基于自定義工作流的風電場運維系統設計

田玉超宋冰飛劉新鋒劉聰楊琦

(1.山東建筑大學 計算機科學與技術學院，山東 濟南 250101；2.積成能源有限公司，山東 濟南 250101；3.山東理工大學 計算機科學與技術學院，山東 淄博 255000)

0 引言

在煤炭、天然氣等不可再生能源日益緊張的情況下，風能越來越受到重視。風力發電作為清潔能源利用的重要方式，具有無污染、可再生、方便采集等特點，近幾年得到快速發展[1]。我國風電產業發展迅速，新增風電裝機量刷新歷史記錄。據統計，截至2020年6月底，全國風電累計裝機2.17億kW。僅2020年上半年，風電發電量達到了2379億kW·h，同比增長了10.9%。預計到2060年，中國風電裝機將達到20.07億kW，約為2020年的7.1倍[2]。

風電運行過程中需要開展大量的故障處理、預警和巡檢維修等工作，工作票制度可有效地保證電力的安全生產以及人員安全。工作票是檢修人員進行設備安裝、檢修和維護等作業的書面依據，是檢修、運行人員雙方共同持有，并且強制遵守的書面安全約定。

傳統的工作票操作流程自動化程度低，主要依靠手動處理。同時風電場分布范圍廣，使得傳統的運維方式不利于審批和監控，不能及時根據現場情況變更流程、業務和人員，導致工作效率低且容易出錯，不利于后期的統計分析與流程優化，因此，需要采用工作流進行業務的自動流轉。工作流是業務過程的部分或整體在計算機應用環境下的自動化，是將一組任務組織起來完成某個流程，針對此流程及其各個步驟之間的流轉規則進行概括性的描述[3]。使用工作流技術[4]可實現業務數據在各個工作環節中的自動傳遞與流轉。

目前，針對業務流程系統設計的研究較多。盧珊[5]針對傳統電力系統開發出兩票調度系統，提出一種工作流兩票管理系統的設計思路及實現原理，完成了調度兩票和生產計劃的工作流程設計，提高了工作效率，降低了生產成本，但是此方法并不適用于分布式風電運維系統。楊源等[6]搭建了海上風電場智慧運維管理系統，側重于保障船舶和人員管理安全。趙軒等[7]依靠智能移動終端設備，實現了風電場兩票業務信息系統的運行，規范了兩票業務流程，但是沒有針對告警信息和設備管理提出有效的處理措施。楊艷華[8]基于工作流技術完成了對辦公自動化系統的設計，提高了辦公室業務流程的運作效率。康磊等[9]構建大型風電場生產集中管控中心樞紐，建立層級流程化的風電生產集控管理模式，然而該設計中并沒有涉及工作票與流程結合的相關內容。

文章引入工作流技術，基于其定義和管理結合電氣操作的特殊性，可視化配置了流程和表單；通過定時巡檢、人工故障發起和實時數據告警發起實現電氣一種票、二種票和檢修票自動化流轉；實時發送告警信息，將風電運維中產生的各種信息銜接起來，幫助用戶管理風電運維流程，避免出現錯誤，減少工作人員工作的復雜性，提高轉票操作效率和考核業務處理的效率，進而改善企業運作的靈活性和適應性。

1 風電場運維系統建模

文章針對業務流程和數據進行分析并建模，將具體業務與工作流程結合起來，根據不同的目標由不同的人分別完成一系列活動。基于自定義工作流的風電流程運維系統實現風電線上運維，針對業務流程建模以及業務數據建模給出詳細的設計過程。

1.1 業務需求分析

根據具體的業務需求，系統設計針對故障告警維護流程和計劃檢修流程2種主要的業務流程給出詳細的業務需求分析。

1.1.1 故障告警維護流程

系統的告警模塊主要用來處理故障流轉，共有故障采集、主動發起和缺陷登記3種操作會發起系統告警處理。(1)故障采集 當現場設備發生故障時，系統會通過物聯網自動采集告警信息，觸發故障處理方案并進入工作票的選擇。(2)主動發起 根據需要主動發起故障處理，填寫故障信息，并選擇工作票。(3)缺陷記錄 現場工作人員主動添加缺陷信息進行處理。

