2.4 輸變電設備全景信息集成平臺

輸變電設備全景信息集成平臺研發的目標是：構建規范、標準和便于擴展的輸變電設備全景信息集成體系結構，開發可以實現輸變電設備全景信息數據集成、共享和協同處理的底層數據應用，采用通用的方法實現全景信息模型的管理與校驗，制定輸變電設備全景信息集成平臺的公共安全信息接入標準與規范。

建立輸變電設備全景信息平臺面臨以下三個方面的問題：①物聯網背景下輸變電設備的數據信息量劇增，對數據的操作效率、服務響應均提出了更高的要求。傳統的SOAP方法遵循大量的協議和標準，效率低下、實現復雜，因而難以滿足要求。同時，由此構建的信息集成平臺功能實現耦合度高，擴展性和適應性差。②輸變電設備物聯網存在多種不同數據源，不同數據源可能使用不同的數據模型表達相同的概念，導致輸變電設備全景信息具有多源異構的特點，阻礙了各數據源之間信息的交流和共享，造成新業務帶來的數據源無法快速接入和高效利用。③全景信息模型對象數量龐大、關聯關系復雜，造成模型編碼困難，不能實現對輸變電全景信息模型在不同形式下的智能化轉換，也不能對模型的有效性給出準確的評價，無法對信息模型進行有效管理與校驗。

通過實現上述目標，可以解決目前輸變電全景信息集成平臺存在的三個問題。研發輸變電設備全景信息集成平臺主要包括關鍵技術研究和輸變電全景集成信息平臺的設計和實現兩個方面。

針對本項任務的目標和要求，工作完成情況總體如下：

1）構建了輸變電設備全景信息集成平臺，實現了輸變電設備全景信息及多種服務的共同接入，并實現了服務流程的高效優化。

2）完成輸變電設備全景信息的多源異構數據聚合模塊，為各種智能應用業務提供統一的數據服務接口。

3）完成輸變電全景信息模型管理與校驗模塊，為上層高級應用提供可靠、完備的面向對象模型、物理存儲模型。

在關鍵技術方面開展的研究工作和取得的成果主要有：

1）設計了基于Restful Web服務的數據訪問流程，解決了分布式環境中數據難以高效操作的難題。設計了基于Restful的快捷服務總線，實現了對服務流程的編排、管理及監控。

2）提出了一種輸變電設備全景信息的多源異構數據聚合方法，通過RDF接口將異構數據源數據轉換成RDF數據，將OWL本體構造和SWRL規則結合起來建立局部本體和全局本體之間的映射，解決了輸變電設備全景信息的多源異構數據聚合中關鍵性的語義異構問題。

3）提出了輸變電全景信息模型高效管理的通用方法，實現了在全景信息模型在面向對象模型、CIM文件和數據庫物理模型之間的智能轉換。提高了全景信息模型的管理效率，增加了全景信息模型的可靠性。

2.4.1 關鍵技術

1.可靈活擴展的信息集成平臺構建技術

（1）基于SOAP與Restful協同的平臺構建策略

輸變電設備全景信息集成平臺主要采用Restful Web服務方式來實現對分散數據源的訪問和其他操作，其請求和響應過程如圖2-85所示。Restful Web服務基于REST風格的輕量級Web服務架構，為每一個資源賦予包含了作用域信息的唯一標識URI，其流程為：在對數據進行CRUD操作時，服務請求者將請求的數據置于HTTP文檔主體，通過URI①向服務器發送請求；服務器依據方法參數處理完畢后，將結果以XML、HTML、JSON等格式通過URI②傳回服務請求者。

REST采用HTTP的簡單協議，SOAP遵循WSDL語言描述的復雜的服務契約，REST可采用比XML更為輕量級的JSON數據格式。在訪問相同大小數據量時，Restful Web服務比SOAP/WSDL傳輸效率高很多，響應速度快捷。此外，Restful Web服務簡捷高效、低耦合，將需要操作的事物、關系和業務流程抽象為資源，同時為每一個資源賦予唯一的資源標識符URI，其本身與其他分布式組件的耦合度低，一旦數據源發生變更或增加，只需對URI進行簡單的修改即可，其后期維護升級維護開發周期短，可實現服務的快速部署與應用。

