李 巍 孟令愚 鄭善奇 張靖欣 于 海

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司 沈陽 110000）（2.國家電網(wǎng)公司東北分部 沈陽 110000）

1 引言

在我國經(jīng)濟、技術不斷進步的背景下，智能電網(wǎng)建設穩(wěn)步推進，其中，十分關鍵的便是構建一個高度集成的電網(wǎng)信息系統(tǒng)。通過該數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一方面可以為電網(wǎng)運營機構提供更加有效的發(fā)電、輸電、售電平臺，提升其運行效率，另一方面可以為電網(wǎng)公司進行信息深度開發(fā)、提升資源使用效率創(chuàng)造更加有利的條件［1～2］。當前，電網(wǎng)硬件建設取得很多成就，在綜合布線、消防安保、空氣調節(jié)以及建筑電氣等方面都形成較高標準。然而，在信息機房管理方面還存在很多缺點，比如，對于運行數(shù)據(jù)，仍然采用表格文檔，這一方面造成人力資源浪費，另一方面也在客觀上導致數(shù)據(jù)管理陷入混亂；同時，也會影響數(shù)據(jù)中心擴展性、安全性。從這個角度來看，亟需創(chuàng)建一套更加有效的電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，不僅便于用戶操作，而且能夠更加直觀了解設備運行狀態(tài)，并實現(xiàn)設備遠程控制［3～5］。

三維可視化技術逐漸成熟，并且在諸多領域獲得成功運用。如果能夠將該技術運用到電網(wǎng)信息系統(tǒng)管理中，構建起成熟的三維可視化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，不僅能夠快速、準確地對電網(wǎng)設備進行三維化，而且還可以呈現(xiàn)出復雜設備之間的拓撲結構；在提升信息生動性的同時，也便于數(shù)據(jù)中心對設備設局進行深入分析和挖掘，從而提升設備管理效率［6～8］。本研究中，提出運用MongoDB數(shù)據(jù)庫技術對電網(wǎng)設備信息系統(tǒng)進行三維化改造，采用B/S模式來實現(xiàn)人機交互、遠程控制和跨數(shù)據(jù)指令訪問。通過該相關研究，希望可有助于降低電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)、運行成本，提升數(shù)據(jù)集成性能，強化數(shù)據(jù)處理深度并增加其安全性。

2 非關系型數(shù)據(jù)庫MongoDB的運用

2.1 數(shù)據(jù)改寫測試

在電網(wǎng)運行過程中，會產生大量實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)存儲和訪問提出較高要求［9］。在數(shù)據(jù)插入時，若單位數(shù)據(jù)耗時為T1，1萬條數(shù)據(jù)耗時為T2。對三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理而言，如果要有效運用MongoDB，須滿足如下不等式：T2

2.2 信息讀取測試

如圖2所示，為數(shù)據(jù)讀取測試中數(shù)據(jù)量-響應時間變化情況。由圖2可知，隨著查詢數(shù)據(jù)量增加，響應時間持續(xù)變大。當數(shù)據(jù)量增加至10萬條時，響應時間達到20ms；當數(shù)據(jù)量增加至20萬條，響應時間達到40ms；當數(shù)據(jù)量增加至40萬條，響應時間超過80ms；當數(shù)據(jù)量增加至50萬條，響應時間超過100ms。可見，二者呈現(xiàn)出近似正比關系，但非嚴格正比關系，存在一定抖動特征，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能受數(shù)據(jù)結構復雜性、MongoDB索引效率等因素影響。

圖1 Mongo DB數(shù)據(jù)改寫測試

圖2 Mongo DB信息讀取測試

綜上，在電網(wǎng)信息三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方面，作為一種信息存儲介質，MongoDB在數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)改寫方面具有適當伸縮性能，可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時處理。

3 電網(wǎng)信息三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的實現(xiàn)

3.1 三維建模平臺

如圖3所示，本研究所開發(fā)三維建模平臺包括如下兩個基本部分［10～12］：1）模板參數(shù)庫建模，包括選擇規(guī)則幾何元模板、確定數(shù)據(jù)庫模板參數(shù)、模型貼圖等；2）專業(yè)三維模型繪制軟件，包括構建三維模型、匹配材質與光線、輸出模型文件等。上述兩部分所生成文件，最終將本地上傳至服務器中斷。

