基于知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)構(gòu)建方法

鞏宇，李碧薇，李德華，陽曦鵬，陳強(qiáng)

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510635；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程中涉及到的數(shù)據(jù)眾多，其中包括了設(shè)備、故障、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和維修等信息，而這些數(shù)據(jù)之間往往相互關(guān)聯(lián)，存在著較為復(fù)雜的關(guān)系，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和應(yīng)用，對(duì)提高電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的工作效率具有重要的意義，這一過程的本質(zhì)是故障知識(shí)提取和再利用[1]。而在電力設(shè)備的故障管理過程中常常僅關(guān)注故障的分級(jí)分類和故障的處理過程，記錄的故障數(shù)據(jù)零散，缺乏更系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)管理，因此需要一種更為有效的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用。針對(duì)這一需求，引入知識(shí)圖譜技術(shù)對(duì)電力設(shè)備的故障知識(shí)進(jìn)行建模，利用知識(shí)圖譜技術(shù)在構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)與展現(xiàn)知識(shí)關(guān)聯(lián)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，為具有復(fù)雜關(guān)系的知識(shí)信息提供了一種新的獲取、存儲(chǔ)、組織、管理、更新和展示的手段。

“知識(shí)圖譜”于2012 年被Google 正式提出并用于提升搜索引擎返回的答案質(zhì)量和用戶查詢信息的效率，是一種揭示實(shí)體之間關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事物及其相互關(guān)系進(jìn)行形式化的描述[2]。近年來知識(shí)圖譜已在智能搜索、深度問答和社交網(wǎng)絡(luò)，以及金融、醫(yī)療等一些垂直行業(yè)中有所應(yīng)用。在可靠性的研究方面，因知識(shí)圖譜技術(shù)在知識(shí)積累與融合方面的優(yōu)勢(shì)，一些學(xué)者將其應(yīng)用于故障診斷與分析，提高了故障診斷的效率。LU 等人[2]提出了裝備故障知識(shí)圖譜的構(gòu)建方法和應(yīng)用，并用于輔助故障檢修。杜林明等人[3]借鑒RCM 和PHM 的系統(tǒng)化思路，以產(chǎn)品信息模型作為信息組織模式，利用故障樹、系統(tǒng)報(bào)警與故障模式之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建知識(shí)圖譜；結(jié)合PHM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車故障診斷系統(tǒng)中的報(bào)警預(yù)測(cè)、關(guān)聯(lián)關(guān)系挖掘和壽命預(yù)測(cè)等核心功能。劉緒忠等人[4]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控過程中存在的大量告警信息，需要依賴于維護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)才能判定設(shè)備是否故障，采用知識(shí)圖譜技術(shù)，建立相關(guān)規(guī)則來進(jìn)行智能關(guān)聯(lián)與匹配，可根據(jù)告警信息得到故障判定結(jié)果，提升故障發(fā)現(xiàn)和故障定位能力。李樂樂等人[5]提出建立飛機(jī)維修與維護(hù)的知識(shí)圖譜，用于飛機(jī)維修的推薦步驟查詢，有效地提高了維修信息的存儲(chǔ)和搜索能力。劉鑫[6]將知識(shí)圖譜用于故障診斷領(lǐng)域，采用語義環(huán)境下的本體建模方法，建立了故障分析領(lǐng)域通用知識(shí)本體模型實(shí)現(xiàn)故障信息動(dòng)態(tài)檢索，提高故障診斷知識(shí)的利用率和共享程度。賈曉霞等人[7]提出為充分利用以往的維修案例和維修經(jīng)驗(yàn)，通過特征向量、知識(shí)圖譜技術(shù)直觀表達(dá)故障知識(shí)和故障場(chǎng)景，并基于構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)提出新的故障診斷方法。趙倩[8]構(gòu)建了數(shù)控設(shè)備領(lǐng)域知識(shí)圖譜，從歷史故障數(shù)據(jù)中提取出復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將故障知識(shí)結(jié)構(gòu)化和可視化，用于輔助數(shù)控設(shè)備的故障診斷，有效地提高了故障知識(shí)的利用率和故障診斷效率。王莉等人[9]將知識(shí)圖譜技術(shù)應(yīng)用于地鐵工程事故的知識(shí)建模與分析，為地鐵的事故分析提供數(shù)據(jù)支撐。由此可見，對(duì)于當(dāng)前普遍存在的故障診斷靠經(jīng)驗(yàn)，難以有效地利用歷史故障數(shù)據(jù)的問題上，知識(shí)圖譜技術(shù)能夠提供一個(gè)有效的解決方法。

