陳 升

(國網(wǎng)信息通信產業(yè)集團廈門億力吉奧信息科技有限公司, 廈門 361008) (國網(wǎng)信通億力科技有限責任公司, 福州 350003)

統(tǒng)一時空電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型與訪問技術①

陳 升

(國網(wǎng)信息通信產業(yè)集團廈門億力吉奧信息科技有限公司, 廈門 361008) (國網(wǎng)信通億力科技有限責任公司, 福州 350003)

在電網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)發(fā)展過程中, 存在著多種不同的文件或空間數(shù)據(jù)庫格式, 也產生了大量的電網(wǎng)時空數(shù)據(jù). 為解決數(shù)據(jù)集中或各個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互時, 面臨的異構數(shù)據(jù)問題以及時空數(shù)據(jù)應用問題, 特提出統(tǒng)一時空電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型與訪問技術. 本文從實際應用出發(fā), 利用元數(shù)據(jù)思想及軟件插件模式, 從數(shù)據(jù)及訪問層面解決了異構數(shù)據(jù)和時態(tài)數(shù)據(jù)的使用. 通過應用證明, 采用統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型與訪問技術方式, 能夠有效地減少數(shù)據(jù)準備、系統(tǒng)開發(fā)的工作量, 并且可以整合利用不同數(shù)據(jù)源各自的優(yōu)點.

時空數(shù)據(jù); 時態(tài)GIS; 電網(wǎng)GIS; 統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型; 統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問

在電網(wǎng)的信息化過程中, 地理信息系統(tǒng)(GIS)獲得了廣泛的應用[1-4]. 這一過程中, 由許多不同廠商分別構建的信息系統(tǒng), 形成多種不同的文件或數(shù)據(jù)庫格式,即異構數(shù)據(jù)[5]. 當用戶使用了某個公司的數(shù)據(jù)存儲格式之后, 常常就被迫使用此公司的一系列相關軟件,用以訪問他們自己的數(shù)據(jù). 如果遇到必須使用其它公司的軟件的情況, 往往需要耗費大量的人力、物力把數(shù)據(jù)從一種格式轉換成另一種格式, 或者想方設法的去讀寫這些專有格式的數(shù)據(jù). 若數(shù)據(jù)來源于不同的數(shù)據(jù)庫或文件, 就需要將這些數(shù)據(jù)或文件遷移到指定的數(shù)據(jù)庫中. 在電力信息系統(tǒng)中, 由于平臺發(fā)展歷程及技術選型的不同, 也導致存在大量異構數(shù)據(jù)的問題, 使得數(shù)據(jù)更新升級、業(yè)務功能開發(fā)等存在一系列的障礙.

另外一方面, 人們對于電網(wǎng)的理解都是基于生產環(huán)境中的現(xiàn)有運行電網(wǎng). 電網(wǎng)資源的存儲也僅僅是現(xiàn)有運行態(tài)的電網(wǎng)資源, 不具有處理數(shù)據(jù)的時間動態(tài)性,只是描述數(shù)據(jù)的瞬時狀態(tài)(snapshot). 當數(shù)據(jù)發(fā)生變化時, 用新數(shù)據(jù)代替舊數(shù)據(jù), 系統(tǒng)成為另一個瞬態(tài), 舊數(shù)據(jù)不復存在, 因而無法對數(shù)據(jù)變化的歷史進行分析,更無法預測未來的趨勢. 目前業(yè)務需要對電網(wǎng)的分析都是對運行態(tài)的電網(wǎng)資源做實時分析. 隨著業(yè)務精細化的發(fā)展, 需要針對歷史電網(wǎng)進行分析時, 目前電網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)(GIS)是無法滿足其業(yè)務需求. 如當現(xiàn)有的電網(wǎng)資源滿足不了用戶用電需求的時候, 就會基于現(xiàn)有電網(wǎng)資源做規(guī)劃, 需要參考在某一個歷史時刻的電網(wǎng)運行情況. 再者, 基于歷史時刻的電網(wǎng)運行分析、為其他業(yè)務提供決策等等, 所有這些都需要有效保存并管理歷史變化數(shù)據(jù), 以便將來重建歷史狀態(tài)、跟蹤變化、預測未來. 這就要求在實現(xiàn)對傳統(tǒng)GIS中的空間數(shù)據(jù)進行組織、管理、操作的同時, 還能對空間數(shù)據(jù)的歷史演變過程進行模擬或回溯.

