基于SOA的輸變電設備優化檢修系統架構設計

朱承治，王光增，孔曉峰

（1.浙江省電力公司，浙江 杭州 310007；2.金華電業局，浙江金華321017）

輸變電設備優化檢修是集狀態檢修、預防性試驗檢修、以可靠性為中心的檢修為一體的綜合性的檢修方式。它的實現依賴于設備運行狀態監測、狀態評估、故障診斷、檢修優化等技術以及檢修信息系統的支持。建立先進的設備檢修信息系統，能夠有效地管理設備的在線數據和離線數據，能夠實現智能化的設備診斷、故障預測、檢修決策和綜合管理等多項功能，為多種檢修體制提供決策支持依據[1-4]。

電網企業目前仍以傳統的計劃（定期）檢修和事后維修為其主要的檢修方式，其所運行的與設備檢修相關的信息系統主要包括生產管理系統、在線監測與故障診斷系統以及能量管理系統中的檢修計劃模塊[5]。這些系統對提高設備運行的可靠性起到了很大的作用，但若將其用于優化檢修體制還存在一定的問題。生產管理系統主要側重資產管理，包括設備臺帳、運行巡視、缺陷登記、離線監測數據管理及檢修管理，其中檢修管理實現了企業檢修活動的過程管理，能量管理系統中的檢修計劃模塊往往依據正常設備的平均統計數據決定檢修項目、檢修周期。這2個系統缺少對設備健康狀態的實時監視和評估以及對檢修業務的指導。而在線監測系統往往針對設備的某個單項指標進行監測，系統多封閉獨立，監測與診斷項目不全面，診斷的方法也比較單一，無法有效擴展。綜上所述，與設備檢修相關的信息分布于各個相互獨立的異構系統中，系統平臺架構和編程語言不一致，缺乏統一的數據格式和標準接口，系統的集成度差。

目前電力信息應用系統架構正朝著松散耦合、方便擴展、柔性集成的方向發展，因此有必要采用最新的架構理念設計輸變電設備優化檢修系統，利用信息融合、人工智能、企業應用集成等技術，為輸變電設備狀態監測和評估、故障診斷、檢修決策、檢修過程管理、專家知識的整理與積累提供信息平臺；并能有效地集成已有的在線監測診斷系統、生產管理系統和EMS檢修模塊的相關設備檢修信息，保護原有投資，重用軟件資產；同時提高系統的開放性、分布性、可擴展性和穩定性。

本文基于面向服務的架構（Service Oriented Architecture，SOA）[6-7]對電力企業輸變電設備優化檢修系統進行服務建模，包括應用服務、業務服務和業務流程服務三大類，其中業務流程服務具體包含狀態監測、狀態評估、故障診斷、狀態演繹及故障預測、設備檢修決策、設備檢修管理等服務；并提出了基于SOA的輸變電設備優化檢修系統架構的詳細模型。

1 面向服務的架構

1.1 傳統的企業應用集成

隨著現代通信技術、計算機網絡技術的發展，企業信息化建設面臨的瓶頸已經不是傳統意義上的網絡搭建或應用軟件開發等問題，而是如何將分散、孤立的各類信息加以整合利用，消除信息孤島，使人員從復雜繁瑣的數據資源處理中解脫出來，能全面便捷地使用數據資源把握和優化企業營運。因此，企業應用集成（Enterprise Application Integration,EAI）的概念被引入到信息化建設中來[8]。

EAI旨在有機地整合各個應用系統并實現信息的共享和交互，實現業務流程的自動化和定制化，使企業信息系統具備高效、靈活、開放的架構。傳統的EAI通常在數據集成與應用接口集成兩個層次加以實現。

數據集成主要是以數據的規范化和標準化為基礎，解決不同應用系統數據格式不一致的問題。數據集成主要用于在不同的數據格式間進行轉換，它是EAI中一種較為簡單直接的途徑，但其直接訪問數據庫的方案對應用資源重復利用率低，且集成靈活性和安全性差。

應用接口集成主要采用的是基于CORBA，EJB，COM+等分布式組件技術，組件技術雖然使系統的集成更為靈活，但是也存在如下缺點：

1）異構組件帶來兼容性問題。

2）組件之間的緊耦合意味著應用系統的不同組件之間通過固定接口緊密耦合，因而當需求功能變化要對某部分組件進行修改時，則相應需要對所有集成組件全部更新，這樣后期維護工作量大，難度高。

近年來，SOA作為新一代的軟件構架，正以其協同高效、復用擴展、異步及松耦合等優點逐步取代傳統的軟件構架，成為分布式應用集成發展的趨勢和熱點。

SOA面向企業動態需求響應，提供了服務驅動的分布式協同工作新模式。基于SOA的優化檢修系統架構能適應業務的變化和技術的發展，極大地實現軟件的重用，降低系統集成的復雜性和成本。