在規(guī)模更加龐大、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的電力行業(yè)中，考慮到電力設(shè)備的信息化管理和智能化運(yùn)維的需求，一個(gè)融合了設(shè)備信息、故障信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和維修信息的故障知識(shí)庫(kù)成為重要的基礎(chǔ)，而目前尚未形成一個(gè)更為系統(tǒng)的、針對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行檢修的故障知識(shí)庫(kù)。本文提出結(jié)合故障模式及其影響分析（FMEA）構(gòu)建電力設(shè)備故障知識(shí)圖譜，為故障知識(shí)提供規(guī)范的存儲(chǔ)形式，并有利于故障知識(shí)的不斷累積。進(jìn)一步可利用知識(shí)圖譜來提高故障診斷的效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備故障知識(shí)的有效管理和應(yīng)用。

1 電力設(shè)備故障知識(shí)圖譜構(gòu)建

知識(shí)圖譜是一種結(jié)構(gòu)化的語義知識(shí)庫(kù)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)描述現(xiàn)實(shí)世界中的概念、實(shí)體及其相互關(guān)系。知識(shí)圖譜生命周期可以劃分為如下階段：確定知識(shí)需求→知識(shí)建?！R(shí)獲取→知識(shí)存儲(chǔ)→知識(shí)管理→知識(shí)應(yīng)用，在知識(shí)應(yīng)用過程中會(huì)不斷地提出新的需求，進(jìn)而推動(dòng)知識(shí)圖譜的完善和進(jìn)化，這是一個(gè)迭代的過程[9]。本文構(gòu)建的電力設(shè)備故障知識(shí)圖譜屬于典型的領(lǐng)域知識(shí)圖譜，具有較為明確的概念和關(guān)系模式，能夠有助于實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備故障知識(shí)的持續(xù)積累，從各種途徑收集的故障數(shù)據(jù)中抽取的關(guān)鍵知識(shí)要素，通過標(biāo)準(zhǔn)化的表示方式和各種關(guān)系能夠有效地整合，從而不斷地拓展領(lǐng)域知識(shí)的范圍；還能夠?yàn)橹R(shí)的智能應(yīng)用和可視化展示提供基礎(chǔ)元素。

1.1 電力設(shè)備故障知識(shí)框架

當(dāng)前電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)朝著信息化和智能化的方向發(fā)展，電力設(shè)備的故障知識(shí)在故障分析和故障處理，以及維修策略與保障措施的制定和優(yōu)化中都有著重要的應(yīng)用。電力設(shè)備的故障知識(shí)來源于設(shè)計(jì)知識(shí)、原理知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等，從中提煉出故障分析知識(shí)和故障處理知識(shí)，此外歷史故障案例中也存在著重要的故障知識(shí)；可通過故障報(bào)送來進(jìn)行采集，通過一些統(tǒng)計(jì)分析手段來獲得更加宏觀的故障規(guī)律并不斷地更新故障知識(shí)。為了更好地管理和應(yīng)用，故障知識(shí)需要存入特定的故障知識(shí)庫(kù)中，并直接為電力設(shè)備的故障診斷、維修策略和保障措施提供支撐。電力設(shè)備故障知識(shí)架構(gòu)，即在構(gòu)建的知識(shí)圖譜知識(shí)需求如圖1 所示。

