Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Тищенко П.А., Esri CIS (ptischenko@esri-cis.ru), Секнин А.А., Esri CIS (aseknin@esri—cis.ru), Магдеев Р.А., Газпром (R.Magdeev@econom.gazprom.ru), Герасимов С.И., РКСС (gerasimov@pkcc.ru), Басин М.Б., Газтранзит (mbasin@gaztranzit.ru)
Impact of CIM-based Data Models on GIS Modeling for Utilities
Введение
Современная Геоинформационная Система (ГИС) является источником пространственных и инфраструктурных данных для различных корпоративных систем, работающих в области энергетики, таких как Система управления отключениями (OMS), инженерного анализа (EA), CIS, WMS, SCADA, MWM, ERP и CRM. Соответственно, ГИС должна быть интегрирована с каждой из перечисленных систем. Компании, работающие в области сетевых энергетических сетей, могут самостоятельно разрабатывать собственные ГИС-модели или используют модели поставщика программного обеспечения ГИС, поскольку они являются частью пакетов программного обеспечения. Стандарт OGC (Open Geospatial Consortium – Консорциум открытых ГИС) позволяет обмениваться пространственными данными между различными системами, но не затрагивает особенности бизнес-процессов, протекающих в энергетических сетевых компаниях. Из-за отсутствия Общей Информационной Модели (CIM – Common information model) интеграция ГИС представляет собой «точечную» процедуру. Поскольку ГИС является источником данных об объектах инфраструктуры, она должна быть спроектирована с использованием CIM; это позволит выполнить корректную интеграцию инженерных и бизнес-функций компании.
CIM-модель от EPRI совершенствуется МЭК (Международной Электротехнической Комиссией) – Техническим Комитетом 57, рабочей группой 14 для выполнения стандартизации информационной модели в рамках «системной Интеграции и Управления Распределением». В данной статье рассматриваются преимущества ГИС-модели системы распределения электроэнергии, спроектированной с использованием CIM, позволяющей улучшить совместимость информационных систем предприятий энергетики и снизить затраты на интеграцию систем.
CIM-модель – признанная база для построения Smart Grid (интеллектуальных энергосетей) в энергетике. К классу сетевых энергетических предприятий авторы относят не только ФСК ЕЭС, Холдинг МРСК, но и сетевые предприятия РЖД, метрополитена, Газпрома, нефтяных компаний, интеллектуальных систем транспорта и города.
Обзор CIM
Много было написано об изолированных «информационных островах» и о необходимости непрерывного потока данных от одной системы к другой для поддержки интеграции бизнес-процессов. Энергетические компании разработали так называемый интерфейс «из-точки-в-точку» для совместной работы с различными системами в целях обеспечения интеграции бизнес-процессов. Разработка программного решения для интеграции является весьма затратной, и когда обновляется одно из интегрированных приложений, то требуется дорогостоящее техническое обслуживание. Чтобы облегчить этот процесс, был реализован переход к Корпоративной Интеграции Приложений и Управлению Бизнес-процессами. Отраслевые CIM предоставляют основу для интеграции бизнес-процессов. CIM содержит логическую модель данных корпоративного уровня, позволяющую снизить потребности в преобразовании данных «из-точки-в-точку» и стили визуализации приложениями элементов модели на картографической подложке.
Общая информационная модель (CIM) является наиболее развитой и широко принятой моделью для описания электрической сети. Вендоры ГИС предлагают различные модели для систем распределения электроэнергии, но они не являются исчерпывающими и не всегда удовлетворяют пространственным требованиям остальных систем, чтобы учесть или обеспечить обмен информацией между ГИС и другими корпоративными системами.
История CIM
Общая информационная модель изначально была разработана в США, в научно-исследовательском институте электроэнергетики (EPRI, www.epri.com) в качестве основы для проекта интеграции, называемом Control Center Application Program Interface (CCAPI). CCAPI был разработан, чтобы облегчить интеграцию между различными центрами управления и электроэнергетическими бизнес-приложениями. Затем она была стандартизована Международной Электротехнической Комиссией — МЭК (International Electrotechnical Commission, IEC). CIM занимала большую часть данного стандарта и содержала сведения, относящиеся к транспортной сети. МЭК взяла на себя задачу стандартизации CIM для энергетических сетевых предприятий и назвала её «Системной интеграцией для управления дистрибуцией» (SIDM). Кроме предоставления модели данных или схемы информационного обмена между различными приложениями, CIM также включает в себя часто используемые энергетическим предприятием бизнес-процессы. CIM-модель данных и сервис-ориентированная архитектура на основе интеграции бизнес-процессов дают возможность бесшовной интеграции различных корпоративных приложений.
