資源描述框架語義網視角下的智能電網模型

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.南京工程學院，南京 211167)

1 問題的提出

數據集成是智能電網發展的必然要求，數據共享是避免智能電網中出現“信息孤島”企業級的必然趨勢。在異構的信息系統之間，數據的交互往往來自不同的渠道，系統間的數據內容、數據格式存在著明顯的差異性，難以實現數據的無縫對接。由于數據對接存在著天然的異質性，會直接導致信息丟失而造成災難性后果。這種數據對接的異質性嚴重阻礙了信息交流的通暢與準確。為了改善這個局面，利用數據集成的方法在各種數據之間架起信息溝通和交換的橋梁已經越來越引起人們的關注。

目前最常用的方法是使用可擴展標記語言(XML)作為數據集成的工具。雖然XML已經有了各種版本的解析器，但是XML書寫的隨意性使得文件中的詞匯不具有通用性，必須同時擁有一個處理器來處理詞匯的語義。很顯然，這些程序之間并不存在互換性和通用性。XML的設計初衷是以平面性的樹狀結構完成信息的分層次存儲，難以滿足信息系統語義交流的要求。為此，萬維網聯盟(W3C組織)提出了新一代的XML格式——資源描述框架(RDF)。 RDF是在XML樹狀結構的基礎上加以擴展而形成的語義Web的解決方案。這種新型的數據結構將XML的樹形模型推廣到圖狀結構——將單一的層次節點轉換為節點間的通路來描述信息的交互。RDF中節點繼承了XML中的節點的性質，并使用連接弧描述了節點的屬性。因此，RDF不僅將節點的性質進行了描述確定，并進一步規范了節點向節點之間遷移時候的基本規范。這意味著RDF是一個簡單的二元標準謂詞關系。關系范式理論指出，任意復雜的關系必定是多個簡單的二元關系的聚合，因此，RDF的數據模型具備了解釋足夠復雜關系模型的理論基礎。

2 RDF資源描述框架與語義網

2.1 基本概念

RDF是一個用于表達關于網絡資源信息的語言。RDF是一種元數據描述框架，它起初的設計目的是為了給Web資源添加統一的命名標識(如頁面的標題、作者以及版權信息等)。然而，隨著互聯網資源的概念泛化以后，RDF被視為可以用于表達任何能在Web上定位的事物和資源。RDF通過將數據信息的語義化后，能夠在不同的應用程序間交換信息，從而成為新一代的Web語義網的通用框架。

RDF可以被視為一種圖狀結構的數據交換的語義框架：用統一資源定位符(URI)來確定網絡事物，用簡單屬性來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點和連接弧組成的圖，其中的節點和弧確定了互聯網的資源和屬性，這意味著節點成為了攜帶信息的語義個體。

正是由于節點成為了攜帶信息的語義個體，只要將這些語義信息使用一定的動作就可以完成信息的流動?？尚行杂嬎阍碇赋?，一套謂詞(RDF中的節點)+謂詞演算規則(RDF中的陳述)=邏輯自洽的信息推演系統，這為RDF奠定了可行性的計算基礎，還意味著RDF不僅能夠完成信息的標識，還能夠完成信息的流轉和推送。當RDF框架與具體的商務邏輯結合在一起時，就具有了切實解決行業問題的能力，為此作者列出一個典型的電網語義模型，該模型使用了地理信息作為Entity(實體)，這樣，實體中的各個信息都攜帶了類型、時間等信息，從而擴張了實體的語義功能。進一步來說，可根據地理層級將子站作為區域的子類，這樣的層級信息也自然歸屬到了控制權限之中，為進一步處理信息奠定了語義基礎。

2.2 結構化數據與面向對象的語義差距

目前信息系統的應用開發模式“數據庫操縱語言+宿主語言”被廣泛使用，但它存在一些缺點，例如：結構化查詢語言(SQL)是基于關系數據庫的查詢語言，其操作對象是一個數據集(關系)，而與之相關的宿主語言(如C語言)每次卻只能處理一個數據記錄(元組)，且兩者支持不同的編程風范和數據類型，這就是數據庫操縱語言和宿主語言的阻抗不匹配問題。阻抗不匹配是企業信息應用中的嚴重問題，高達25%～33%的開發時間浪費在努力將對象擠壓進關系型的持久化。這是因為在關系數據模型的設計中，必須遵循關系型數據的三大范式。

在第1范式中，內容相似的數據列必須消除，這就意味著在信息系統的數據存儲中，必須為每組相關數據分別創建一個表，同時，每條數據記錄必須用一個主鍵來標示。在第2范式中，只要數據列里面的內容出現重復，就意味著應該把表拆分為多個表，在拆分形成的表必須用外鍵關聯起來。在第3范式中，與主鍵沒有直接關系的數據列必須消除，在第3范式的基礎上，數據庫的設計具備完備性的語義和邏輯自洽。

