多平臺電力行業(yè)元數(shù)據(jù)管理UML建模與應(yīng)用研究

付婷， 陳紅， 方志堅， 陳智鵬， 王金發(fā)， 陳婷

(1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司， 福建， 福州 350001；2. 國網(wǎng)信通億力科技有限責(zé)任公司， 福建， 福州 350001)

0 引言

目前電力企業(yè)在日常業(yè)務(wù)處理過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分散在各類信息化系統(tǒng)之中，比較孤立，難以關(guān)聯(lián)起來挖掘潛在價值，如何集成多個異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)劃管理是電力行業(yè)面臨的難題。為了消除信息孤島、有效管理，本文設(shè)計多平臺電力行業(yè)元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，按照主題劃分?jǐn)?shù)據(jù)域，構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)倉庫，針對數(shù)據(jù)來源、影響范圍、關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析，為電力行業(yè)數(shù)據(jù)治理提供有效手段。

1 元數(shù)據(jù)解析

1.1 概念

元數(shù)據(jù)簡單來說是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，指的是某類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類型、約束等。比如書名、作業(yè)、出版社等就是一本書的元數(shù)據(jù)。它最主要的作用是對系統(tǒng)進行描述，如果缺少了元數(shù)據(jù)，那么已收集的數(shù)據(jù)就失去了價值。

1.2 分類

元數(shù)據(jù)沒有明確要求如何分類，可以從多種維度進行劃分，例如從記錄形式可以分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化，對于電力數(shù)據(jù)來說，可以根據(jù)用途分為業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)和技術(shù)元數(shù)據(jù)2類。

(1) 業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)：從業(yè)務(wù)角度去描述，提供一個語義層，描述業(yè)務(wù)信息、業(yè)務(wù)下是數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)來源等。

(2) 技術(shù)元數(shù)據(jù)：主要記錄建設(shè)和管理過程中需要使用的信息，包括視圖、層次、維度、數(shù)據(jù)表、關(guān)聯(lián)關(guān)系、轉(zhuǎn)換規(guī)則等[1]。

1.3 管理方式與難點分析

包括建設(shè)、運行、維護在內(nèi)的系統(tǒng)整體生命周期內(nèi)一直都在產(chǎn)生元數(shù)據(jù)，根據(jù)存儲方式的差異可以將元數(shù)據(jù)管理劃分為分散式、集中式、聯(lián)邦式幾類。分散式是指存儲在不同的局部數(shù)據(jù)庫，通過接口進行數(shù)據(jù)提取，訪問容易但交互較難。集中式是指從局部數(shù)據(jù)庫采集之后統(tǒng)一存儲，元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)源獨立，但數(shù)據(jù)同步頻繁。聯(lián)邦式是將以上2種方式結(jié)合，構(gòu)建共享元數(shù)據(jù)庫，局部存儲可以異構(gòu)，共享格式需統(tǒng)一。

在實際管理過程中，存在以下難點：

(1) 獲取困難：由于數(shù)據(jù)源系統(tǒng)架構(gòu)差異，很多平臺具有閉源性，元數(shù)據(jù)采集方式各不相同且獲取困難。

(2) 業(yè)務(wù)類元數(shù)據(jù)欠缺：技術(shù)類信息描述較多，業(yè)務(wù)類欠缺，不利于數(shù)據(jù)提取與數(shù)據(jù)挖掘。

(3) 模型變更頻繁：隨著企業(yè)業(yè)務(wù)變更，模型需要及時更新進行數(shù)據(jù)同步，管理過程有疏漏直接會影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 關(guān)鍵技術(shù)及元數(shù)據(jù)建模

2.1 CWM標(biāo)準(zhǔn)

CWM(Common Warehouse Metamodel)是OMG采納的開發(fā)式業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)倉庫、智能裝置及元倉儲庫之間元數(shù)據(jù)共享與交換，提供了異構(gòu)環(huán)境中數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)集成的標(biāo)準(zhǔn)模型，提供了元數(shù)據(jù)管理的語法，基于以下標(biāo)準(zhǔn)制定：

(1) UML：面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)圖形化建模語言(Unified Modeling Language)，專注于產(chǎn)品模型與結(jié)構(gòu)，跨平臺的定義了CWM模型的語法語義。

(2) MOF：元對象工具(Meta Object Facility)是指構(gòu)造、管理、集成元數(shù)據(jù)模型的框架，支持多種元數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建CWM模型并提供接口[2-3]。

