基于MongoDB的電網(wǎng)信息三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理?

李 巍 孟令愚 鄭善奇 張靖欣 于 海

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司信息通信分公司 沈陽(yáng) 110000）（2.國(guó)家電網(wǎng)公司東北分部 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，智能電網(wǎng)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，其中，十分關(guān)鍵的便是構(gòu)建一個(gè)高度集成的電網(wǎng)信息系統(tǒng)。通過該數(shù)據(jù)系統(tǒng)，一方面可以為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)提供更加有效的發(fā)電、輸電、售電平臺(tái)，提升其運(yùn)行效率，另一方面可以為電網(wǎng)公司進(jìn)行信息深度開發(fā)、提升資源使用效率創(chuàng)造更加有利的條件［1～2］。當(dāng)前，電網(wǎng)硬件建設(shè)取得很多成就，在綜合布線、消防安保、空氣調(diào)節(jié)以及建筑電氣等方面都形成較高標(biāo)準(zhǔn)。然而，在信息機(jī)房管理方面還存在很多缺點(diǎn)，比如，對(duì)于運(yùn)行數(shù)據(jù)，仍然采用表格文檔，這一方面造成人力資源浪費(fèi)，另一方面也在客觀上導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理陷入混亂；同時(shí)，也會(huì)影響數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展性、安全性。從這個(gè)角度來(lái)看，亟需創(chuàng)建一套更加有效的電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，不僅便于用戶操作，而且能夠更加直觀了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制［3～5］。

三維可視化技術(shù)逐漸成熟，并且在諸多領(lǐng)域獲得成功運(yùn)用。如果能夠?qū)⒃摷夹g(shù)運(yùn)用到電網(wǎng)信息系統(tǒng)管理中，構(gòu)建起成熟的三維可視化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，不僅能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行三維化，而且還可以呈現(xiàn)出復(fù)雜設(shè)備之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在提升信息生動(dòng)性的同時(shí)，也便于數(shù)據(jù)中心對(duì)設(shè)備設(shè)局進(jìn)行深入分析和挖掘，從而提升設(shè)備管理效率［6～8］。本研究中，提出運(yùn)用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備信息系統(tǒng)進(jìn)行三維化改造，采用B/S模式來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制和跨數(shù)據(jù)指令訪問。通過該相關(guān)研究，希望可有助于降低電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)行成本，提升數(shù)據(jù)集成性能，強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理深度并增加其安全性。

2 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB的運(yùn)用

2.1 數(shù)據(jù)改寫測(cè)試

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問提出較高要求［9］。在數(shù)據(jù)插入時(shí)，若單位數(shù)據(jù)耗時(shí)為T1，1萬(wàn)條數(shù)據(jù)耗時(shí)為T2。對(duì)三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理而言，如果要有效運(yùn)用MongoDB，須滿足如下不等式：T2

2.2 信息讀取測(cè)試

如圖2所示，為數(shù)據(jù)讀取測(cè)試中數(shù)據(jù)量-響應(yīng)時(shí)間變化情況。由圖2可知，隨著查詢數(shù)據(jù)量增加，響應(yīng)時(shí)間持續(xù)變大。當(dāng)數(shù)據(jù)量增加至10萬(wàn)條時(shí)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到20ms；當(dāng)數(shù)據(jù)量增加至20萬(wàn)條，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到40ms；當(dāng)數(shù)據(jù)量增加至40萬(wàn)條，響應(yīng)時(shí)間超過80ms；當(dāng)數(shù)據(jù)量增加至50萬(wàn)條，響應(yīng)時(shí)間超過100ms。可見，二者呈現(xiàn)出近似正比關(guān)系，但非嚴(yán)格正比關(guān)系，存在一定抖動(dòng)特征，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能受數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、MongoDB索引效率等因素影響。

圖1 Mongo DB數(shù)據(jù)改寫測(cè)試

圖2 Mongo DB信息讀取測(cè)試

綜上，在電網(wǎng)信息三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方面，作為一種信息存儲(chǔ)介質(zhì)，MongoDB在數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)改寫方面具有適當(dāng)伸縮性能，可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。