由于SOAP/WSDL產生較早，在電力領域內的某些業務即采用該方式。對于新增業務在其對規范性要求不高的情況，采用Restful方式，如圖2-86所示。若已有的采用該方式的業務對效率要求較高或其業務功能經常性更新變化，則將其替換為Restful方式。

（2）基于消息驅動的輕量級服務總線動態管理與監控技術

圖2-87所示為基于消息驅動的輕量級服務總線動態管理與監控技術流程。圖中設計了一組豐富的功能啟用管理和監控應用程序之間的交互，作為平臺的處理中樞，集成在應用系統的邏輯層及服務層之間，通過多種通信協議連接并集成不同系統上的組件將其映射為服務，完成服務間的動態監控與互操作。

服務容器封裝用戶應用軟件和總線基礎服務，通過服務的注冊、發現和選擇來實現業務的分布式處理。在平臺中，服務列表依據相應的功能應用而事先被注冊在服務容器內，當總線接收到來自邏輯層承接的應用層的請求代理時，服務容器發現請求并依照列表選擇相應的服務。總線提供了發布/訂閱和請求/回復兩種消息模式，由消息路由分析服務傳遞的步驟并建立傳遞線路和規則，最終實現消息的傳遞過程。總線通過調用Restful Web服務對所需的數據源進行數據操作，并將結果返回到服務總線。

2.輸變電設備全景信息的多源異構數據聚合方法

（1）基于改進混合本體的數據聚合

圖2-88所示為基于改進混合本體的多源異構數據聚合方法流程。該方法中包括一個全局本體和多個局部本體，映射關系建立在全局本體和局部本體之間，局部本體之間不建立映射關系，使對全局本體的查詢能夠轉換成為對各個底層數據源的查詢，消除數據的語義異構。具體流程如下：

1）異構數據源數據經過RDF接口，數據被轉換成RDF數據，然后通過OWL本體描述語言構造數據源本體。

2）通過本體構造和SWRL規則轉換，建立了局部數據源本體和全局共享本體之間的映射，在運行過程中，實現數據源本體之間的轉換，消除數據的語義異構。

3）本體轉換完成后，異構數據實現了有效聚合，結果被返回給用戶或者應用程序，支持接下來的分析和計算。

（2）開放性的數據轉換

異構數據源通過RDF接口接入系統，RDF接口功能如圖2-89所示。RDF接口將來自不同數據源的數據公開為RDF數據后，由數據抽取器抽取數據，通過數據加載服務提供給數據轉換控制模塊，進行統一的數據轉換，通過OWL語言構造數據源本體。RDF接口將多源數據從分立的應用程序中分離出來，使多源數據交互和集成得以實現，無須大量的數據格式的改動，具有良好的開放性。

（3）OWL和SWRL規則結合的本體映射

本體映射的建立過程如圖2-90所示，其流程為：首次，通過統一的RDF語法形式呈現SWRL規則；其次，進行語義相似度計算，利用SWRL規則建立全局本體和局部本體之間的映射關系；最終，輸出為一個完整的本體映射關系表。

OWL本體語言提供了將兩個本體的類和屬性關聯起來的方式，SWRL通過建立規則對本體概念及其屬性進行分析和語義推理。將SWRL規則和支持映射的本體構造一同使用，在已有的資源描述庫中判定出各個概念之間的語義關系，能夠有效地發現本體之間隱含的語義關聯，充分挖掘領域本體所提供的背景知識，適用于不同領域的多種信息。采用標準化的技術，以及可重用和共享的規則表達，將OWL和SWRL規則結合起來建立映射可以實現映射的重用和共享。