1.2 面向服務的架構

面向服務的架構是一種新的分布式應用集成模式。它的基本框架由3個角色和3個基本操作構成，如圖1所示，3個角色分別為服務提供者、服務請求者和服務注冊中心，3個基本操作分別為服務發布、查找和綁定。服務提供者將其服務發布到服務代理的目錄上，當服務請求者需要調用該服務時，它首先利用服務注冊中心提供的目錄搜索該服務，而后提出請求，注冊中心審核通過予以授權后，該項服務請求者與提供者直接綁定通信，無須經過注冊中心[5]，服務完成后報告注冊中心再解除綁定。

圖1 SOA角色模型

面向服務的架構是分布式軟件架構模型，它將應用系統的不同功能單元設計為服務，服務間通過定義良好的接口和契約互相調用。接口采用中立的方式定義，它明確定義了服務的功能、服務提供者和使用者的職責以及互操作的調用方式。定義良好的接口明確地分離了服務的外部接口和內部實現,獨立于具體的硬件平臺、操作系統和編程語言，這使得SOA能極大兼容各種應用系統，有效重用原有軟件資產，體現了服務間的松耦合特性，即改動服務內部的程序模塊對架構中其他服務沒有影響[9]。

服務作為軟件實體，對特定領域的業務邏輯進行了封裝，同時服務是粒度可分的、可組合的和自治的。一個大的服務可以由多個細化的服務組合而成，組合后的服務向用戶隱藏內部實現細節，只向外提供封裝了一定業務邏輯的合約，保證服務請求者以一致的方式使用服務。同時服務是自治的，單個服務在對其底層邏輯的控制方面盡可能是獨立和自包含的，并進一步通過消息級別的自治實現。

在SOA架構下，任何一種應用都可由若干種服務組成，這些服務在開發之初就已經考慮到重用問題，提供了標準的接口，可以被其它服務所調用。以服務形式出現的業務邏輯可以被共享、重用和配置，因此企業應用集成、定制和系統的升級與維護變得簡易[10]。

傳統的企業架構通常由應用層和業務流程層兩個層次構成，業務流程層必須通過各應用自定義的私有接口（例如APIs、消息或數據庫表）訪問應用，業務流程與特定的應用接口緊耦合。SOA建立了一個位于兩層之間的高級抽象層——服務層，如圖2所示，位于此層的服務能封裝底層的應用和業務流程邏輯。SOA是一種軟件工程設計模式，它促進了IT基礎設施與業務目標的配合與協調，能快捷地根據業務需求變化對軟件資產進行重新配置。

圖2 基于SOA的企業層次模型

1.3 基于SOA的輸變電設備優化檢修系統的目標

SOA作為新一代的軟件構架，在其基礎上構建的輸變電設備優化檢修系統應能達到以下目標：

1）充分發揮已有診斷、檢修模塊的功能，保護原有投資，實現設備數據完全共享，促進檢修系統與MIS、EMS等外部系統的方便集成。在基于SOA的電網企業輸變電設備優化檢修系統中，SOA能夠顯著提高現有IT資產的投資回報率，可以基于現有的應用系統，不需要重建新系統，有效地利用現有投資；同時，SOA可以有效地降低集成成本，面向服務架構的諸多特性使得集成項目可以更多地關注與執行環境無關的服務開發、發布與合成上，而不必處理由于數據、接口、編程語言和操作系統等多種異構現象所帶來的集成難題。

2）SOA使優化檢修系統具備分布式協調功能。面向服務的架構是一個分布式的軟件架構模型，基于SOA的優化檢修系統以信息技術為紐帶，實現分布在廣域范圍內的系統資源之間的相互支持協作。例如利用分布式的診斷資源實現城域范圍更或省網范圍內的協同式設備故障診斷，綜合設備的服役狀況、歷史記錄、檢修資源以及電網的運行方式，確定最優設備檢修部署。

3）在基于SOA的優化檢修系統中，應用程序的不同功能單元被設計為服務，具備可重用性、可組合性和可擴展性。SOA支持靈活的、自動化和高適應性的業務流程，保證在企業組織機構、業務流程發生調整時，檢修平臺不會因此而廢棄。這不僅能夠滿足當前業務需求，還可以應對企業未來的業務需求變更。此外，服務間的松耦合特性使得擴展更為方便。

2 輸變電設備優化檢修系統的服務建模

構建一個典型的SOA應用系統通常遵從如下步驟:1

）按合適的粒度進行服務抽象。

2）構建服務，即將遺留應用系統通過適配器封裝為服務，或者將一個全新的業務邏輯實現為服務。

3）服務編制，即通過業務流程的高層表現形式——業務流程執行語言（Business Process Execution language,BPEL）為實現靈活的業務流程奠定基礎。