3 電網(wǎng)信息三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的實(shí)現(xiàn)

3.1 三維建模平臺(tái)

如圖3所示，本研究所開發(fā)三維建模平臺(tái)包括如下兩個(gè)基本部分［10～12］：1）模板參數(shù)庫(kù)建模，包括選擇規(guī)則幾何元模板、確定數(shù)據(jù)庫(kù)模板參數(shù)、模型貼圖等；2）專業(yè)三維模型繪制軟件，包括構(gòu)建三維模型、匹配材質(zhì)與光線、輸出模型文件等。上述兩部分所生成文件，最終將本地上傳至服務(wù)器中斷。

3.2 三維模型庫(kù)管理

在三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理過程中，由于會(huì)將數(shù)量較多的模型置于服務(wù)器，可能帶來(lái)一些混亂，為此須構(gòu)建專門模型庫(kù)管理方案［13～14］。如圖 4 所示。根據(jù)模型文件類型差異，該方案包含三個(gè)部分［15］：1）原件庫(kù)管理，包括原件類別設(shè)定、原價(jià)可視化管理、原件屬性管理；2）模板庫(kù)管理，包括模板類別管理、模板可視化管理、模板原價(jià)信息管理等；3）場(chǎng)景庫(kù)文件管理，包括場(chǎng)景文件管理、場(chǎng)景信息管理等。

圖3 三維建模平臺(tái)

圖4 三維模型庫(kù)管理方案

3.3 場(chǎng)景視角管理

在場(chǎng)景視角管理方面，在Twaver 3D軟件中，可以設(shè)置如下三類視角：

1）自由視角。通過默認(rèn)視角，用戶可以查詢和調(diào)閱所有設(shè)備的三維信息。

2）巡視視角。通過該視角，用戶能夠進(jìn)入系統(tǒng)門禁，并且通過操作鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)向前（按W鍵）、向后（按S鍵）、向左（按A鍵）以及向右（按D鍵）移動(dòng)；如果要進(jìn)入跑動(dòng)狀態(tài)，可以通過長(zhǎng)按W鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）懸浮視角。通過該視角，可以獲得電網(wǎng)機(jī)房的三維全景圖，并且自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，便于用戶直觀讀取信息。

3.4 空間規(guī)劃管理

在實(shí)施空間規(guī)劃管理過程中，將機(jī)房和站點(diǎn)視為基本要素，其以排位單位擺放或者設(shè)置，這不僅便于確立相關(guān)要素的坐標(biāo)，而且有助于用戶對(duì)其進(jìn)行快速定位。在管理中，某要素的位置可能發(fā)生變化，此時(shí)需要運(yùn)用“排管理”來(lái)對(duì)坐標(biāo)加以修正。如圖5所示，為“排管理”流程示意圖。由圖5可知，該流程包含如下兩個(gè)部分：

1）瀏覽器端處理流程，依次為進(jìn)入“空間規(guī)劃管理”菜單、配置“空間規(guī)劃管理”選項(xiàng)、更新界面、生成并發(fā)送交互協(xié)議。在完成協(xié)議發(fā)送后，會(huì)進(jìn)入服務(wù)器端。

2）服務(wù)器端處理流程，首先對(duì)是否接收到交互協(xié)議進(jìn)行判斷，如果確認(rèn)接收到，進(jìn)一步對(duì)該協(xié)議合法與否進(jìn)行判斷；如果確認(rèn)未接收到交互協(xié)議，將返回操作狀態(tài)。若交互協(xié)議合法，將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改，否則返回操作狀態(tài)。在此之后，再次回到瀏覽器端，對(duì)操作成功與否進(jìn)行判斷，若操作成功，則結(jié)束處理；若操作未成功，需返回原界面。

圖5 排管理的系統(tǒng)處理流程圖

3.5 設(shè)備管理

3.5.1 設(shè)備上下架

為了確保電網(wǎng)信息系統(tǒng)與機(jī)房設(shè)備實(shí)際變動(dòng)情況一致，須開通設(shè)備上下架功能。在具體操作過程中，該功能可通過如下兩種方式加以實(shí)現(xiàn)：

