電力設計院知識庫構建研究

王學超 劉大偉 鄭凱 閻欣欣 冷凱強

摘要：電力設計院目前的知識管理主要集中于檔案管理，存在知識獲取不全、知識利用率低等問題，對于知識庫的應用較少。本文分析了電力設計院構建知識庫的必要性，并提出了知識庫的構建原則。最后以變電土建工程知識庫中的土建造價庫為例，介紹了利用本體構建知識庫的方法，對其功能進行了分析。本文構建的知識庫可以較好地滿足電力設計人員對于設計、造價工作的要求，提出的知識庫構建方法能夠為電力設計院的知識管理提供借鑒參考。

關鍵詞：電力設計院;知識管理;知識庫;變電土建

中國分類號：TP311.13? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0222-04

Abstract： At present， knowledge management in electric power design institute is mainly focused on archive management， but the application of knowledge base is less， and there are some problems such as incomplete knowledge acquisition and low knowledge utilization rate. This paper analyzes the necessity of knowledge base construction in electric power design institute， and proposes the construction principle of knowledge base. Finally， taking the civil engineering cost database of the knowledge base of substation civil engineering as an example， this paper introduces the method of using ontology to construct the knowledge base and analyzes its functions. The knowledge base constructed in this paper can better meet the design and cost requirements of electric power designers， and the proposed method of knowledge base construction can provide reference for knowledge management of electric power design institutes.

Key words： electric power design institute;knowledge management;the knowledge base;substation construction

1 引言

電力設計院作為知識密集型組織，業務快速增長帶來了設計文件的快速增多，為確保文件的完整性和精確性，對電力設計院進行知識管理尤為重要。目前已有部分電力設計院初步構建了自己的知識管理平臺系統，但大多數的設計院在知識管理上仍存在問題，沒有對知識進行有效的沉淀歸檔和利用。知識庫作為計算機中的知識集群，具備良好的知識存儲、共享、創新等功能，便于設計人員操作使用。目前，電力設計院較少地將知識庫應用于知識管理。基于此，本文通過對電力設計院的知識管理現狀進行分析，提出了將知識庫應用于電力設計院進行知識管理，詳細闡述了構建電力設計院知識庫的必要性及原則，并以變電土建工程知識庫的構建為例對知識庫的構建方法和功能進行了分析。

2 電力設計院知識管理現狀分析

知識管理是社會中的組織和個人完成知識獲取、存儲、交流、共享、應用和創新的管理過程 [1]7。我國的知識管理研究始于20世紀80年代后期[2]，在2005年之后開始快速發展[3]。電力行業對知識管理也頗為關注，并制定了相應的規劃，也取得了相應的成果。如國家電網和中國電建都創建了自己的一體化協同辦公平臺等大型知識管理平臺。

2.1 知識獲取

知識獲取是知識管理的重要前提，目前，大多數電力設計院處于知識數據的積累階段，已經積累了足夠豐富的知識資源，只是尚缺乏對這些知識資源進行有效整理。在知識獲取的過程中，由于知識資源相對分散，大部分數據資料存儲在個人電腦當中[4]，因此存在部分顯性知識獲取不全的問題。此外，專家、工程師等頭腦中的經驗、技巧等隱性知識沒能得到有效挖掘，造成了知識資源的浪費。

2.2 知識存儲及應用

獲取知識之后需要對其存儲，目前已有部分電力設計院建設了自己的協同辦公平臺或知識管理系統，能夠做到設計文件資料的及時保存和更新，最大程度確保了所獲取文件的完整性和精確性。知識存儲的最終目的是對知識進行有效利用，如何提高知識的利用率是大部分電力設計院普遍面臨的一個問題。現階段電力設計院所建設的知識管理平臺基本實現了目錄服務、知識檢索等功能[5]，但是缺少對知識信息資源進行開發利用，影響了設計院效益的提高，需要完善知識共享和創新等功能。目前知識管理人員業務水平有待提高，構建的知識管理系統缺乏良好的運行環境，導致知識利用程度低，沒有實現知識的充分共享。此外，知識之間具有聯系，如何挖掘知識之間的相互關系，使知識發揮出更大的價值，實現知識二次利用和創新，是知識管理系統健全完善的方向。知識庫的構建將有利于電力設計院實現知識的共享和創新。

知識庫作為計算機中的知識集群，具備良好的知識存儲、共享、創新等功能。然而目前電力設計院創建的知識管理系統較少將知識庫應用其中，其知識庫的構建處于起步階段，基本實現了知識庫的基礎分類架構，具備成熟的知識庫的電力設計院還比較少。針對目前電力設計院知識管理上所存在的亟待解決的問題，運用知識庫將得到有效改善。

