規(guī)定的結(jié)構(gòu)，則返回1，否則返回0。通過(guò)返回值即可判斷屬性值是否為數(shù)據(jù)類型：若返回為1，則為數(shù)據(jù)類型；否則即為String類型。通過(guò)String類的indexof方法獲取屬性值中小數(shù)點(diǎn)的位置，若小數(shù)點(diǎn)的位置大于0，即為float類型，否則可判定為integer類型。

4.4.2屬性值域校驗(yàn)

在OWL中對(duì)于屬性值的約束主要有3個(gè)，分別為：owl：AllValuesFrom、owl：SomeValuesFrom、owl：HasValue。

對(duì)所獲取的CIM模型進(jìn)行信息提取，通過(guò)上述3個(gè)關(guān)鍵字比對(duì)，查看CIM模型是否存在屬性值域約束，若存在相應(yīng)約束，則對(duì)CIM/XML中的對(duì)應(yīng)屬性進(jìn)行相應(yīng)校驗(yàn)；若屬性值域不滿足模型中的約束條件，則添加一條“屬性值域錯(cuò)誤”信息。

5 測(cè)試

本文選用CIM_2009模型進(jìn)行解析，通過(guò)解析程序能兩項(xiàng)生成設(shè)計(jì)預(yù)期的各個(gè)信息列表，根據(jù)上文信息實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)之后存入對(duì)應(yīng)列表執(zhí)行校驗(yàn)操作。

為了方便測(cè)試以及利于解析結(jié)果的完整查看，本文在測(cè)試環(huán)節(jié)中將解析得到的各個(gè)信息列表存入數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行解析完成后生成的數(shù)據(jù)表如圖4所示。

從以上數(shù)據(jù)表中可以看到整個(gè)模型中總共解析生成994個(gè)類，4169個(gè)屬性，639個(gè)實(shí)例，73個(gè)數(shù)據(jù)包和107個(gè)數(shù)據(jù)類型。根據(jù)解析所得的各個(gè)信息繼續(xù)推進(jìn)模型的校驗(yàn)工作。

校驗(yàn)工作的完整步驟流程則如下所示：

1）將待校驗(yàn)的RDF文檔導(dǎo)入程序后即選擇了比對(duì)操作，比對(duì)之后出現(xiàn)2個(gè)類不存在錯(cuò)誤信息，在CIM_2009模型中沒有定義Feeder類，而RDF文檔中存在Feeder的實(shí)例對(duì)象，如需進(jìn)行信息交互必須將RDF統(tǒng)一成CIM模型所約束的模型實(shí)例。校驗(yàn)結(jié)果中存在2個(gè)Feeder實(shí)例，具體信息如圖5所示。

2）對(duì)于屬性存在性校驗(yàn)中，RDF文檔中的多個(gè)實(shí)例存在Equipment.curAssetModel屬性，而在CIM模型中未曾定義該屬性，因此所有包含此屬性的類實(shí)例都出現(xiàn)在“屬性不存在錯(cuò)誤”信息列表中。由執(zhí)行結(jié)果中截取一個(gè)結(jié)果實(shí)例即如圖6所示。

3）在屬性存在性校驗(yàn)中，還有另外一種情況就是當(dāng)前實(shí)例所屬的類以及其所有的父類都不存在該實(shí)例中設(shè)計(jì)出現(xiàn)的屬性，這也可歸結(jié)為是一種屬性的非法使用。在本文所用的測(cè)試算例中多次中出現(xiàn)了

Equipment.EquipmentContainer屬性，而其所有的父類都不存在該屬性，因此生成了一條“屬性不存在錯(cuò)誤”信息。從執(zhí)行結(jié)果中截取一個(gè)實(shí)例效果如圖7所示。

4）屬性基數(shù)以及屬性值類型均能順利通過(guò)校驗(yàn)。

通過(guò)上述校驗(yàn)步驟能快速發(fā)現(xiàn)待校驗(yàn)RDF文檔中出現(xiàn)的不符合CIM模型約束的信息，而當(dāng)于其他實(shí)例應(yīng)用發(fā)生信息交互時(shí)就需要進(jìn)行更正以確保交互的正確性。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的方法對(duì)OWL構(gòu)建的CIM模型進(jìn)行解析以及校驗(yàn)，在一定程度上能夠改善RDF文檔的規(guī)范有序，從而確保在CIM快速更新以及私有拓展普遍的電網(wǎng)系統(tǒng)中能夠有效實(shí)現(xiàn)信息交互與文件信息加載。

本文只通過(guò)Java基礎(chǔ)工具包進(jìn)行模型解析，不采用集成工具使得整個(gè)系統(tǒng)的后期拓展成為可能，在CIM模型更新后即能在最小改動(dòng)之下最為高效地展現(xiàn)新模型的解析及校驗(yàn)工作的良好成果。

在特定場(chǎng)景的需求下，需要特殊的校驗(yàn)條件或者增加其他校驗(yàn)約束也能通過(guò)添加方法快速實(shí)現(xiàn)。對(duì)于整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程能清楚展現(xiàn)，對(duì)于校驗(yàn)出現(xiàn)的錯(cuò)誤信息也能更為直觀地跟蹤具體出現(xiàn)錯(cuò)誤信息的環(huán)節(jié)。

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