3.輸變電設備全景信息模型多態自動轉換方法

（1）模型的多態關聯管理

信息模型建模是基于面向對象的，對象之間有很強的相似性，可以使用通用的方法進行處理。SAX（Simple API for XML）解析器可以滿足這一通用化需求。SAX在解析和創建XML文件時是基于事件驅動的，并且可以隨著全景信息模型數據的流動而依次處理，無須等待整個CIM文件被存儲后才采取操作，提高了CIM文件處理的效率。

在信息模型解析過程中，同時引入Eclipse的EMF框架和Java的反射機制進行編碼。EMF是一個開放源代碼的Java框架，可以快速為全景信息模型生成簡單、正確、有效的Java代碼。Java反射機制是利用Java本身的動態相關機制反射（reflection），動態訪問、檢測和修改程序本身的狀態和行為，從而可以在EMF框架的基礎上利用已經自動生成的面向對象模型動態獲取類名并對相應的對象進行操作。

全景信息模型多態轉換方法如圖2-91所示。

1）規范化的EMF框架可以將可視化全景信息模型轉換為面向對象模型接口，然后以面向對象接口作為全景信息邏輯模型的對外接口，供CIM文件的生成、反向生成，數據庫存儲，模型校驗等功能調用。

2）全景信息模型通過面向對象模型接口，根據不同類的名稱在目標數據庫中建立相應的名稱的表單，并根據類所包含的屬性構造數據庫表結構，從而形成用于存儲的數據庫物理模型。

3）調用面向對象模型接口，通過SAX解析器、Java反射機制和數據庫操作等標準化的操作，在命名轉義表的輔助下，將源數據庫中的全景信息模型相關數據以CIM文件的格式存儲，形成靜態文件存儲系統。

4）得到CIM文件后，通過除命名轉移表輔助之外的標準化操作，同樣調用面向對象模型接口，將CIM文件格式的模型數據根據②中形成的數據庫物理模型導入到目標數據庫中存儲，從而對大量的模型數據形成有效管理。

5）同時也可以利用規范化操作，從目標數據庫中將已經按照全景信息模型規則存儲的數據，反向生成CIM文件。

（2）基于輸變電設備全景信息模型的CIM文件自動生成流程設計

1）首先需要通過EMF框架對輸變電全景信息模型進行到面向對象模型的轉換，再從源數據庫中讀取信息模型相關的數據庫表單，經過命名轉義表的轉義后，與類名及其屬性名關聯。

2）然后進入全景信息模型解析循環，首先根據類名及其包含的屬性名在數據庫表單中尋找屬性所對應的屬性值。若發現數據庫表單中沒有全景信息模型中所描述的屬性或類名，程序會自動給這類屬性值填充空格，用以表示源數據庫中存儲信息不夠完整或者全景信息模型存在缺陷，然后生成對應數據信息的缺失日志，用以進一步規范數據源表單或完善輸變電設備全景信息模型。

3）根據全景信息模型中對每個屬性值的限值大小，判定屬性值是否越線，若發生越線則生成相應數據的越線日志，并繼續向后執行。

4）當所解析的全景信息模型實例對象屬性值填充完畢后，將在內存中存儲的實例按照標準CIM文件格式輸出到RDF文件中，并檢查是否是最后一個需要實例化的實例對象。如果不是最后一個則需要重新進入全景信息模型解析循環，重復上述步驟；若是最后一個實例則關閉文件寫入數據流，將文件存放到指定存儲位置，完成全景信息模型解析。

信息模型的CIM文件自動生成的具體流程如圖2-92所示。

上述流程在轉義表的輔助作用下，只需要對通用的面向對象進行編碼，而不需要專門針對具體類名、屬性名、方法名進行編碼，在程序執行過程中利用Java反射機制根據類名列表實現自動加載，從而達到高復用性。