1）手工更新

（1）設(shè)備上架。通過手工更新，如果三維元件庫(kù)中缺乏某類設(shè)備，或者某設(shè)備需要升級(jí)，可通過手工更新上架新設(shè)備。如圖6所示，為手工更新設(shè)備上架流程。由圖6可知，手工更新流程可以分為如下幾個(gè)基本部分：①?gòu)臑g覽器端進(jìn)入添加設(shè)備菜單，可從服務(wù)器端獲得空間布局?jǐn)?shù)據(jù)。②根據(jù)空間布局?jǐn)?shù)據(jù)，可在瀏覽器端選擇設(shè)備所處位置，并從服務(wù)器端獲得設(shè)備模板列表。③基于模板列表，在瀏覽器端選擇某一個(gè)設(shè)備模板，可從服務(wù)器端獲得該設(shè)備模板信息。④基于設(shè)備模板信息，在瀏覽器端完成界面更新，并配置設(shè)備屬性信息。之后在服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)修改。⑤在瀏覽器端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)修改操作是否成功進(jìn)行判斷，若操作失敗，顯示失敗原因并返回原界面；若操作成功，則配置設(shè)備拓?fù)湫畔?，并再次在服?wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改。⑥再次判斷數(shù)據(jù)庫(kù)修改是否成功，若操作未成功，顯示失敗原因；若操作成功，更新界面，至此完成操作。

圖6 手工更新設(shè)備上架系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖（無(wú)緩存）

（2）設(shè)備下架。與設(shè)備上架相比，設(shè)備下架流程更為簡(jiǎn)單，且主要在服務(wù)器端進(jìn)行。相關(guān)操作主要包括如下環(huán)節(jié)：①用戶對(duì)設(shè)備是否下架進(jìn)行判斷，并輸入權(quán)限，通過瀏覽器端將下架指令發(fā)送至服務(wù)器端。②根據(jù)設(shè)備ID，服務(wù)器端會(huì)搜索相關(guān)信息，并完成設(shè)備信息刪除操作。

在進(jìn)行設(shè)備刪除時(shí)，主要內(nèi)容包括設(shè)備數(shù)量、三維狀態(tài)、使用情況以及拓?fù)湫畔⒌?。在完成刪除操作后，該設(shè)備在三維場(chǎng)景不再得以顯示。

2）XML文件導(dǎo)入

（1）設(shè)備上架。該操作包括如下基本環(huán)節(jié)：創(chuàng)建空間規(guī)劃，為文件導(dǎo)入做好準(zhǔn)備；填寫設(shè)備基礎(chǔ)資料、設(shè)備擴(kuò)展、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備所連接拓?fù)涞葘傩孕畔?；在上傳XML文件后，會(huì)對(duì)問卷合法性進(jìn)行判斷，若通過驗(yàn)證，該文件會(huì)被服務(wù)器端，并完成數(shù)據(jù)庫(kù)修改；否則，會(huì)顯示失敗原因，并返回操作。最后，服務(wù)器端完成設(shè)備接收，并對(duì)瀏覽器界面進(jìn)行更新，可將新設(shè)備顯示于三維場(chǎng)景。

（2）設(shè)備下架。通過XML文件導(dǎo)入的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行下架操作時(shí)，與手工更新下架方式比較類似，主要有如下兩點(diǎn)不同之處：其一，通過手工更新下架，單次操作中，只能對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行；通過XML文件導(dǎo)入，單次操作中，可下架多臺(tái)設(shè)備；其二，如果通過手工更新方式下架，需要用戶在瀏覽器端點(diǎn)擊該設(shè)備，并將設(shè)備ID發(fā)送至服務(wù)器端。通過XML文件導(dǎo)入下架設(shè)備時(shí)，可選擇路徑更加多元，既可以通過編號(hào)確定設(shè)備，也可以通過屬性組合或者設(shè)備名稱來(lái)加以確定。

