統一時空電網數據模型與訪問技術①

陳 升

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

統一時空電網數據模型與訪問技術①

陳 升

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

在電網的地理信息系統發展過程中, 存在著多種不同的文件或空間數據庫格式, 也產生了大量的電網時空數據. 為解決數據集中或各個系統間數據交互時, 面臨的異構數據問題以及時空數據應用問題, 特提出統一時空電網數據模型與訪問技術. 本文從實際應用出發, 利用元數據思想及軟件插件模式, 從數據及訪問層面解決了異構數據和時態數據的使用. 通過應用證明, 采用統一空間數據模型與訪問技術方式, 能夠有效地減少數據準備、系統開發的工作量, 并且可以整合利用不同數據源各自的優點.

時空數據; 時態GIS; 電網GIS; 統一數據模型; 統一數據訪問

在電網的信息化過程中, 地理信息系統(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, 形成多種不同的文件或數據庫格式,即異構數據[5]. 當用戶使用了某個公司的數據存儲格式之后, 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據. 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、物力把數據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據. 若數據來源于不同的數據庫或文件, 就需要將這些數據或文件遷移到指定的數據庫中. 在電力信息系統中, 由于平臺發展歷程及技術選型的不同, 也導致存在大量異構數據的問題, 使得數據更新升級、業務功能開發等存在一系列的障礙.

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

為解決這一系列數據遷移及處理問題, 簡化數據準備及訪問流程, 提出統一時空數據模型及訪問技術.希望通過簡單的配置, 實現不同格式和不同來源的數據的高效利用.

1 統一電網數據模型

統一電網數據模型是一種元數據模型[6,7], 通過對原始數據及地理對象的元數據描述, 達到抽象電力設備, 屏蔽底層數據不同結構的目的.

對于描述同一電力設備的不同數據, 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據(元件). 這些原始數據之間通過唯一id或名稱存在關聯關系(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據從原始數據中提取出來, 組成新的設備數據. 整個空間數據模型的思想類似于數據庫的表與視圖的關系.

圖1 空間數據元數據模型

統一數據模型由一系列元數據描述表組成, 包括坐標系統定義表、數據源定義表、元件表、元件與元件關系表、字段元數據表、對象定義表、對象與字段關系表. 坐標系統定義表定義了數據來源可能存在的坐標系統, 每一個元件都會對應一種坐標系統. 數據源定義表定義了各種數據來源的連接參數及其它信息,供訪問各個元件的數據時連接數據源使用. 元件表定義了指向的原始數據及數據的一些基本信息, 包括坐標系, 可否編輯、空間字段名稱、空間字段幾何類型、空間數據范圍等. 元件與元件關系表定義了同一對象的元件之間如何關聯. 字段元數據表定義了一個元件包含原始數據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、元件數據提取條件、是否是顯示字段等信息.

依據這一基本思路, 建立統一空間數據元數據模型表. 定義設備時, 首先根據已有的數據表定義對應的設備元件、設備元件字段元數據、數據表坐標系及數據表數據源; 然后根據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, 最終形成完整的設備定義.使用時根據設備對象, 找到對應的設備元件字段, 根據元件的數據源及數據表信息連接設備數據實體表再抽取相應數據, 組成完整的設備對象.

經過驗證, 此模型可以很好的適配不同的設備數據表且可以根據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據表的變化.對于設備對象需求的變化也可以比較容易的予以響應.可以應對設備數據來源復雜、冗余, 設備對象變更的情況.

2 時空電網模型

根據時空數據模型方法以及電網實際業務需要,在電網資源模型中加入時態化、多級版本[8,9], 支持電網模型的全生命周期, 滿足運行、設計、規劃應用需求.

電網運行版本下面分為多個規劃版本和多個設計版本. 規劃版本面向電網規劃, 主要內容是輸變配電的主網架結構, 細節的線路和設備內容可以被抽象省略. 設計版本面向電網工程初步設計, 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.