（3）基于輸變電設備全景信息模型的數據庫存儲流程設計

雖然數據存儲在CIM文件中，可以直接作為靜態文件進行讀取，而且讀取速度比訪問數據庫快，但是相比靜態的文件存儲系統，數據庫存儲可以使整體數據結構化，加強了數據之間的關聯性，為輸變電設備全景信息平臺提供便于上層調用、查詢、處理的數據，主要步驟如下：

1）在將模型數據存儲到數據庫時先將全景信息模型轉換為面向對象模型，然后利用CIM文件充當數據源，根據類名列表在文件存儲系統中搜尋與類名相同的文件名。如果發現在文件系統中沒有所搜索的類名則說明所用的全景信息模型與CIM文件不對應，可能是由于使用了不同的信息模型或者是同一個信息模型不同的版本，根據不同情況生成對應的錯誤日志，并給出相應的告警信息。

2）在CIM文件與全景信息模型對應的情況下，將CIM文件所描述的對象實例以表單的形式存放到目標數據庫中。

3）單一類下所有的對象實例全都存儲到目標數據庫（與源數據庫區分）后，會繼續根據類名列表對其余的CIM文件進行解析，直到將最后一個CIM文件解析完，然后關閉數據庫鏈接，退出程序。具體流程如圖2-93所示。

上述流程解決了輸變電全景信息模型在文件系統與數據庫系統之間的轉換，與上一節方法結合就實現了CIM文件與數據庫物理模型之間的雙向自動轉換。

（4）輸變電設備全景信息模型校驗流程設計

網絡繁忙或者傳輸數據意外中斷等情況會導致CIM文件在傳輸過程中出錯，從而會使傳輸后的CIM文件不可用，因此在輸變電設備全景信息平臺上增設了全景信息模型校驗功能，加強數據傳輸可靠性，全景信息模型校驗步驟如下：

1）校驗前首先要保證信息模型版本的一致，防止因全景信息模型的修改而導致模型解析錯誤，因此需要進行版本的校對。

2）查詢CIM文件中的對象名在類名列表中是否存在，若不存在就在轉義表中查詢，如果還是沒有對應名稱記錄則根據錯誤生成對應類的缺失日志，繼續執行。

3）檢驗對象屬性與模型中的屬性名稱是否一一對應，若屬性名稱不對應再在轉義表中查找，如果出現屬性缺失、冗余、名稱不對應等情況，就生成對應情況下的日志報告。

4）校驗全景信息模型類名的字符長度是否越界，若超過所使用數據庫表名長度的上限，則記錄越界信息，繼續校驗。

5）當最后一個模型實例校驗結束后，根據越界信息、實例個數、實例類別、校驗時間等信息生成校驗報告，退出執行，校驗結束。具體流程如圖2-94所示。

根據輸變電設備全景信息模型的語義、語法定義規則對CIM文件進行校驗，并通過轉義表對名稱進行輔助查詢，使得輸變電設備全景信息模型的運用更加規范、一致、可靠。

2.4.2 技術應用與實現

1.基于ESB與Restful的輸變電設備全景信息集成平臺

不同級別的輸變電設備全景信息集成平臺在各級電網中所面對的應用與需求各不相同，按照輸變電設備智能監測與全壽命周期管理在各級電網的業務不同來構建各級的功能和應用。輸變電全景信息集成平臺業務架構分為以下幾個層次，如圖2-95所示。

需要通過平臺進行集成的信息主要包含：輸電設備監測數據、變電設備監測數據、調度運行信息、生產管理信息、公共安全信息以及人工錄入信息。為滿足以上輸變電設備數據交互與共享的需求，更好地支撐輸變電設備智能監測與全壽命周期管理在各級平臺上不同的業務應用，滿足輸變電設備各種業務的復雜性和系統的開放性，本任務采用基于SOA架構來構建輸變電設備全景信息集成平臺。