3.2 三維模型庫管理

在三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理過程中，由于會將數(shù)量較多的模型置于服務器，可能帶來一些混亂，為此須構建專門模型庫管理方案［13～14］。如圖 4 所示。根據(jù)模型文件類型差異，該方案包含三個部分［15］：1）原件庫管理，包括原件類別設定、原價可視化管理、原件屬性管理；2）模板庫管理，包括模板類別管理、模板可視化管理、模板原價信息管理等；3）場景庫文件管理，包括場景文件管理、場景信息管理等。

圖3 三維建模平臺

圖4 三維模型庫管理方案

3.3 場景視角管理

在場景視角管理方面，在Twaver 3D軟件中，可以設置如下三類視角：

1）自由視角。通過默認視角，用戶可以查詢和調閱所有設備的三維信息。

2）巡視視角。通過該視角，用戶能夠進入系統(tǒng)門禁，并且通過操作鍵盤來實現(xiàn)向前（按W鍵）、向后（按S鍵）、向左（按A鍵）以及向右（按D鍵）移動；如果要進入跑動狀態(tài)，可以通過長按W鍵來實現(xiàn)。

3）懸浮視角。通過該視角，可以獲得電網(wǎng)機房的三維全景圖，并且自動旋轉，便于用戶直觀讀取信息。

3.4 空間規(guī)劃管理

在實施空間規(guī)劃管理過程中，將機房和站點視為基本要素，其以排位單位擺放或者設置，這不僅便于確立相關要素的坐標，而且有助于用戶對其進行快速定位。在管理中，某要素的位置可能發(fā)生變化，此時需要運用“排管理”來對坐標加以修正。如圖5所示，為“排管理”流程示意圖。由圖5可知，該流程包含如下兩個部分：

1）瀏覽器端處理流程，依次為進入“空間規(guī)劃管理”菜單、配置“空間規(guī)劃管理”選項、更新界面、生成并發(fā)送交互協(xié)議。在完成協(xié)議發(fā)送后，會進入服務器端。

2）服務器端處理流程，首先對是否接收到交互協(xié)議進行判斷，如果確認接收到，進一步對該協(xié)議合法與否進行判斷；如果確認未接收到交互協(xié)議，將返回操作狀態(tài)。若交互協(xié)議合法，將對數(shù)據(jù)庫進行修改，否則返回操作狀態(tài)。在此之后，再次回到瀏覽器端，對操作成功與否進行判斷，若操作成功，則結束處理；若操作未成功，需返回原界面。

圖5 排管理的系統(tǒng)處理流程圖

3.5 設備管理

3.5.1 設備上下架

為了確保電網(wǎng)信息系統(tǒng)與機房設備實際變動情況一致，須開通設備上下架功能。在具體操作過程中，該功能可通過如下兩種方式加以實現(xiàn)：

1）手工更新

（1）設備上架。通過手工更新，如果三維元件庫中缺乏某類設備，或者某設備需要升級，可通過手工更新上架新設備。如圖6所示，為手工更新設備上架流程。由圖6可知，手工更新流程可以分為如下幾個基本部分：①從瀏覽器端進入添加設備菜單，可從服務器端獲得空間布局數(shù)據(jù)。②根據(jù)空間布局數(shù)據(jù)，可在瀏覽器端選擇設備所處位置，并從服務器端獲得設備模板列表。③基于模板列表，在瀏覽器端選擇某一個設備模板，可從服務器端獲得該設備模板信息。④基于設備模板信息，在瀏覽器端完成界面更新，并配置設備屬性信息。之后在服務器端對數(shù)據(jù)庫進行相應修改。⑤在瀏覽器端對數(shù)據(jù)庫修改操作是否成功進行判斷，若操作失敗，顯示失敗原因并返回原界面；若操作成功，則配置設備拓撲信息，并再次在服務器端對數(shù)據(jù)庫進行修改。⑥再次判斷數(shù)據(jù)庫修改是否成功，若操作未成功，顯示失敗原因；若操作成功，更新界面，至此完成操作。

圖6 手工更新設備上架系統(tǒng)運行流程示意圖（無緩存）

（2）設備下架。與設備上架相比，設備下架流程更為簡單，且主要在服務器端進行。相關操作主要包括如下環(huán)節(jié)：①用戶對設備是否下架進行判斷，并輸入權限，通過瀏覽器端將下架指令發(fā)送至服務器端。②根據(jù)設備ID，服務器端會搜索相關信息，并完成設備信息刪除操作。