以上3種發起告警處理流程途徑的整體流程圖如圖1所示。其中，轉電氣一種票、二種票、檢修票分別為子流程，如圖2～4所示。

圖1 告警處理流程圖

“轉電氣一種票”節點對應的子流程包含開票子流程、人員變動子流程、延期子流程和終結子流程，每一種子流程下又包含填寫、簽發、批準確認和許可等活動節點，具體的電氣一種票操作流程如圖2所示。

圖2 電氣一種票操作流程圖

“轉電氣二種票”節點對應的流轉子流程如圖3所示。其中，與電氣一種票流程相比，缺少人員變動子流程。

圖3 電氣二種票操作流程圖

“轉電氣檢修票”節點對應的流轉子流程如圖4所示。其中，在開票子流程中增加了工作班組成員簽名確認活動。

圖4 電氣檢修票操作流程圖

1.1.2 計劃檢修流程

計劃檢修是按照計劃對機器設備日常維護、檢查等。計劃檢修流程則是指計劃檢修過程中開票處理時，引發的一系列有順序的活動。

檢修計劃和主動發起會發起計劃檢修流程，計劃檢修工作整體流程如圖5所示。其中檢修計劃需要根據已定計劃發起，主動發起強調發起的即時性。

圖5 計劃檢修工作流程圖

1.2 業務流程建模

為了方便分析員的理解，采用業務流程建模語言(Business Process Modeling Notation，BPMN)[10]為故障告警維護流程、計劃檢修流程進行可視化的業務流程建模，具體BPMN業務流程如圖6所示。該模型包含了工作票的開票、簽發、批準、延期、人員變更、終結等活動以及各分支之間的關聯關系。

圖6 BPMN業務流程圖

以電氣一種票流程為例，描述自定義工作流的設計和實現。

管理者選擇需要處理的信息條目，通過故障處理方案進入開票流程，此處選擇電氣一種票。填寫票據相關信息，提交后根據流程規則進入工作人員簽發步驟。下一活動操作者可以查看并處理當前要處理的數據，將通過或駁回的處理結果插入到流程處理表中。若駁回，則返回上一活動節點；若通過，則流程進行下一步驟的處理。逐級運轉后最終進入工作票的批準工作，由負責人審批提交進入工作票的終結工作，負責人確認后該流程結束。在實際的業務中，會遇到工作組成員或負責人的變動，此時需要激活人員變更流程。具體的業務流程如圖7所示。

圖7 電氣一種票BPMN流程圖

業務流程指過程節點以及執行方式組成的工作過程。活動之間有嚴格的先后順序，并且活動的內容、方式和責任也有明確的界定，從而使不同活動在不同的角色之間進行逐級遞轉。在系統中主要有故障告警維護流程和計劃檢修流程2種業務流程的流轉涉及工作票的選擇。

1.3 業務數據建模

工作人員每天都要面對大量的業務流程數據，信息臨時更改頻繁。將業務流程數據可視化，便于工作人員處理不同的數據，將復雜數據簡單化。

在一個業務流程系統中主要涉及對電氣一種票、電氣二種票以及電氣檢修票的操作，需要對3種票據的數據進行建模。根據具體的工作票流程數據，抽取了業務數據的通用信息，如業務信息、簽名信息、時間信息、措施等，主要數據表結構見表1。

表1 業務數據基礎信息表

根據具體應用場景選擇對應的票據。電氣一種票主要用于高壓作業，而電氣二種票主要用于無需將設備停電的操作，電氣檢修票主要是針對設備維護所需的票據。在業務流程中具體工作票的選擇情況如圖8所示。

圖8 工作票選擇思維導圖

每一種票據對應不同的應用場景，采取的具體措施也不同。每一種票據的詳細措施信息如下:

(1)電氣一種票

針對電氣一種票應用場景，其開票過程中輸入的措施需要先進行停電處理，具體實施的措施信息有作業前先停電驗電；拉斷路器(開關)、隔離開關(刀閘)；裝接地線、合接地刀閘；設遮攔、掛標示牌及防止二次回路誤碰等。

(2)電氣二種票

電氣二種票對應的應用場景中，不需要停電處理，因此需要注意與帶電設備的安全距離。其開票過程中輸入的措施信息與電氣一種票存在不同，具體的措施信息包括未經站內人員許可，嚴禁擴大工作范圍；使用專用調試電腦及閃存盤，不得私自將未經許可的設備接入站內電力系統等。