為解決這一系列數(shù)據(jù)遷移及處理問題, 簡化數(shù)據(jù)準備及訪問流程, 提出統(tǒng)一時空數(shù)據(jù)模型及訪問技術.希望通過簡單的配置, 實現(xiàn)不同格式和不同來源的數(shù)據(jù)的高效利用.

1 統(tǒng)一電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型

統(tǒng)一電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型是一種元數(shù)據(jù)模型[6,7], 通過對原始數(shù)據(jù)及地理對象的元數(shù)據(jù)描述, 達到抽象電力設備, 屏蔽底層數(shù)據(jù)不同結構的目的.

對于描述同一電力設備的不同數(shù)據(jù), 如設備的空間表、設備的屬性表等, 可以抽象的視為描述這一設備不同方面的原始數(shù)據(jù)(元件). 這些原始數(shù)據(jù)之間通過唯一id或名稱存在關聯(lián)關系(元件之間的關系). 在此基礎上通過定義設備的邏輯描述(對象), 可以將實際需要的空間或屬性數(shù)據(jù)從原始數(shù)據(jù)中提取出來, 組成新的設備數(shù)據(jù). 整個空間數(shù)據(jù)模型的思想類似于數(shù)據(jù)庫的表與視圖的關系.

圖1 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型

統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型由一系列元數(shù)據(jù)描述表組成, 包括坐標系統(tǒng)定義表、數(shù)據(jù)源定義表、元件表、元件與元件關系表、字段元數(shù)據(jù)表、對象定義表、對象與字段關系表. 坐標系統(tǒng)定義表定義了數(shù)據(jù)來源可能存在的坐標系統(tǒng), 每一個元件都會對應一種坐標系統(tǒng). 數(shù)據(jù)源定義表定義了各種數(shù)據(jù)來源的連接參數(shù)及其它信息,供訪問各個元件的數(shù)據(jù)時連接數(shù)據(jù)源使用. 元件表定義了指向的原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)的一些基本信息, 包括坐標系, 可否編輯、空間字段名稱、空間字段幾何類型、空間數(shù)據(jù)范圍等. 元件與元件關系表定義了同一對象的元件之間如何關聯(lián). 字段元數(shù)據(jù)表定義了一個元件包含原始數(shù)據(jù)哪些字段及字段的描述信息. 對象表定義對象的基本信息: 名稱、過濾條件等. 對象與字段關系表定義了對象包含的元件及這些元件的字段、元件數(shù)據(jù)提取條件、是否是顯示字段等信息.

依據(jù)這一基本思路, 建立統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)模型表. 定義設備時, 首先根據(jù)已有的數(shù)據(jù)表定義對應的設備元件、設備元件字段元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)表坐標系及數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)源; 然后根據(jù)各個設備元件表的連接關系定義元件與元件關系; 最后定義設備對象, 根據(jù)設備使用需要的信息定義設備對象與元件字段關系, 將設備對象與設備元件關聯(lián), 最終形成完整的設備定義.使用時根據(jù)設備對象, 找到對應的設備元件字段, 根據(jù)元件的數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)表信息連接設備數(shù)據(jù)實體表再抽取相應數(shù)據(jù), 組成完整的設備對象.

經(jīng)過驗證, 此模型可以很好的適配不同的設備數(shù)據(jù)表且可以根據(jù)應用程序需要高效的組織成為不同的設備對象, 能夠簡單容易的響應設備數(shù)據(jù)表的變化.對于設備對象需求的變化也可以比較容易的予以響應.可以應對設備數(shù)據(jù)來源復雜、冗余, 設備對象變更的情況.

