油氣管道標準知識圖譜服務模式研究與系統(tǒng)研發(fā)

摘 要：知識圖譜作為人工智能的重要分支，成為知識服務領域的一個新熱點，而關于標準知識圖譜方面的相關研究和探索也正在開展，對推動標準數字化工作具有重要意義。本文針對油氣管道標準知識圖譜服務模式開展理論和實踐應用研究，研究提出油氣管道標準之間、機構合作之間、技術內容之間等多種知識節(jié)點的標準知識關聯與知識內容的可視化瀏覽和查詢服務以及語義搜索服務模式，研究開發(fā)相應的標準知識圖譜服務系統(tǒng)，實現油氣管道標準的智能化服務，為油氣管道標準數字化發(fā)展奠定了理論和實踐基礎。

關鍵詞：油氣管道，標準，知識圖譜，服務模式，數字化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.12.010

0 引 言

我國于2021年10月發(fā)布的《國家標準化發(fā)展綱要》提出：“發(fā)展機器可讀標準、開源標準，推動標準化工作向數字化、網絡化、智能化轉型。”多年來，我國油氣管道標準化領域在標準信息系統(tǒng)建設、標準內容揭示、可視化檢索等方面都進行了研究探索和實踐應用，雖然可以進行標準技術指標的檢索查詢，但還沒有深入到標準文本的內容挖掘。通過對油氣管道領域標準服務需求的調研，主要的痛點問題包括：標準嵌套引用造成查詢與閱讀困難；針對某一具體業(yè)務場景，需要查找該場景所需的標準；交叉引用及相近標準需要索引知識可追溯困難；信息孤島，跨段落/跨標準的相關知識很難有效串聯理解；引用標準版本滯后，難以識別與最新版標準的區(qū)別；標準對象所需滿足的指標獲取困難造成應用不便等。因此，迫切需要運用現代技術方法構建和提供標準知識發(fā)現和標準知識重組等標準智能化服務，支撐油氣管道建設與運行。

知識圖譜作為人工智能的重要分支，是人工智能發(fā)展的核心驅動力之一，在行業(yè)落地、產業(yè)智能化當中發(fā)揮著重要作用，成為知識服務領域的一個新熱點。知識圖譜的概念是在2012年由谷歌首先提出，是一種描繪實體之間關系的語義網絡，國內知識圖譜研究發(fā)展迅速，取得了一些突破和進展，但在行業(yè)知識圖譜方面還存在很多空白。在突發(fā)事件應對[1]、金融[2]、油田[3]、煤礦[4]等行業(yè)領域，我國近年來開展了標準知識圖譜方面的相關研究和探索，但在系統(tǒng)化服務模式研究和可實際應用的標準知識圖譜服務系統(tǒng)研發(fā)方面尚待提升，在油氣管道標準知識圖譜研究與實踐方面，國內外更是一片空白。基于油氣管道標準知識圖譜構建的研究和建設的知識庫，本文針對油氣管道標準知識圖譜服務模式開展研究，研究開發(fā)相應的服務系統(tǒng)，實現為相關技術人員提供油氣管道標準的智能化服務。

1 油氣管道標準知識圖譜的服務模式

針對油氣管道標準服務需求，標準知識圖譜應提供油氣管道標準的可視化瀏覽與查詢、語義搜索等智能化服務，支持油氣管道領域相關人員進行油氣管道標準知識瀏覽和學習，針對應用場景進行標準的語義搜索，從而消除信息孤島，全面理解和掌握所需的所有標準知識。

1.1 可視化瀏覽和查詢

在油氣管道標準知識圖譜中，通過標準之間、機構合作之間、標準技術內容之間、術語之間等多種標準之間的知識節(jié)點提供油氣管道標準的知識關聯關系和知識內容的可視化瀏覽和查詢服務，使用戶便捷、直觀地了解和直接獲得標準的技術內容和知識關聯關系。

1.1.1 標準主要內容的可視化瀏覽和查詢

對標準的內容結構和主要內容以可視化知識圖譜的方式進行瀏覽和查詢，包括目次、前言、引言、范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、符號與縮略語、技術內容、附錄、參考文獻等，供用戶直接、可視化地了解標準的內容架構和主要內容。圖1所示為標準內容結構的展示圖示例，以GB/ T2820.5-2009《往復式內燃機驅動的交流發(fā)電機組第5部分：發(fā)電機組》，示例中標準包括：“4其他規(guī)定和附加要求”“5頻率特性”“6過頻率特性”等。圖2所示為標準的主要內容展示圖示意圖，可直接瀏覽和查詢到標準的多級目次以及不同層級目錄間的對應關系。圖3為標準技術內容的展示示例圖，以標準GB/T 34346-2017《基于風險的油氣管道安全隱患分級導則》為例，可直接瀏覽和查詢到標準的標準對象、指標對象、指標影響因素、指標要求等內容。