Какова реальная необходимость международных стандартов
В сегодняшней глобальной экономике значение международного стандарта хорошо известно, а его разработка рассматривается как продуктивный шаг. В условиях растущего рынка электроэнергетики наличие стандартов порождает доверие к развивающейся технологии и устанавливает правила игры на рынке.
С точки зрения сетевых энергетических компаний стандарты уменьшают риск для их деятельности и защищают их инвестиции в прикладное программное обеспечение от специфических особенностей программных продуктов, которые изменяются по мере их развития. Миграция для приложений, основанных на стандартах, является более безопасной и гибкой, что снижает затраты на интеграцию и разработку ПО для производителей различных решений.
Множество компаний, работающих в сфере транспортировки и распределения электроэнергии, ведут бизнес сквозь национальные границы; при этом создание ПО, основанного на международных стандартах, приводит к снижению затрат на его разработку и предполагает экономию за счёт масштабности поставок. Россия осуществляет большие коммерческие поставки электроэнергии в Европу, Китай, Закавказье, большой взаимный обмен энергопотоками происходит с республиками Средней Азии.
Коммерческие продукты имеют больше возможностей на рынке, если они либо устанавливают себя в качестве стандарта, либо реализуют какой-либо стандарт. Успех продукта основывается не только на его функциональности, но и на его гибкости при интеграции с другими корпоративными системами.
С точки зрения поставщика развёрнутая целостная архитектура на сетевом энергетическом предприятии существенно расширяет рынок для его (поставщика) приложений, снижает риски и обеспечивает экономию за счёт масштаба. Использование старых интерфейсов приложений позволяет сетевым энергетическим компаниям производить миграцию на новое приложение с минимальными потерями данных, которые были созданы предыдущим приложением.
Содержимое CIM
Информационные модели обеспечивают абстрактное представление объектов реального мира, где предусмотрены уникальные имена и определения для каждого объекта. Этот общий язык помогает избежать путаницы, когда отношения между объектами определены, но не привязаны к какому-либо конкретному приложению, обеспечивающему бизнес-процесс сетевой энергетической компании. Одна и та же информационная модель может быть использована всеми корпоративными приложениями для обмена информацией между ними.
CIM определяется стандартом IEC 61968 как абстрактная логическая модель данных, которая описывает компоненты энергосистем в форме нотации UML (универсального языка семантического моделирования). CIM предусматривает:
- стандартизированный метод описания общих объектов и оборудования энергосистем;
- стандартизированные объектно-ориентированные взаимосвязи для объектов и оборудования;
- стандартизированные методы определения отдельных показателей функционирования модельных объектов;
- стандартизированный метод представления модели энергосистемы с использованием XML.
Реальная физическая реализация данной модели зависит от конкретного поставщика. Это обеспечивает стандартный способ представления ресурсов энергосистемы как классов, объектов, атрибутов и связей между ними. Пространственные данные электроэнергетических сетевых компаний учитываются CIM в качестве подсистем внутри CIM.
Модель CIM состоит из пакетов, описывающих отдельные компоненты энергосистемы. Каждый пакет включает в себя классы и отношения классов для компонента, описываемого пакетом. Каждый класс внутри пакета описывает свойства (атрибуты) и отношения с другими классами. Например, высота Опоры является её атрибутом. Отношение определяет связь класса с другими классами или атрибутами. Например, Распределительный Трансформатор может быть смонтирован на Опоре, и CIM-модель создаст связь между этими классами.
В двух словах, CIM определяет классы, атрибуты и их отношения с другими классами, а также группирует связанные объекты в пакеты в целях описания оборудования энергетического предприятия, топологии его сети, данных о нагрузке, профиля генерации, измерений и планирования работ. CIM не является базой данных и не определяет, каким образом хранятся данные внутри приложения. Она описывает логическую схему данных с целью построения БД для операционной системы. Общий язык используется для навигации и доступа в сложные структуры данных в базе данных приложения. Он также обеспечивает иерархическое представление данных для просмотра и доступа.
CIM в основном используется для передачи данных или обмена сообщениями, и может быть расширена до надмножества существующих моделей. Кроме того, она может быть реализована в различных формах: иерархической, реляционной, объектной и т.д.
CIM предоставляет общий словарь, который используется для определения:
- интерфейсов для интеграции сервисов и приложений;
- структур данных внутри приложений;
- схем баз данных;
- структур сообщений для обмена информацией (обычно с помощью RDF и XML-схемы).
