基于GIS技術的電網綜合信息系統設計

喬林，胡楠，同東輝，王浩

（國網遼寧省電力有限公司 信息通信分公司，遼寧 沈陽 110000）

基于GIS技術的電網綜合信息系統設計

喬林，胡楠，同東輝，王浩

（國網遼寧省電力有限公司 信息通信分公司，遼寧 沈陽 110000）

針對智能電網一體化平臺(IMS)監管系統存儲海量、多源的GIS電網信息問題，采用分布式網絡感知信息存儲系統作為網絡感知的子系統的方式，為IMS監管系統提供網絡感知信息的查詢服務。把GIS電網地理信息中的感知信息根據不同的特點劃分為動態信息和靜態信息，利用基于非關系型Cassandra數據庫構建分布式網絡感知信息存儲系統集群。最后并對系統進行了性能測試，結果表明：4臺交換機下的讀取遍歷詢問20個節點隨著數據量增大，匹配消耗的時間隨之增加。

GIS技術；電網綜合信息；Cassandra；定位查詢

隨著時間的推移，基于GIS技術的電網綜合信息系統所存在的可擴展性，安全性，移動性，服務質量，可管可控性等核心問題與日益提升的智能電網一體化平臺(IMS)監管系統需求之間的矛盾愈發尖銳[1-3]。面對現有智能電網所存在的這些問題，針對網絡的管理和安全目標，需要對互聯網實施各種網絡性能測量，流量測量，故障監測等，有時也需要IMS監管系統網絡中的應用業務進行GIS空間地理位置信息的感知[4]，以增強對網絡的管控能力。各種GIS地理感知服務將給網絡和應用的創新帶來強大的推動力[5]。當層出不窮的各種感知服務在未來網絡中涌現的時候，也必將產生多源、異構、海量的網絡感知信息[6]。如何高效地管理這些GIS電網地理信息是必須解決的問題。分布式網絡感知信息存儲和查詢系統作為網絡感知的子系統，負責管理多源、異構、海量的網絡感知信息，為上層的各種應用提供網絡感知信息的存儲和查詢服務。

文中為了滿足電網綜合系統對GIS技術便捷性的需求，在結合 SOA模式 (面向服務的體系結構 Service-Oriented Architecture)研發了在感知信息存儲方面，根據動態信息和靜態信息的不同特點，分別采取了具有針對性的一致性寫入策略、備份策略和備份數，提高了系統對感知信息的存儲效率；在感知信息查詢方面，分布式網絡感知信息存儲系統對動態信息采取了弱讀取策略，而對靜態信息采取了基于Cassandra原有的弱讀取策略改進而來的“定位讀取”策略。實現完全數字化GIS電網綜合信息系統設計。

1 技術路線與設計方案

1.1 技術路線

本模式應用C#、XML、JavaScript語言，以ASP.Net應用程序構建基于GIS技術的智能電網綜合信息系統，采用了IIS7+ASP.NET4.0+SQL SERVER 2008 R2技術，利用Forms身份驗證構建智能的ASP.NET應用程序，是一個基于GIS技術的電網新型服務互動平臺，具有信息雙向投送、采集系統、Web應用軟件等各部分緊密結合而成[7]。用戶只要有連接上互聯網的綜合信息系統，就可訪問本系統，為跨平臺的、標準的、WEB服務的系統。

1.2 設計方案

建立三庫三網一平臺，分別為智能管理模塊、技術服務模塊、GIS定位模塊[8]，系統的所有子功能都在這3個模塊的基礎上進行開發延展。同期開發IMS監管系統終端可以兼容的自適應版本。由于本系統IMS管理員面廣，涉及環節多，各種潛在變動多，因此計劃采用SOA作為基本運行模式，來更好的實現系統集成、系統擴展等要求[9]。SOA是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來[10]。接口是采用中立的方式進行定義的，獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言[11]。這使得構建在各種這樣的系統中的服務可以一種統一和通用的方式進行交互，SOA邏輯層次如圖1所示。