4）激活服務通信，即通過公共服務平臺保證服務與服務之間，或者服務與后端應用程序之間能夠可靠地相互通信。

5）確保服務安全，通過安全、審核、日志等策略來持久有效地保護和管理服務。

在基于SOA的輸變電設備優化檢修系統服務建模中，服務抽象和構建是核心。服務抽象要對應用系統及業務過程進行分析，對不同業務實體的屬性與功能，以及實體間存在的關系進行描述。在SOA中，服務通常被分為應用服務、業務服務及業務流程服務三大類[11]。

2.1 應用服務建模

應用服務分為表示層服務和數據服務。

表示層服務封裝了業務服務（業務流程服務）與系統客戶端之間的所有表現邏輯，客戶端通過表示層服務達到人機交互的目的。常見的表示層服務包括狀態顯示服務、告警服務、設備評估結論及檢修建議顯示服務、參數錄入服務等。數據服務用來與其他應用交換信息或訪問公共數據。通常數據服務由通用接口服務、封裝服務及數據轉換服務組成。IEC61970標準[12]定義了包括通用數據訪問（GenericData Access,GDA）、高速數據訪問（High Speed Data Access,HSDA）、時序數據訪問（Time Series Data Access,TSDA）、通用事件與訂閱（Generic Eventing and Subscription,GES）等通用接口服務，分別以請求/響應、訂閱/發布的方式實時或近實時交換信息；數據轉換服務負責遺留系統數據到標準數據格式的轉換；封裝服務則實現了遺留系統私有接口和標準接口之間的映射[13]。

2.2 業務服務建模

業務服務包括基礎業務服務和通用業務服務。基礎業務服務通常是封裝了業務流程中的一個或多個業務活動，它代表核心應用中相應的分解模塊，基礎業務服務具有不同的粒度。在基于SOA的輸變電設備優化檢修系統中，典型的基礎業務服務有閾值校驗服務（故障檢測服務）、分析評估服務、故障預測服務、檢修方案服務等。通用業務服務則是將優化檢修中的各種應用的通用功能封裝成獨立的服務，可以被其他服務所調用，實現重用。典型的通用業務服務有數據查詢獲取服務、報表生成服務、知識管理服務等。

知識管理服務在輸變電設備優化檢修系統起到非常重要的作用，在設備的狀態監測、評估、診斷和檢修過程中需要大量的規程標準、故障診斷專家知識、檢修工藝知識，檢修操作規范等。因此對這些知識進行有效的管理是檢修各部分工作順利開展的前提保障，是設備優化檢修系統得以實現的關鍵所在。知識管理服務除了存儲檢修相關知識外，還負責實際檢修經驗的不斷積累。

2.3 業務流程服務建模

業務流程服務將系統內的各種應用服務、基礎業務服務，通用業務服務有機地組合在一起，實現對企業業務模型中的核心業務過程、應用系統核心功能的抽象和封裝。業務流程服務體現了子服務間的協作，通常具備較粗粒度，而粗粒度的業務流程服務也可以封裝較細粒度的子業務流程服務。在SOA的服務建模過程中，應用系統中的主要功能模塊通常被抽象為業務流程服務。

通過對檢修過程中應具有的功能活動進行分析，參考狀態檢修的開放系統體系結構（Open System Architecture for Condition Based Maintenance，OSACBM）對功能模型的定義，結合優化檢修系統自身的特點，其功能模型見圖3[14-15]。

圖3 輸變電設備優化檢修系統功能模型

圖3 中，主要業務流程服務包括狀態監測服務、狀態評價服務、故障診斷服務、故障演繹及預測服務、檢修決策服務和檢修管理服務。

輸變電設備優化檢修系統的重點是狀態檢修方式的實現，這需要全面了解系統中輸變電設備的運行狀況和健康狀況，通過對代表系統性能指標的主要參數的監測和分析診斷，結合系統的歷史記錄對設備性能和故障進行預測，并根據結果制訂相應的檢修決策并進行檢修活動，可以有效地防止故障的發生和擴大，減少因為故障帶來的經濟損失，避免無謂的檢修工作。

3 基于SOA的輸變電設備優化檢修系統架構模型

SOA創建了一個能適應業務需求不斷變化的IT架構，本文在電網企業已有的檢修相關信息系統的基礎上，結合SOA的集成策略和特征，以及前述優化檢修系統相關服務建模，提出一個基于SOA的優化檢修系統體系結構模型，如圖4所示。