CIM для электроэнергетических сетевых компаний
Основная характеристика распределительных энергосетей – огромные объёмы данных – в несколько раз больше, чем для передающих сетей, для которых изначально была разработана CIM. Кроме того, CIM была разработана прежде всего как модель обмена данными, а не в качестве внутренней модели представления данных. Таким образом, CIM носит очень общий характер и требует создания дополнительных виртуальных узлов для моделирования связности энергосети и её топологии. Большое количество узлов подключения в энергетических распределительных сетях, в дополнение к необходимости создания виртуальных узлов подключения и частота изменения данных в ГИС-модели распределения электроэнергии создаёт проблемы в передаче данных в другие системы. Большой объём изменений дополнительных данных модели также требует эффективной обработки и управления данными. Аналогично, большое число узлов может повлиять на производительность обработки и анализа модели сети распределения электроэнергии Системой инженерного анализа и управления распределения.
Современное состояние CIM
CIM использует XML-схему для описания сообщений, и каждое сообщение составляется в зависимости от зоны управления и полезной нагрузки. Сообщения генерируются с помощью существительных и глаголов и используют GML, как это определено Консорциумом открытых ГИС для обмена пространственными данными. CIM в настоящее время определяется унифицированным языка семантического моделирования (UML) и строится на основе стандарта IEC 61970 и IEC 61968. CIM поддерживается IEC TC 57, используя модель Rational Rose™ на базе UML.
Обзор стандарта IEC 61968
IEC 61968 состоит из 12 частей для описания Общей информационной модели, архитектуры интеграции и стандартных сообщений. Данный пункт предоставляет только высокоуровневый обзор функций и объектов, определённых по стандарту IEC 61968.
Часть 1 описывает интерфейсную архитектуру, которая даёт общее представление о настраиваемой инфраструктуре энергетического сетевого предприятия.
Части с 3 по 10 описывают обмен сообщениями между приложениями, и каждая часть освещает различные бизнес-функции, определённые в эталонной модели интерфейса (IRM). Интерфейсы определены для каждой бизнес-подфункции, а варианты использования и диаграммы активности применяются для формулирования требований информационного обмена между интерфейсами. Типы сообщений определяются для каждого требуемого обмена информацией (рис. 1).
Рис. 1. Общая информационная модель (Common Information Model – CIM).
Часть 11 описывает WG 14 CIM, которая является расширением CIM, описываемой WG 13 (IEC 61970). Основная CIM-модель данных в Части 11 состоит из ряда пакетов, структурирующих модель. Важными пакетами с точки зрения ГИС-модели данных являются Ядро и Топология. Данная статья фокусируется на этих пакетах, так как ГИС позиционируется в качестве источника данных для основной модели.
Пакет Core (ядро) содержит основные объекты, такие как «PowerSystem-Resource» (ресурс энергосистемы) или «ConductingEquipment» (токопроводящее оборудование), которые необходимы почти во всех приложениях, реализующих CIM.
Пакет Topology (топология), расширяя пакет Core (ядро), описывает связывающие узлы для соединения объектов из пакета Core при помощи объектов пакета Wires (провода).
CIM и вэб-сервисы
Веб-сервис стал одним из самых популярных способов для интеграции различных систем, поскольку он позволяет реализовать интерфейс на базе открытых стандартов. Внешние интерфейсы приложений определяются с помощью Web Services Description Language (WSDL, язык описания вэб-сервисов). Вэб-сервисы поддерживают документ-ориентированные WSDL, где сложные документы определяются с помощью общей модели/словаря, соответствующей области применения, например, Общей Информационной Модели CIM для электроэнергетических сетевых компаний. Вендоры Интеграции Корпоративных Приложений (EAI), также как и вендоры корпоративных приложений для таких компаний поддерживают данный подход интеграции.
Значение CIM-модели в практике ГИС
Существует несколько операционных и корпоративных систем, используемых сетевым энергетическим предприятием. ГИС стала единственным источником данных об активах и их бизнес-свойствах в такой компании. Для обоснования применения CIM и, в частности, интеграции ГИС с остальными приложениями, использующими CIM, стоит рассмотреть четыре системы, обычно использующиеся в энергетической сетевой компании.
ГИС эволюционировали из простой картографической системы на раннем этапе развития, предоставляющей визуальный интерфейс для данных без каких-либо возможностей для их анализа. Современные ГИС выполняют обычные запросы к базе данных и имеют возможность анализа информации с помощью различных пространственных атрибутов, таких как расстояние, близость, высота. Ещё одна особенность, которая отличает ГИС от простой базы данных, является её (ГИС) способность интегрировать информацию из различных источников на основе общего (пространственного) признака и обеспечивать её визуальное представление. Например, традиционная база данных энергетической системы может ответить на многие конкретные вопросы по системе распределения электроэнергии. Тем не менее, она может быть не в состоянии решать вопросы взаимодействия системы с окружающей средой. Другой пример – при планировании установки передающей или распределительной линии существуют определённые экологические, социальные и инфраструктурные критерии, необходимые для комплексной оценки ситуации. Функционал ГИС позволяет производить сбор данных социального, демографического характера, об окружающей среде, использовать инженерные данные из других систем и накладывать их на существующую модель распределительной сети. Взаимодействие ГИС с общими корпоративными системами сетевой энергетической компании (SCADA, OMS, DMS, MWM, ЕА и WAM) иллюстрирует рис. 2.
