孟祥麟

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

目前我國正處于數(shù)據(jù)爆炸式增長的信息時代。在今后幾年里，互聯(lián)網(wǎng)公司等企事業(yè)單位的數(shù)字、視頻、文檔等信息越來越多，個人的信息圖片、電子郵件和文檔數(shù)量逐年增長,使用于存儲數(shù)據(jù)的全球服務(wù)器總量將增長幾十倍，這增加了數(shù)據(jù)存儲和分析的難度。在這種情況下，云存儲產(chǎn)品應(yīng)運而生，如亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(AWS)、谷歌云、聯(lián)想網(wǎng)盤、上海電信 e云、華為網(wǎng)盤、清華大學(xué)的海量存儲平臺Corsair 等。

作為智慧城市發(fā)展代表之一的電力行業(yè)也不例外。隨著我國智能電網(wǎng)正在向智能化、信息化、大容量方向快速發(fā)展，為保證電力系統(tǒng)時時安全、可靠運行，要定期進行巡檢監(jiān)控作業(yè)。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)負責(zé)配電自動化系統(tǒng)中配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視，具有準(zhǔn)確的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息和電網(wǎng)的實時運行信息，但也不能覆蓋所有巡檢任務(wù)。那么，如何對大量的巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)進行高效可靠采集、存儲且為日后分析決策提供可靠依據(jù)成為一個難題。與此同時，隨著智慧城市電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量、設(shè)備類型的劇增而需要構(gòu)建更多的存儲設(shè)施，如何節(jié)約此成本，減輕運維和管理的工作量，加快用戶訪問的速度，成為了研究中的又一難題。伴隨云計算及云存儲技術(shù)的不斷發(fā)展完善，智慧城市電力系統(tǒng)的巡檢監(jiān)控作業(yè)和數(shù)據(jù)存儲也有了明確的發(fā)展方向。

1 電力設(shè)備巡檢監(jiān)控規(guī)程分析

通過對通用國家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和對多類電力設(shè)備巡檢監(jiān)控規(guī)程(如線路巡視、變電站及飛行巡檢)的比較分析可得出巡檢監(jiān)控作業(yè)一般具有以下特點。

a. 按場景分為電力線飛行巡檢、變電站巡檢、隧道巡檢等。

b. 按類型分為線纜破損、設(shè)備性能劣化、運行環(huán)境遭到破壞等。

c. 按方式分為傳統(tǒng)的人工巡檢方式和不常用的半自動化方式。

d. 按數(shù)據(jù)來源分為遠程的監(jiān)控傳感器、巡檢監(jiān)控人員等。

e. 按頻度分為日常巡檢、定期巡檢及故障巡檢處理等。

另外，不同電力分公司及其工作人員對電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)量化存在差異，也會對巡檢監(jiān)控作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2 電力設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電力設(shè)備巡檢云存儲系統(tǒng)架構(gòu)

通過以上對電力系統(tǒng)巡檢的分析，構(gòu)筑電力系統(tǒng)巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)的云存儲平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體上分為服務(wù)器端和終端兩大部分。各種巡檢內(nèi)部服務(wù)模塊及對外的監(jiān)視子系統(tǒng)由巡檢監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器端提供；巡視工作票及與服務(wù)器端進行通信的接口功能由巡檢監(jiān)控系統(tǒng)終端完成。

2.1.1 巡檢系統(tǒng)服務(wù)器端功能模塊設(shè)計

通過以上對系統(tǒng)的需求分析，按照功能不同[1],如表 1所示，將系統(tǒng)的服務(wù)器端劃分為4個模塊進行設(shè)計。

表1 系統(tǒng)模塊及其功能

2.1.2 巡檢監(jiān)控子系統(tǒng)終端及用戶權(quán)限

通過以上對系統(tǒng)的需求及功能模塊的分析，設(shè)計了巡檢監(jiān)控系統(tǒng)終端、用戶及用戶權(quán)限，見表 2。

表2 系統(tǒng)終端及用戶職責(zé)權(quán)限

2.2 云存儲平臺Hadoop及HDFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HDFS是 Hadoop 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其訪問模式是一次寫入、多次讀取。HDFS 文件系統(tǒng)具有很高的可用性和容錯性[2-3]。

HDFS是按照“管理者namenode—工作者datanode”模式工作的系統(tǒng)。管理者是核心，系統(tǒng)的文件目錄、文件塊和工作者的對應(yīng)關(guān)系、文件塊和文件的對應(yīng)關(guān)系等由管理者進行管理。其工作模式如圖1所示，當(dāng)使用者通過Hadoop API對文件進行讀寫操作時,只要獲取文件源信息，管理者利用其管理的文件目錄及文件塊和工作者的對應(yīng)關(guān)系、文件塊和文件的對應(yīng)關(guān)系信息，就可直接操作工作者；工作者根據(jù)管理者的調(diào)度或Hadoop API對文件塊進行操作。為了及時更新文件塊列表信息，工作者根據(jù)運行情況及時向管理者發(fā)送最新消息。當(dāng) HDFS Namenode癱瘓時可以啟用輔助 namenode 中的鏡像數(shù)據(jù)以維持系統(tǒng)正常運行。HDFS 客戶端依照從管理者中獲取的文件信息向工作者訪問。

圖1 HDFS架構(gòu)

本文利用Hadoop來研究電力設(shè)備巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)云存儲技術(shù)。Hadoop是Apache開源組織的一個分布式計算框架，其為應(yīng)用程序提供一組穩(wěn)定可靠接口[4]，根據(jù)電力設(shè)備巡檢監(jiān)控的需要進行開發(fā)研究，用于構(gòu)建一個高可用性、高穩(wěn)定度、擴展性好的電力設(shè)備巡檢監(jiān)控系統(tǒng)。HDFS是 Hadoop分布式文件系統(tǒng)的底層，也是 GFS的開源實現(xiàn)，并負責(zé)存儲 Hadoop集群中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)文件。