3 電力設計院構建知識庫的必要性及原則

3.1 知識庫相關概念

知識庫是按一定要求存貯在計算機中的相互關聯的某種事實、知識的集合，是經過分類和組織、序化的知識集合[6]。知識庫以機器可讀的形式表達，并且可供機器處理。知識庫的構建需要某種知識表示方法支撐，目前最流行且最常用的知識表示方法是本體表示法，其對于知識庫的構建至關重要。

本體有許多不同的定義，在各界學者中認可度最高的定義是由德國學者Studer等人于1998年提出的，即本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明[7]。目前存在諸多本體的構建方法，其中應用較廣的是七步法。七步法由美國斯坦福大學Noy教授等人所創[8]。經歷約20年的發展，七步法相對于其他本體構建方法而言，體系比較完整。

3.2 構建知識庫的必要性

1）提高知識存儲效率，促進電力設計院快速發展

在知識存儲方面，知識基本靠人工手動輸入管理系統，這不僅需要耗費大量的時間，也將占用較多的人力資源，阻礙了電力設計院工作效率的提高。在當今知識量爆炸性增長的時代，這種落后的方法亟待改進，而知識庫的自動化構建有望打破這一困境。

本體的自動構建從20世紀初就開始被研究[9]，十幾年間在理論上已經取得了一定突破，在實踐中也有所進展，如桂冬冬等人提出了一種煤礦事故本體自動構建方法，使構建的本體更加全面[10]。隨著本體自動構建技術和人工智能技術的與時俱進，知識庫的半自動化構建乃至自動化構建將逐漸從理論變為現實。這將大大減少人力資源的投入，提高知識存儲輸入的效率。

2）提高知識查詢精準度，促進知識傳遞共享

在知識應用方面，目前的知識管理方式對電力設計知識的應用程度不高，沒有充分發揮知識資源應有的價值。由于知識庫可以實現知識的結構化存儲，使之更具備條理性，并且能夠表示知識之間的關聯。基于本體構建的知識庫的查全率和查準率分別可達93%和87% [1]57，實現了知識的精準查詢。電力設計人員尋找和利用知識的時間將大大減少，促進了知識的傳遞共享。

3）提高電力設計院工作效率，促進知識重用創新

知識庫可以與推理機相結合組成專家系統，即模仿人類思維求解復雜問題的計算機智能系統，通過本體推理可以實現對現有知識的重用創新，為電力設計院創造更大的價值。本體推理的實現機制表現為，在推理機的作用下，將知識庫中的知識與規則庫中的推理規則相互匹配，從而推理出知識庫中的隱含知識[1]12。例如，通過本體推理可以實現對工程風險的預測及評估，設計人員基于風險預測結果對當前設計方案進行改進，從而可以有效避免將來工程建設及運行過程中類似風險的發生，極大地提高了工程的安全性并減少了損失[11-12]。此外，知識庫還可用于綠色建筑評價[13]，電站或建筑的智能運維[14-15]等方面。若電力設計院實現了知識庫的成熟建設，電力設計人員的工作效率及效果都將得到極大提高。

3.3 知識庫的構建原則

不同領域的知識庫的構建原則各有不同，需根據知識庫構建的目的進行設置。由于電力設計院知識庫的構建是為了更好地對知識資源進行有效管理，從而提高電力設計院的工作效率。為了盡可能發揮所構建的知識庫的作用，本文提出了三點電力設計院知識庫的構建原則。

1）完整性原則

電力設計院的知識繁雜密集，為了避免遺漏，在構建知識庫之前，應當對知識進行合理的分門別類，在涵蓋全部核心知識的基礎上，力求維護知識的完整性及條理性，從而便于知識庫的構建，也有利于提高實現知識查詢的完整性和精確性。

2）易操作性原則

知識庫的構建是為了更加高效地利用知識，因此，構建的知識庫需要具備較強的可操作性。首先知識庫必須具備一定的可拓展性。隨著電力設計院的發展，其內外部的資料都在不斷增加，只有具備一定可拓展性的知識庫才能實現知識的更新補充。其次，構建的知識庫要方便使用，從而減少知識查詢和創新重用所耗費的時間，提高電力設計人員的工作效率。

3）一致性原則

電力設計院方面的專有名詞較多，在描述這些專有名詞的概念、屬性及實例時，必須與實際相符，同時要滿足定義和推理在邏輯上相一致[16]。

4 電力設計院知識庫構建案例

4.1 知識庫的系統架構

目前國家電網系統內的人才交流帶來了電力設計人員流動較大等問題，流出有經驗人員導致知識流失，流入無經驗人員無法系統全面地了解設計知識。因此，構建電力設計知識庫尤為必要。本文以變電站土建工程知識庫的構建為例，幫助電力設計院更好地進行知識管理，使得新加入的缺乏經驗的電力設計人員實現懂設計、懂造價的目標。擬構建知識庫的系統架構如圖1所示。