Рис. 2. Схема взаимодействия ГИС с общими корпоративными системами.
SCADA используется для мониторинга текущего состояния энергопотока и управления удалёнными устройствами. OMS и DMS часто интегрированы с системой SCADA и поддерживают сетевую топологию в реальном времени. Кроме того, OMS подключена к информационной системе потребителя, чтобы получать информацию о клиентах и их местоположении. ГИС и OMS часто интегрированы с системой управления мобильными бригадами (MWM) для обеспечения доступа в полевых условиях к данным об энергетических объектах и к нарядам на работы в режиме времени, близком к реальному. ГИС также интегрируется с системой управления работами и активами, что позволяет контролировать проектные параметры строящихся и готовых объектов без отрыва от проведения работ. Поскольку все системы связаны друг с другом, распределительной сети требуется множество адаптеров для организации обмена данными между системами (рис. 3).
Рис. 3. Информационный обмен между приложениями.
Рис. 4. Зависимость стоимости разработки энергетической системы и владения ею от количества подключений без применения и с применением CIM-модели (ряд 1).
Это означает, что сетевому энергетическому предприятию для N систем может понадобиться 0.5*N2 адаптеров. Даже если Интеграция Корпоративных Приложений была проведена с помощью Корпоративной Сервисной Шины, в случае отсутствия CIM каждый ГИС-адаптер к внешней системе должен быть уникальным. Общий язык сэкономит время, затрачиваемое на разработку адаптеров и отображение данных на карте (рис. 4).
Есть ли необходимость в стандартном ГИС-интерфейсе
Сетевые энергетические системы имеют очень объёмные информационные модели и, как следствие, требуют отслеживания и учёта многих других компонентов системы. Модели данных в таких сетях также большие по размеру, вмещают в себя от 500 000 до 10 000 000 объектов. Сложность привносит и множество различных взаимодействий между системами. Например, для эффективного управления поставками электроэнергии своим клиентам DMS нуждается в объединении информации о потребителях, данных ГИС, систем управления отключениями и технической поддержки, а также многих других приложений. В дополнение к большому объёму информации и широкому кругу различных потребностей изменения в информационных системах энергетических сетей происходят намного чаще, чем в передающих сетях. Есть постоянные изменения, которые должны отслеживаться наравне с модификациями в области эксплуатации/управления энергетическими сетями.
Масштабы и сложность данных, необходимых для управления энергосетью, дают основание для создания собственного стандарта. Как и большинство Систем Управления Распределением (DMS), их подсистемы и соответствующие им наборы данных часто управляются программными пакетами различных производителей. Это является проблемой для эффективного информационного обмена между подразделениями. Для разработки и реализации отлаженной корпоративной информационной системы сетевой энергетической компании требуется стандартизованная модель данных для энергетических сетей. Данный стандарт представляет собой цель для разработки и организации взаимодействия программного обеспечения. Он также интегрирует техническую часть, инжиниринг с бизнес-функциями.
До недавних пор считалось, что ГИС-интерфейс с ЕА, OMS или DMS не осуществим с помощью связующего ПО из-за больших объёмов данных. CIM жёстко не устанавливает, каким образом приложения обмениваются данными или какой конкретно протокол применяется для передачи данных. Но использование передачи данных, основанной на CIM, значительно облегчает трудности отображения объектов каждого класса и их атрибутов, смоделированных в ГИС.
CIM и ГИС-модели данных сетевой энергетической компании
Географические модели данных представляют собой модель реального мира, которая использует набор данных об объектах и выполняет функции отображения, запросов, редактирования и анализа. Поставщики ГИС предложили конкретные модели данных для различных областей, поддерживающие объектно-ориентированные базы геоданных.
Типовая модель базы геоданных предлагает набор географических объектов с описанием их поведения и отношений в ГИС-контексте и предназначена для моделирования электроэнергетических объектов системы распределения. Она облегчает задачу моделирования объектов в ГИС, но когда дело доходит до обмена данными с другими приложениями, она по-прежнему требует интерфейсов на стороне потребителя и конвертирования данных из-за различий в соглашениях о наименовании объектов.
ГИС-модель данных на базе CIM повышает качество данных и улучшает интеграционные процессы путём использования объектов реального мира и заданных отношений между ними. CIM является универсальной моделью, включающей также географическую информацию для поддержки широкого спектра пространственных отношений между объектами и описания их поведения.
