iP9000水電廠智能一體化平臺數據模型的對象化設計

文正國,陳小松

(北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

iP9000水電廠智能一體化平臺數據模型的對象化設計

文正國,陳小松

(北京中水科水電科技開發有限公司,北京 100038)

針對水電廠自動化系統傳統的以數據點定義為主要方式的數據模型組織方式的缺點,iP9000水電廠智能一體化平臺提出以面向對象的思想構建以對象定義和對象關系定義為主要內容的數據建模方法。本文介紹了對象化模型設計的基本原理、概念和設計方法,描述了對象化模型設計的要點,并提出了適合對象化模型存儲的數據庫要求。

iP9000智能一體化平臺;對象化;建模

0 引言

傳統的水電站計算機監控系統系統和其他二次自動化系統通常按照生產單元、數據類型進行數據信息的描述和組織,如全廠分為多個機組單元、開關站和公用系統,每個生產單元包含模擬量(遙測)、開關量(遙信)、脈沖量等數據類型的數據集合,形成一種簡單層次化的、單向包含的、以數據點定義為主要方式的數據模型結構。這種數據組織模式的優點是結構簡單清晰、易于實現和維護,但缺點是層次太過簡單,缺乏用于表示具體生產子設備如調速器、勵磁等中間層次的數據模型,單個子設備的各項數據散落在整個單元數據集中,數據點之間沒有橫向的關聯關系,難以清晰直觀反映設備的狀態。而且數據表示形式單一,缺乏自我描述能力,動態擴展性差。簡而言之,傳統的數據模型層次簡單、粒度較粗,很難描述復雜的設備內部各數據之間、各個設備之間的關系與聯系。iP9000智能一體化平臺作為水電廠自動化系統的基礎架構和支撐平臺,需要支持不同系統的各種數據類型和關系模型,并在其上部署智能化應用系統,采用面向對象化的數據模型就是一種必然的選擇。

1 對象化設計原理

1.1 基本原理

水電廠生產系統及其自動化系統是由一些設備元素構成的,這里的設備元素包括水輪發電機組、變壓器、開關站設備、油氣水輔助設備等,每一類設備又包含成百上千的子設備,如調速器、勵磁系統、潤滑設備、冷卻設備、母線、開關等。每個設備元素都有各自的功能,整個電站的功能由各個設備相互協調配合完成。每個設備元素又都有各自的狀態,整個生產系統的狀態由各個設備的狀態來體現。根據規模、規格以及功能,各個設備元素之間又可以存在著相同或相似性,并且各個設備元素的規模、規格以及功能都會根據需要隨時發生變化。實際的生產系統工作模型與面向對象的軟件模型有著自然的對應關系:各類設備都是一些對象,每個對象都有各自的狀態和功能;各對象之間可以存在著整體與部分的關系,即一個對象可以由多個其他對象構成(聚集);各對象之間也可以存在一般與特殊的關系,即一個對象除了具有與其他對象相同的功能外,還可有自己特殊的功能,并且通過聚集和繼承機制,可以隨時增加新的對象。鑒于實際的生產系統工作模型與面向對象的軟件模型之間的一致性,采用面向對象技術來設計生產系統的數據模型將會非常自然和有效。

面向對象的基本思想是通過對問題領域進行自然的分割,用更接近人類通常思維的方式建立問題領域的模型,并進行結構模擬和行為模擬,從而使設計出的軟件能盡可能地直接表現出問題的求解過程。因此,面向對象的方法就是以接近人類常規的思維模式,將客觀世界的實體模型化為對象。每一種對象都有各自的內部狀態和運動規律,不同對象之間的相互聯系和相互作用就構成了各種不同的系統。

1.2 基本概念

在數據模型的對象化設計中,對象、屬性、方法、類是基本的概念。

(1)對象

包含了數據屬性和圍繞著數據的操作方法,可以認為是數據和行為的統一體。比如:對象可以是1個電站,可以是某臺機組的調速器,還可以是調速器的壓力油罐壓力。對于一個對象,應具有如下特點:

1)每個對象具有一個唯一的對象標識,用以區分在數據模型中的其他任何對象;

2)每個對象具有一組描述其特征的屬性和對應的屬性值,用以表明該對象包含的信息和自身狀態;

