基于樹型模型庫的用電資料審查系統

李曉莉， 吳 奇

1. 國家電網上海市電力公司 上海 200122 2. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 上海 200240

1 課題背景

按照相關規定，在客戶進行新裝、增容或改造送(受)電工程時，應對客戶受(送)電裝置電氣圖紙和有關資料進行審查。同時，在客戶送(受)電工程竣工驗收時，應對電氣試驗記錄進行檢查，以保證國家標準、行業標準和供電方案切實執行，減少客戶用電安全事故，提高客戶安全用電水平。在具體工作中，圖紙量多，且不同受電客戶的設計資料差異大，用電檢查人員對設計圖紙資料及電試資料的檢查是一項重要且難度較大的工作。

目前，設計圖紙和電試報告的審查培訓主要依靠授課教師收集部分圖紙資料，復印或掃描后帶至課堂進行講解。由于圖紙資料多、完整收集難度大，且圖紙復印、掃描質量不佳等原因，導致培訓效果大打折扣。另一方面，現有的資料審查實訓系統較少，而且培訓效果欠佳。基于以上情況，若能開發一套針對用電檢查人員的資料審查實訓系統，將不同電壓等級和不同接線方式的典型受電工程設計圖紙、電試報告等資料提前錄入，培訓考核時教師能對每份資料中的典型問題修訂設置，將是十分有益的[1-3]。此外，還可建立基于可拓關聯評價[4-7]的用電資料等級程度表示方法，進而對不同用電資料按權值進行有效分類。

目前二叉樹模型已成功應用至電子產品期權項目定價探討[8]、評價對象抽取[9]、投資決策[10,11]等方面。筆者提出一種用電資料存儲查詢二叉樹模型，對用電資料進行建模，按重要性和關聯程度將不同電壓等級、不同接線方式的典型受電工程設計圖紙及電試報告等資料進行編排，存儲進二叉樹模型。

在模型的基礎上，再對用電檢查人員資料審查實訓系統進行軟硬件設計，綜合考慮用電檢查人員崗位工作及培訓需求，設計的系統界面友好且功能合理，為提高審查水平打下了基礎。

2 用電資料模型

用電檢查人員資料審查實訓系統包括不同電壓等級、不同接線方式的典型受電工程設計圖紙與電試報告等內容。根據待審查資料影響因素的關聯性，建立用電資料審查實訓評價模型。

2.1 評價模型庫

評價模型庫M是由元模型組成的模型向量：

M=(m1,m2,…,m|M|)

(1)

式中：mi表示第i個模型；|M|表示模型的容量，即模型庫中所含模型的個數。

稱所有適合參與某類查詢問題的模型集合為當前有效模型庫，用Cval表示，且Cval?M，Cval≠?，其容量為|C|。

2.2 元模型遴選步驟

(1) 計算模型庫中各模型對當前問題的評價值。

(2) 對各模型的評價值按誤差指標進行處理，并對一個模型的所有誤差指標做歸一化處理，求誤差指標的均值。

(3) 比較各模型誤差指標歸一化處理后的均值，選擇兩個均值最小的模型Cp、Cq，滿足Cp均值≤Cq均值，作為元模型，如圖1所示。

圖1 模型庫示意圖

2.3 基于元模型的樹型模型庫

進行以下定義： 節點包含數據項及指向其它節點的分支，節點的度指節點所擁有的子樹棵數；葉節點即度為0的節點，又稱終端節點；分支點指除葉節點外的其它節點，又稱非終端節點。若節點x有子樹，則子樹的根節點即為節點x的子女。若節點x有子女，則x為子女的雙親樹。

在建立樹型模型庫時，遵循以下規則。

規則1： 每個節點上都有相應的評價模型，且所有節點上評價模型的評價能力互不相同。

規則2： 如果存在左右子樹，則左右子樹所有節點上模型的評價能力都小于根節點上模型的評價能力。

規則3： 所有左節點上模型的評價能力均大于右節點上模型的評價能力。

規則4： 左子樹模型和右子樹模型也是評價模型庫。

基于上述規則，以元模型作為樹型模型庫的根(Root)，以元模型的評價能力為中心，求出各模型相對于元模型評價能力的距離。對上述距離進行歸一化處理，即為各模型與元模型評價能力的關聯度，同時得到關聯度區間[Rmin,Rmax]。選擇兩個關聯度最大的模型作為元模型的子模型(Level 2水平)，且滿足在樹型結構中左節點上模型的關聯度>右節點上模型的關聯度。

按如下算法選擇Level 2下方的子模型： 以左節點上的模型為中心，求出剩余各模型相對于左節點上子模型評價能力的距離；對所得到的距離進行歸一化處理，即為剩余各模型與左節點上子模型評價能力的關聯度；選擇兩個關聯度最大的模型作為左節點上模型的子模型。以右節點上的模型為中心，求出剩余各模型相對于右節點上模型評價能力的距離；對該距離進行歸一化處理，即為剩余各模型與右節點上模型評價能力的關聯度；選擇兩個關聯度最大的模型作為右節點上模型的子模型。重復上述過程，直至所有模型都被放入樹型模型庫的節點上，如圖2所示。