CIM использует язык графической разметки (GML) и масштабируемую векторную графику для моделирования пространственных данных. Вместо определения нового стандарта обмена географическими данными, CIM по-прежнему ориентирована на моделирование в области сетевых энергетических систем за счёт использования хорошо поддерживаемых форматов, такие как GML, который в настоящее время соответствует стандарту ISO. При этом, не определяя графические стандарты внутри CIM, сетевые энергетические компании имеют возможность применять CIM совместно с широко распространёнными технологиями и продуктами без каких-либо ограничений на географические данные.
Модель CIM связности сети
Наиболее важным аспектом геопространственной базы данных является не только способ хранения информации об активах, но и поддержание топологии распределительной сети в базе данных. Системы OMS, DMS и ЕА используют ГИС для получения точной топологии сети. Поэтому важно рассмотреть возможности CIM для моделирования связности элементов сети. Связность сети определяет, как электрические устройства физически соединены между собой, а топология представляет собой логическую схему подключения устройств.
CIM моделирует связность с помощью классов из пакета Топологии и класса Терминал. Обычно CIM использует несколько классов для моделирования взаимосвязи элементов. Всё связанное токопроводящее оборудование (ConductingEquipment) имеет 0, 1 или много, т.е. n Терминалов (Terminals), которые связывают его с другими элементами. Каждый терминал может быть связан с ConnectivityNode («Узлами Соединения»), которые представляют собой точки, где терминалы подключённого оборудования соединены между собой с нулевым сопротивлением. ConnectivityNodes не являются реальными ресурсами энергетической системы, это виртуальные узлы, которые существуют исключительно для целей моделирования. Поставщик ГИС предоставляет собственную модель данных, использующую подобную концепцию соединительных узлов, и обозначает их как Узел, Соединение или Соединительный узел. Элементы токопроводящего оборудования, как правило, имеют 1 или 2 терминала; для соединения их друг с другом необходимо создать объект «ConnectivityNode» и затем связать соответствующее терминальное оборудование с созданным ConnectivityNode. Связки «Conducting Equipment-Terminal» и «Terminal-ConnectivityNode» описывают связность реальной сети энергосистемы. В противоположность ConnectivityNodes, напоминающих статические объекты, TopologicalNodes («Узлы Топологии») используются для моделирования динамической части данного соединения. TopologicalNode может включать от 0 до nConnectivityNodes, которые связаны посредством закрытых переключателей или других типов переключающей аппаратуры и распределительных устройств (рис. 5).
Рис. 5. Диаграммы связности сети.
Вполне возможно, что внутренняя ГИС-модель подключений не будет идентична CIM-модели. В этом случае адаптер будет усовершенствован до возможности конвертирования соединительных узлов ГИС-системы в соединительные узлы CIM.
Использование CIM совместно с моделями данных ГИС
Одним из основных препятствий, с которым сталкиваются энергетические сетевые компании при разработке интерфейса на основе CIM, являются специфические особенности ГИС-модели данных. Приложения вполне могут иметь собственные ГИС-модели в качестве внутренней модели данных. Настройка внутренней ГИС-модели данных исключительно для целей использования CIM в качестве корпоративного интерфейса может повлечь чрезмерные затраты. Использование CIM в качестве внутренней модели данных, а также для взаимодействия с другими приложениями является предпочтительным (рис. 6).
Рис. 6. Пример CIM-модели: модель данных ArcGIS для электроэнергетических сетевых компаний.
Этого можно достичь за счёт создания единой унифицированной логической модели, которая определит общие понятия и словарь для использования в интерфейсе как для ГИС, так и между другими корпоративными приложениями. И тут может помочь инвентаризация ГИС-интерфейсов, документирование существующих бизнес-процессов и описание передачи данных.
По результатам проведённой инвентаризации процессов передачи данных энергетическая сетевая компания должна разработать логические модели для каждого ГИС-интерфейса, например ГИС-OMS, ГИС-EA и т.д. с помощью существующих наименований компонентов и их атрибутов. Затем индивидуальная логическая модель должна быть приведена в соответствие с классами и атрибутами CIM. Описание элемента, его атрибутов и вариантов его использования, сделанное во время сбора данных, позволит разработчику модели определить соответствующий CIM-класс и атрибуты.
Во время описания существующего компонента/атрибута можно не найти соответствующий CIM-класс или атрибут. В таком случае есть три варианта решения:
- использовать один из универсальных классов CIM;
- создать специфическое для сетевой энергетической компании дополнение;
- предложить дополнить исходную CIM-модель.
