趙俊峰，莊哲寅，承軼青，闞建飛，丁宋濤

(1.江蘇省電力公司，南京 210024；2.南京工程學(xué)院，南京 211167)

1 問(wèn)題的提出

數(shù)據(jù)集成是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求，數(shù)據(jù)共享是避免智能電網(wǎng)中出現(xiàn)“信息孤島”企業(yè)級(jí)的必然趨勢(shì)。在異構(gòu)的信息系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)的交互往往來(lái)自不同的渠道，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)格式存在著明顯的差異性，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接。由于數(shù)據(jù)對(duì)接存在著天然的異質(zhì)性，會(huì)直接導(dǎo)致信息丟失而造成災(zāi)難性后果。這種數(shù)據(jù)對(duì)接的異質(zhì)性嚴(yán)重阻礙了信息交流的通暢與準(zhǔn)確。為了改善這個(gè)局面，利用數(shù)據(jù)集成的方法在各種數(shù)據(jù)之間架起信息溝通和交換的橋梁已經(jīng)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

目前最常用的方法是使用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)作為數(shù)據(jù)集成的工具。雖然XML已經(jīng)有了各種版本的解析器，但是XML書(shū)寫的隨意性使得文件中的詞匯不具有通用性，必須同時(shí)擁有一個(gè)處理器來(lái)處理詞匯的語(yǔ)義。很顯然，這些程序之間并不存在互換性和通用性。XML的設(shè)計(jì)初衷是以平面性的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)完成信息的分層次存儲(chǔ)，難以滿足信息系統(tǒng)語(yǔ)義交流的要求。為此，萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C組織)提出了新一代的XML格式——資源描述框架(RDF)。 RDF是在XML樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)展而形成的語(yǔ)義Web的解決方案。這種新型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將XML的樹(shù)形模型推廣到圖狀結(jié)構(gòu)——將單一的層次節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)間的通路來(lái)描述信息的交互。RDF中節(jié)點(diǎn)繼承了XML中的節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)，并使用連接弧描述了節(jié)點(diǎn)的屬性。因此，RDF不僅將節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)進(jìn)行了描述確定，并進(jìn)一步規(guī)范了節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)之間遷移時(shí)候的基本規(guī)范。這意味著RDF是一個(gè)簡(jiǎn)單的二元標(biāo)準(zhǔn)謂詞關(guān)系。關(guān)系范式理論指出，任意復(fù)雜的關(guān)系必定是多個(gè)簡(jiǎn)單的二元關(guān)系的聚合，因此，RDF的數(shù)據(jù)模型具備了解釋足夠復(fù)雜關(guān)系模型的理論基礎(chǔ)。

2 RDF資源描述框架與語(yǔ)義網(wǎng)

2.1 基本概念

RDF是一個(gè)用于表達(dá)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)資源信息的語(yǔ)言。RDF是一種元數(shù)據(jù)描述框架，它起初的設(shè)計(jì)目的是為了給Web資源添加統(tǒng)一的命名標(biāo)識(shí)(如頁(yè)面的標(biāo)題、作者以及版權(quán)信息等)。然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)資源的概念泛化以后，RDF被視為可以用于表達(dá)任何能在Web上定位的事物和資源。RDF通過(guò)將數(shù)據(jù)信息的語(yǔ)義化后，能夠在不同的應(yīng)用程序間交換信息，從而成為新一代的Web語(yǔ)義網(wǎng)的通用框架。

RDF可以被視為一種圖狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換的語(yǔ)義框架：用統(tǒng)一資源定位符(URI)來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)事物，用簡(jiǎn)單屬性來(lái)描述該事物所擁有的資源。這意味著RDF將普通的謂詞邏輯表示成為由節(jié)點(diǎn)和連接弧組成的圖，其中的節(jié)點(diǎn)和弧確定了互聯(lián)網(wǎng)的資源和屬性，這意味著節(jié)點(diǎn)成為了攜帶信息的語(yǔ)義個(gè)體。

正是由于節(jié)點(diǎn)成為了攜帶信息的語(yǔ)義個(gè)體，只要將這些語(yǔ)義信息使用一定的動(dòng)作就可以完成信息的流動(dòng)?？尚行杂?jì)算原理指出，一套謂詞(RDF中的節(jié)點(diǎn))+謂詞演算規(guī)則(RDF中的陳述)=邏輯自洽的信息推演系統(tǒng)，這為RDF奠定了可行性的計(jì)算基礎(chǔ)，還意味著RDF不僅能夠完成信息的標(biāo)識(shí)，還能夠完成信息的流轉(zhuǎn)和推送。當(dāng)RDF框架與具體的商務(wù)邏輯結(jié)合在一起時(shí)，就具有了切實(shí)解決行業(yè)問(wèn)題的能力，為此作者列出一個(gè)典型的電網(wǎng)語(yǔ)義模型，該模型使用了地理信息作為Entity(實(shí)體)，這樣，實(shí)體中的各個(gè)信息都攜帶了類型、時(shí)間等信息，從而擴(kuò)張了實(shí)體的語(yǔ)義功能。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，可根據(jù)地理層級(jí)將子站作為區(qū)域的子類，這樣的層級(jí)信息也自然歸屬到了控制權(quán)限之中，為進(jìn)一步處理信息奠定了語(yǔ)義基礎(chǔ)。