(3) XML：元數(shù)據(jù)交換(XML Metadata Iterchange)標(biāo)準(zhǔn)可以將元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML格式，提供了異構(gòu)數(shù)據(jù)交換的規(guī)范。

2.2 UML建模語言

UML建模語言由語義、語法組成，語義提供簡單統(tǒng)一的定義性的描述，語法描述符號含義，基本元素包括描述某個部分的事務(wù)、多個事務(wù)之間的關(guān)系以及由事務(wù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)成的圖。電力行業(yè)的數(shù)據(jù)來源于各個子平臺，實現(xiàn)方式不一致，而且由于電力行業(yè)發(fā)展新系統(tǒng)投入力度也較大，對模型的擴展性有很高的要求，因此，本文采用UML建模語言來實現(xiàn)電力行業(yè)數(shù)據(jù)采集建模。

2.3 PowerDesigner建模工具

PowerDesigner是Sybase公司開發(fā)的建模工具，涵蓋了模型開發(fā)與設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，包括各種類圖、包圖、類、各個類之間的關(guān)系、各個類的屬性等，提供了UML模型到關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的映射，實現(xiàn)了模型到實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)換。主要包括：

(1) 類：描述具有相同屬性和行為的一類對象，包括多個屬性和方法。

(2) 包：根據(jù)類的含義、用途，相關(guān)的劃分到一組，即稱為包。

(3) 關(guān)聯(lián)：對象是獨立的，但是屬性有依賴關(guān)系，即為關(guān)聯(lián)。

(4) 繼承：繼承其他對象的屬性或行為，方便對類進行擴展。

(5) 組合/聚合：描述整體與部分的關(guān)系。

3 數(shù)據(jù)域劃分與建模

電力系統(tǒng)按照時間順序可以分為前期建設(shè)、運行管理、后期運維、后續(xù)演進等階段，不同階段會產(chǎn)生不同的元數(shù)據(jù)，同一階段內(nèi)按照用途區(qū)分也可以分為多種類別，本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)用途，將元數(shù)據(jù)劃分為6個大的主題域之后再進行細分，具體如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)域劃分

結(jié)合電力數(shù)據(jù)特點，本文為6個主題域數(shù)據(jù)建模如下：

(1) 網(wǎng)絡(luò)資源元數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)資源元數(shù)據(jù)包括邏輯資源和物理資源以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)、資源規(guī)格等。其中：邏輯資源包括傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)等；物理資源包括光纜、管線、電纜等。本文以光纜為例，結(jié)合光纜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，設(shè)計光纖型號模型包括如下字段：唯一標(biāo)識、名稱、編碼、使用評估、管束結(jié)構(gòu)、管束數(shù)、芯數(shù)、纖芯型號、光纜結(jié)構(gòu)、光纜外徑、光纜類型、短路電流、抗拉強度、生產(chǎn)商、光纖內(nèi)管束色譜等[4-5]。

(2) 網(wǎng)絡(luò)行為元數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)行為元數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的告警數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及性能數(shù)據(jù)。本文以告警數(shù)據(jù)為例，設(shè)計告警元數(shù)據(jù)模型包括如下字段：告警id、告警設(shè)備id、告警對象、告警級別、告警類型、描述、告警時間、系統(tǒng)、確認(rèn)狀態(tài)、確認(rèn)人、機框id、槽位id、板卡id、機房名稱、電路名稱等。

(3) 業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)

業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)信息、業(yè)務(wù)信息、業(yè)務(wù)類型以及承載通道、網(wǎng)元等。業(yè)務(wù)元數(shù)據(jù)模型需包括：唯一標(biāo)識id、業(yè)務(wù)類型、名稱、等級、保護裝置類型、區(qū)域、投運時間、備注等。

(4) 運維元數(shù)據(jù)

運維元數(shù)據(jù)包括運維過程中產(chǎn)生的各類工單及相關(guān)管理數(shù)據(jù)，電力系統(tǒng)的運維管理包括通信調(diào)度、故障工單、檢修、運行分析、資源維護等。本文以故障工單為例，設(shè)計模型包括：唯一標(biāo)識id、工單狀態(tài)、工單編號、故障內(nèi)容、故障類型、來源、等級、生成時間、報備時間、報備人員、聯(lián)系方式、是否影響業(yè)務(wù)、處理方法等。

(5) 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃元數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃元數(shù)據(jù)包括光纜、傳輸、交換網(wǎng)等的規(guī)劃數(shù)據(jù)，設(shè)計模型包括：規(guī)劃標(biāo)識id、項目信息、版本、規(guī)劃單位、提交時間、內(nèi)容等。