2 時空電網(wǎng)模型

根據(jù)時空數(shù)據(jù)模型方法以及電網(wǎng)實際業(yè)務需要,在電網(wǎng)資源模型中加入時態(tài)化、多級版本[8,9], 支持電網(wǎng)模型的全生命周期, 滿足運行、設計、規(guī)劃應用需求.

電網(wǎng)運行版本下面分為多個規(guī)劃版本和多個設計版本. 規(guī)劃版本面向電網(wǎng)規(guī)劃, 主要內容是輸變配電的主網(wǎng)架結構, 細節(jié)的線路和設備內容可以被抽象省略. 設計版本面向電網(wǎng)工程初步設計, 設計版本下面包含多次的設計變更, 每次設計變更都是疊加在設計版本和前面各次的設計變更之上.

電力資源在電網(wǎng)運行以后數(shù)據(jù)變更很頻繁. 對于電網(wǎng)運行態(tài)中電力資源數(shù)據(jù)變動情況, 將運行版本下的電網(wǎng)狀態(tài)沿時間軸的變動劃分為若干個連續(xù)的時間斷面(即時間斷面鏈), 在每個時間斷面中以“增量”的形式記錄該斷面中新建、修改和刪除的電網(wǎng)模型的圖形拓撲和屬性. 電網(wǎng)模型的修改歷史過程從初始狀態(tài)斷面1開始, 每次對電網(wǎng)模型的修改都被記錄在一個狀態(tài)斷面中, 依次為狀態(tài)斷面2、3、…i-1、i、j、k至電網(wǎng)模型的最新版本. 電網(wǎng)狀態(tài)的修改是采用增量記錄的形式保存在電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)中.

時空電網(wǎng)模型中, 利用面向對象抽象方法將每個電力資源數(shù)據(jù)對象分為設備屬性對象、空間圖元對象、拓撲連接關系對象, 同時在每個對象上增加timestamp(時間戳)、flags(修改標識)兩個屬性: timestamp是進行數(shù)據(jù)編輯發(fā)布時如果存在時態(tài)數(shù)據(jù)變更則需要分裂產生一個新歷史對象時, 對其標識的分裂時間; flags是用來標識電力資源對象是否被刪除,當該對象刪除時, 通過該字段進行標識存儲, 同時分裂一個歷史對象. 在時態(tài)查詢電力資源數(shù)據(jù)時, 默認情況下查詢最新時間下的最新數(shù)據(jù), 如需要查詢歷史某一個時刻、某一個時間范圍的電力資源數(shù)據(jù)時, 則通過記錄時間戳timstamp、修改標識字段flags來索引進行過濾查詢其子圖元對象、設備屬性對象然后封裝成電力資源對象集合進行返回. 數(shù)據(jù)狀態(tài)和版本的變化包括以下4種[10]:

① 基版數(shù)據(jù): 電網(wǎng)運行中某一時刻相對穩(wěn)定不變的對應電網(wǎng)數(shù)據(jù);

② 編輯態(tài)編輯: 當電網(wǎng)運行態(tài)發(fā)生變更時, 需要對其電網(wǎng)基版數(shù)據(jù)進行編輯, 系統(tǒng)提供工單機制, 所有數(shù)據(jù)編輯都是基于工單進行編輯, 編輯未發(fā)布時,對所有非本工單用戶權限是非可見的, 是一種臨時數(shù)據(jù), 用戶可以撤銷自己的編輯數(shù)據(jù), 同時可將其使用“發(fā)布”功能將其編輯數(shù)據(jù)發(fā)布為正式數(shù)據(jù);

③ 編輯態(tài)發(fā)布: 對編輯態(tài)編輯的臨時數(shù)據(jù), 發(fā)布為正式數(shù)據(jù), 將電網(wǎng)運行態(tài)記錄到一個新的基版狀態(tài)下, 其變更數(shù)據(jù)對所有用戶可見, 發(fā)布的同時, 比對新基版狀態(tài)與原基版狀態(tài)的差異, 并對其差異內容按照時間戳timestamp進行備份, 形成可以根據(jù)時間戳進行查詢的歷史斷面數(shù)據(jù);

④ 歷史態(tài)查看: 每次基版數(shù)據(jù)編輯發(fā)布后, 對其原來的基版數(shù)據(jù)則以歷史斷面方式進行存儲, 支持可以按照時間戳、時間戳范圍對其電網(wǎng)運行歷史態(tài)數(shù)據(jù)進行查詢、分析.