Отдельные логические модели должны быть объединены, чтобы создать единую модель интерфейса. Во время такого объединения избыточные и повторяющиеся элементы и атрибуты, участвующие в передаче данных, будут удалены. Например, объединение логической модели передачи данных ГИС-OMS и модели передачи данных ГИС-ЕА может иметь много дубликатов объектов и атрибутов, относящихся к оборудованию и топологии энергетической системы. В объединённой модели такие дублирующиеся объекты будут удалены.
Единая логическая CIM-модель, полученная на основе существующего интерфейса ГИС, может быть импортирована в CIMTool (CIM-инструмент) для определения сообщений и содержания сообщения. CIMTool – это инструмент с открытым кодом, предоставляемый cimtool.org для чтения и объединения CIM и локальных UML-моделей. CIMTool может быть использован для создания и редактирования определения интерфейсного сообщения и генерации XML-схем (XSD) и языка описания web-сервисов (WSLDL) для интерфейсных сообщений.
Энергетическая сетевая компания может использовать созданные с помощью CIMTool WSDL и XSD для разработки интерфейсных адаптеров между ГИС и другими корпоративными приложениями. Поскольку существующие ГИС-объекты и их атрибуты были сопоставлены с CIM-классами и атрибутами, сетевой энергетической компании потребуется разработать только один внутренний адаптер для сопоставления ГИС-объектов и атрибутов с соответствующими атрибутами и объектами CIM, что уменьшит количество пользовательских адаптеров. Тут есть несколько сценариев.
Шаблон сообщения.Энергетическое сетевое предприятие может развернуть Корпоративную Сервисную Шину, которая будет использовать WSDL и различные шаблоны сообщений для обмена сообщениями между приложениями.
Широковещание. По данному сценарию ГИС высылает сообщение для одного получателя без какого-либо ответа от него.
Широковещание – многократно принимающие конечные точки (публикация/подписка).В данном шаблоне сообщений ГИС транслирует сообщение для нескольких получателей, а приложение-получатель подтверждает получение сообщения. Например, если ГИС-пользователь разбивает линейный объект-провод и вставляет новое устройство, к примеру, предохранитель или выключатель, то эти изменения отправляются в ГИС-базу мастер-данных и потом в систему ЕА. Приложения OMS и DMS получат сообщение, содержащее эти изменения, и подтвердят доставку сообщения.
Запрос – Извлечение. В шаблоне сообщения Запрос/Извлечение (Request/Retrieve) одно приложение посылает короткое сообщение (с запросом) для другого и получает ответное сообщение, как правило, большего размера из-за содержащихся в нём данных. Например, OMS может запросить все изменения, внесенные за последние 7 дней, и ГИС предоставит данные обо всех добавлениях, обновлениях и удалениях в течение последних 7 дней.
Шаблон Execute/Retrieve (Исполнение/Извлечение) – это, фактически, удалённый вызов процедуры для выполнения процесса в удалённом режиме. Ответ будет предоставляться в виде сообщения об успешности или неуспешности исполнения процесса. Например, OMS может отправить сообщение, чтобы изменить состояние всех объектов с определённым идентификатором наряда на работу с «планируемого» до «выполняемого».
Преимущества использования CIM
Общая Информационная Модель (CIM), учитывающая основные бизнес-процессы, улучшает понимание того, как данные используются, и приводит к улучшению производительности. Информация, содержащаяся в модели, улучшает исходную модель данных и упрощает её постоянное обслуживание. В конечном счёте, интеграция на базе CIM может быть выполнена независимо от внутренней модели данных. Объектные CIM-модели являются открытыми и публикуются комитетами по стандартизации. Их создание было следствием достигнутого консенсуса между вендорами и сетевыми энергетическими компаниями, так что CIM не ограничивает использование какого-либо определённого приложения и поддерживает полный спектр приложений для области сетевых энергетических сетей. Это позволяет сетевым энергетическим компаниям свободно выбирать приложения, системы и устройства от различных производителей и организовать их взаимодействие.
CIM облегчает понимание приложениями информационного обмена за счёт:
- облегчения решения интеграционных проблем;
- требования только одного преобразование данных для каждого приложения;
- устранения препятствий, связанных с собственностью;
- повышения доступности информации;
- организации критически важных данных;
- универсальности технического языка, на котором «говорят» сетевые энергетические компании.
В целом, использование модели данных на базе CIM для интеграции приводит к уменьшению дублирования информации и количества ошибок при вводе данных. Но основное преимущество CIM-модели – это база для Smart Grid.
Программные средства перехода к SMART-технологиям
Количество программных продуктов, облегчающих перевод имеющихся на сетевом энергетическом предприятии данных в соответствии с CIM-моделью, довольно велико. Таковым, например, является CIMSpy EE, получивший в 2011 г. специальную премию Министерства энергетики США.
