基于OSGi&RCP插件化的智能變電站集成軟件平臺架構

張曉瑞，蔣衍君，閔彥榮，付豪，董懷普

(國電南自自動化有限公司，南京 211153)

基于OSGi&RCP插件化的智能變電站集成軟件平臺架構

張曉瑞，蔣衍君，閔彥榮，付豪，董懷普

(國電南自自動化有限公司，南京 211153)

針對目前智能變電站在二次設備配置、運維及管控系統中存在的問題，結合“軟件工程”的理念，提出了一種基于OSGi&RCP插件化的多業務集成軟件平臺架構。該架構以java動態模塊化OSGi規范和Eclipse RCP開源框架為基礎，融合插件間面向服務的通信機制及插件內接口與實現相分離的包(Package)最小化依賴設計方法，實現了系統面向多用戶、多業務的松耦合式集成，解決了傳統軟件架構在開發、部署、工程應用上周期長、靈活性不足的缺陷，達到了“即插即用”的模塊化效果。實際工程應用驗證了該架構的可行性與優越性。

智能變電站；OSGi；Eclipse RCP；業務模塊化；即插即用

0 引言

近年來，智能電網建設發展迅速，變電站運行技術水平和業務復雜程度越來越高[1-2]，伴隨著行業技術標準的提升以及國內外二次設備廠家當前自身因素限制，導致二次設備配置與運維面臨如下問題：現有工具升級無法滿足智能變電站業務的發展速度需求；各個廠家設備配置、運維差異性很大[3-4],無法實現資源共享，運維人員需要掌握多廠家工具使用技巧；不同變電站的定制化需求無法得到滿足；個別工具業務集成太多，加重了硬件資源消耗，程序性能明顯下降，影響工作效率[5]。同時，在現有人力資源與市場競爭更加激烈的條件下，有些廠家已經無法很好地適應這種靈活多變的業務發展需求，如何尋找一種方案既能滿足主要客戶(國網、南網等)對新趨勢下變電站業務的發展需求，又能解決廠家頻繁疲于應對變電站業務無限靈活擴展的現狀[6-10]，是現階段行業內所有二次設備廠商急需要解決的一大難題。

針對以上問題，本文提出了一種基于OSGi&RCP插件化的軟件平臺架構方案，該架構以java動態模塊化開放服務網關OSGi(Open Service Gateway Initiative)平臺為基礎，結合Eclipse的富客戶平臺RCP(Rich Client Platform)富客戶端開源框架，融合軟件工程中軟件復用與構件化技術，能夠在軟件架構層把智能變電站的遠動、保信、在線監測、計量、電力系統同步相量測量裝置(PMU)、合并計算、五防操作票、順控、遠程瀏覽、告警直傳、源端維護等業務以及報文解析、國際化、數據庫讀寫等功能變成一個個風格統一、可靈活組裝、跨平臺、易維護的“大一統”插件，供產品部門按用戶實際需求組裝系統完成發布工作。

1 軟件架構設計

1.1 抽象業務模塊分析

根據軟件需求分析中抽象化原則，按基礎業務模塊進行抽象模塊化分割，再根據不同的業務要求，在公共基礎模塊之上進行特有的業務功能點擴展以滿足實際用戶的需求?；谶@一劃分原則，可以把整個變電站的配置及運維管控相關需求抽象為：全站系統配置模塊、五防模塊、順控模塊、遠程瀏覽模塊、源端維護模塊、遠動模塊、保信子站模塊和告警直傳模塊等，輔以網絡配置模塊、數據庫配置模塊、用戶管理模塊、權限管理模塊、日志模塊、程序配置與進程監控模塊、報文分析模塊、實時數據瀏覽模塊、統計模塊、持久化模塊等其他模塊。

1.2 架構思路

根據本文引言中對當前智能變電站的發展描述和抽象業務模塊分析，設想把變電站業務變成一個個的模塊化插件，通過按需分配的方法，找出所需要的插件集成到一個公共平臺上。該平臺可支撐所需業務插件的信息資源共享與動態化插拔運行，并能很好地擴展每一個功能業務模塊，同時對其他模塊不產生任何影響。