1.1.2 標準的知識關聯關系可視化瀏覽和查詢

標準的知識關聯關系即包括標準之間的相互采用、相互替代、相互修改、相互引用，也包括標準與專利之間的引用關系[5]，對于油氣管道標準，通過知識圖譜的技術方法，建立“標準-采用-標準”“標準-替代-標準”“標準-修改-標準”“標準-引用-標準”“標準-引用-專利”的知識圖譜，以可視化方式瀏覽和查詢，就可以直接發(fā)現標準的多層嵌套知識關聯關系，解決技術人員對標準的嵌套引用、交叉引用、采用以及標準新舊版本等多種工作中的難題。圖4為標準的知識關聯關系展示示意圖，可以直觀發(fā)現各種關系。

1.1.3 標準機構及合作關系的可視化瀏覽和查詢

標準中涉及機構相關的關系包括標準的發(fā)布機構、提出單位、歸口單位、起草單位等，合作關系包括起草單位的合作關系，起草人的合作關系等。利用油氣管道標準知識圖譜服務，用戶可以直觀了解和分析標準發(fā)布機構、提出單位和歸口單位所發(fā)布和制修訂標準的總體情況，挖掘和分析制修訂標準的起草單位、起草人之間的合作情況、合作緊密程度、合作領域以及起草單位和起草人牽頭和參與標準制修訂情況等，為標準化的規(guī)劃發(fā)展和標準知識的溯源跟蹤提供支撐。

圖5所示為起草單位和起草人的合作情況。在圖5中，以標準SY 6652-2013《成品油管道輸送安全規(guī)程》為例，可以直觀地看到標準的提出單位、起草單位是哪些以及標準的起草人是誰，進而可以了解到不同單位、起草人之間的合作關系。例如：標準由石油工業(yè)安全專業(yè)標準化技術委員會提出，中國石油天然氣股份有限公司管道分公司、中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司、中國石化勝利油田分公司地質科學研究院等多家單位共同起草完成。而起草人則包括閆嘯、王琪、張彥敏、董曉燕等人。

1.1.4 標準技術內容的關聯知識可視化瀏覽與查詢

標準的技術內容是標準的核心，依據油氣管道的知識體系，建立標準化對象、技術要求、技術指標、術語等知識圖譜，提供油氣管道標準之間技術內容關聯知識的可視化瀏覽與查詢，以具體示例說明如下。

圖6所示為兩個標準之間核心技術要素的對比與技術內容的關聯示意圖，可使技術人員快速掌握標準之間引用的技術內容。

圖7中，以標準SY/ T 6652-2013《成品油管道輸送安全規(guī)程》為例，可直接獲得油氣管道標準涉及的標準對象以及相應標準對象應滿足的技術指標，同時還可以通過查看同一技術指標對象的關系，直接獲得不同標準文件內容上的內在知識關聯。通過展開其包含“標準對象”的列表，可檢索到該標準文件涉及的標準對象，以及相應標準對象應滿足的技術指標。例如：標準對象列表包括“設備、工藝”的標準對象節(jié)點。

圖8 中，為標準G B / T9387.1-1998《信息技術 開放系統(tǒng)互連 基本參考模型 第1部分：基本模型》的關聯情況，其中標準對象列表包含“標準對象”節(jié)點，節(jié)點滿足多個指標對象。

1.2 語義搜索

語義搜索根據技術人員的自然語言查詢，對查詢進行分析和理解，將其轉換為知識圖譜中的實體和關系的組合，然后利用圖數據庫或其他檢索方式，從知識圖譜中檢索出與查詢相關的知識，并以子圖形式返回給用戶，為用戶提供智能化服務。

語義搜索服務的實現思路是：對于技術人員輸入的自然語言句子，使用HanLP中文自然語言處理包進行依存句法分析，獲得查詢問句的特征詞并獲得關鍵詞和詞性，用對應關鍵詞的詞性等特征，利用HanL P中文自然語言處理包將關鍵詞進行語義相似度轉化為圖數據庫中的實體標簽和關系類型，進行查詢問句的抽象化并表示成知識圖譜三元組，然后在圖數據庫中進行查詢并返回子圖。如圖9所示為語義搜索服務實現流程圖。

