基于鎖定機制的電網GIS多用戶協同編輯研究①

胡秋翔, 崇殿兵, 畢思斯

(南瑞集團公司(國網電力科學研究院),南京 211006)

引言

隨著電網信息化及智能電網的推進,電網GIS(Geographic Information System)得到了廣泛的應用,涵蓋了電網企業的輸電、變電、配電、調度、營銷、通信等各個生產環節[1-3]. 但是應用的推廣和深入使得電網GIS維護工作量和維護人員也越來越多,多用戶協同編輯成為電網GIS數據編輯維護的現實需要[4].目前,電網GIS支持多用戶協同編輯主要有以下幾種方式：

(1) 分層管理方式,通過集中維護和細分文件的形式按照圖層信息將電網資源空間數據拆分成多個文件,每個用戶編輯不同的文件,編輯完成后,將所有文件合并成完整的數據[5]. 分層管理的改進方法主要體現在數據劃分方式上,包括將分層管理改進為按區域分塊管理,實現用戶按區域管理數據[6,7]; 顧及拓撲關系的空間劃分,盡量避免不同分割單元設備之間存在拓撲關系的情況[8]等.

分層管理及其改進方法總體上協同編輯方式簡便,在拓撲關系、編輯場景不復雜,且用戶數較少時,能夠滿足協同編輯需要. 但應對當前大數據量的電網資源空間數據,以及越來越多的編輯維護工作和維護人員,分層管理方式無法維護不同數據塊間設備的拓撲關系,并且不同編輯客戶端數據不一致,無法分析.

(2) 空間數據庫方式,多個用戶同時編輯數據庫中設備數據,按照完成的先后順序同步執行入庫操作[9].這是當前較為常見的一種方式,其改進方法有：引入輔助表,存儲設備的操作序號和空間信息,實現設備操作日志的管理和操作回滾[10]; 結合狀態機機制,支持電網資源空間數據長事務編輯需求[11]等.

空間數據庫的方式在編輯設備沒有交集,結果不會互相影響時效果較好. 但同時編輯一個設備時,后入庫的結果會覆蓋之前的結果,無法確保最終結果與用戶的操作意愿一致,影響整體數據的正確性. 同時缺少數據同步,數據的一致性和實時性無法得到保障.

(3) 任務劃分與版本管理方式,將電網GIS編輯工作劃分成不同的子任務,任務編輯數據存儲在任務對應的版本表中,任務提交時手動合并版本之間的沖突設備[12],并將版本內數據存儲到電網資源數據庫中,針對編輯沖突的處理,許多學者提出了優化方法：基于版本復制的版本存儲技術,分離出沖突操作存于子版本進行處理,降低沖突處理難度[13]; 將編輯操作封裝成命令消息并采用并發操作矩陣快速檢測和處理編輯沖突[14].

任務劃分與版本管理方式能夠有效管理和拆分電網GIS協同編輯工作,同時版本數據提交、編輯沖突手動合并確保了數據的一致性和正確性,但考慮到電網GIS數據的空間復雜性和拓撲復雜性,沖突結果的手動合并會非常復雜[15],對操作人員要求很高,并且容易導致數據錯誤. 同時該方法最小的協同編輯單位是子任務,無法實現多個用戶編輯同一個子任務.

本文針對電網GIS協同編輯時的數據沖突問題和數據一致性問題,在上述任務劃分與版本管理方式基礎上,提出基于鎖定機制的電網GIS多用戶協同編輯.通過鎖定機制管理可能存在編輯沖突的任務版本內數據及用戶待編輯數據,避免編輯沖突的產生和沖突合并操作. 同時,編輯保存后,將編輯數據同步到其他客戶端,確保其他客戶端數據的一致性和實時性

1 電網GIS協同編輯

電網GIS協同編輯要求建立一個多用戶、并發管理的協同工作環境,傳統的單層或兩層GIS系統結構已經難以模擬這種復雜場景,三層結構已成為GIS協同編輯的普遍選擇[16]. 圖1是基于鎖定機制的電網GIS協同編輯體系結構圖.

圖1 協同編輯體系結構

圖1中數據層提供電網資源數據,版本數據,鎖定數據,配置數據等電網GIS中所有數據的存儲,管理,索引功能; 服務層是電網GIS協同編輯的核心,是表示層與數據層的連接橋梁. 通過其提供的電網數據服務和數據代理服務,實現表示層與數據層之間的數據交互. 鎖定服務和數據同步服務對表示層各個客戶端數據編輯行為統一管理,是電網GIS多用戶協同編輯的調控中心,也是本文研究的關鍵之處; 表示層提供用戶操作平臺,是所有數據請求和編輯行為的來源.