4.2 知識庫的構建步驟

目前缺少可以重用的本體，故該知識庫所利用的本體需自主構建。知識庫本體的構建工程較為龐大，目前利用protégé軟件完成了土建造價庫的構建，主要的構建方法簡述如下。

第一步，定義類，主要包括設計對象庫、設計要求庫、計量規則庫三類。類及其定義如表1所示，在protégé軟件中構建的該知識庫本體的類如圖2所示。

第二步，定義類的屬性，主要包括對象屬性和數據屬性。首先定義對象屬性，它表達的是類與類之間的關系。該本體中子類與基礎類構建了歸屬關系的“is-a”屬性，例如通過“is-a”將“主要生產建筑物”和“設計對象”聯系起來，表示“主要生產建筑物”是“設計對象”的一個子類。表2展示了對象屬性的定義域及值域。定義域是屬性的起點，表示屬性限制的類;值域是屬性的終點，表示屬性指向的對象。數據屬性描述的是類的具體信息，它是類與數據的連接點，如表3所示。

第三步，創建實例。實例是真實具體的數據，對應實際對象、實際要求和實際計量規則。通過創建實例可以將本體應用到實際。本文以“站區道路”為例，說明構建實例的思路和過程。

實例“站區道路”屬于類“設計對象”的子類“站區性建筑”，整體視圖如圖3所示。類“設計對象”的子類“站區性建筑”是抽象的概念，結合實際經驗，將圍墻、大門、護坡、擋土墻、排水溝、站區廣場和站區道路規為一類“站區性建筑”。

4.3 知識庫的功能實現

1）知識結構可視化

知識庫本體通過計算機可識別的語言進行構建，并以.OWL形式進行存儲，這些計算機編程語言對一般電力設計人員而言，晦澀難懂。而知識庫可以將知識結構轉化成可視化的形式，通過直觀展示，電力設計人員可以清晰地了解知識之間的關聯，也便于快速地掌握設計知識，從而提高其設計能力。根據知識可視化展示的詳細程度可以分為OWLViz可視化和OntoGraf可視化。前者只能展示類這一層次，后者可以展示全部的類及屬性。由于全部展示形成的結構較大，故只展示第二子類這一層次，圖4和圖5為土建造價庫的這兩種知識可視化形式。

2）知識精準查詢

OntoGraf可以實現對知識庫中的知識進行精準查詢的功能。以“道路”為例，在搜索框中輸入“道路”，查詢結果如圖6所示。圖中展示了與“道路”有關的類及實例，如施工圖通用設計中與站內道路有關的各類設計要求。電力設計人員通過知識查詢，可以快速找到自己需要的信息，節約知識查找所耗費的時間，從而提高其設計效率。

3）待完善的功能

由于知識庫的構建是一項工作量較大的工程，目前實現的部分還不夠健全。待整個知識庫構建完善之后，知識之間的聯系更加密切，通過巨大的知識網絡，將實現更多的功能。待完善的功能主要有以下幾點。首先，需要實現知識之間的精準索引。例如，通過查詢“在建工程資料庫”中的某設計圖紙，可以找到“設計人員庫”中的相應負責人，從而實現施工人員與設計人員的及時溝通，促進雙方工作協同優化，節約工程造價。其次，實現相似項目案例的精準匹配。通過構建案例推理規則庫，利用相似度算法來實現相似案例的精準查找，為當前的設計工作提供借鑒，優化設計成果。最后，努力開發知識庫半自動乃至自動構建方法，為知識庫的構建節省時間和人力，從而更快更好地充分利用知識庫的功能。

5 結語

電力設計院的知識管理十分重要。本文首先對電力設計院的知識管理的現狀進行了分析，發現目前的知識管理方式仍然存在較多不足之處，通過構建并應用知識庫進行知識管理可以有效地改善這些問題。然后以變電站土建工程的知識庫構建為例，設計了該知識庫的系統架構，并分析了其構建方法和功能。結果表明，目前構建的知識庫能夠較好地滿足電力設計人員對設計規范以及工程造價的學習需求，本文提出的知識庫構建方法能夠為電力設計院的知識管理提供借鑒參考。

本文仍存在一些不足之處。目前所構建的知識庫還不夠健全，只具備一些基礎功能。知識庫的構建是一個長期的過程，后續將完善本知識庫的構建，并研究半自動化構建乃至自動化構建技術，節約時間和人力。此外還將開發更多的知識庫功能，幫助電力設計人員優化其設計工作，促進電力設計院實現更佳的知識管理。

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【通聯編輯：王力】