3)每個對象具有一組表示對外提供服務的操作方法,用以改變對象的狀態、提供對象的信息等。

(2)屬性

屬性是對象所包含的數據。一個對象可以包含多個屬性,每個屬性可以是任意類型的數據,包括數值、描述性字符串,甚至可以是圖像、視頻流、另一個實體對象等。

(3)方法

方法是對對象的操作,也可認為是對象對外提供的行為和服務,如對對象的狀態或數據進行讀取、修改等。類通過方法實現封裝和多態特性,隱蔽其內部實現細節。

(4)類

類是對對象的抽象,具有相同屬性和方法的對象可以抽象出類。類是創建對象的模板,從同一個類實例化的每個對象都具有相同的結構和方法。如所有的水輪發電機組都具有額定水頭、額定出力、額定轉速、實發有功、運行狀態等共有屬性,以及開機、停機等相同的操作方法,就可以抽象為水輪發電機組類。建立了水輪發電機組類的數據模型后,每臺發電機組就可以定義為類的一個實例化對象。

1.3 建模方法

水電廠面向對象數據建模的主要方法有抽象、分類、概括、聚合、關聯等。

(1)抽象

基于從實體到模型的思維,將水電廠生產系統的各種實體設備按其屬性和功能抽象出對象模型,建立映射關系,如1號機組對象、大壩對象、調速器對象。

(2)分類

分類是把具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納為一個公共類。例如,所有機組對象可歸納出機組類,所有的開關對象可歸納為開關類。按不同層次和粒度,水電站數據模型可歸納出流域類、電站類、機組類、發電機類、定子類、溫度類等。

(3)概括

概括是把多個類中相同的屬性和操作方法抽象出來,形成一個更高層次、更具一般性的超類,原來的類是這個超類的子類。超類用來表示概括的特征,子類是超類的一個特例。子類還可以進一步分類,作為幾個子類的超類。例如,混流式機組類、軸流式機組類、沖擊式機組類可以提取出水輪機組類。

(4)聚合

聚合是將幾個不同類型的子對象聚集在一起組合成一個復合對象,用于表示更高層次的對象。復合對象與子對象的關系是整體和部分的關系。例如開關站對象除了包含電壓等級等屬性外,還包含母線對象、斷路器對象、隔離刀閘對象、各種保護對象等。

一個復雜對象由多個簡單對象或其他復雜對象組成。一個復雜對象被視作一個樹,對象本身是根結點,它的成員對象是樹的孩子,樹的葉結點是簡單對象。

(5)關聯

關聯表示對象之間的引用關系,比如水頭對象與機組對象之間的關系。這種關系通常使用類的屬性表達,即類的屬性值為另一個對象或包含對象的集合。關聯關系所涉及的兩個對象可以處于任何不同的層次,而不是像聚合關系中那樣兩個對象屬于整體與部分的關系。關聯是一種連接關系,說明從一個對象可以聯系到另一個對象,也可以形成雙向聯系。

2 對象化設計要點

2.1 對象名稱ONAME

每個對象具有一個系統唯一的名稱ONAME。系統支持對象名以任何規則命名,只要不與系統中已存在的對象名重合就行。但為了便于直觀表達該對象表示的實際設備或功能,以及所屬對象或范圍,對象名的命名規則采用層次化結構,由上層對象名加上自身描述名組成,如:

GBZ.220SWY.2206BREAK1.OPEN

“GBZ”表示電站名,“220SWY”表示220 kV開關站,“2206BREAK”表示編號為2206的斷路器,“OPEN”表示開接點。

層次化結構名稱不是必須的,但是因為包含了有意義的信息,對于數據模型的使用者和維護者來說更加便利。

對象間的層級關系采用另外的機制實現,在下文中進行說明。

2.2 對象標識OID

雖然每個對象都有一個獨一無二的名稱,但由于名稱字符串通常都比較長,對對象進行處理時如果都采用名稱進行區分,對空間占用和運行效率都會有不利影響。因此,需要給每個對象分配一個系統唯一的編號,稱為對象標識OID。只要OID相同,無論對象的屬性、操作如何修改都是同一對象,只要OID不同,即使其屬性、操作都一樣也是不同對象。對象OID一經分配確定后即不再修改,在整個系統生命周期中保持不變。

在系統內部采用OID進行數據處理和存儲,能夠提高系統響應速度,節省存儲空間。而在人機聯系界面上,如系統配置界面、維護界面、操作界面,對象則以對象名的形式使用和標示,以便更加直觀。

2.3 基本對象

任何數據點均定義為一個基本對象,擁有名稱、ID、類型、值(狀態)、質量狀態、更新時間、更新來源等基本屬性。根據其類型的不同作為某一種類型的實例化對象,如遙測類對象、遙信類對象,每一類對象還擁有類型相關的屬性,如遙測類對象包含工程量程參數、報警限值參數、工程單位等屬性,遙信類對象包含狀態變化時間等屬性。