基于上述體系結構,電網GIS協同編輯流程具體如圖2.

圖2中設備數據鎖定與數據同步是整個流程的核心之處. 設備數據鎖定是本文電網GIS協同編輯的基礎,將版本內數據和待編輯設備鎖定,能夠避免不同用戶之間的編輯沖突和復雜的沖突合并操作,提高協同編輯的可用性; 數據同步服務基于消息路由和消息隊列機制,通過路由規則將各個客戶端的變更數據信息,加入到對應的消息隊列中,其他客戶端訂閱相應的消息隊列,同步獲取并顯示變更設備,實現客戶端與服務端及其他客戶端的數據一致性和實時性. 因此,下文將對數據鎖定和數據同步進一步討論分析.

2 設備鎖定機制

設備鎖定分為兩種,一種是用戶編輯前的設備手動鎖定,具體來說是用戶編輯之前,對可能編輯的設備預先鎖定,編輯保存時,再對鎖定的設備解鎖,確保編輯過程中其他用戶不能編輯這些設備; 另一種是任務版本內數據的自動鎖定,具體來說是用戶編輯結果保存入任務版本表時,自動將保存的數據鎖定. 任務提交,數據由版本表轉存到電網資源表時,自動將對應任務版本的鎖定數據解鎖. 自動鎖定不需要用戶手動干預,同時確保任務提交前,對應任務版本表數據不會被其他用戶編輯.

圖2 基于鎖定機制的協同編輯流程

為支持設備數據的鎖定,數據庫創建鎖定信息表(LockTable),并通過TYPE字段標示鎖定類型,服務端則基于LockTable為客戶端提供鎖定服務,LockTable具體表結構如表1.

表1 鎖定信息表表結構

2.1 鎖定服務

鎖定服務包括設備鎖定檢測(Check),設備鎖定(Lock),設備鎖定更新(Update)等部分. Check模塊通過查詢設備鎖定表,判斷輸入設備是否已經被鎖定,并返回具體的鎖定信息; Lock模塊在Check模塊的基礎上實現客戶端手動的設備鎖定; Update模塊實現用戶保存或者任務版本提交時對鎖定表的更新.

假定用戶待鎖定設備列表為LockDevList,編輯保存時的變更清單為EditList,登錄的版本ID為versionID,上述鎖定服務的Lock算法(Check算法在Lock算法中已有體現)和編輯保存時的Update算法具體描述如表2和表3,版本提交時鎖定表更新即將versionID為提交版本ID的所有鎖定記錄刪除,不再具體描述算法.

表2 Lock算法描述

表3 Update算法描述

2.2 設備手動鎖定

用戶進入任務版本編輯數據之前,需要手動鎖定待編輯設備,之后的編輯操作只能針對已鎖定的設備.通過上述Check算法可知,待鎖定設備可能被其他用戶或者版本鎖定使得當前鎖定操作失敗即鎖定沖突.鎖定沖突具體有以下幾種場景：

(1) 兩個或多個任務版本確實需要編輯同一設備,而設備已被其他版本鎖定.

(2) 其他用戶鎖定設備范圍過大,已經鎖定當前用戶需要鎖定的部分設備;

(3) 當前用戶待鎖定設備范圍過大,包含了其他用戶或任務已經鎖定的設備;

場景(1)中鎖定沖突由設備編輯維護業務決定,只能通過對編輯維護業務的調整和優化來減少和避免;場景(2)和場景(3)都是鎖定設備范圍過大所致,因此,待鎖定設備的選擇是設備手動鎖定的關鍵. 待鎖定設備應趨近滿足用戶編輯維護需要的最小設備集合. 待鎖定設備越少,鎖定沖突的概率越小,同時也減少后續用戶鎖定沖突的可能.

基于此,兼顧電網GIS中設備數據編輯特點,本文提出了3種手動鎖定操作：

(1) 站房鎖定. 站房內設備是一個相對獨立的數據,站內設備編輯通常只涉及一個站房,并且一個站房通常由一個用戶管理,站房鎖定即按照用戶選擇的站房將所屬站內設備鎖定,這種方式能夠快速有效的支持站內設備的協同編輯;

(2) 分段饋線鎖定. 與站內設備相似,饋線及其所屬設備是電網GIS中站外設備中相對獨立的數據,也是站外設備編輯維護的主體,而整條饋線的空間數據范圍數據量較大,需要多個用戶同時維護,因此本文提出分段饋線鎖定方式,用戶選擇饋線上起點和終點設備,根據電網拓撲分析,找出區間所有設備執行鎖定操作;

(3) 選中設備鎖定：對用戶選中一個或多個設備執行鎖定操作. 選中設備鎖定是一種更廣泛的鎖定操作,能鎖定任意一個或多個沒有被鎖定過的設備,是上述兩種設備鎖定方式的有益補充.