整個優化檢修系統應用體系結構模型分為基礎架構層、應用層、服務層和交互層4個子層：

1）基礎架構層。該層由各種操作系統（OS）、文件服務器（FS）、數據庫系統（DBMS）、技術平臺以及網絡連接需要用到的底層協議等組成。該層提供的是集成平臺最底層的基礎服務，所有的其他層面都是構建在其之上的。遺留應用所使用的各種應用平臺、操作系統、數據庫系統也在本層體現。在該層中，OS提供底層操作系統的支持，FS存放運行必需的文檔和一些不便于存放在數據庫中的數據，DBMS主要存放檢修系統的核心信息資源，主要包括設備狀態信息、診斷信息、維護記錄、決策知識等。

2）應用層。該層包含了各種傳統的應用以及新開發的應用，各個應用是實現一定業務功能的IT資產組合。在電網企業中，傳統的與檢修相關的應用系統包括生產MIS、EMS、ERP、可靠性管理系統以及設備在線監測及故障診斷系統。通常這些系統由于技術平臺和數據模型的異構，在其間共享信息和業務邏輯變得相當困難，而服務層的引入為此提供了一種靈活的機制。

圖4 基于SOA的輸變電設備優化檢修系統架構模型

3）服務層。服務層包含了可重用于各個業務領域的應用服務（表示服務和數據服務），表示基本業務邏輯的業務服務以及抽象和封裝企業核心業務過程和應用系統核心功能的業務流程服務。服務層的服務抽象體現了SOA的諸多原則，例如服務自治性、可重用性、可組合性以及分布協調性。

服務層還包含了Web服務平臺，Web service平臺是一套標準，它定義了應用程序如何在Web上實現互操作性，是面向服務架構的一種最為通用的實現方法，它使用一系列基于Web的標準和協議實現相關的功能，為促進服務請求者和服務提供者以一致并與下層技術平臺無關的方式進行交互提供了核心設施。Web服務平臺包含下列一些關鍵要素：

①服務契約/服務契約庫。服務提供者用WSDL（Web Services Description Language，Web服務描述語言）描述Web服務。它明確定義了服務的功能、服務提供者和使用者的職責，以及可互操作的調用方式。服務契約庫旨在存儲、查詢和版本化服務契約。

②服務注冊與查詢。用于定位服務實例和運行時資源的目錄服務，它應具有較高的執行效率、伸縮性和可用率。使用UDDI（Universal Description Discovery and Integration，統一描述、發現和集成）向服務注冊中心發布和注冊Web服務，服務請求者通過UDDI在服務契約庫中進行查詢。

③服務層安全。采用WS-Security框架定義和貫徹服務層安全策略的安全措施，包括服務請求者認證、訪問控制、單點登陸、完整性等。

④服務層數據模型。定義了將在服務間轉換及供服務請求者使用的業務層數據模型，采用XML Schema格式定義數據，本系統遵循CIM標準語義。

⑤服務層通信。利用SOAP(Simple Object Access Protocol，簡單對象協議)來綁定、調用服務。為SOAP的不同交互方式（WS-Eventing）和通信方式提供支持。

基于WebServices方案實現的SOA，提供了一種快速、基于標準化接口、松耦合的集成方案，它關注可被共享的數據與可重用的服務，而不是專有的集成產品，因此能夠更好地確保IT投入與企業戰略保持一致。

4）交互層。該層位于整個系統的最頂層，直接面對終端用戶，作為服務的觸發者和最終消費者，負責接收客戶所要執行的請求，是客戶體驗的前端。具體包括定制的應用和傳統的客戶端。

4 結語

輸變電設備優化檢修技術是集多種檢修技術于一體的綜合性檢修技術，它能有效地管理設備數據和運行記錄，實現資產管理多種功能。而現行電網企業中檢修相關功能模塊分散，應用系統間集成度差，缺乏專業的檢修管理信息系統。

本文基于SOA對輸變電設備優化檢修系統進行服務建模，包括應用服務、業務服務和業務流程服務三大類，其中業務流程服務引入狀態監測、狀態評估、故障診斷、狀態演繹及故障預測、設備檢修決策和管理等服務模塊；并提出了基于SOA的輸變電設備優化檢修系統架構的詳細層次模型，通過業務抽象封裝和業務流程編制，建立服務層提供應用服務、業務服務和業務流程服務，并采用WebServices平臺管理服務層。

SOA架構實現靈活，能基于多種分布式組件技術實現，如CORBA和WebServices等。服務是SOA的關鍵，在服務建模過程中，可根據系統業務功能規劃，逐步封裝和集成已有軟件模塊，重用軟件投資，實現企業架構的良好過渡和服務的規范構建。本文提出的輸變電設備優化檢修系統架構清晰，對于實際系統的建設具有指導意義。

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