通過以上所描述的方法, 實現(xiàn)對電網(wǎng)過去、現(xiàn)在、將來的可視化展示與對比分析, 包括以下四個方面.規(guī)劃設計版本查詢: 根據(jù)時間和版本信息查詢規(guī)劃和設計數(shù)據(jù), 與現(xiàn)在的電網(wǎng)疊加現(xiàn)實, 動態(tài)展示差異和變化情況. 電網(wǎng)空間信息時態(tài)查詢: 根據(jù)時間條件查詢過去電網(wǎng)的建設情況, 過濾掉大于時間條件后面的數(shù)據(jù), 動態(tài)疊加顯示規(guī)劃數(shù)據(jù)展示未來電網(wǎng)的建設情況. 電網(wǎng)狀態(tài)信息橫向時態(tài)查詢: 通過時間段查詢發(fā)生狀態(tài)變化的數(shù)據(jù), 已經(jīng)變化的情況. 電網(wǎng)狀態(tài)信息縱向時態(tài)查詢: 查詢設備發(fā)生狀態(tài)變化的時間以及詳細情況.

3 統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術

統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術是一套具有訪問不同數(shù)據(jù)源能力的空間數(shù)據(jù)引擎模型, 解決不同數(shù)據(jù)源間適配問題, 支持物理數(shù)據(jù)庫, 內存數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)等不同模式數(shù)據(jù)源.

統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術將空間數(shù)據(jù)(Geometry)和屬性數(shù)據(jù)(int、double、bool、string、blob……)抽象為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示; 將一個數(shù)據(jù)庫或一個數(shù)據(jù)文件抽象成一個數(shù)據(jù)源, 通過數(shù)據(jù)源能力描述信息定義數(shù)據(jù)源可以支持的操作(支持的操作命令、多線程、支持的空間操作、事務……); 數(shù)據(jù)庫中的每個表或文件中的每個圖層抽象成一個屬性表, 輔以屬性表描述信息及屬性描述信息組成完整的數(shù)據(jù)屬性表描述. 它們之間的聯(lián)系如圖2所示.

圖2 統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問模型

對于外部應用, 數(shù)據(jù)源和屬性表使用統(tǒng)一訪問接口操作數(shù)據(jù)及獲取數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)的支撐信息, 屏蔽各種數(shù)據(jù)源的不同實現(xiàn), 使不同的數(shù)據(jù)源對外擁有同樣的行為, 外部應用訪問不同源的數(shù)據(jù)時采用相同的方式.

對于每種不同的數(shù)據(jù)源實現(xiàn)我們稱之為對應數(shù)據(jù)源的Provider. 每個Provider按照統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問的抽象原則, 具體針對本數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)特點, 提供統(tǒng)一訪問要求的行為. 只要安裝了對應的Provider, 應用程序就可以通過調用統(tǒng)一接口來直接訪問相應的數(shù)據(jù)存儲, 而不再需要進行格式轉換.

按照這一思路, 使用C++定義統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問接口并分別實現(xiàn)oracle、postgresql、內存庫、shape格式的支持.

統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術實現(xiàn)包括Value(數(shù)據(jù))、Data(要素)、Config(連接信息)、AttributeDescription(屬性)、ClassDefinition(屬性表描述)、DataClass(屬性表)、DataSource(數(shù)據(jù)源)、DataSourceCapabilities(數(shù)據(jù)源能力)、Expression(表達式)、QueryFilter(過濾器)、DataCommandRespond(結果集)、DataReader(讀取器)、Transaction(事務)、SpatialOperation(空間關系).

圖3 統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問實現(xiàn)框架

應用程序使用C++實現(xiàn)的oracle、postgresql、內存庫Provider可以對各個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行增刪改查等操作, 且效率上無明顯損失.

