基于SOAP/REST混合式SOA的輸變電設備信息集成平臺*

王 元，張金江，郭創新

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

輸變電設備作為電力系統的重要組成部分，在運行中涉及到諸多信息的采集、傳輸和處理。這些信息包括與輸電線路安全運行密切相關的氣象預警和故障分析數據、變電站內各種監測數據等。由于來自不同廠商的軟件往往使用不同的編程語言、數據格式及信息模型，使得電力系統中包含著大量多源異構的數據信息，造成信息孤島和信息的冗余［1］。隨著全壽命周期管理和物聯網技術的引入，對本已高度多源異構的輸變電信息的全景集成變得更加重要。如何設計一種開放的數據平臺，將數據信息接入，并進行集成交互，實現信息共享，從而掌握輸變電設備的全景信息，成為建設智能電網的重要課題。

為了能夠解決上述問題，并靈活應對需求的變化，應從信息架構上入手。在軟件體系結構抽象層次提高、模塊化和封裝化的進程中，經歷了面向過程、面向對象、面向組件等階段［2］。面向服務架構（SOA）是近期比較流行的一種架構，也被認為是一種趨勢。這種架構要求軟件的功能按照合適的粒度抽象為服務，服務與服務之間具有松耦合的特性，服務的接口和實現相互獨立，使得可以在不破壞系統架構和其他應用的情況下修改或重定義服務。由于服務的可重用，會顯著提高開發效率，縮短軟件開發周期。同時，由于SOA松耦合的特性，使得既有異構的信息的接入更為便捷。這樣，可以打破傳統面向各個業務領域、僵化的垂直應用構建模式［3］。雖然SOA的實現并不要求依賴特定的技術、平臺和標準，但目前實現SOA的方式中，有兩種比較常見：一種是基于SOAP/WSDL的Web Service的實現；另一種是REST方式的實現。兩者都是優秀的方案，但各有自身更為適用的場合。

本研究根據輸變電設備信息的特點，在分析已有方法的優、缺點的基礎上，設計實現一種基于SOA、將SOAP/WSDL與REST技術相結合的、采用ESB且包含數據接入集成與高級應用的技術驗證平臺。

1 SOA技術

1.1 傳統實現技術SOAP/WSDL

SOAP/WSDL方式的Web Service是實現SOA的較為傳統的一種方法，是一種基于消息的遠程過程調用（Remote Procedure Call，RPC），即將一個個服務發布到Web上，服務與服務間可進行組合和交互。當用戶端發出請求后，Web端將調用相應服務或服務的組合，從而實現所需軟件的功能。該方式通過UDDI（Universal Description，Discovery and Integration）統一注冊和查找服務，具體服務的功能和接口由WSDL（Web Services Description Language）描述，服務與服務間的通信采用SOAP消息。UDDI、WSDL和SOAP都是基于XML編碼的。

1.2 REST方式實現

REST（Representational State Transfer，表示性狀態轉移）的概念最早見諸于Roy Fielding的博士論文［4］，它是一組體系架構原則（即客戶-服務器、無狀態、緩存、統一接口、分層系統和按需代碼），依據這些原則可以設計以資源為中心的服務［5］。REST的優勢在于簡潔和易于使用。它建立在已經廣泛采用的HTTP協議的基礎上，理論上任何支持HTTP協議的編程語言都可以用于REST開發。REST中，Web被抽象為資源的集合，而所謂服務就是對資源的訪問。實現SOA時，將可訪問的服務視為資源，而這種資源可以是動態的。研究者按照一定規則為每個資源分配合適的URI，使用HTTP定義的有限的幾種方法（主要是GET、PUT、DELTE和POST）對資源進行操作，可以實現服務的統一接口，保證松耦合的實現。這種通用接口的設計，符合數據庫方面的成功經驗，即有限的幾種操作的組合，可以實現復雜的邏輯。而網絡上的各種信息可以視為一個龐大的資源庫。

1.3 SOAP/WSDL與REST技術比較

SOAP/WSDL產生較早，在軟件工程領域有許多積累，形成了許多標準和規范（如SOAP、WSDL、UDDI和WS-*標準集）。在電力領域內也有一定研究和實踐［6］。這種技術適合復雜的非功能性需求。而REST方式的技術，則簡潔易用，在需要使用有限帶寬提供更多連接時有更高的效率。在此綜合兩種技術的優勢，需頻繁訪問且邏輯較為簡單的數據服務采用REST方式技術，而需要完善的非功能性機制的其他服務則采用傳統的SOAP/WSDL方法。