2.3 電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

2.3.1 巡檢系統(tǒng)服務(wù)器端整體架構(gòu)

巡檢監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器端整體架構(gòu)采用模式-視圖-控制器(MVC[5])模式，具體分工如下：模式包含軟件所提供的所有功能；視圖是使用者與軟件進行交互窗口；控制器接收使用者輸入并轉(zhuǎn)發(fā)請求給模式進行處理。

采用該模式設(shè)計的程序結(jié)構(gòu)更加直觀，也大大提高了模塊的復(fù)用能力。使用該模式，本電力巡檢系統(tǒng)服務(wù)器端分為3層，依次分別封裝入如下軟件包中。

a. 服務(wù)包：該軟件包封裝了電力巡檢系統(tǒng)所需的所有服務(wù)，如工作票服務(wù)、巡檢任務(wù)服務(wù)、用戶數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、數(shù)據(jù)倉服務(wù)、云平臺(Cloud Foundry)的交互服務(wù)等。

b. 模型包：該軟件包封裝了電力巡檢系統(tǒng)所需要的設(shè)備模型等各類模型及可重組組件(JavaBeans)。

c. 控制器包：該軟件包封裝了全部用于轉(zhuǎn)發(fā)使用者請求的控制器。

本系統(tǒng)所設(shè)計的整套MVC架構(gòu)由 Struts2完成并實現(xiàn)。采用Maven單元測試工具測試巡檢系統(tǒng)所導(dǎo)入的3個軟件包。當(dāng)通過測試后的軟件包上傳到云平臺上后，能夠成功穩(wěn)定運行。

2.3.2 巡檢過程核心業(yè)務(wù)流

本系統(tǒng)巡檢過程核心業(yè)務(wù)流分為如下4個階段：巡檢信息獲取階段、執(zhí)行巡檢任務(wù)階段、上傳巡檢結(jié)果階段及數(shù)據(jù)庫更新階段，通過“request—response”的消息傳送機制進行數(shù)據(jù)及命令傳輸，巡檢流程如圖2所示。

圖2 巡檢流程

3 電力設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)實現(xiàn)

電力設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)的用戶實行用戶名和密碼管理，用戶根據(jù)事先配置好的用戶名及其密碼登錄該系統(tǒng)。用戶打開該系統(tǒng)首頁，出現(xiàn)登陸頁面，正確輸入用戶名和密碼后，該系統(tǒng)會根據(jù)不同的用戶級別跳轉(zhuǎn)到與其級別相對應(yīng)的工作頁面上，逐步完成巡檢任務(wù)。具體過程如下：任務(wù)管理員登錄該系統(tǒng)后在菜單欄選擇“創(chuàng)建工作票”菜單，然后屏幕顯示所有待巡檢設(shè)備選項，在勾選待巡檢的設(shè)備后出現(xiàn)下一級菜單，勾選該設(shè)備需要巡檢監(jiān)控的項目后，即可向工作票中加入該設(shè)備巡檢任務(wù)，以此類推，當(dāng)所有等待巡檢的設(shè)備都按需加入工作票后，點擊“確認”按鈕就可創(chuàng)建該巡檢工作票。下一步，在菜單欄選擇“下發(fā)工作票”菜單，剛才創(chuàng)建的巡檢工作票的名稱就顯示在界面上，點擊“確認”按鈕即完成下發(fā)工作票給客戶端的任務(wù)，巡檢人員登錄該系統(tǒng)按要求完成巡檢監(jiān)控任務(wù)后，把巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)按時上傳至電力設(shè)備巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)，并能實現(xiàn)后續(xù)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲、分析及進一步研究工作。

4 結(jié)束語

以電力巡檢監(jiān)控規(guī)程為標(biāo)準(zhǔn)，通過建立云存儲平臺Hadoop及HDFS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的云存儲模型，并應(yīng)用C語言、基于Struts2框架、采用Maven單元測試工具等方法，設(shè)計并實現(xiàn)了一套應(yīng)用于智能電網(wǎng)的電力設(shè)備巡檢監(jiān)控數(shù)據(jù)的云存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)后期巡檢要求進行彈性擴展。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運行狀況良好，目前基本滿足電力巡檢監(jiān)控需要。但隨著Cloud Foundry和Hadoop平臺自身的發(fā)展、電力標(biāo)準(zhǔn)的更新以及用戶使用需求的不斷變化，還需要進一步完善巡檢監(jiān)控規(guī)程的量化標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化設(shè)計，從而更好的滿足智慧城市電力運行環(huán)境的使用需求。

參考文獻：

[1] 宋雷雄. 電力設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)的云存儲子系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 北京：華北電力大學(xué)， 2014:1-54.

[2] D. Borthakur，The hadoop distributed file system: Architecture and design[J]. Hadoop Project Website, 2007, 11(6):21-27.

[3] Fang Dong, Pengcheng ZhouT, Zijian Liu, et al. Towards a fast and secure design for enterprise-oriented cloud storage systems[J]. Concurrency and Computation: Practice and Experience, 2017, 29(19): 131-145.

[4] 劉 鵬. 基于分布式的電力云存儲系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D]. 保定：華北電力大學(xué)， 2013:1-44.

[5] Zhang X L, Lu Y.Design and Implementation of Web Office Automation System Based on MVC Pattem[J]. Computer Technology and Development, 2012, 22(8): 63-66.