2 油氣管道標準知識圖譜服務系統(tǒng)需求分析與架構設計

油氣管道知識圖譜服務模式的理論研究完成后，進行相應的油氣管道知識圖譜服務系統(tǒng)研發(fā)，使用Neo4j圖數據庫存儲知識圖譜系統(tǒng)的圖數據，系統(tǒng)需求分析如下。

2.1 功能點分析

油氣管道標準知識圖譜服務系統(tǒng)的功能點見表1。

2.2 系統(tǒng)用例分析

系統(tǒng)用例具體包括：1）查看數據用例：用戶查看全部抽取出的實體/關系的數據；2）實體/關系查詢用例：系統(tǒng)根據用戶輸入的實體/關系名稱查詢知識圖譜相關實體/關系，并通過圖的節(jié)點和關系形式展示搜索結果；3）實體擴展用例：用戶在圖中操作，進一步展示與用戶選擇的實體相關的所有實體以及他們之間的關系；4）路徑查詢用例：根據用戶輸入的兩個實體名稱查詢這兩個實體之間的6階以內所有關聯路徑，并以圖的形式展示；5）分類搜索用例中，用戶可以輸入類別關鍵詞進行搜索。

數據查詢相關需求比較類似，表2以比較復雜的路徑查詢用例為例，展示相關細節(jié)。

2.3 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)采用前后端分離的架構，技術路線為前端Vue3+js，后端采用springboot+java。應用服務器采用東方通TongWeb，關系數據庫采用南大通用數據庫Gbase8s，圖數據庫采用Neo4j。本項目以軟件的內聚和耦合是軟件設計的重要評價指標為落腳點，從架構設計層面盡可能降低模塊間的耦合，設計出如圖10所示的系統(tǒng)架構圖，系統(tǒng)架構圖包括了油氣管道標準知識圖譜構建與存儲部分。

（1）運行環(huán)境

本系統(tǒng)部署在Ubuntu18.04LTS版本的服務器上，運行環(huán)境為JDK8，使用TongWeb應用服務器進行請求分發(fā)和負載均衡等。

（2）數據層

本項目主要采用了GBase8s關系數據庫、Neo4j圖數據庫兩種存儲介質存儲系統(tǒng)數據。GBase8s用于存儲一些日志信息，以及一些需要持久化的關系型內容，Neo4j用于存儲標準圖結構數據，是本項目的核心數據庫。Mybatis 作為ORM框架，封裝了GBase8s JDBC連接的框架，從而對GBase8s進行數據訪問等操作。Neo4j Driver是一個用于Java中連接Neo4j并執(zhí)行Cyher語句的框架，結合Neo4jDr iver，根據需求構建響應的Neo 4j Cypher并執(zhí)行，從而實現對Neo4j的數據訪問等操作。

（3）組件層

后端系統(tǒng)使用Spr ingBoot框架進行開發(fā)，因此系統(tǒng)的核心組件包括Spr ing框架的3個核心組件，Spring Core、Springboot Beans及SpringbootContext。Bean組件用于Springboot Bean的定義創(chuàng)建以及解析。Context組件用于給Spring提供一個運行時的環(huán)境，用以保存各個對象的狀態(tài)。Core組件包含了很多Spring的關鍵類，其中一個重要組成部分就是定義了資源的訪問方式。Neo4j Repo封裝了執(zhí)行有關知識圖譜操作的功能，屏蔽底層Cypher并進行ACID業(yè)務層面的事務控制，為控制器類提供所必須的服務，是Neo4j的應用類。

（4）應用層

應用層包含業(yè)務層和控制器層兩個層面。業(yè)務層實現了系統(tǒng)的基本業(yè)務功能，是系統(tǒng)功能需求的核心部分，業(yè)務層通過Neo4j Repo調用Neo4jDrive去執(zhí)行Cypher語句形成業(yè)務流程，并形成結果。控制器層起著承上啟下的作用，接收前端傳來或者網關轉發(fā)的API請求，并調用業(yè)務層相應業(yè)務，形成結果返回給前端。同時控制器層還起著參數校驗等功能。Neo4j Repo有別于OOAD領域設計中訪問倉庫（Repository），是與數據訪問層DAO以及業(yè)務層Service的一個混合，并不是對持久化代碼完全隔離開來的訪問倉庫。