REST方式的出現則相對晚些，但大有后來居上的趨勢，已有許多著名IT公司（如Yahoo，Google、Facebook等）放棄了原有的SOAP和WSDL方式的接口，轉而采用REST方式［7］。Amazon比較了兩種技術后，宣稱在特定情況下REST服務比SOAP/WSDL服務快6倍。

REST方式通過URI直接定位資源，避免了訪問資源時的繁瑣過程，從而帶來了性能上的提升。同時，只需在HTTP報頭中標明，即可按需獲得資源的不同表示。相比之下，SOAP/WSDL方式定義的接口則可以有無限多種訪問方法。由于操作方法無限制，必須依賴WSDL的描述。服務相關參數改變（如交互數據類型），WSDL需要重新編譯，增加了服務客戶端與服務端的耦合性。另外，傳輸數據前需將數據裝入SOAP信封，使用數據時需要對SOAP數據包進行解析，這樣將在系統資源和時間上產生額外的開銷。

但是，SOAP/WSDL也有自身的優勢。首先，Web Service相關標準（如SOAP、UDDI、WSDL及的WS-*標準集，其中WS-*標準集包含OASIS發布的WS-Security，WS-ReliableMessaging等［9］）提供了一系列良好定義的獨立于協議的安全模型，使得服務不易被攻擊，并規范消息在線上傳輸的內容和行為。這些標準針對SOAP/WSDL技術，涉及身份驗證、簽名、加密、消息可靠傳遞等多方面內容。其次，如果需要上、下文信息和對話狀態管理，SOAP方式更為合適。與之相反，如果需要的主要是無狀態的CRUD操作，REST方式的實現更為簡單，且效率更高［10］。

如前文所述，當前電力領域采用的SOA技術主流為SOAP/WSDL技術，且在特定場合有其優勢；而已經在其他領域呈現取代SOAP/WSDL趨勢的REST方式，則有其簡潔的優勢。這個可能發生的取代，應在REST方式的相關標準變得較為完善之后。在此之前，會有一個過渡過程。將兩種技術結合或互相轉化，在其他領域已有嘗試［11-13］。在電力領域，將兩種方式相結合，即需頻繁訪問大量數據的服務、需要使用有限帶寬且更高效地提供更多連接時采用REST方式，而需要完善的非功能性機制或需要有狀態操作的服務時采用SOAP/WSDL，兼顧兩者的優勢，具有一定的現實意義。

2 輸變電設備全景信息集成平臺功能及總體架構設計

2.1 輸變電設備全景信息集成平臺功能流程

該平臺的主要目的是為了驗證相關技術，并采用面向服務架構來實現。根據面向服務構架的思想，本研究選取電網中的一個應用功能，即輸變電設備狀態評價功能作為業務流程構建一個驗證系統，將該應用所需要的子模塊采用合適的服務實現方式進行服務封裝，從而實現一個基于面向服務架構的系統。

系統的功能流程如圖1所示。其中，計算服務在平臺中對應的為系統中各個上層業務系統的功能計算（包含以狀態評價為例的全壽命周期管理中的各類計算）。數據獲取和數據存儲采用數據服務來實現，界面交互部分采用Web方式來實現。

圖1 系統功能流程圖

2.2 輸變電設備全景信息集成平臺數據流

平臺主要功能體現在海量異構數據的獲取、數據的轉換和存儲、數據的訪問、服務的封裝等方面，因此數據的流程在整個平臺的構架中就顯得尤為重要，整個平臺的功能也是圍繞著數據的流向進行設計和實現的。

如表3所示，第2周和第4周的粗蛋白(CP)、中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、干物質(DM)消化率各組之間均不存在顯著差異（P＞0.05）。數值上，丙酸組與丁酸組的CP消化率高于對照組；丁酸組NDF消化率在第2周高于對照組，而第4周3組之間數值差距不大；ADF消化率在第2周和第4周時皆以丁酸組數值最高；丙酸組和對照組第4周的CP、DM及ADF消化率均大于第2周，而丁酸組第4周CP、NDF、DM消化率均小于第2周。

整個系統的數據流可以分為4個大的部分，從數據流向來看依次為源數據系統、適配器、數據庫、上層應用，數據通過各個組件模塊時，被這些組件模塊的各個功能模塊處理，最終發布為服務供上層應用調用。各個子功能模塊的功能描述如表1所示。