(3)電氣檢修票

電氣檢修票用于計劃檢修，要求工作人員具備高空作業資質或經過培訓，具體的措施信息包含檢查所有吊具、吊帶和工具袋；拆剎車保護罩時確認剎車盤處于剎車狀態，機艙外工作時須確認有安全繩和機身相連，保障人身安全；切斷遠控操作，機組進入就地模式，按下“急停”按鈕，掛警示牌等。

工作票是業務流程中最主要的數據，將工作票操作轉移到線上，通過流程的運轉進行票據的處理，利用該過程中產生的大量數據可以進行預警和性能分析[11]。

2 工作流算法設計與實現

2.1 工作流程設計

系統所有的業務操作均是圍繞工作流展開的。工作流是實現工程任務全過程管理的核心支撐部分。通過自定義工作流可以實現風電運維過程中轉票操作的線上自動化流轉，進行智能化的數據交互[12]。即通過工作流規范實現相應的工作流[13]，管理一系列的工作活動以及相關人員、資源、信息技術資料來提供業務處理程序上的自動控制。

在實際業務流程處理過程中，一個流程實例表示一次完整的業務流程流轉。根據當前應用的流程規則，控制活動狀態的變遷，處理形成的各種子流程，如工作票的延期、終結流程。其中，流程規則包括順序、并行、拒絕、同步。順序規則是指一個活動結束后另一個活動開始，如在軌跡＜a，b＞中，b跟在a后面執行，公式化關系式表示為f∈ea→eb，其中f表示a和b之間的順序關系；ea為e流程實例中的a活動；并行規則是指兩個活動在同一個活動之后執行；拒絕規則是指在一個活動之后不執行所選擇的活動；同步規則是兩個活動必須都執行結束才能執行下一活動。具體步驟如下:

(1)流程實例開始執行，初始活動被激活；

(2)記錄活動相關信息，包括開始時間、完成時間、狀態等；

(3)選擇與當前活動狀態相對應的流程規則進行流程的流轉；

(4)重復以上過程；

(5)無被激活活動，該流程結束。

2.2 數據結構設計

在系統的開發與實現中，數據庫設計具有重要的地位。通過數據庫和終端的交互可以實現數據的動態交互[14]。文章系統以自定義工作流為核心配置業務，工作流的配置過程中涉及工作流實例、流程類型、狀態以及流程步驟等，其中工作流實例還會涉及多種流程活動。風電流程運維系統通過數據調試和操作業務流程，從而實現業務流程的流轉。自定義工作流相關數據庫模型如圖9所示，包含流程實例表、流程活動表、表單表、流程規則表和操作者數據表。

圖9 數據庫模型圖

其中，編碼(Identify Document，ID)作為數據表的唯一標識；外鍵約束(Foreign Key，FK)用于建立表之間的聯系。流程實例表是指在工作流運轉過程中會涉及不同的實例，所有的實例對應流程實例表；流程活動表涉及流程配置中的活動結點；流程規則表對應流程配置中的流轉規則，每一步之間的流轉均為單向，根據每一步的判斷條件完成下一步的選擇；表單對應流程運轉過程中的票據記錄；操作者則對應系統的用戶信息。

2.3 基于廣度遍歷和僵枝切除算法的工作流實現

針對業務流程的復雜性，文章提出了一種基于廣度遍歷算法和僵枝切除的工作流實現方法，其步驟為(1)可視化流程的配置，包括節點配置和連接線配置；(2)自定義表單；(3)調用工作流進行工作流流轉。

基于過程模型Petri網的工作流設計是切實可行的[15]，但李建軍[16]未考慮Petri網對事務狀態描述的龐雜性，容易造成工作人員工作量的增加。因此，文章系統的開發過程中舍棄Petri網，采用頂點活動網(Activity On Vertex，AOV)，基于AOV抽象出工作流模型，進行流程節點的處理[17]。算法1展示了系統設計中AOV網絡節點的構建方法。給定一個序列L，遍歷其中的節點，節點共有休眠、激活、完成、僵死4個狀態。其中，休眠表示該活動節點還沒有執行，可隨時被激活；激活表示該活動節點正在執行還沒有完成；僵死表示該活動節點所在的分支拋棄，永遠不會被執行。如果父親節點休眠數量和激活數量＞0，則保持原狀態；如果父親節點已經全部僵死，則節點類型(C.Type)轉化為僵死狀態，并更新該節點的子節點父親僵死數目(DeadNum)；如果父親節點完成數量＞0，更新子節點父分支激活數目(ActiveNum)。