CIMSpy EE является прикладным инструментом на базе CIM, предназначенным для решения задач информационной интеграции и управления требованиями в электроэнергетике. Построенный как корпоративное приложение на вэб-основе, CIMSpy EE предоставляет набор инфраструктурных и программных модулей, которые могут быть собраны и настроены для удовлетворения проектных нужд в различных областях применения CIM, начиная от обмена моделями на основе стандартов и простого моделирования и заканчивая визуализацией модели энергетической системы и эксплуатационных условий. CIMSpy EE выполняет конвертацию «плоских» CIM/XML-документов в различные иерархически организованные модели, позволяя пользователям изучать загруженные CIM-модели с разных точек зрения и в разных форматах: от табличного до графического представления (рис. 7). Поддерживается навигация между этими представлениями и многие другие возможности для облегчения просмотра компонентов модели. Краткая презентация по CIMSpy доступна на www.powerinfo.us/opensource/CMUGPresentation.pdf.
Рис. 7. CIMSpy: различные представления CIM-модели.
Почти каждый проект, связанный с CIM, требует расширения и дополнения стандартной CIM-модели для удовлетворения специфических проектных требований. CIMSpy EE полностью поддерживает расширения CIM, включая просмотр и проверку расширенной CIM-модели. Он делает данные ваших CIM-моделей и услуги доступными всей организации в любое время через интранет или безопасные соединения интернета посредством веб-браузера. Задуманный как распределённое веб-приложение, CIMSpy EE может быть подключён к CIM-совместимой базе данных и служить в качестве инструмента поддержания актуальности модели, пользователи могут изменять или редактировать модель и обновлять централизованное хранилище данных CIM по мере поступления изменений.
Подобные решения предлагает и ряд бизнес партнеров компании Esri.
Влияние моделирования
В КНР предложена практическая технология моделирования, базирующаяся на CIM-модели. Географические, демографические и производственные особенности Китая отчасти похожи на Россию: большое число малонаселённых и “трудных” регионов (в КНР – Тибет, Внутренняя Монголия и т.п., в России – Сибирь, Якутия и т.п.); основное население сконцентрировано на относительно компактных территориях (в КНР – Северокитайская равнина, в России – Европейская часть); большое географическое разнообразие и протяжённость с севера на юг и с запада на восток. Данные особенности диктуют и построение электрической сети и её модели.
В КНР, как и в Российской Федерации, электрическая сеть разбита на региональные сети (КНР – 5 регионов, РФ – 7 регионов). Поэтому, фактически модели локализуются по этой методологии на регионы. При этом преследуются две цели: локализация технического обслуживания и общесистемный обмен. Естественно, что модель может быть объединена с другим регионом и может быть объединена и обновлена по принципу «подстанция за подстанцией». Как в данной архитектуре работают CIM-модели от подстанции до объединённого диспетчерского центра показано на рис. 8.
Рис. 8. Решение Strong Smart Grid (КНР).
Построенная в КНР подсистема ГИС (GIS) для сетевых энергетических предприятий носит символическое имя Grid Information System – информационная система Grid.
Заключение
Сетевые энергетические компании используют различные системы, которые зачастую должны быть интегрированы. Это может быть необходимо по двум основным причинам: устаревшие системы должны быть интегрированы с системами новых производителей; или должен быть организован обмен данными между двумя ранее не связанными системами. Это приводит к необходимости стандартизации обменного формата, позволяя концентрироваться не на адаптерах, а на логике приложений и процессов. Общую Информационную Модель (CIM) можно рассматривать как прагматичный и стандартизированный подход для определения формата обмена данными. Будучи в состоянии описать CIM-объекты с помощью серийного формата XML, можно легко обмениваться информацией посредством современных интернет-стандартов.
Используя процедуры управления конфигурацией (как это принято для управления релизами программного обеспечения), сетевая энергетическая компания может расширить свою собственную версию базовой CIM для соответствия своим уникальным требованиям. Данный подход, основанный на CIM, имеет дополнительные преимущества: 1) нейтральная основа для достижения соглашения между внутренними и внешними организациями; 2) предоставление универсальной модели, позволяющей объединить информацию из множества отдельных проектов для совместной согласованной работы на единой основе при переходе компании к Smart Grid.
В недавно вышедшем стандарте IEEE 2030-2011 ситуация с моделями трактуется следующим образом.