2.2 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)義差距

目前信息系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)模式“數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言+宿主語(yǔ)言”被廣泛使用，但它存在一些缺點(diǎn)，例如：結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢語(yǔ)言，其操作對(duì)象是一個(gè)數(shù)據(jù)集(關(guān)系)，而與之相關(guān)的宿主語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)每次卻只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)記錄(元組)，且兩者支持不同的編程風(fēng)范和數(shù)據(jù)類型，這就是數(shù)據(jù)庫(kù)操縱語(yǔ)言和宿主語(yǔ)言的阻抗不匹配問(wèn)題。阻抗不匹配是企業(yè)信息應(yīng)用中的嚴(yán)重問(wèn)題，高達(dá)25%～33%的開(kāi)發(fā)時(shí)間浪費(fèi)在努力將對(duì)象擠壓進(jìn)關(guān)系型的持久化。這是因?yàn)樵陉P(guān)系數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)中，必須遵循關(guān)系型數(shù)據(jù)的三大范式。

在第1范式中，內(nèi)容相似的數(shù)據(jù)列必須消除，這就意味著在信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，必須為每組相關(guān)數(shù)據(jù)分別創(chuàng)建一個(gè)表，同時(shí)，每條數(shù)據(jù)記錄必須用一個(gè)主鍵來(lái)標(biāo)示。在第2范式中，只要數(shù)據(jù)列里面的內(nèi)容出現(xiàn)重復(fù)，就意味著應(yīng)該把表拆分為多個(gè)表，在拆分形成的表必須用外鍵關(guān)聯(lián)起來(lái)。在第3范式中，與主鍵沒(méi)有直接關(guān)系的數(shù)據(jù)列必須消除，在第3范式的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)具備完備性的語(yǔ)義和邏輯自洽。

為了滿足設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的需求，在面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)義中，就要求用戶必須學(xué)會(huì)完成這2種語(yǔ)義的適配，并掌握兩者間的連接規(guī)則，即：第1步，每個(gè)持久對(duì)象映射一個(gè)表并且每個(gè)持久對(duì)象必須有一個(gè)主鍵，這就完成了數(shù)據(jù)庫(kù)的第1范式的要求；第2步，持久對(duì)象要有內(nèi)聚性，冗余的內(nèi)容拿出去，單獨(dú)創(chuàng)建持久對(duì)象，并且用外鍵關(guān)聯(lián)持久對(duì)象之間的關(guān)系，這就完成了第2范式的要求；最后，持久對(duì)象要有內(nèi)聚性，單獨(dú)創(chuàng)建持久對(duì)象，這就完成了第3范式的要求。

特別需要說(shuō)明的是，對(duì)象模型當(dāng)中特有的“繼承”“組合”“聚合”“依賴”的概念在關(guān)系模型當(dāng)中是不存在的，這就要求設(shè)計(jì)者在異構(gòu)系統(tǒng)中，將這些概念統(tǒng)一起來(lái)。

3 基于RDF的智能配電網(wǎng)模型的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

下面以智能配電網(wǎng)設(shè)備模型為例，說(shuō)明RDF框架的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)與運(yùn)用。開(kāi)閉所(SwitchingStation)又稱開(kāi)關(guān)站,是為了便于分配同一電壓等級(jí)的電力而在線路中間設(shè)置的配電設(shè)施。斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線是開(kāi)閉所的基本結(jié)構(gòu)單位。顯然，開(kāi)閉所也是一種配電網(wǎng)的實(shí)體,將它作為設(shè)備容器(EquipmentContainer)的一個(gè)子類,從而繼承了EquipmentContainer與設(shè)備(Equipment)之間的聚集關(guān)系，開(kāi)閉所模型如圖1所示。

圖1 開(kāi)閉所模型

開(kāi)閉所10 kV母線一般有單母線、單母線分段和雙母線等接線方式，為了在類開(kāi)閉所體現(xiàn)母線的接線方式,在固有屬性中加入BusbarConnectionType來(lái)描述母線接線方式。開(kāi)閉所是一組設(shè)備的集合,其作用是將電能輸送到電能用戶,增加母線供電線路的條數(shù)，因此，應(yīng)該在固有屬性中增加能描述出線數(shù)量的屬性O(shè)utletNumber。