圖1 SOA邏輯層次

同時需要利用服務之間的松耦合，其具有中立的接口定義特征[8]。松耦合系統的好處有兩點，一點是它的靈活性，另一點是，當組成整個應用程序的每個服務內部結構和實現逐漸地發生改變時，它能夠繼續存在。而另一方面，緊耦合意味著應用程序的不同組件之間的接口與其功能和結構是緊密相連的，因而當需要對部分或整個應用程序進行某種形式的更改時，它們就顯得非常脆弱。對松耦合系統來源于業務應用程序需要更加靈活，以適應不斷變化的環境，比如經常改變的政策、業務級別、業務重點、合作關系、行業調整以及其他與業務有關的因素，這些因素甚至會影響業務的性質。稱能夠靈活地適應環境變化的業務為按需（On demand）業務，在按需業務中，一旦需要，就可以對完成或執行任務的方式進行必要的更改[12]。圖2為系統運行圖。

圖2 實際系統運行圖

2 Cassandra數據庫

2.1 Cassandra 的數據模型

Cassandra的數據模型類似于一個四維或五維的HashMap，Column是Cassandra的最小數據單元，它由3個元素組成[13]：gis（屬性名）、lacation（地理位置）、timestamp（時間戳），其中gis和lacation都是Java中的byte[]類型，用來記錄具體的數據，timestamp是Cassandra自動生成的，用來記錄數據的寫入時間；SuperColumn為Column的數組，包含一個name和多個相應的Column；ColumnFamily是一個包含了許多Row（行）的結構，相當于數據庫中的表，Row是由Key（鍵值）以及與這個 Key相關聯的 Column組成；Keyspace是Cassandra數據模型中最外層的結構單元，可以封裝多個ColumnFamily[14]。

Cassandra的數據模型結構非常松散，ColumnFamily的各個Row不必提前設計，可以在 系統運行時對Row中的Column進行隨意地添加和刪除操作，因此Cassandra可以存儲多種復雜的數據類型。

2.2 Cassandra的集群機制

一致性哈希 （Consistent Hash）主要用于解決Cassandra集群中的GIS地理位置信息數據分配和新節點加入的問題，即Cassandra集群的線性可擴展性，其工作原理為[15][16]：一致性哈希會首先計算出Cassandra集群中每一個GIS地理位置節點相應的哈希值，值的范圍為0～232，然后按照每個節點相應哈希值的大小順序，將這些GIS地理位置節點依次安放到邏輯范圍為0～232的一致性圓環上。同理，一致性哈希也會計算出需要向Cassandra集群寫入的存儲數據Key的哈希值，值的范圍為0～232，并將這些存儲數據按照其相應哈希值的大小順序依次安放到邏輯范圍為0～232的一致性圓環上，具體如圖3所示。

圖3 一致性哈希

3 基于GIS技術的電網綜合信息儲存系統

3.1 系統總體構架

基于分布式網絡感知的GIS電網綜合信息存儲系統的總體結構自上而下依次為：IMS管理員操作界面、接口層、執行層和存儲層。

1）用戶操作界面：以較友好的界面完成用戶與分布式網絡感知信息存儲系統的交互，IMS管理員可以通過管理員操作界面進行動態信息和靜態信息的寫入和查詢操作。

2）接口層：主要實現智能電網一體化平臺信息存儲系統和跨區域電網系統之間的數據交互，即接收或提交用戶存儲或查詢的網絡感知信息，并識別用戶操作界面中用戶的查詢操作指令和存儲操作指令。該層的接口包括：查詢接口和存儲接口。

3）執行層：主要是解析平臺的GIS電網地理信息的數據訪問請求，對平臺的查詢接口和存儲接口進行適配，轉化為信息儲存系統的內部請求進行處理，即對GIS信息進行識別，將其分為動態信息和靜態信息執行不同的一致性讀寫策略，最后把結果返回給平臺。該層的接口包括：弱讀取接口、定位讀取接口、識別接口、弱寫入接口、強寫入接口以及讀修復接口，其中定位讀取接口、識別接口是在Cassandra原有接口的基礎上添加的新的功能接口。

4）存儲層：主要用于保存動態信息和靜態信息。GIS電網綜合信息存儲系統對動態信息采取了級別較低的備份策略和備份數，而對靜態信息采取了級別較高的備份策略和備份數。

3.2 分類存儲

為了有效地提高IMS系統對GIS電網綜合信息的存儲效率，需要對動態信息和靜態信息采取不同的存儲策略。GIS電網綜合信息存儲系統在Cassandra的storage-conf.xml文件中創建兩個Keyspace，并針對動態信息和靜態信息的不同特點，在兩個 Keyspace中的和< ReplicationFactor>兩項屬性分別指定不同的備份策略和備份數。