電力資源在電網運行以后數據變更很頻繁. 對于電網運行態中電力資源數據變動情況, 將運行版本下的電網狀態沿時間軸的變動劃分為若干個連續的時間斷面(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、修改和刪除的電網模型的圖形拓撲和屬性. 電網模型的修改歷史過程從初始狀態斷面1開始, 每次對電網模型的修改都被記錄在一個狀態斷面中, 依次為狀態斷面2、3、…i-1、i、j、k至電網模型的最新版本. 電網狀態的修改是采用增量記錄的形式保存在電網模型數據中.

時空電網模型中, 利用面向對象抽象方法將每個電力資源數據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是進行數據編輯發布時如果存在時態數據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. 在時態查詢電力資源數據時, 默認情況下查詢最新時間下的最新數據, 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據時, 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. 數據狀態和版本的變化包括以下4種[10]:

① 基版數據: 電網運行中某一時刻相對穩定不變的對應電網數據;

② 編輯態編輯: 當電網運行態發生變更時, 需要對其電網基版數據進行編輯, 系統提供工單機制, 所有數據編輯都是基于工單進行編輯, 編輯未發布時,對所有非本工單用戶權限是非可見的, 是一種臨時數據, 用戶可以撤銷自己的編輯數據, 同時可將其使用“發布”功能將其編輯數據發布為正式數據;

③ 編輯態發布: 對編輯態編輯的臨時數據, 發布為正式數據, 將電網運行態記錄到一個新的基版狀態下, 其變更數據對所有用戶可見, 發布的同時, 比對新基版狀態與原基版狀態的差異, 并對其差異內容按照時間戳timestamp進行備份, 形成可以根據時間戳進行查詢的歷史斷面數據;

④ 歷史態查看: 每次基版數據編輯發布后, 對其原來的基版數據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運行歷史態數據進行查詢、分析.

通過以上所描述的方法, 實現對電網過去、現在、將來的可視化展示與對比分析, 包括以下四個方面.規劃設計版本查詢: 根據時間和版本信息查詢規劃和設計數據, 與現在的電網疊加現實, 動態展示差異和變化情況. 電網空間信息時態查詢: 根據時間條件查詢過去電網的建設情況, 過濾掉大于時間條件后面的數據, 動態疊加顯示規劃數據展示未來電網的建設情況. 電網狀態信息橫向時態查詢: 通過時間段查詢發生狀態變化的數據, 已經變化的情況. 電網狀態信息縱向時態查詢: 查詢設備發生狀態變化的時間以及詳細情況.

3 統一空間數據訪問技術

統一空間數據訪問技術是一套具有訪問不同數據源能力的空間數據引擎模型, 解決不同數據源間適配問題, 支持物理數據庫, 內存數據庫、文件數據等不同模式數據源.

統一空間數據訪問技術將空間數據(Geometry)和屬性數據(int、double、bool、string、blob……)抽象為統一的數據表示; 將一個數據庫或一個數據文件抽象成一個數據源, 通過數據源能力描述信息定義數據源可以支持的操作(支持的操作命令、多線程、支持的空間操作、事務……); 數據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據屬性表描述. 它們之間的聯系如圖2所示.

圖2 統一空間數據訪問模型

對于外部應用, 數據源和屬性表使用統一訪問接口操作數據及獲取數據源和數據的支撐信息, 屏蔽各種數據源的不同實現, 使不同的數據源對外擁有同樣的行為, 外部應用訪問不同源的數據時采用相同的方式.

對于每種不同的數據源實現我們稱之為對應數據源的Provider. 每個Provider按照統一空間數據訪問的抽象原則, 具體針對本數據源的數據特點, 提供統一訪問要求的行為. 只要安裝了對應的Provider, 應用程序就可以通過調用統一接口來直接訪問相應的數據存儲, 而不再需要進行格式轉換.

按照這一思路, 使用C++定義統一空間數據訪問接口并分別實現oracle、postgresql、內存庫、shape格式的支持.