如果這個設想成立，該平臺需既能滿足對用戶界面(UI)模塊化、又能滿足業務服務調用模塊化。

圖2 軟件架構

借鑒計算機技術方面對此問題的解決方案，選擇基于OSGi&RCP的平臺架構無疑是最好的思路。其框架圖如圖1所示。

圖1 多業務集成框架

1.3 架構設計

根據1.1中描述的智能變電站抽象業務分割方法及1.2中提到的架構思路描述，可以得到如圖2所示的架構設計。

1.4 架構分析與比較

三層軟件架構是傳統富客戶端軟件系統最常用的設計方法，如圖3所示。這種架構方案具有接口清晰、耦合度低、方便開發人員協作等特點，但缺點也很明顯。這種傳統的縱向分層模型，每一層都依賴于下面層次提供的服務，同時又被上面的層次所依賴，逐層依賴的組織方式使軟件趨于一個整體，正是這個“整體”使得各層次對于軟件正常運行都是缺一不可的，無法抽取一部分作為獨立的軟件進行發布和使用。隨著系統的不斷擴展，每個層次上處理的業務都在增加，不僅影響系統的可靠性和穩定性，同時對后期的維護提出了更高的要求。

圖3 傳統富客戶端軟件架構

基于OSGi&RCP模塊化的架構設計就是盡可能避免把軟件設計為一個整體，而是偏向于把軟件設計為一個核心加一系列插件構成的功能模塊集合。相比傳統的分層架構設計，本方案具有以下優勢。

(1)除了基礎資料(服務接口、實例類、公共資源類等)的核心插件外，其他的插件間都可以避免相互依賴，保證各個模塊間的相對獨立，同時插件間也不直接進行交互通信，而是通過OSGi層中的注冊服務與監聽服務進行協作，可以解決多廠家服務插件共享問題。

(2)模塊化設計可以讓軟件系統實現按需分配。

(3)系統得益于底層的OSGi天然的動態化特性，可以很容易地進行熱插拔和動態更新。安裝和升級只需停用或替換對應的模塊插件，而無需停用服務器，這樣對不相關的模塊不產生任何影響。

(4)提高系統的穩定性與可擴展性。一個功能模塊崩潰不會導致整個系統癱瘓，其他的功能模塊正常運轉，同時增加新的功能也不需要修改原有的功能模塊，實現了低成本、高靈活度的軟件功能擴展與伸縮。

(5)強大的Eclipse開發工具平臺。RCP框架技術可以在技術層面控制界面樣式的統一，并且在此框架下開發，可以很容易實現幫助文檔系統與國際化功能。

2 關鍵技術分析

2.1 業務插件(Bundle)的組織與依賴方法

結合OSGi技術規范特性，該方案采用包(類)依賴的方式在編碼層面實現模塊插件間的依賴關系。其內部實現則利用OSGi微內核架構的模塊層和生命周期層來完成。

在RCP框架下實現一個OSGi Bundle，不僅可以使用OSGi的標準應用程序編程接口(API)，同時還可以使用RCP框架自己的擴展功能，依托Eclipse平臺，很容易可視化編寫元數據描述MANIFEST.MF文件。這也是實現OSGi規范的插件與普通插件的區別所在。

該框架對插件的版本和包進行了最小化管理，同時還有清晰的可視化插件依賴關系圖供系統設計階段使用。

2.2 業務插件間通信機制

一個復雜的業務模塊不會通過單一插件來實現所有功能，那么模塊間的通信是必須要解決的問題。在最大化保證各個插件相對孤立的情況下，結合OSGi技術規范要求，該方案采用面向服務的通信方法。

服務不能孤立存在，每個服務都從屬并運行在提供服務的Bundle上。Bundle要提供服務供其他插件模塊使用，首先需要把服務(類)注冊到基礎資料Bundle中，這個基礎資料Bundle底層采用一個由OSGi框架提供、可以被所有的Bundle共享的服務注冊表技術來實現，其他Bundle使用服務時只需要從注冊表中查找相應的服務拿來使用，從而避免了與提供服務的Bundle直接交互。因此，這種插件間的通信機制不需要關心該服務來源于哪里，也不需要關心導入提供服務的Bundle或對外發布什么樣的包。