4 應用效果

在電力GIS系統(tǒng)實現(xiàn)中, 應用統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型作為電力數(shù)據(jù)模型, 使用統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問層. 使用統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術比傳統(tǒng)方式有明顯優(yōu)勢. 表1展示了系統(tǒng)建設中關鍵流程兩種方式需要的工作對比, 可以看出使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型及訪問技術能夠明顯減少地工作量.

表1 與傳統(tǒng)方式的工作量對比

每種數(shù)據(jù)源所用的數(shù)據(jù)庫往往都有自己的優(yōu)點,導致最初的開發(fā)者使用了不同的數(shù)據(jù)庫. 傳統(tǒng)遷移合并的方式, 會犧牲掉一些數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢. 表2展示了在500萬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表上執(zhí)行150個線程操作時單一數(shù)據(jù)源與多數(shù)據(jù)源方式平均消耗時間的對比. 由此體現(xiàn)了通過統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問, 可以發(fā)揮每種數(shù)據(jù)庫的長處, 在整體性能上達到優(yōu)化平衡.

表2 不同數(shù)據(jù)源的訪問性能對比

對于不同網(wǎng)省數(shù)據(jù)結構的差異化, 通過統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型定義相同的數(shù)據(jù)模型表現(xiàn)層, 在外部使用數(shù)據(jù)時視為一整套相同結構的數(shù)據(jù), 可以大大簡化外部業(yè)務的實現(xiàn)邏輯. 圖4展示了統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型的管理界面, 通過管理功能, 可以方便的以對象化方式構建空間數(shù)據(jù)模型或進行調整.

圖4 對象元件管理實現(xiàn)

不同網(wǎng)省或者同一網(wǎng)省不同業(yè)務系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)存儲方式存在差異, 如oracle、shape、sqlserver等, 通過統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術, 可以屏蔽這些差異, 使外部應用不需要關心數(shù)據(jù)具體的存儲技術. 圖5展示了使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)的GIS系統(tǒng)顯示效果.

圖5 多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)訪問示例

5 結語

實踐證明使用統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)訪問技術配合, 可以從源頭上解決地理數(shù)據(jù)的異構問題. 在使用接口及表現(xiàn)方式上對外部應用程序屏蔽數(shù)據(jù)結構異構或者數(shù)據(jù)存儲技術異構, 使應用程序使用數(shù)據(jù)時采用相同的數(shù)據(jù)訪問及操作行為, 能夠最大程度的降低數(shù)據(jù)異構對外部業(yè)務邏輯的干擾. 在應用中可以簡化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)流程, 縮短系統(tǒng)開發(fā)周期.具有極好的靈活性, 對老舊數(shù)據(jù)系統(tǒng)或新的數(shù)據(jù)系統(tǒng)接入具有很好的兼容性. 對不兼容格式響應迅速, 新格式支持以獨立插件方式加入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問模塊,不需要上層修改代碼也不會對現(xiàn)有功能造成任何額外影響.

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Uniform Spatio-Temporal Power-Grid Data Model and Access Technology

CHEN Sheng
(Xiamen Great Power Geo Information Technology Co., Ltd., State Grid Information & Telecommunication Group, Xiamen 361008, China) (State Grid Info-Telecom Great Power Science and Technology Co., Ltd., Fuzhou 350003, China)

In the development of power-grid GIS, there are varieties of files and many types of spatial database formats, and also a large number of grid spatio-temporal data are produced. In order to solve the problem of heterogeneous data and the application of spatio-temporal data in data exchange between different systems, data model and access technology of unified spatio-temporal power grid are proposed. Based on practical applications, this paper solves the use of heterogeneous data and temporal data from the data and access level by using the metadata concept and software plug-in model. It is proved by the application that the unified spatial data model and access technology can effectively reduce the workload of data preparation and system development, and can integrate the advantages of different data sources.

spatio-temporal data; temporal GIS; power-grid GIS; uniform data model; uniform data access

國家電網(wǎng)公司科技項目(SGITG-KJ-JSKF[2015]0012)

2016-03-24;收到修改稿時間:2016-06-06

10.15888/j.cnki.csa.005566