為了滿足設計數據庫的需求，在面向對象的語義中，就要求用戶必須學會完成這2種語義的適配，并掌握兩者間的連接規則，即：第1步，每個持久對象映射一個表并且每個持久對象必須有一個主鍵，這就完成了數據庫的第1范式的要求；第2步，持久對象要有內聚性，冗余的內容拿出去，單獨創建持久對象，并且用外鍵關聯持久對象之間的關系，這就完成了第2范式的要求；最后，持久對象要有內聚性，單獨創建持久對象，這就完成了第3范式的要求。

特別需要說明的是，對象模型當中特有的“繼承”“組合”“聚合”“依賴”的概念在關系模型當中是不存在的，這就要求設計者在異構系統中，將這些概念統一起來。

3 基于RDF的智能配電網模型的實現與應用

下面以智能配電網設備模型為例，說明RDF框架的面向對象的設計與運用。開閉所(SwitchingStation)又稱開關站,是為了便于分配同一電壓等級的電力而在線路中間設置的配電設施。斷路器、負荷開關、電流互感器、電壓互感器、母線是開閉所的基本結構單位。顯然，開閉所也是一種配電網的實體,將它作為設備容器(EquipmentContainer)的一個子類,從而繼承了EquipmentContainer與設備(Equipment)之間的聚集關系，開閉所模型如圖1所示。

圖1 開閉所模型

開閉所10 kV母線一般有單母線、單母線分段和雙母線等接線方式，為了在類開閉所體現母線的接線方式,在固有屬性中加入BusbarConnectionType來描述母線接線方式。開閉所是一組設備的集合,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，因此，應該在固有屬性中增加能描述出線數量的屬性OutletNumber。

很明顯會發現開閉所模型有一個共同的抽象父類EquipmentContainer。在傳統的信息系統開發中，為了盡可能實現系統的完備性，在系統設計中，傾向于盡可能窮舉設備和結構，其結果將直接導致類數量的迅速膨脹，必然為后期開發帶來龐大的工作量，也不利于后期維護的便利性。對此，只要能夠刻畫出開閉所的一般特征，就應當視為完成了類的概要設計。對此，在設計中分離了開閉所的屬性和作用，以便于開閉所對象的邏輯抽象。表1展現了開閉所的固有屬性，表2則列舉了開閉所的固有作用。

表1 開閉所的固有屬性

表2 開閉所的固有作用

類的封裝是為了隔離對象的異質性，類的抽象是為了封閉對象的同質性，具有高度一致的屬性和功能的集合才是真正的類?？疾扉_閉所模型的業務邏輯可以發現，通過將接線方式劃分為單母線，將單母線分段劃為雙母線以后，系統已經可以滿足開閉所的10 kV母線的完全覆蓋。如果單一設計這些子類，會使得對象的種類和數量迅速增加，對象間結構過于復雜。這違反了單一職責原則——一個對象應該有且只有一個引起它變化的原因。因此，可抽象出SwitchStation作為抽象類，將母線類型作為依賴關系加入對象結構。這樣的設計完成了面向對象系統中高耦合、低內聚的要求，將對象的同質性進一步提升和充實。其中斷路器(Breaker)、母線站(BusbarSection)和負荷開關(LoadBreakSwitch)是具體的實現細節。根據面向對象語言的語法規定，這些子類完全實現了抽象接口的方法，從而保證了異質性的分離——子類具有獨特的行為和能力。這些具體功能被子類所細化和擴展，子類在父類的通用屬性基礎上，通過泛化進一步衍生出父類所不具備的能力。這些新擴展的功能則體現了新生對象的異質性。這種既兼顧了對象的同質性，又擴展了對象的異質性的策略將極大地增強系統的靈活性和擴充性：系統依賴于接口，父類具備了共性，子類負責具體的實現策略。

4 結論

傳統的Web數據交換中由于缺乏統一的數據交互標準，數據在傳輸過程中往往面臨著信息損失的困境。面向對象系統在設計過程中，由于對象本身的語義特征使得人們希望能夠在Web中直接交換對象以解決語義問題，因此，可從對象設計入手，確定出具有業務邏輯意義的實體類。這些類描述了不同的設備、介質、物件等配電網實體，將這些信息結構結合起來，就形成了一個完整的配電網的對象結構體系。

在配電網模型實現的過程中，基于通用設備的梳理，首先將設備信息羅列展開，接下來使用RDF方法，將這些抽象數據類型轉換為語義對象。抽象出的實體同時附帶了語義信息，更為重要的是，這些實體通過RDF的作用和狀態轉換的方法，將完成語義信息的傳輸與共享。因此，在實施配電網建模的過程中，通過規范設備，切合語義邏輯，就可以完成異構數據的統一模式，對于提高智能電網的信息自動化水平具有實際意義。

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