圖2 樹型模型庫示意圖

圖2所示樹型結構模型具有如下性質。

性質1： 若樹型模型庫的層次從1開始，則在模型樹的第i層最多有2i-1個節點。

性質2： 高度為k的模型樹最大節點數為2k-1。

性質3： 對于任何一棵模型樹，如果其葉節點個數為n0，度為2的非葉節點個數為n2，則有n0=n2+1。

對第3條性質進行證明： 統計樹中節點的總數為n，設樹中度為1的節點個數為n1，因為樹只有度為0、度為1和度為2的節點，所以樹中節點總數n=n0+n1+n2；樹中分支條數(邊數)為e，因為樹中根節點沒有雙親節點，邊數為0，其它每一結點都有且只有一個雙親節點，邊數各為1，所以二叉樹中總邊數e=n-1=n0+n1+n2-1；由于每個度為2的節點發出2條邊，每個度為1的節點發出1條邊，度為0的節點發出0條邊，因此總邊數e=2n2+n1；將兩個關于邊的等式聯立，有n0+n1+n2-1=2n2+n1，得n0-1=n2，即n0=n2+1。

2.4 二叉樹模型的權重

用R表示審查資料各影響因素的特征矩陣,N表示影響資料審查的各因素，c表示各個時刻,μ(v) 表示資料審查各因素c相應量值v的隸屬度,由m個因素N、n個時刻(c1、c2、…、cn)、評價量值μ(vxj)(x=1,2,…,m;j=1,2,…,n)構成的陣列為：

(2)

Rmn稱為資料審查的特征矩陣。

若以Rw表示影響每一評價資料各項因素的權矩陣，并以wi(i=1,2,…,n)表示每一資料第i項因素的權重，則有一層關聯權特征矩陣：

(3)

具有若干層次影響因素的資料審查，對應的權重也分為若干層，以兩層為例，兩層關聯權特征矩陣為：

(4)

式(4)中cik表示資料審查影響層次模型中第i項主要影響因素所屬的第k項次要影響因素，與其對應的權重用wik(i=1,2，…,n)來表示。其余層次關聯權特征矩陣可依次類推。

對資料審查系統各項影響因素相應的隸屬度通過關聯變換得到各自的關聯因數ξxj，進而構造關聯因數特征矩陣，記為Rξ：

(5)

3 模型庫的插入位置和剔除算法

3.1 插入位置算法

3.2 剔除算法

在樹型模型庫中刪除一個節點，必須將因刪除節點而斷開的樹重新連接起來，同時確保模型庫樹的性質不會丟失。此外，為了保證在執行刪除后樹的搜索性能不降低，還需要確認重新連接后樹的高度不能增加。

此處有如下規則： 如果被刪節點沒有子模型，直接刪除；如果被刪節點缺右子樹，可以使它的左子模型頂替原有位置；如果被刪節點缺左子樹，可以使它的右子模型頂替原有位置；如果被刪節點左、右子樹都存在，重新對其父節點及其以下所有節點模型的評價能力進行關聯分析，計算被刪節點上所有子樹上模型與被刪節點父節點上模型評價能力的關聯度，選擇兩個關聯度最大的模型作為被刪節點父節點上模型的子節點模型，且左節點上模型相對于父節點上模型評價能力的關聯度大于右節點上模型相對于父節點上模型評價能力的關聯度。

4 基于樹型模型庫的用電資料審查算法

4.1 關聯變換算法

由式(5)可明顯看出，各項影響特征的隸屬度較為分散，不利于各因素在整體上的對比，有必要集中為一個值，一般采用加權集中處理。在此，提出一種確定權重的新方法，即先求出各因素在各時刻的特征之和，然后對各因素的特征作歸一化處理，得出各因素的關聯因數，再以查詢資料的重要性權值為中心，作各因素在各個時刻與用電資料的距離，最后對同一因素各個時刻的距離作均值處

理，即為各因素相對于待查詢用電資料的關聯度。

(1) 求出各因素特征的算術平均值：

(6)

(2) 對各因素特征進行歸一化處理：

(7)

(3) 以Nk(1≤k≤m)為中心，計算Mi(i=1,2,…,k-1,k,k+1,…,m)到Nk(1≤k≤m)的距離dik(Ni,Nk)，得到：

(8)

(4) 組成資料審查各因素Ni(i=1,2,…,k-1,k,k+1,…,m)對因素Nk(1≤k≤m)的關聯度：

(9)

式(9)中rik表示用電資料審查實訓影響系統第i項影響因素對第k項的關聯度。

4.2 用電資料審查分析

(1) 分析資料審查系統各因素間的關系，建立系統的遞階層次結構。

(2) 用關聯變換算法處理各影響因素的權特征，得到各因素相對于審查問題的關聯度。

(3) 計算各因素與待審查目標的關聯度，并進行排序。

(4) 以關聯度為評價指標來研究各因素對審查問題的影響程度。

5 系統應用

以國網上海市電力公司培訓中心的用電檢查人員資料審查實訓系統為例進行應用論述。該系統硬件部分依托10kV典型客戶實訓室中的計算機與交換機，不用進行重新配置，硬件框架如圖3所示。