（1）輸變電設備全景信息集成平臺功能分析與總體方案

平臺設計的總體實施如圖2-96所示。

（2）輸變電設備全景信息集成平臺架構

總體采用面向服務架構的思想，借助企業服務總線在消息路由、服務管理及自動集成多個應用方面的優勢來構建平臺的架構。輸變電設備全景信息的多源分散問題突出，平臺采用輕量級的Restful服務來實現對多源數據的讀取訪問。輸變電設備全景信息集成平臺的架構如圖2-97所示，自下而上依次分為數據層、服務層、總線層、邏輯層和應用層共5層。

1）數據層。作為整個架構的底層基礎，數據層要提供分散于各子應用系統中的數據信息。目前電網數據的表示大多采用CIM模型，亦有E文件、XML、CSV等其他格式的數據，在訪問時需要對數據模型進行必要的解析服務，將此類解析服務封裝為可調用的獨立服務，適于在分布式環境中構建松耦合和互操作性強的系統架構。

2）服務層。服務層通過創建REST服務與SOAP/WSDL服務來實現對底層分布數據源的訪問。SOAP/WSDL服務通過UDDI統一注冊與查找，并由WSDL描述服務的功能與接口，這種信封式的結構設計在構建實際應用時需遵守大量標準與協議，人為地增加了抽象的層次，使得系統更加復雜、擴展性不足，這種重量級的服務已經不能完全滿足系統的開發需求。

相比之下，REST服務簡捷靈活，可通過URI直接識別定位資源，避免了訪問資源時煩瑣的響應過程，在需要使用有限帶寬提供更多連接時更具效率，使系統具有可尋址性、連通性，降低了與其他分布式組件的耦合性，具有高伸縮性和靈活性，適合構造松散組合的系統。表2-30是REST風格與SOAP風格Web服務的一些特點對比。

REST方式比SOAP方式更易在分布式環境中構建更具前景的松耦合可擴展的系統架構。在輸變電設備全景信息的集成過程中，對于已有的采用SOAP實現的某些服務，若其對效率要求較高或其業務功能經常性更新變化，則將其替換為Restful方式。對于新增業務在其對規范性要求不高的情況下采用Rest-ful方式。

3）總線層。企業服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）是構建輸變電設備全景信息集成平臺的關鍵核心部分，它提供了開放的、基于標準的消息機制，能夠支持異構環境中的通信、連接、交互、消息服務，通過標準適配器和接口，提供粗粒度應用服務與其他組件之間的互操作。ESB通過對各子服務的組合調用實現對服務流程的編排、管理和監控，以支持異構環境中的集成需求。

4）邏輯層。邏輯層主要處理輸變電設備全景信息異構的問題。該層接收來自應用層的請求代理并在總線控制下通過REST服務獲取多源異構數據，在Mashup引擎下完成本體實例的創建并進行語義查詢，最終完成數據聚合。

5）應用層。作為頂層的應用層根據邏輯層的處理結果，可提供輸變電設備的高級數據、展示與輸變電設備全壽命周期管理等服務應用。

（3）輸變電設備全景信息集成平臺的實現與驗證

輸變電設備全景信息集成平臺主要在Eclipse和Mule Studio的開發環境下實現。Eclipse開發平臺源代碼開放、基于Java且可擴展，主要實現基礎的數據服務、文件解析服務以及高級應用的算法服務等。Mule Studio可支持Mule ESB的大多功能，可以圖形化的方式創建Mule ESB的服務流程。此外，Jersey作為Mule核心部署的組成部分，可按照JAX-RS的規范通過在Java中使用標注方式，快速實現Restful的Web服務，以實現Mule ESB對REST的支持。當客戶端向相應服務端端口發送請求時，Mule Studio通過Jersey從數據源讀取數據。圖2-98為Mule Studio支持REST的風格的服務發布圖。

驗證：

以查詢昭通局的變電站為例驗證平臺的數據服務，當在地址欄輸入唯一標識符URI [http：//10.180.80.236：8080/qjxx/substation/json/get.do？dataSet=siteInfo&&param=昭通局]之后，返回的數據結果如下：