設備鎖定沖突時,用戶需要等待其他用戶解除鎖定或者根據返回的沖突設備信息重新選擇待鎖定設備(LockDevList),將沖突設備排查在LockDevList之外.同時,用戶編輯維護過程還可以繼續補充鎖定,具體編輯鎖定流程如圖3.

3 數據同步

數據同步服務獲取各個客戶端的變更數據和變更數據標示信息(Key值),消息路由通過Key值和路由規則,將之加入到對應的消息隊列中,其他客戶端獲取訂閱消息隊列中的變更設備,并更新顯示,實現客戶端之間數據的一致性和實時性. 具體數據同步機制如圖4.

由上可知,數據同步機制分為發送端、數據同步服務和接收端,其核心是數據同步服務. 數據同步服務包括Exchange(交換機),Queue(消息隊列)兩個部分,具體過程是：

(1) 客戶端A、B將獲取的變更設備DevList和更變更數據標示信息Key根據交換機負載情況發送給交換機Exchange1或者Exchange2;

(2) 交換機基于路由規則對Key和消息隊列Queue進行模式匹配,將DevList發送給匹配的Queue;

(3) Queue將DevList加入隊列中,并將隊列中的DevList順序逐個發送給訂閱的客戶端.

本文基于電網GIS數據以地市為單位管理維護的特點,將用戶的所屬地市ID和當前編輯設備的信息作為Key值,如用戶A的所屬地市ID為“Nanjing”,當前編輯設備列表為a,b,c,d,則數據同步的Key值為“Nanjingabcd”. 同時消息隊列也使用地市名稱作為名稱,如“NanJing” Queue,“Zhenjiang” Queue.

路由規則是根據Key值和Queue的名稱進行全字符匹配,若Key值中包含了Queue名稱的字符,則匹配成功,否則匹配失敗. 匹配成功時將變更設備列表DevList投入到相應的Queue中. 即用戶A的DevList_A 投入到“Nanjing” Queue 中.

根據用戶所屬地市ID,在客戶端登陸時訂閱相應的Queue. 所屬地市為“Nanjing”的用戶在客戶端登陸時都訂閱“Nanjing” Queue. 當 Queue 不為空時,順序將其中存儲的DevList發送給訂閱的客戶端. 即“Nanjing”Queue中存儲的DevList_A發送給訂閱的客戶端,因此,同屬“Nanjing”的其他客戶端都能獲取A用戶的變更設備DevList_A,實現數據同步.

4 原型系統實現

結合上述研究,在“配網應用系統與地理信息系統深度融合應用” 項目開發過程中實現了基于鎖定機制的電網GIS協同編輯,并滿足了項目對協同編輯工作的需求.

原型系統協同編輯過程如圖5至圖7. 假定用戶A和B登陸同一任務,分別編輯區域內的站內和站外設備. A、B用戶分別對站內設備和站外部分饋線設備進行鎖定,圖5中高亮部分為B用戶鎖定設備,左側為鎖定設備列表; 鎖定完成后同時編輯設備,A用戶在站內添加一個間隔,B用戶移動一個柱上變壓器,如圖6所示; 保存時,A先保存,結果同步到B客戶端,如圖7所示; B再進行保存,結果同步到A客戶端. 至此,完成整個協同編輯過程.

圖5 B用戶鎖定設備及對應設備列表

圖6 A、B用戶分別編輯設備

圖7 數據同步

5 小結

電網GIS多用戶協同編輯是當前電網GIS應用中的現實需求,本文提出的基于鎖定機制的電網GIS多用戶協同編輯實現了電網GIS多用戶之間的協同工作,并在協同編輯流程、客戶端數據一致性等方面進行了優化和完善. 具體優點如下：

(1) 基于鎖定機制的協同編輯流程滿足不同任務之間以及同一任務不同用戶之間的協同工作;

(2) 通過鎖定機制規避了設備編輯沖突,避免了復雜的沖突合并操作;

(3) 基于消息隊列和發布訂閱方式的數據同步實現了不同客戶端的數據一致性和實時性.

本文通過鎖定機制規避了設備編輯沖突,但是針對用戶鎖定設備過多,任務版本內數據鎖定時間過長,以及誤操作鎖定了其他用戶責任范圍數據導致其他用戶無法鎖定的情況,本文未做詳細討論. 今后作者也將進一步分析研究用戶鎖定范圍權限及鎖定時間權限等問題.

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