2.3 UI插件與服務插件的實現

UI插件主要負責系統人機交互界面的靈活組裝，包括基礎框架界面的搭建、基礎模塊業務的界面顯示、多業務模塊透視圖的擴展、業務功能菜單的擴展、人機交互UI幫助系統等。系統UI插件組織結構如圖4所示。

圖4 系統UI插件組織結構

服務插件(非UI插件)，此類插件主要負責多業務邏輯的處理，包括基礎業務邏輯單元的處理、業務接口包的暴露、插件間面向服務(類對象)交互的使用等。

2.4 插件粒度分割原則

基于OSGi&RCP技術的模塊化和運行時動態化都是以Bundle為基礎的，因此在設計規模較大的系統平臺架構時Bundle的粒度劃分特別重要。不僅要做到低耦合、高內聚，還要降低在系統運行時更新Bundle的成本。本系統架構按照以下原則對變電站業務做到了很好地劃分。

(1)根據智能變電站業務發展特點，以業務為模塊劃分，視圖、菜單擴展、功能服務分別生成插件(Bundle)。

(2)借鑒設計模式思想，通過設計模式模板為我們提供合適的封裝方案，比如工廠模式，將系統的復雜性、多樣性、易變性問題通過工廠方法進行封裝，降低系統的復雜性。

(3)并列原則，對于實現同一目標而需要采用不同方式的功能分別生成插件，在打包發布系統時按需使用相應Bundle。

(4)領域業務邏輯代碼與OSGi框架服務代碼分離原則，增加業務邏輯代碼的結構清晰度，方便復用到非OSGi框架系統項目中。

(5)接口與實現分離原則，降低插件內部代碼耦合度和屏蔽使用者對復雜業務實現類的關注。

3 結束語

與傳統的軟件架構相比，基于OSGi & RCP插件化的軟件平臺架構將智能變電站中的業務按業務模塊進行劃分；利用設計模式的思想封裝業務模塊為插件；插件內采用面向接口的編程方式解決業務邏輯的復雜性與多變性；插件外采用面向服務的機制完成插件間的交互，保證每個插件的孤立性；開發與發布分離，“積木式”組裝和特殊化定制相結合方式滿足不同用戶對不同或相同業務功能的按需分配；支持跨平臺，能夠同時導出多個平臺上的產品；業務功能易擴展，滿足智能變電站業務未來的發展方向。

雖然OSGi技術規范已經非常成熟，但要在本文描述的架構上開發出完美的系統還需要關注以下問題：合理地規劃系統，降低模塊間的耦合性；理解對象的生命周期，合理釋放Bundle資源，防止內存泄漏；避免插件啟動順序依賴，為后期維護埋下伏筆。

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(本文責編：劉炳鋒)

2016-11-25；

2017-01-09

TP 391

A

1674-1951(2017)02-0004-04

張曉瑞(1988—)，男，山東濱州人，工程師，工學碩士，從事智能變電站配置與運維系統研發方面的工作(E-mail:xiaorui-zhang@sac-china.com)。

蔣衍君(1975—)，男，黑龍江尚志人，高級工程師，工學碩士，從事電力監控及調度自動化方面的工作(E-mail:yanjun-jiang@sac-china.com)。

閔彥榮(1985—)，男，江蘇南京人，工程師，從事智能變電站配置與運維系統研發方面的工作(E-mail:minyanrong@163.com)。

付豪(1986—)，男，河南商丘人，工程師，工學碩士，從事智能變電站配置與運維系統開發方面的工作(E-mail:hao-fu@sac-china.com)。

董懷普(1988—)，男，河南商丘人，工程師，工學碩士，從事智能變電站配置與運維系統開發方面的工作(E-mail:huaipu-dong@sac-china.com)。