3.5.2 機(jī)柜使用率統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)機(jī)柜使用率，可直觀了解設(shè)備部署情況、使用狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)工作與設(shè)備上架、設(shè)備上架功能緊密相關(guān)。當(dāng)有新設(shè)備上架時(shí)，機(jī)柜使用率就會(huì)增大；相反，若有設(shè)備下架，機(jī)柜使用率就會(huì)變小。在統(tǒng)計(jì)過程中，采用EIA機(jī)構(gòu)所推出U值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中，1U=4.445cm。

3.5.3 信息故障告警

基于故障類型差別，可以將電網(wǎng)機(jī)房的信息告警分為如下幾個(gè)等級(jí)：1）一級(jí)故障。故障發(fā)生后，系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別并修復(fù)，不需要用戶介入。因此，也被稱為預(yù)警故障。2）二級(jí)故障。故障發(fā)生后，如果用戶不及時(shí)介入，可能造成輕微系統(tǒng)破壞，又被稱為臨界故障。3）三級(jí)故障。該類故障也被稱為危險(xiǎn)故障，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，需要立即進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢查、備份。4）四級(jí)故障，又被稱為破壞性故障。若排除措施不到位或者存在瑕疵，可能引發(fā)災(zāi)難性破壞結(jié)果。

為了增加故障告警區(qū)分度，分別用綠色、藍(lán)色、黃色和紅色來(lái)表示一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)故障。對(duì)于機(jī)柜內(nèi)部設(shè)備，為了能夠快速定位故障端口，可以設(shè)置U值標(biāo)簽，根據(jù)標(biāo)簽數(shù)值來(lái)確定故障類型。

3.6 資源搜索

圖7 高級(jí)資源搜索流程框架

由于機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)備數(shù)量多，如果需要快速尋找某資源，就需要?jiǎng)?chuàng)建高級(jí)搜索方式，如圖7所示。由圖7可知，高級(jí)資源搜索包括如下環(huán)節(jié)：1）用戶在瀏覽器端選擇高級(jí)搜索，服務(wù)器端在接收到指令后，會(huì)查找并返回設(shè)備類別信息。2）基于設(shè)備類別信息，瀏覽器端可選擇設(shè)備類別，并從服務(wù)器端獲得對(duì)應(yīng)設(shè)備屬性信息。3）瀏覽器端會(huì)顯示屬性信息，用戶可選擇高級(jí)搜索條件，并由服務(wù)器端獲得滿足條件的設(shè)備編號(hào)。4）瀏覽器端選擇設(shè)備編號(hào)，并進(jìn)行cache判斷，若結(jié)果為真，可進(jìn)一步進(jìn)行場(chǎng)景匹配與否驗(yàn)證；若結(jié)果不為真，須查找并返回設(shè)備信息。5）在通過瀏覽器端進(jìn)行場(chǎng)景匹配驗(yàn)證時(shí)，若通過驗(yàn)證，須顯示設(shè)備，至此完成設(shè)備高級(jí)搜索；若未通過場(chǎng)景匹配驗(yàn)證，須再次進(jìn)入cache判斷。6）在第二次cache判斷中，若判斷結(jié)果為真，須加載三維場(chǎng)景，至此完成高級(jí)搜索；若判斷結(jié)果不為真，須查找并返回場(chǎng)景信息。

4 結(jié)語(yǔ)

通過三維可視化技術(shù)，可顯著提升電網(wǎng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理效率、分析深度和設(shè)備運(yùn)行安全性?；贛ongoDB技術(shù)，在討論其運(yùn)用情況后，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息三維可視化管理進(jìn)行分析，得出如下幾點(diǎn)主要結(jié)論：1）作為一種信息存儲(chǔ)介質(zhì)，MongoDB在數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)改寫方面具有適當(dāng)伸縮性能，可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，即信息系統(tǒng)三維化改造；2）根據(jù)模型文件類型差異，三維模型庫(kù)包括原件庫(kù)、模板庫(kù)、場(chǎng)景庫(kù)文件管理等三個(gè)基本部分；3）在三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)部分，場(chǎng)景視角管理、空間規(guī)劃管理、設(shè)備管理以及資源搜索是最主要內(nèi)容。其中，設(shè)備管理三維化是核心，需要分別從設(shè)備上下架、機(jī)柜使用率統(tǒng)計(jì)以及信息故障告警等三個(gè)角度展開。