Правильно определенная модель данных не только содействует обмену информацией и корректировке традиционных программ, но также может помочь во внедрении требований безопасности и производительности. Наличие моделей данных в архитектуре системы часто свидетельствует о правильном процессе управления, содействует использованию данных множеством приложений путем установления общей семантики. Например, информационная модель IEC Technical Committee 57 (IEC TC 57) Common Information Model (CIM) (IEC 61970 [B7]) обеспечивает функциональную совместимость обмена данными путем использования стандартизованных объектных моделей, предоставляющих семантические (абстрактная информационная модель), контекстные (профили для стандартизации) и синтаксические (схемы или сообщения) представления элементов информации, используемых в инфраструктуре Smart Grid. Однако в типовой информационной модели CIM могут быть некоторые противоречия, и она может охватывать не все аспекты. С другой стороны, серии стандартов IEC 61968 [B6] позволяют осуществлять обмен информацией между приложениями среди распределенных программных прикладных систем, поддерживающих управление электрическими распределительными сетями энергокомпании в среде ее производственных систем. Эти серии основаны на использовании определений CIM, нормативных структур сообщений, параметров и информативных рекомендаций вместе с примерами.
Другие спецификации обеспечивают описания услуг и спецификации протоколов для электрических измерений, обмена данными для чтения показателей счетчиков, тарифов и контроля нагрузки. На уровне выше модель играет более важную роль, чем техническая реализация данных. В отношении хозяйственной деятельности хорошая модель данных улучшает возврат капиталовложений Smart Grid, позволяя большему числу приложений использовать данные и повышая их ценность для новой аналитики, которая может анализировать информацию нестандартными методами.
В процессе создания и манипулирования моделями данных также широко используются онтологически обоснованные стратегии, поскольку они позволяют выполнять быстрый экспорт или преобразование в XML (Extensible Markup Language) или UML (Unified Modeling Language), обеспечивая высокий уровень функциональной совместимости. Данные используются мало или вообще не используются, если их смысл нечеткий. В контексте одного приложения разработчики стараются обеспечить четкий смысл данных в различных пользовательских интерфейсах, однако при передаче этих данных в еще одну систему (другой контекст) их смысл часто теряется. Онтологии становятся все более распространенным способом обеспечения модели данных с формальной семантикой на основе более общего понимания, чем чтение машиной. Онтологии часто пишутся на языке описания онтологий OWL (Web Ontology Language), который является расширением XML и позволяет выражать классы (т.е. типы) и подклассы, взаимосвязи с областями и диапазонами, а также другие характеристики, включая симметрию, несвязность и транзитивность (например, если a равно b, а b равно c, то a равно c). Совместимость данных и дедупликация могут играть важную роль в комплексных предприятиях, где нескоординированная разработка систем может привести к ограничениям независимого именования данных; однако оборудование, к которому они относятся, является четко неизменным. Онтологии позволяют быстро добавлять новые типы и взаимосвязи по мере развития области, а также позволяют выполнять более интеллектуальный контекстный поиск. Кроме того, онтологии позволяют подразумевать информацию из существующей базы знаний без необходимости в ее явном выражении. Еще одно преимущество состоит в том, что сложные политики, написанные для онтологии, могут оцениваться на основе условий и инициироваться при обнаружении операционных условий, выраженных в политике. Более того, явное представление смысла, обеспечиваемое онтологией, формирует привязку для смысла или основу для общего понимания необработанных данных.
Таким образом, ситуация с моделями данных для энергетических компаний начинает напоминать классическое высказывание Льва Толстого: «Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему».
Литература
- Билл Михан. ГИС: новая энергия электрических и газовых предприятий. Издание DATA+ (перевод книги «Empowering Electric and Gas Utilities with GIS», Esri Press)
- Neumann Scott, DeVos Arnold, Widergren Steve, Britton Jay. Use of CIM Ontology (Использование онтологии CIM)
- Lambert Eric, Robinson Greg. Building the Business Case for Addressing Semantics in Application Integration (Экономическое обоснование для решения семантических проблем при интеграции приложений)
- Uslar Mathias, Schmedes Tanja, Lucks Andreas, Luhmann Till, Winkels Ludger, Appelrath Hans-Jürgen. Interaction of EMS related systems by using the CIM standard (Взаимодействие EMS-систем с использованием стандарта CIM)
- Моделирование электрического распределения – Esri
- Enterprise GIS and the Smart Electric Grid – An Esri White Paper (Корпоративные ГИС и интеллектуальная электрическая сеть)
- Smith Philip Hartley. An Integration of Engineering Analysis and Geographic Information Systems (Интеграция систем инженерного анализа ЕА и ГИС)
- Popovic Dragan, Varga Ervin, Perlic Zvezdana. Extension of the Common Information Model with a Catalog of Topologies (Расширение CIM с помощью Каталога Топологий)
- Goodrich Margaret. Focus on the Common Information Model (CIM) and its Specification (Фокусирование на CIM и её спецификации)