當有IMS管理員向GIS電網綜合信息存儲系統發送數據寫入請求時，IMS信息存儲系統對動態信息調用ConsistencyLevel為ONE的一致性寫入策略、低級別的備份策略和備份數，對靜態信息調用ConsistencyLeve為QUORUM的一致性寫入策略、高級別的備份策略和備份數，來完成對動態信息和靜態信息的區別存儲，GIS電網綜合信息存儲系統中的數據存儲步驟為：

1）當IMS管理員對GIS電網綜合信息存儲系統提出GIS地理信息信息的寫入請求時，先通過該GIS感知信息上標識的布爾變量，判斷其是否屬于動態信息，若是轉步驟2），否則轉步驟3）；

2）采用ConsistencyLevel為ONE的一致性寫入策略、低級別的備份策略和備份數，把該動態信息寫入系統中的存儲層，更新數據結束；

3）采用ConsistencyLevel為QUORUM的一致性寫入策略、高級別的備份策略和備份數，把該靜態信息寫入系統中的存儲層，更新數據結束。

3.3 分類查詢

為了解決目標節點的定位問題，分布式網絡感知信息存儲系統會在查詢程序中調用Cassandra自帶的RingCache，其表述如下：

RingCache

1）ringCache=new RingCache（）；

2）ListendPoints=ringCache.getEndPoint（keyspaceName，key）；

RingCache的工作原理為：在執行 “RingCache=new RingCache（）”的時候，內部會讀取配置文件中的種子節點信息，然后找到一個有效的種子節點，向該種子節點請求Cassandra集群的一致性哈希圓環上所有節點的地址信息，并將所有節點的地址信息緩存在本機；接著執行 “List< InetAddress>endPoints=ringCache.getEndPoint（keyspaceName，key）”的時候，Cassandra會根據之前找到的GIS地理位置節點地址信息獲取相應的 AbstractReplicationStrategy，這個AbstractReplicationStrategy能夠根據IMS管理員查詢請求中所指定的Keyspace的Name和Key的值定位到存有被請求GIS地理位置數據的節點。

4 系統測試

利用分布式網絡感知信息原理，GIS電網綜合信息存儲系統是基于Cassandra0.6.2版本開發的，選用本實驗室中4臺交換機下的20臺計算機來搭建測試平臺，這些計算機的操作系統都為Windows XP且都安裝有JDK7，網絡帶寬為4 Mb/s。研究區域選用東北某地區的配電網，打開東北某地區配電網GIS綜合信息系統主界面。如圖4所示。

圖4 GIS配電線路圖

GIS電網綜合信息存儲系統的性能測試主要是為了檢驗靜態信息的定位讀取策略相較于Cassandra原有的弱讀取策略在靜態信息的查詢速度上是否有提升。本文采用查詢單條服務信息的平均查詢時延來代表靜態信息的查詢速度，對比分布式網絡感知信息存儲系統的250定位查詢返回結果的時延和Cassandra原系統的弱讀取返回結果的時延之間的差別。

經分析可知，系統中所存數據量的大小和集群中節點的多少是影響查詢單條服務信息的 平均查詢時延的兩大因素，因此，性能測試要分別從數據量和節點量這兩個維度對分布式網 絡感知信息存儲系統的定位讀取策略進行考察，兩個測試的具體條件設置如下：

1）數據量測試：節點量一定，數據量不同。為了測試方便，兩套被測系統都采用交換機1下的5個節點做測試。在測試前，在兩套被測系統中均存入相同的服務信息，每次測試依次增加服務信息的存儲數量，4次測試的數據量分別為1 000條、5 000條、10 000條、20 000條；

2）節點數測試：數據量一定，節點量不同。在測試前，在兩套被測系統中均存入相同的服務信息1 000條，每次測試依次增加節點的數量，4次測試的節點量分別為交換機1下的5個節點、交換機1、2下的10個節點、交換機1～3下的15個節點、4臺交換機下的全部20個節點。

為了測試結果的準確，每次測試都對兩套被測系統隨機查詢10條服務信息，每次測試重復10遍，然后求出兩套被測系統對單條服務信息的平均查詢時間，數據量測試的結果如圖 5所示，節點數測試的結果如圖6所示。