很明顯會(huì)發(fā)現(xiàn)開(kāi)閉所模型有一個(gè)共同的抽象父類EquipmentContainer。在傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，為了盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完備性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傾向于盡可能窮舉設(shè)備和結(jié)構(gòu)，其結(jié)果將直接導(dǎo)致類數(shù)量的迅速膨脹，必然為后期開(kāi)發(fā)帶來(lái)龐大的工作量，也不利于后期維護(hù)的便利性。對(duì)此，只要能夠刻畫(huà)出開(kāi)閉所的一般特征，就應(yīng)當(dāng)視為完成了類的概要設(shè)計(jì)。對(duì)此，在設(shè)計(jì)中分離了開(kāi)閉所的屬性和作用，以便于開(kāi)閉所對(duì)象的邏輯抽象。表1展現(xiàn)了開(kāi)閉所的固有屬性，表2則列舉了開(kāi)閉所的固有作用。

表1 開(kāi)閉所的固有屬性

表2 開(kāi)閉所的固有作用

類的封裝是為了隔離對(duì)象的異質(zhì)性，類的抽象是為了封閉對(duì)象的同質(zhì)性，具有高度一致的屬性和功能的集合才是真正的類?？疾扉_(kāi)閉所模型的業(yè)務(wù)邏輯可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將接線方式劃分為單母線，將單母線分段劃為雙母線以后，系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足開(kāi)閉所的10 kV母線的完全覆蓋。如果單一設(shè)計(jì)這些子類，會(huì)使得對(duì)象的種類和數(shù)量迅速增加，對(duì)象間結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。這違反了單一職責(zé)原則——一個(gè)對(duì)象應(yīng)該有且只有一個(gè)引起它變化的原因。因此，可抽象出SwitchStation作為抽象類，將母線類型作為依賴關(guān)系加入對(duì)象結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)完成了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中高耦合、低內(nèi)聚的要求，將對(duì)象的同質(zhì)性進(jìn)一步提升和充實(shí)。其中斷路器(Breaker)、母線站(BusbarSection)和負(fù)荷開(kāi)關(guān)(LoadBreakSwitch)是具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。根據(jù)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)定，這些子類完全實(shí)現(xiàn)了抽象接口的方法，從而保證了異質(zhì)性的分離——子類具有獨(dú)特的行為和能力。這些具體功能被子類所細(xì)化和擴(kuò)展，子類在父類的通用屬性基礎(chǔ)上，通過(guò)泛化進(jìn)一步衍生出父類所不具備的能力。這些新擴(kuò)展的功能則體現(xiàn)了新生對(duì)象的異質(zhì)性。這種既兼顧了對(duì)象的同質(zhì)性，又?jǐn)U展了對(duì)象的異質(zhì)性的策略將極大地增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)充性：系統(tǒng)依賴于接口，父類具備了共性，子類負(fù)責(zé)具體的實(shí)現(xiàn)策略。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的Web數(shù)據(jù)交換中由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中往往面臨著信息損失的困境。面向?qū)ο笙到y(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)象本身的語(yǔ)義特征使得人們希望能夠在Web中直接交換對(duì)象以解決語(yǔ)義問(wèn)題，因此，可從對(duì)象設(shè)計(jì)入手，確定出具有業(yè)務(wù)邏輯意義的實(shí)體類。這些類描述了不同的設(shè)備、介質(zhì)、物件等配電網(wǎng)實(shí)體，將這些信息結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，就形成了一個(gè)完整的配電網(wǎng)的對(duì)象結(jié)構(gòu)體系。

在配電網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，基于通用設(shè)備的梳理，首先將設(shè)備信息羅列展開(kāi)，接下來(lái)使用RDF方法，將這些抽象數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為語(yǔ)義對(duì)象。抽象出的實(shí)體同時(shí)附帶了語(yǔ)義信息，更為重要的是，這些實(shí)體通過(guò)RDF的作用和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方法，將完成語(yǔ)義信息的傳輸與共享。因此，在實(shí)施配電網(wǎng)建模的過(guò)程中，通過(guò)規(guī)范設(shè)備，切合語(yǔ)義邏輯，就可以完成異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一模式，對(duì)于提高智能電網(wǎng)的信息自動(dòng)化水平具有實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Robert C.Martin.敏捷軟件開(kāi)發(fā)原則、模式與實(shí)踐[M].鄧輝,孫鳴，等，譯.北京： 清華大學(xué)出版社，2003.

[2]?？?，薛峰，楊衛(wèi)東. 中國(guó)智能電網(wǎng)基本特征及其技術(shù)進(jìn)展評(píng)述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(17)：10-15.

[3]李興源，魏巍，王渝紅，等.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(17)：1-7.

[4]IEC 61970-401—2013 Energy management system application program interface(EMS-API)part 401：component interface specification(CIS)framework[S].

[5]MERCURIO A，DI GIORGIO A，CIOCI P.Open-source implementation of monitoring and controlling services for EMS/SCADA systems by means of web services-IEC 61850 and IEC 61970[J].IEEE Trans on Power Delivery，2009，24(3):1148-1153.

[6]章堅(jiān)民，樓堅(jiān). 基于CIM/SVG和面向?qū)ο蟮呐潆妴尉€圖自動(dòng)生成[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，32(22)：61-65.