統一空間數據訪問技術實現包括Value(數據)、Data(要素)、Config(連接信息)、AttributeDescription(屬性)、ClassDefinition(屬性表描述)、DataClass(屬性表)、DataSource(數據源)、DataSourceCapabilities(數據源能力)、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 統一空間數據訪問實現框架

應用程序使用C++實現的oracle、postgresql、內存庫Provider可以對各個數據源的數據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系統實現中, 應用統一空間數據模型作為電力數據模型, 使用統一空間數據訪問技術作為系統數據訪問層. 使用統一空間數據模型和統一空間數據訪問技術比傳統方式有明顯優勢. 表1展示了系統建設中關鍵流程兩種方式需要的工作對比, 可以看出使用統一數據模型及訪問技術能夠明顯減少地工作量.

表1 與傳統方式的工作量對比

每種數據源所用的數據庫往往都有自己的優點,導致最初的開發者使用了不同的數據庫. 傳統遷移合并的方式, 會犧牲掉一些數據庫的優勢. 表2展示了在500萬數據的數據表上執行150個線程操作時單一數據源與多數據源方式平均消耗時間的對比. 由此體現了通過統一空間數據訪問, 可以發揮每種數據庫的長處, 在整體性能上達到優化平衡.

表2 不同數據源的訪問性能對比

對于不同網省數據結構的差異化, 通過統一空間數據模型定義相同的數據模型表現層, 在外部使用數據時視為一整套相同結構的數據, 可以大大簡化外部業務的實現邏輯. 圖4展示了統一空間數據模型的管理界面, 通過管理功能, 可以方便的以對象化方式構建空間數據模型或進行調整.

圖4 對象元件管理實現

不同網省或者同一網省不同業務系統使用的數據存儲方式存在差異, 如oracle、shape、sqlserver等, 通過統一空間數據訪問技術, 可以屏蔽這些差異, 使外部應用不需要關心數據具體的存儲技術. 圖5展示了使用統一數據模型實現的GIS系統顯示效果.

圖5 多數據源數據訪問示例

5 結語

實踐證明使用統一空間數據模型和統一空間數據訪問技術配合, 可以從源頭上解決地理數據的異構問題. 在使用接口及表現方式上對外部應用程序屏蔽數據結構異構或者數據存儲技術異構, 使應用程序使用數據時采用相同的數據訪問及操作行為, 能夠最大程度的降低數據異構對外部業務邏輯的干擾. 在應用中可以簡化系統數據處理實現流程, 縮短系統開發周期.具有極好的靈活性, 對老舊數據系統或新的數據系統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的數據訪問模塊,不需要上層修改代碼也不會對現有功能造成任何額外影響.

1 溫振龍,許今中,李莉紅,趙宏萍.基于全壽命周期管理理念的固定資產地理信息系統建設.陜西電力,2009,37(4): 69–72.

2 曹海濤,賈博,張波.移動GIS切片地圖展現技術.計算機系統應用,2013,22(12):215–218.

3 俞亮.基于GIS的電網規劃設計系統架構設計及系統運行案例分析.科技創新導報,2015,(17):64–65.

4 劉春波.地理信息系統GIS在電網企業的應用分析.信息化建設,2016(1):109.

5 張凱.一種異構數據源協調器的設計與實現[碩士學位論文].長春:吉林大學,2005.

6 趙汗青,郭剛.地理空間信息元數據模型.測繪通報,2002 (z1):19–23.

7 李建花,曲守寧.面向信息集成的元數據模型的研究和應用.計算機與數字工程,2010,38(12).

8 龔健雅.GIS中面向對象時空數據模型.測繪學報, 1997,(4):289–298.

9 陳榮權,蔣錦霞.基于版本化模型的配電網輔助設計系統的實現.電力信息與通信技術,2011,9(8):24–27.

10 吳淑瑋,閆訓超,郭寶,等.多時態統一電網模型.計算機系統應用,2015,24(2):244–247.

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