(6) 供應(yīng)商元數(shù)據(jù)

電力系統(tǒng)的各類資源通常由供應(yīng)商提供，本文以供應(yīng)設(shè)備為例，對相關(guān)信息建模如下：設(shè)備標(biāo)識id、設(shè)備名稱、類型、數(shù)量、生產(chǎn)廠家、供應(yīng)商、出廠編號、出廠時間、投運時間、升級履歷、備注等。

4 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)所需開發(fā)環(huán)境如下。

操作系統(tǒng)：Windows Server 2012 R2

開發(fā)語言：Java

中間件：Tomcat7.0.77

前端：Vue2.5.2

后端：Spring4.3.13

數(shù)據(jù)庫：MySQL5.7

5 元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)核心功能設(shè)計

5.1 功能架構(gòu)

基于目前電力行業(yè)元數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀，多平臺元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需要集成各個異構(gòu)平臺的數(shù)據(jù)，功能模塊主要劃分為采集、存儲與分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1) 采集層：集成多平臺數(shù)據(jù)，異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式后存入元數(shù)據(jù)庫。

(2) 應(yīng)用層：對元數(shù)據(jù)的來源管理、入庫審核、血緣分析、影響范圍分析、關(guān)聯(lián)性分析、查詢、編輯、歷史版本查詢等。

(3) 展現(xiàn)層：用戶操作界面，查詢屬性、分析結(jié)果等[6]。

5.2 技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計時后端處理采用Spring框架，前端展示采用Vue技術(shù)，控制策略利用MVC模式，技術(shù)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

5.3 元數(shù)據(jù)采集

元數(shù)據(jù)采集是整個元數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，是一個從各類異構(gòu)平臺獲取原始數(shù)據(jù)后進行格式規(guī)范化存入最終數(shù)據(jù)庫的過程。由于多平臺數(shù)據(jù)格式各不相同，需要進行數(shù)據(jù)適配，并且涉及目錄掛靠、多次采集、數(shù)據(jù)更新、入庫審核、記錄日志等。具體流程如圖3所示。

圖3 元數(shù)據(jù)采集流程

5.4 元數(shù)據(jù)存儲

元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫是元數(shù)據(jù)管理的核心，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫所有的數(shù)據(jù)都將存儲在元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫之中。元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫與其他普通數(shù)據(jù)庫不同的一點在于需要進行異構(gòu)元數(shù)據(jù)交互，它的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)和語義必須具備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且有規(guī)范的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，各個廠商各個系統(tǒng)均可以進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利于系統(tǒng)集成。本文基于CWM標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計元數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫，最終通過數(shù)據(jù)類型映射在MySQL數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)，映射為實際數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型。

5.5 元數(shù)據(jù)分析

元數(shù)據(jù)分析主要分為影響分析、關(guān)聯(lián)分析與血緣分析。

(1) 影響分析：分析數(shù)據(jù)影響范圍，正向分析數(shù)據(jù)終點，幫助電力企業(yè)解決無法精準(zhǔn)定位問題。

(2) 關(guān)聯(lián)分析：分析信息重要性，實現(xiàn)評估，幫助電力企業(yè)重要數(shù)據(jù)優(yōu)化。

(3) 血緣分析：分析數(shù)據(jù)來源，反向分析數(shù)據(jù)起點，幫助電力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯。

5.6 元數(shù)據(jù)管理

元數(shù)據(jù)管理主要管理互相之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)信息，包括前端展示的元數(shù)據(jù)信息查詢、關(guān)聯(lián)關(guān)系維護、修改元數(shù)據(jù)屬性、增刪改查原始記錄、歷史版本管理等，發(fā)揮出收集存儲的元數(shù)據(jù)的深層價值[7]。

6 總結(jié)

本文介紹了元數(shù)據(jù)的作用與管理難點，采用業(yè)界通用標(biāo)準(zhǔn)建立了電力行業(yè)網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)行為、業(yè)務(wù)、運維、規(guī)劃、供應(yīng)商6個數(shù)據(jù)域的元數(shù)據(jù)模型，深入研究元數(shù)據(jù)的采集、存儲與數(shù)據(jù)分析維度，為電力元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理提供了可行方案。但由于電力通信網(wǎng)的發(fā)展，本文設(shè)計的各類模型及系統(tǒng)功能模塊都需要進行擴展與調(diào)整，因此，元數(shù)據(jù)模型的延展性提升是后續(xù)將持續(xù)研究的方向。