算法1構建AOV網絡

輸入:活動節點Ci

輸出:AOV網絡A

在工作流的設計中，根據是否完成當前活動的所有工作項，判斷下一步是否設置活動狀態。如果活動為中間節點，則獲取并遍歷所有的就緒活動。如果就緒活動的前置活動已經完成，則激活該就緒活動，否則不做處理，而交給工作流引擎進行處理。

從AOV網絡的根節點開始分層搜索，節點的入度(inEdges)為0則壓入棧A中，同期入棧的為并行活動。A中元素個數不為空則進行出棧操作，將棧頂元素出棧放入拓撲序列(listOut)中，并將鄰接頂點入度減1，遍歷需要激活的節點，根據節點狀態判斷是否設置該活動節點為結束。具體流程如圖10所示。

圖10 節點處理流程圖

所構建的AOV網絡同一層中可能存在多個流程節點指向同一個子節點的情況，在到達該子節點時，其前一層所有的父節點均執行完畢才會執行該節點，如圖11所示，a1的子節點a5、a6、a7和a8同屬一層，需要等待a5、a6、a7和a8同時處于完成或僵死狀態才會繼續執行下一節點。針對僵死節點需要進行剪枝操作，如圖12所示，若不執行a8，則判為僵死節點，將剪除該分支。

圖11 廣度遍歷流程圖

圖12 僵枝切除流程圖

3 業務實現與應用

3.1 系統框架

運維系統主要工作為線上開票操作，主要的業務單元包括人工發起故障信息、系統自動發起故障信息以及流程變更。工作人員根據自己的需要選擇對應的轉票操作，實現開票流程的自動化流轉。總體架構主要包括監控層、數據層、服務層、應用層，如圖13所示。

圖13 總體架構圖

監控層用于監控風電場的設備，采集實時數據并發送告警信息，實現數據的上傳下達[18]。通過監控層能夠查看并管理所有工作，包括對工作活動節點、工作項進行查看、刪除和回滾等基本操作。數據層是指運維過程中形成的各種數據和信息[19]，包括實時數據庫和關系數據庫，分別用于存儲開票操作和物資管理過程中產生的數據，以及用戶、設備和其他有關聯關系的數據信息。服務層用于提供用戶和設備的權限管理，通過分析應用層的功能需求，提取所需業務流程，以輕量級工作流為模型推動活動，完成活動的流轉，實現智能化管理。應用層基于瀏覽器/服務器(Brower/Server，B/S)模式進行終端訪問，客戶端在瀏覽器訪問系統實現風電兩票操作的智能運維管理，可以進行缺陷記錄登記、開票操作、檢修處理及設備管理工作，能夠監測某個業務目前流轉到哪個環節，提供有效的信息以及方便快捷的處理流程。

3.2 流程應用

結合系統中的具體應用，以計劃檢修子流程實例為例展開詳細描述。(1)開票流程 故障處理方案轉入電氣檢修票的開票流程，由工作人員填寫工作票，包含電廠信息、開票時間、措施等信息；工作票填寫完成后進入工作票的簽發、許可工作；再由值班人員安措布置工作，工作班組成員簽名確認；業務工作線下完成后由值班人員完成安措恢復，開票流程終結。(2)延期流程 由于執行不及時等原因會出現流程的延期，需要執行工作票的延期流程，填寫工作票延期信息后提交延期批準工作。(3)驗收流程 工作票延期流程審核通過后，開始工作票的驗收流程，包括工作票的終結申請、終結審批工作，流程結束形成工作驗收單，工作票進入終結狀態。

每一種業務流程在運轉過程中都會生成對應的事件日志文件，其主要事件日志信息見表2。該事件日志可以幫助工作人員監控系統中發生的事件，還可以幫助分析員分析發生錯誤的原因。在后續的工作中，將采用事件日志進行流程下一任務預測以及流程剩余時間預測[20]等。

表2 電氣檢修票事件日志表

4 結語

文章基于自定義工作流搭建了新能源風電場運維系統，能夠實現風電運維的動態管理，完整支持了多數據源發起、電氣一種票、電氣二種票、電氣檢修票多種工作票選擇以及業務流程對接、流轉、變更，有效地解決了流程發起、變更、運轉以及業務數據與流程相結合的復雜性問題，避免了誤操作，保證了轉票操作的安全性，提升了工作效率，并能夠將流程運行的結果數據進行結構化存儲。后續可利用機器學習方法完成對流程剩余時間預測以及業務流程檢查，進一步加強對流程過程的監控。