圖1 電力設(shè)備故障知識(shí)架構(gòu)

1.2 故障知識(shí)建模

知識(shí)圖譜的基本單位為“實(shí)體（Entity）-關(guān)系（Relationship）-實(shí)體（Entity）”，因此構(gòu)建知識(shí)圖譜的核心工作在于從大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取出實(shí)體和實(shí)體關(guān)系。實(shí)體是知識(shí)圖譜中的原子信息元素，對(duì)特定領(lǐng)域中的一類實(shí)體抽象形成概念，每類實(shí)體可能具有不同的屬性特征[10]。概念設(shè)計(jì)就是要根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)需求，確定該領(lǐng)域包含的概念及其屬性。關(guān)系是反映兩個(gè)實(shí)體之間存在的聯(lián)系，對(duì)于特定的領(lǐng)域，不同類型的實(shí)體之間可能存在不同的關(guān)系。知識(shí)建模需要確定知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)體和關(guān)系的類型，即概念和關(guān)系模式設(shè)計(jì)。

因此本文的知識(shí)模型中包括3 元組：概念、關(guān)系和屬性，如表1-3 所示。故障知識(shí)圖譜中的概念是指知識(shí)庫(kù)所需要的不同的實(shí)體類別，例如：不同層次的設(shè)備、故障模式類數(shù)據(jù)、維修類數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)類數(shù)據(jù)等；關(guān)系是指具體的實(shí)體之間的關(guān)系，例如：故障影響關(guān)系、故障原因關(guān)系和從屬關(guān)系等；屬性是實(shí)體所具有的自身屬性，可區(qū)別于其他實(shí)體的特征，不同的實(shí)體具有的屬性不同，例如：故障模式具有的屬性包括編號(hào)、名稱和類型等，實(shí)體的每個(gè)屬性都有其確定的屬性值。故障知識(shí)圖譜的主要概念和關(guān)系模型如圖2 所示。

圖2 故障知識(shí)圖譜的主要概念和關(guān)系模型

表1 主要概念

表2 主要關(guān)系

表3 主要屬性

1.3 知識(shí)獲取

知識(shí)獲取是指從各類數(shù)據(jù)源中提取知識(shí)要素。電力設(shè)備故障的關(guān)鍵知識(shí)要素提取需要從故障描述文本中識(shí)別出與給定故障關(guān)聯(lián)的故障設(shè)備、故障模式、故障原因、故障影響和維修措施等關(guān)鍵知識(shí)要素。主要來源于故障模式庫(kù)、對(duì)部分系統(tǒng)開展的FMEA 得到的FMEA 數(shù)據(jù)表、歷史故障案例中提取出故障模式及其相關(guān)實(shí)體信息和關(guān)系信息，如圖3所示。知識(shí)獲取的過程中還涉及到對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，需要制定一套完善的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)的內(nèi)容描述。

圖3 故障知識(shí)來源

1.4 知識(shí)存儲(chǔ)與管理

知識(shí)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理是將獲取到的知識(shí)存儲(chǔ)到特定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)對(duì)故障知識(shí)的操作和應(yīng)用。本文基于Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了一套知識(shí)庫(kù)管理工具而實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的管理和應(yīng)用。

2 基于知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)的應(yīng)用

基于知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)的最終目的是對(duì)故障相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、提取、整合和再利用，充分地發(fā)揮故障數(shù)據(jù)的價(jià)值，有效地提升電廠的運(yùn)維效率，快速地定位故障，及時(shí)地恢復(fù)生產(chǎn)，甚至降低運(yùn)維成本。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化故障數(shù)據(jù)的采集、自動(dòng)化故障診斷、維修策略的制定和保障資源規(guī)劃4 個(gè)方面。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化故障數(shù)據(jù)采集