表1 數據流中各組件及子組件功能表

2.3 輸變電設備全景信息集成平臺總體架構

根據系統的功能和數據設計，按照面向服務原則，輸變電設備全景信息集成平臺總體架構如圖2所示。其中，ESB（Enterprise Service Bus，企業服務總線）的作用是為服務之間間接和動態交互提供支持。本研究根據變壓器狀態評價為例的全壽命周期管理計算所需的數據，讀取SCADA/EMS、生產管理、氣象數據、變壓器狀態評價相關數據等并封裝為數據服務，并將REST方式的數據服務發布到ESB上去；同樣地，將狀態評價計算服務為例的上層應用封裝為SOAP服務并發布到ESB，然后根據ESB中的流程編排和流`程引擎，構建起狀態評價流程服務并對外提供流程服務接口。ESB同時可以提供路由和日志服務等基礎服務。在構建的這些服務中，筆者對數據訪問有較高性能要求的數據服務采用REST方式，而變壓器狀態評價相關服務采用SOAP/WSDL技術。

圖2 輸變電設備全景信息集成平臺總體架構

3 輸變電設備全景信息集成平臺服務設計

根據前節所述功能、數據和業務流程，本研究設計實現了以下服務模塊。

3.1 CIM/RDF文件解析服務

目前電網模型的表示多數采用CIM［14-15］模型。而且從安全性角度考慮，EMS中安全一區的數據庫不允許直接訪問，有訪問需求時通常是將數據以CIM/RDF文件格式導出以供使用。因此需要一個服務對以CIM/RDF文件為代表的系統導出模型、數據文件進行解析的服務。

本研究中CIM/RDF文件解析服務為一個CIM/ RDF數據到數據庫的接口適配器，主要功能為讀取CIM文件。該服務對應數據服務中的適配器，將作為一個子服務為數據服務調用。CIM/RDF解析服務流程圖如圖3所示，本研究根據CIM文件自動構建符合CIM模型的表格，進行ORM映射，并且自動導入數據。當需要訪問相關數據時，再由數據庫讀出。

電網中還有諸如電力E文件、XML、CSV和EXCEL等格式的數據，它們的解析均有成熟的工具包，實現解析服務時與CIM/RDF文件解析相似。

圖3 CIM/RDF解析服務流程圖

3.2 數據服務

數據服務模塊的功能主要是將需要對外訪問的數據封裝為服務，使得外部系統可以采用標準化技術使用發布的數據，針對變壓器狀態評價業務，數據服務即為狀態評價所需要使用的數據，將之采用REST-ful技術實現為服務，并發布到ESB上。

數據服務如圖4所示，數據由不同數據源讀入，通過適配器轉換存入平臺數據庫。平臺數據庫可以是由若干獨立的數據庫構成、映射為一個可以統一訪問的數據庫。當客戶端向相應服務端端口發送請求時，可執行對數據的獲取、更新、添加或刪除操作。只采用簡單的4種操作實現相關功能，是一種接口的標準化，減少了不必要的API。同時，訪問數據的客戶端只需支持HTTP協議即可，簡單、易于維護。

圖4 數據服務

3.3 狀態評價計算服務

本研究選取全壽命周期管理中較為典型的變壓器狀態評價為例，構建了相關計算服務。狀態評價服務模塊使用數據服務模塊，獲得XML格式的變壓器狀態數據，并且按照狀態評價的算法實現狀態評價的功能，然后將這一計算功能封裝為服務并對外發布，因此它需要的服務輸入數據為數據服務提供，對外輸出為狀態評價結果。

3.4 狀態評價流程服務

該服務的核心是兩個流程，即數據采集流程和狀態評價功能流程。狀態評價流程服務如圖5所示，數據采集流程整合CIM/RDF文件解析服務和數據服務，為變壓器狀態評價準備數據；狀態評價功能服務負責數據接入和狀態評價計算服務的調用。

圖5 狀態評價流程服務

作為對已有資源的一種整合，流程服務具有很大的靈活性。例如，當變壓器狀態評價算法發生變化時，由于SOA技術的采用，可以直接對狀態評價計算服務進行替換，而不影響其他服務的運行。同樣，當有新的業務需求時，可以快速地在ESB上對服務庫中的服務進行整合，完成新的業務功能。由此，可以顯著提高軟件的開發效率，提高電力企業應對需求變化的能力。