結果表明，實現了以Restful Web的方式對源數據的訪問。

本部分以變壓器的狀態評價業務為實際需求進行相關服務和流程的實現。由設計部分可知，變壓器的狀態評價業務可以分解為數據服務、狀態評價計算服務、狀態評價流程服務這三個子服務。數據服務先由程序實現后封裝然后對外發布，主要實現對相關數據的操作；狀態評價計算服務先調用相關評價算法程序實現后封裝為服務對外發布。這兩類服務均為面向服務架構的基本服務，實現獨立且功能不可分，可重用性強且粒度適中。變壓器狀態評價相關服務的封裝與實現過程如圖2-99所示。

將以上兩類服務在Mule Studio的管理和監控下按照數據交互、計算調用順序、數據格式轉換以及協議轉換等要求進行業務編排，最終實現狀態評價計算的流程服務。圖2-100為Mule Studio對狀態評價相關服務的調用及服務流程的編排。

2.輸變電設備全景信息的多源異構數據聚合方法實現

輸變電設備全景信息平臺具有對輸變電設備全景信息的匯聚、聚合功能，上層應用提供統一化、標準化數據，基于改進混合本體的多源異構數據聚合方法提高了輸變電設備全景信息平臺異構數據源之間信息的交流和共享能力，給上層應用提供統一訪問的數據視圖。

變電設備物聯網中的輸變電設備監測數據和公共安全數據是典型的異構數據源，數據聚合流程如圖2-101所示。

（1）將數據源轉換為RDF格式

本任務應用Protégé本體編輯工具構建輸變電設備和環境信息的本體，本體模型及可視化視圖如圖2-102、圖2-103所示。

（2）本體映射

這里采用OWL本體構造和SWRL規則結合的方式建立映射，利用OWL進行本體構造后，基于SWRL建立了輸變電設備本體和環境信息本體的模型映射規則庫。表2-31列舉了部分規則，例如，規則1的含義是：環境信息本體中的線路被映射到輸變電設備本體中的線路。

最后通過本體構造工具中的PROMPT選項卡中的CogZ表達映射視圖，如圖2-104所示。其中，虛線表示兩個本體中未確定的候選映射對，灰色實線表示兩個本體中的全部映射關系。

（3）聚合結果

輸變電設備監測數據和線路所處環境信息數據聚合后，提供給風險評估系統使用，在對線路進行風險評估后，部分顯示結果如圖2-105所示。

風險評估的結果中包括了兩個異構數據源中關于設備和設備所屬天氣因素的信息，數據得到了有效聚合和充分利用，證明了所提方法的可行性與有效性。

3.輸變電設備全景信息模型智能管理、校驗的實現結果

輸變電設備全景信息集成平臺為上層應用提供包括存儲在共有及私有數據庫中的物理數據模型、可直接用于上層應用編碼的面向對象模型及用于數據傳輸的CIM文件靜態文件系統，全景信息模型多態自動轉換方法可以提升模型之間的轉換效率，增加平臺向上層應用提供信息模型功能的可靠性。

（1）基于輸變電設備全景信息模型的轉換結果

下面以已經在輸變電設備全景信息集成平臺中應用的變壓器資產相關模型為例來說明所述方法的有效性。

表2-32是全景信息模型經過自動轉化后生成的Java類名列表，

表2-33給出的Transformer Asset類屬性列表是變壓器資產類下面的屬性列表，根據給出的轉義表，生成如圖2-106所示的CIM標準格式文件，表2-34是在數據庫中生成的數據表單。

（2）輸變電設備全景信息模型校驗結果

對資產類所對應的CIM文件進行校驗后，生成的校驗報告如圖2-107所示，在對CIM文件合法性進行校驗的同時，對全景信息模型的完善提供支持。根據校驗結果顯示的缺少資產屬性曲線（Asset Property Curve）類和兩個長度超出數據庫字符限制的兩個類名，對全景信息模型進行修改，進一步完善了全景信息模型。