在進行設備刪除時，主要內容包括設備數(shù)量、三維狀態(tài)、使用情況以及拓撲信息等。在完成刪除操作后，該設備在三維場景不再得以顯示。

2）XML文件導入

（1）設備上架。該操作包括如下基本環(huán)節(jié)：創(chuàng)建空間規(guī)劃，為文件導入做好準備；填寫設備基礎資料、設備擴展、設備編號、設備所連接拓撲等屬性信息；在上傳XML文件后，會對問卷合法性進行判斷，若通過驗證，該文件會被服務器端，并完成數(shù)據(jù)庫修改；否則，會顯示失敗原因，并返回操作。最后，服務器端完成設備接收，并對瀏覽器界面進行更新，可將新設備顯示于三維場景。

（2）設備下架。通過XML文件導入的方式對設備進行下架操作時，與手工更新下架方式比較類似，主要有如下兩點不同之處：其一，通過手工更新下架，單次操作中，只能對單臺設備進行；通過XML文件導入，單次操作中，可下架多臺設備；其二，如果通過手工更新方式下架，需要用戶在瀏覽器端點擊該設備，并將設備ID發(fā)送至服務器端。通過XML文件導入下架設備時，可選擇路徑更加多元，既可以通過編號確定設備，也可以通過屬性組合或者設備名稱來加以確定。

3.5.2 機柜使用率統(tǒng)計

通過統(tǒng)計機柜使用率，可直觀了解設備部署情況、使用狀態(tài)。統(tǒng)計工作與設備上架、設備上架功能緊密相關。當有新設備上架時，機柜使用率就會增大；相反，若有設備下架，機柜使用率就會變小。在統(tǒng)計過程中，采用EIA機構所推出U值標準進行，其中，1U=4.445cm。

3.5.3 信息故障告警

基于故障類型差別，可以將電網(wǎng)機房的信息告警分為如下幾個等級：1）一級故障。故障發(fā)生后，系統(tǒng)可自動識別并修復，不需要用戶介入。因此，也被稱為預警故障。2）二級故障。故障發(fā)生后，如果用戶不及時介入，可能造成輕微系統(tǒng)破壞，又被稱為臨界故障。3）三級故障。該類故障也被稱為危險故障，會對系統(tǒng)造成嚴重破壞，需要立即進行系統(tǒng)維護，同時對數(shù)據(jù)信息進行檢查、備份。4）四級故障，又被稱為破壞性故障。若排除措施不到位或者存在瑕疵，可能引發(fā)災難性破壞結果。

為了增加故障告警區(qū)分度，分別用綠色、藍色、黃色和紅色來表示一級、二級、三級和四級故障。對于機柜內部設備，為了能夠快速定位故障端口，可以設置U值標簽，根據(jù)標簽數(shù)值來確定故障類型。

3.6 資源搜索

圖7 高級資源搜索流程框架

由于機房內部設備數(shù)量多，如果需要快速尋找某資源，就需要創(chuàng)建高級搜索方式，如圖7所示。由圖7可知，高級資源搜索包括如下環(huán)節(jié)：1）用戶在瀏覽器端選擇高級搜索，服務器端在接收到指令后，會查找并返回設備類別信息。2）基于設備類別信息，瀏覽器端可選擇設備類別，并從服務器端獲得對應設備屬性信息。3）瀏覽器端會顯示屬性信息，用戶可選擇高級搜索條件，并由服務器端獲得滿足條件的設備編號。4）瀏覽器端選擇設備編號，并進行cache判斷，若結果為真，可進一步進行場景匹配與否驗證；若結果不為真，須查找并返回設備信息。5）在通過瀏覽器端進行場景匹配驗證時，若通過驗證，須顯示設備，至此完成設備高級搜索；若未通過場景匹配驗證，須再次進入cache判斷。6）在第二次cache判斷中，若判斷結果為真，須加載三維場景，至此完成高級搜索；若判斷結果不為真，須查找并返回場景信息。

4 結語

通過三維可視化技術，可顯著提升電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理效率、分析深度和設備運行安全性。基于MongoDB技術，在討論其運用情況后，對如何實現(xiàn)電網(wǎng)信息三維可視化管理進行分析，得出如下幾點主要結論：1）作為一種信息存儲介質，MongoDB在數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)改寫方面具有適當伸縮性能，可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時處理，即信息系統(tǒng)三維化改造；2）根據(jù)模型文件類型差異，三維模型庫包括原件庫、模板庫、場景庫文件管理等三個基本部分；3）在三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)部分，場景視角管理、空間規(guī)劃管理、設備管理以及資源搜索是最主要內容。其中，設備管理三維化是核心，需要分別從設備上下架、機柜使用率統(tǒng)計以及信息故障告警等三個角度展開。