4 輸變電設備全景信息集成平臺實現驗證與測試

按運行環境的不同，驗證平臺分為兩部分：一部分運行于Mule Studio中，主要實現狀態評價計算服務和狀態評價流程服務。該環境下，可以方便地調用環境內嵌的工具構建SOAP/WSDL服務。驗證平臺的另一部分運行于Java集成開發環境Eclipse下，主要實現CIM/RDF文件解析服務、數據服務。可使用RESTlet工具包簡化REST方式服務的開發。其中，Mule Studio是Mule ESB的集成開發環境，而Eclipse中的程序將和Mule Studio中的流程發生交互。將文件解析服務和數據服務置于Mule ESB以外的環境實現，是為了驗證接入多種環境下運行的服務的可行性。新建的服務可以在Mule Studio中建立。

4.1 CIM/RDF文件解析服務實現

CIM/RDF文件解析服務中，CIM文件使用基于XML的RDF文件進行描述。本研究通過Apache Jena項目提供的開源工具包，對RDF文件解析，轉化為JavaBean對象，然后持久化，將JavaBean實例中的數據依次存入數據庫中。反之，亦可將數據庫中的數據讀入JavaBean中以備調用。

4.2 數據服務實現

數據服務中，數據庫中的數據讀出后存入Java-Bean中，按需的數據表示。RESTful Web Service發布的過程使用開源的Apache Restlet工具，并為數據按照數據模型的層級分配URI（如通過對URI為http：// 10.14.103.35：8888/PowerSystem/SubstationName/TransformerName。其中，10.14.103.35：8888為服務器地址和開放端口號）。

如果需要查詢變電站A變壓器B的信息，則采用HTTP的GET請求，其請求的報頭如下：

請求發送后，將返回JSON格式的、符合CIM模型的數據表示，以供調用。

4.3 狀態評價計算服務實現

狀態評價計算服務所采用的算法［16-18］依據擴展的變壓器資產CIM模型，建立面向對象的層次評價模型。該模型將變壓器劃分為分接開關、冷卻系統、本體和套管4部分，每部分包含若干子指標。筆者使用模糊層次分析確定各級指標的靜態相對權重，結合指標劣化程度，由證據理論方法實現融合評估。

4.4 狀態評價流程服務實現

狀態評價流程服務采用Mule ESB進行實現驗證。Mule Studio環境下，整個程序流程被圖形化。這些圖形代表預先封裝好的模塊。通過使用這些預先封裝好的模塊，可以大大簡化流程編排的工作量。如前文所述，狀態評價流程服務的核心是數據采集流程和狀態評價功能流程。其中，數據采集流程如圖6所示，CollectDatas流調用REST方式的數據服務，HTTP端點將狀態評價計算所需要的CIM模型數據讀取過來，將JSON格式轉化為XML格式，并且存放入臨時文件中。而狀態評價功能流程，如圖6中EEvaluateFunction流所示，循環監視臨時文件，如果臨時文件可用，則啟動計算服務的計算。期間本研究使用Mule ESB內嵌的Apache CXF工具，調用基于SOAP/WSDL的狀態評價服務模塊。狀態評價功能流程中，Process Chain充當客戶端，與Condition Evaluation Flow成對出現。Condition Evaluation Flow中，HTTP模塊對應的是服務發布后所對應的地址，其充當了服務的入口；SOAP模塊則負責將功能按照SOAP和WSDL標準實現基于SOAP的消息通信以及基于WSDL的服務描述功能。由于有完善安全模型，SOAP消息有很高的可靠性。狀態評價計算結果分別采用Database和JMS（Java Message Service）端點進行發布，供其他服務使用（如界面展示、狀態檢修等）。

圖6 狀態評價流程服務

5 結束語

本研究分析了多源、異構信息匯聚、融合及全景應用困難的問題，提出了一種基于混合式SOA技術的解決方案，設計了相關數據流，并初步設計了若干服務，并基于Java語言和ESB技術進行了實現。在傳統的SOAP/WSDL方式的基礎上，數據服務使用REST方式的設計，可以有效實現異構數據的接入和共享，具有輕量級和通用的特點。筆者基于ESB技術設計了服務的集成，便于實現SOA技術要求的松耦合和統一接口，實現依據需求的服務靈活更換和編排，從而使得應對輸變電設備管理不斷變化的業務需求的能力得到加強。

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