在工程實踐中,還可以根據需要動態添加任意類型的新屬性及對應的操作方法,如關聯對象或對象集合名。

2.4 通用對象

通用對象用來表示各類設備、部件、模塊、功能,例如:1座大壩、1個壓力油罐、1臺主機、1塊CPU、1個進程等。通用對象通常包含了較復雜的屬性和其他子對象,并且具有層次性,要么包含其他子對象,要么屬于一個或多個父對象,因此具有父對象屬性和子對象屬性。多個父對象的情況雖不普遍,但確實存在,例如,我們可以把壩前、壩后水位對象當作多個機組對象的子對象。

通過對象之間的層級關系,整個數據模型可看作是只有一個根節點、有層級差別、由樹形結構衍生的樹形網狀結構,我們稱之為樹網結構。此結構中有根節點、中間節點和葉節點。根節點是唯一的,可以從根節點遍歷整個數據模型;中間節點都是通用對象,表示系統中所有實體設備和功能的抽象模型。葉子節點都是數據點類型的基本對象,表示具體的狀態、值、參數等信息。

當系統中所有的節點都只有一個父對象時,數據模型就是一個標準的樹形結構,也可以說樹形結構是通用設備對象關系的一種特殊狀態。

2.5 對象的層級關系表示

對象的層級關系表示可以采用兩種方式:自上而下與自下而上。自上而下的方式就是在對象中表示包含哪些子對象;自下而上的方式就是在對象中表示屬于哪些父對象。自上而下的方式便于從根節點開始對數據庫進行遍歷,自下而上的方式便于從葉節點對象一直上溯至根節點對象父對象。從處理的便利程度和性能考慮,我們的模型同時采用自上而下和自下而上兩種表示方式:根節點對象只包含子對象屬性,中間節點對象同時包含父對象屬性和子對象屬性,葉子節點對象只包含父節點對象屬性。父對象屬性和子對象屬性的值為對象標識OID列表。例如,調速器對象屬于機組對象,就在調速器對象的父對象屬性中保存機組對象的OID,機組對象的子對象屬性中包含調速器對象的OID。當列表中的對象數量較多時,我們還可將列表中所有成員新建為一個集合對象,而在對象屬性中保存集合對象名。

father object:

attribute child_obj:obj_oid(set)

child object:

attribute father_obj:obj_oid(set)

圖1 對象的層級關系表示

2.6 對象的關聯關系表示

在系統中,對象之間除了層級關系外,還可以建立關聯關系,即兩個對象之間不是從屬關系,但存在某種聯系,可以是單向的,也可以是雙向的。通過關聯關系,應用程序可以根據一個對象的狀態變化去修改其關聯的另外一個對象的狀態,以實現某種功能。關聯關系的實現方式與層次關系類似,有關聯關系的對象通過增加一個關聯對象屬性來指向關聯對象。

attribute relationship_obj:obj_oid(set)

如果一個對象有不同性質的多個關聯關系,只需要增加相應的多個屬性即可。

3 對象化模型的存儲

以對象化形式組織的水電廠數據模型,因需要支持動態添加對象屬性,屬性類型沒有限制,可以為簡單的數值、字符串,也可以為復雜的二進制數據流,比如圖片、文檔,還需要支持各種層次關系和關聯關系的表示。若采用傳統的實時數據庫或關系型數據庫存儲對象化模型,需要將對象的屬性和各種關系一一映射為實時數據庫中的結構成員或關系表中的域,預先定義其數據結構和數據類型。因難以適應對象模型的動態修改,傳統數據庫將會顯得力不從心和低效。

隨著數據庫技術的發展,直接支持對象表達和存儲的數據庫日益成熟,如NoSQL數據庫。NoSQL數據庫泛指非關系型的數據庫,如key-value存儲數據庫和文檔型數據庫,其主要特點是不需要嚴格遵循數據約束,模式自由,不需要預先定義表結構和數據類型就可支持動態存儲各種復雜的數據類型,非常適合對象化數據模型和對象數據的存儲。

4 結語

數據模型是對客觀事物及其聯系的數據描述,即實體模型的抽象化。iP9000水電廠智能一體化平臺采用面向對象化的數據模型設計,在生產控制自動化領域以自然直觀的方式建立一種貼合生產運行需要、基于對象化的數據組織模型,并采用高效的、適合于對象化存儲的數據庫,為智能控制、智能報警和智能診斷等高級應用提供了有力的平臺支撐。

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TV736

A

1672-5387(2017)07-0001-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.001

2017-04-27

文正國(1975-),男,高級工程師,從事水電廠自動化系統技術的研究與開發工作。