歷史故障數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的故障知識(shí)來源，電廠在運(yùn)維過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生新的故障數(shù)據(jù)，更新歷史故障案例庫(kù)，而這類故障數(shù)據(jù)包含了故障發(fā)現(xiàn)、故障分析和故障處理相關(guān)的一系列信息，在采集的過程中存在一定主觀性和不規(guī)范的情況，利用基于知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)中確定的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化故障數(shù)據(jù)的采集，得到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。此外，在數(shù)據(jù)采集的過程中可同步將采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)地轉(zhuǎn)化成故障知識(shí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜的更新。

2.2 故障診斷

基于知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)的一個(gè)重要應(yīng)用是故障知識(shí)圖譜可結(jié)合故障診斷模型開展自動(dòng)化故障診斷或輔助故障診斷。故障知識(shí)圖譜中包含故障診斷的相關(guān)規(guī)則，這些規(guī)則來源于故障分析與故障處理的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或者系統(tǒng)的原理知識(shí)，可對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)輸出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)和告警信息進(jìn)行特征提取，利用故障診斷模型得到診斷結(jié)果。還可以利用歷史故障案例的檢索，找到相似的故障模式，為排故提供參考。

2.3 維修策略

電力設(shè)備的維護(hù)和檢修工作是電廠穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，其維修策略、維修方式和間隔時(shí)間的制定都影響著電廠運(yùn)行的可靠性，而電力設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得這樣一個(gè)決策成為一個(gè)非常復(fù)雜的問題?；谥R(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)可提供相關(guān)的故障時(shí)間數(shù)據(jù)，得到不同情況下的故障規(guī)律，對(duì)設(shè)備的故障時(shí)間或壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，為維修計(jì)劃的制定提供支持。此外維修活動(dòng)也是故障知識(shí)積累的過程，可為事后維修向預(yù)防性維修的轉(zhuǎn)變提供有力的支撐。

2.4 保障資源規(guī)劃

電力設(shè)備在維修保障的過程中主要涉及到人員與資源的配置，例如：人員、檢測(cè)設(shè)備和備件的調(diào)配?？梢岳秒娏υO(shè)備故障知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合維修策略得到最優(yōu)的備件數(shù)量；還可以在知識(shí)圖譜中關(guān)聯(lián)供應(yīng)商信息和備件品牌信息，根據(jù)歷史使用數(shù)據(jù)來決定采購(gòu)的備品的品牌和數(shù)量等。

3 電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)管理軟件

在上述理論基礎(chǔ)上開發(fā)了電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)管理工具，其主要功能是對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)管理和圖形化顯示，能夠更加方便和直觀地對(duì)故障知識(shí)庫(kù)進(jìn)行管理，還可以為知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)交互提供接口。管理軟件的界面如圖4 所示。

圖4 電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)管理軟件界面

軟件可顯示出電力設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，以及與設(shè)備關(guān)聯(lián)的故障模式及其他屬性。能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和查詢。軟件提供故障鏈的展示如圖5 所示，故障鏈有助于分析故障的影響關(guān)系。還能顯示出故障模式的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于進(jìn)行故障分析和故障處理，如圖6 所示，以“上位機(jī)系統(tǒng)癱瘓”作為案例，可顯示出所有可能的原因。

圖5 故障鏈顯示

圖6 故障知識(shí)關(guān)聯(lián)關(guān)系顯示

4 結(jié)束語

本文針對(duì)電力設(shè)備在運(yùn)行維護(hù)過程中故障數(shù)據(jù)量多且不成體系的管理困境，結(jié)合故障診斷、維修決策和保障措施中對(duì)故障知識(shí)的需求提出了基于故障知識(shí)圖譜的電力設(shè)備故障知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建方法，該方法能夠有效地解決難以利用故障數(shù)據(jù)的困境，為電力設(shè)備的故障知識(shí)提供新的組織形式，有利于故障知識(shí)的采集、積累和故障規(guī)律的挖掘和應(yīng)用，能夠進(jìn)一步地推進(jìn)電力設(shè)備的運(yùn)維朝著信息化和智能化的方向發(fā)展。