（5）服務層

直接供用戶使用的層面架構，即瀏覽器層，也即本系統(tǒng)的前端。用戶通過瀏覽器端的交互向后端發(fā)送請求，處理請求的結果并渲染成可視化交互界面，實現系統(tǒng)的交互功能。

3 油氣管道標準知識圖譜服務系統(tǒng)實現

油氣管道標準知識圖譜服務系統(tǒng)提供油氣管道標準知識圖譜語義搜索、圖譜可視化瀏覽查詢等智能化服務，支持油氣管道領域相關人員進行油氣管道標準知識瀏覽和學習，主要功能包括：AB路徑、節(jié)點展開、語義搜索。

3.1 AB路徑

AB路徑主要用于展示兩個實體（節(jié)點）之間的關系路徑，包括同類型節(jié)點和不同類型節(jié)點間關系路徑，如：兩個標準之間的關系路徑、某標準和某機構的關系路徑等等。通過輸入兩個實體信息和路徑步長，查詢符合條件的所有路徑。

在系統(tǒng)中，可選擇第一個進行路徑搜索；可在起始節(jié)點和終止節(jié)點中輸入關鍵詞進行路徑搜索，并選中所顯示的列表中相關項；可輸入最短步長檢索。通過選擇左側提供的路徑選項，查看不同路徑具體內容并在圖譜高亮該路徑。例如：起始節(jié)點選擇ISO 6976《天然氣 發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》，終止節(jié)點選擇GB/T 22723《天然氣能量的測定》，最短步長輸入3，點擊確認按鈕，左側展示起始節(jié)點與終止節(jié)點間最短步長為3的檢索路徑結果，如圖11所示，展示檢索節(jié)點的關系圖，高亮展示的為起始節(jié)點與終止節(jié)點通過“規(guī)范性引用文件列表4 42”節(jié)點連接的長度為3的路徑。

3.2 節(jié)點展開

用戶輸入關鍵詞查詢實體（節(jié)點）一步以內的子圖，即直接和該實體關聯的實體以及關系子圖。

如圖12所示，在頁面上方輸入GB/ T 22723，在下方提示框選擇相應選項，即可在下方展示區(qū)展示與輸入內容直接相關的實體及關系，例如：有“包含”關系的“規(guī)范性引用文件442”節(jié)點等。

展開工具，選擇第一個為“篩選”，分為節(jié)點和關系兩種篩選，會展示圖譜中的節(jié)點類型和關系類型，節(jié)點類型包括“目次”“前言”“范圍”等，選擇相應類型后，點擊確認按鈕，可進行節(jié)點和關系的篩選。在兩種選擇中，勾選某個節(jié)點類型（或關系類型）的選中框并點擊確認，即顯示這種節(jié)點類型（或關系類型）；取消選中某個節(jié)點類型（或關系類型）的選中框并點擊確認，則不顯示該類型這種節(jié)點類型（或關系類型），如圖13所示，篩選結果如圖14所示。

3.3 語義搜索

用戶輸入簡單的句子，如：“* *標準包含什么”，系統(tǒng)顯示該標準及其包含的內容。在輸入框輸入語句，格式為“主體-關系-客體”，按下回車鍵即可顯示內容。

如：在頁面上方搜索框中按照“主圖-關系-客體”格式輸入“GB/T 17286.4-2006規(guī)范性引用什么”，檢索結果在下方圖譜中展示，可以看到GB/T 17286.4-2006規(guī)范性引用節(jié)點“規(guī)范性引用文件列表7543”，如圖15所示。

同理，在檢索框中輸入“SCA DA系統(tǒng)滿足什么”，檢索結果在下方圖譜中展示，SCADA系統(tǒng)滿足的節(jié)點包括“控制模式”“指標對象”等節(jié)點，如圖16所示。

4 結 語

本文針對油氣管道標準知識圖譜服務模式進行了探索性理論研究和應用實踐研究，提出了油氣管道標準知識圖譜的服務模式，研究開發(fā)了相應的服務系統(tǒng)，實現了油氣管道標準知識圖譜的可視化瀏覽和查詢、語義搜索等標準智能化服務，為油氣管道標準數字化發(fā)展奠定了理論和實踐基礎，也為我國其他行業(yè)的標準數字化和標準知識圖譜研究提供了可供借鑒的理論和實踐成果，將有力促進油氣管道標準數字化和我國標準數字化工作的發(fā)展。

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