從圖5中數據量測試的結果可以發現：

1）兩條曲線都隨著系統中所存服務信息的數據量增加而上升。分析可知，定位讀取和弱讀取都需要通過數據的Key與系統中所有數據的Key進行匹配，當數據量增大時，匹配消耗的時間隨之增加；

圖5 數據量測試

圖6 節點數測試

2）定位讀取的曲線中各測試點的位置都要略高于弱讀取，即GIS電網綜合信息存儲系統對靜態信息的定位查詢比Cassandra原有的弱讀取的查詢速度慢。經分析可知，定位讀取的查詢時間，是節點定位時間和信息讀取時間組成的。在測試1中僅有5個節點的情況下，Cassandra原有的弱讀取遍歷詢問5個節點的用時并不多，而定位讀取相對于弱讀取的優勢就在于快速定位，因為節點較少，且定位讀取還需要通過全局路由表計算“最近”節點，所以其查詢速度反而比原有的弱讀取慢。

據此大膽推測，當節點量增加時，Cassandra原有的弱讀取遍歷詢問節點的時間會大大增加，而GIS電網地理信息存儲系統的定位讀取策略無需對節點進行遍歷詢問，查詢速度上的優勢會隨之顯現。

從圖6中節點數測試的結果可以發現：

定位讀取的曲線斜率要小于弱讀取，即GIS電網綜合信息存儲系統對靜態信息的定位讀取的查詢速度比Cassandra原有的弱讀取的查詢速度快，且隨著節點量的增加，定位讀取相較于弱讀取的優勢在擴大。分析可知，當集群中節點數量較大時，GIS電網綜合信息存儲系統的定位讀取策略要優于Cassandra原有的弱讀取策略，且定位讀取的優勢會隨著節點量的增加呈線性提升，驗證了數據量測試中的推測。

5 結論

分布式網絡感知信息存儲系統用于處理互聯網中海量、多源、異構的網絡感知信息，然而為了提高智能電網一體化平臺（IMS）監管系統整體的存儲和查詢效率，本系統相較于Cassandra原型系統進行了以下改進：

1）對GIS電網地理感知信息的分類存儲。Cassandra原型系統對數據的存儲都采用相同的存儲策略，而GIS電網綜合信息存儲系統通過創建兩個Keyspace，為動態信息和靜態信息指定不同的備份策略和備份數，并分別調用ConsistencyLevel為ONE和QUORUM的一致性寫入策略，來完成對動態信息和靜態信息的分類存儲；

2）對GIS電網地理感知信息的分類查詢。根據網絡感知信息的不同特點，分布式網絡感知信息存儲系統采用弱讀取策略對動態信息進行查詢，而采用“定位讀取”策略對靜態信息進行查詢，其中，為了保證靜態信息的一致性，GIS電網綜合信息存儲系統通過讀修復來修復過期、出錯的靜態信息；

3）對GIS電網地理靜態信息的定位查詢。GIS電網綜合信息存儲系統對Cassandra原有的弱讀取策略進行了改進，提出了“定位讀取”策略。當IMS管理員對GIS電網綜合信息存儲系統中的靜態信息提出查詢請求時，定位讀取策略會先通過RingCache定位到目標節點，然后通過地理節點距離信息，計算出“最近”地理節點，最后讓系統平臺直接對最近節點執行查詢操作。

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Design of GIS technology integrated information system based on Grid

QIAO Lin,HU Nan,TONG Dong-hui,WANG Hao
（Information and Communication Branch of State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd.，Shenyang 110000，China）

Integrated platform for smart grid (IMS)monitoring system store massive，multi-source GIS grid information problems，the use of network-aware distributed information storage system as a way to network-aware subsystems for IMS monitoring system provides network-aware information inquiry service.The GIS Geographic Information Network in the perceptual information based on different characteristics into dynamic information and static information，use the information to build distributed network-aware storage systems in the cluster based on non-relational database Cassandra.Finally，and system performance test results show that:read four switches under traversal ask 20 nodes as the amount of data increases，the match time consumed increases.

GIS；integrated information network；Cassandra；location query

TN919.6

A

1674－6236（2016）15-0088-05

2016-01-23 稿件編號：201601217

國家自然科學基金項目(51307051).

喬 林(1977—)，男，遼寧沈陽人，碩士，高級工程師。研究方向：信息系統運行檢修管理。