圖3 系統硬件框架圖

系統軟件分為兩大模塊： 教員模塊和學員模塊。其中，教員模塊具有賬號管理、圖紙錄入和修改、發送試卷等系統權限；學員模塊僅具有題庫練習和答題功能，不具備對數據進行更改的權限。系統軟件框架如圖4所示。

圖4 系統軟件框架圖

教員模塊包含三套系統。

(1) 登錄系統(圖5)。允許教員進行各類賬號的注冊、修改、管理操作(圖6)，防止無權限人員對系統數據進行更改或破壞，保證系統不會因人為因素出現問題。

圖5 登錄界面

圖6 用戶管理界面

(2) 圖紙管理系統。允許進行圖紙和試卷管理，將圖紙有效錄入數據庫，方便查詢和教學。

(3) 圖紙評測系統。允許進行考核和審批，以及分發和回收試卷操作，審批過程中可以與正確圖紙進行比對，方便發現錯誤，提高批卷效率。

學員模塊同樣包含三套系統。

(1) 登錄系統。允許進行學員賬號注冊、修改操作，防止無權限人員進入進行操作練習。

(2) 練習系統。允許學員訪問試題庫進行自由練習，通過練習提高讀圖識圖能力，全面提高審圖能力。

(3) 考核系統。接收教員發送的試卷進行考核,教員發出開始考核命令后，自動接收試卷，并彈窗提示開始考核,答題完畢后可提前交卷。

通過對10kV典型配電資料實訓審查研究，確認用電檢查人員進行圖紙審核時需提交的資料明細包括： ① 受電工程設計及說明；② 負荷組成及用電設備清單；③ 影響電能質量的用電設備清單；④ 主要電氣設備一覽表；⑤ 受電裝置接線圖及平面布置圖；⑥ 繼電保護及電能計量方式；⑦ 隱蔽工程設計資料；⑧自備電源及接線方式。

系統提供了10kV受電工程設計圖紙，可以在以下方面進行性能比對： ① 所有高低壓設備選型是否合理，是否有淘汰和高能耗設備；② 變電所的總體布置是否合理，是否滿足防潮要求，易燃爆氣體、危險品是否處理妥當，設備進出口通道是否符合規定等；③ 變電所進線方式是否符合工詢方案要求；④ 無功補償設備配置是否合理；⑤ 是否有沖擊、不對稱和諧波負荷的治理措施；⑥ 電能計量與準確度等級是否滿足要求；⑦ 防電倒送連鎖與閉鎖配合是否完善；⑧ 五防裝置是否合理；⑨ 線路路徑、導線截面積載流量是否合規；⑩ 保護裝置配置。可見，基于二叉樹模型的用電檢查人員資料審查實訓系統可以有效提供待查問題的所需資料，實際應用中效果良好。

6 結論

針對以往電力培訓資料隨機存儲等缺點，建立了用電資料二叉樹模型庫，并研究了插入位置算法和剔除算法，在模型庫的基礎上建立了用電檢查人員資料審查實訓系統，系統采用關聯變換算法，軟硬件技術成熟，可切實提高用電檢查人員的審查水平，應用效果良好。

[1] 王松.用電檢查資料管理數據庫簡介[J].云南電力技術,2007,35(5): 60.

[2] 許勇.用電信息采集系統建設初探[J].大科技,2014(28): 101.

[3] 齊香云,陳瑩.如何提高用電檢查管理水平[J].科技傳播，2016(3上)： 129-130.

[4] 李莉，李善有，趙軍，等.應用層次分析法綜合評價家用太陽熱水器[J].太陽能學報，1993,14(4)： 330-335.

[5] 蔡文，楊春燕，林偉初.可拓工程方法[M].北京： 科學出版社，1997.

[6] 劉蕊，薛惠峰，張強.基于多指標可拓綜合評價的城市群發展研究[J].統計與決策，2008(2)： 44-47.

[7] 王永林.住院科室醫療質量的可拓關聯分析初探[J].中國衛生統計，2010，27(5)： 514-515,525.

[8] 范東君.基于二叉樹模型下電子產品期權項目定價探討[J].電子測試,2013(23)： 56-57.

[9] 張建華,翁鳴,李曉樂,等.基于依存句法和二叉樹模型的評價對象抽取[J].計算機技術與發展,2016,26(2): 52-55，60.

[10] 章文芳,郭長亮.基于實物期權角度建立高新技術產品投資決策的二叉樹模型[J].財會月刊(理論),2007(5): 37-38.

[11] 張敏莉,李元輝.二叉樹模型在項目投資決策中的應用[J].揚州大學學報(自然科學版),2010,13(4): 75-78.