基于MongoDB的电网信息三维可视化系统数据管理∗

李 巍 孟令愚 郑善奇 张靖欣 于 海

（1.国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司 沈阳 110000）（2.国家电网公司东北分部 沈阳 110000）

1 引言

在我国经济、技术不断进步的背景下，智能电网建设稳步推进，其中，十分关键的便是构建一个高度集成的电网信息系统。通过该数据系统，一方面可以为电网运营机构提供更加有效的发电、输电、售电平台，提升其运行效率，另一方面可以为电网公司进行信息深度开发、提升资源使用效率创造更加有利的条件［1～2］。当前，电网硬件建设取得很多成就，在综合布线、消防安保、空气调节以及建筑电气等方面都形成较高标准。然而，在信息机房管理方面还存在很多缺点，比如，对于运行数据，仍然采用表格文档，这一方面造成人力资源浪费，另一方面也在客观上导致数据管理陷入混乱；同时，也会影响数据中心扩展性、安全性。从这个角度来看，亟需创建一套更加有效的电网数据管理系统。通过该系统，不仅便于用户操作，而且能够更加直观了解设备运行状态，并实现设备远程控制［3～5］。

三维可视化技术逐渐成熟，并且在诸多领域获得成功运用。如果能够将该技术运用到电网信息系统管理中，构建起成熟的三维可视化数据管理系统，不仅能够快速、准确地对电网设备进行三维化，而且还可以呈现出复杂设备之间的拓扑结构；在提升信息生动性的同时，也便于数据中心对设备设局进行深入分析和挖掘，从而提升设备管理效率［6～8］。本研究中，提出运用MongoDB数据库技术对电网设备信息系统进行三维化改造，采用B/S模式来实现人机交互、远程控制和跨数据指令访问。通过该相关研究，希望可有助于降低电网数据系统开发、运行成本，提升数据集成性能，强化数据处理深度并增加其安全性。

2 非关系型数据库MongoDB的运用

2.1 数据改写测试

在电网运行过程中，会产生大量实时数据，对数据存储和访问提出较高要求［9］。在数据插入时，若单位数据耗时为T1，1万条数据耗时为T2。对三维可视化系统数据管理而言，如果要有效运用MongoDB，须满足如下不等式：T2

2.2 信息读取测试

如图2所示，为数据读取测试中数据量-响应时间变化情况。由图2可知，随着查询数据量增加，响应时间持续变大。当数据量增加至10万条时，响应时间达到20ms；当数据量增加至20万条，响应时间达到40ms；当数据量增加至40万条，响应时间超过80ms；当数据量增加至50万条，响应时间超过100ms。可见，二者呈现出近似正比关系，但非严格正比关系，存在一定抖动特征，之所以出现这种现象，可能受数据结构复杂性、MongoDB索引效率等因素影响。

图1 Mongo DB数据改写测试

图2 Mongo DB信息读取测试

综上，在电网信息三维可视化系统数据管理方面，作为一种信息存储介质，MongoDB在数据插入、数据读取和数据改写方面具有适当伸缩性能，可用于系统数据实时处理。

3 电网信息三维可视化系统数据管理的实现

3.1 三维建模平台

如图3所示，本研究所开发三维建模平台包括如下两个基本部分［10～12］：1）模板参数库建模，包括选择规则几何元模板、确定数据库模板参数、模型贴图等；2）专业三维模型绘制软件，包括构建三维模型、匹配材质与光线、输出模型文件等。上述两部分所生成文件，最终将本地上传至服务器中断。

3.2 三维模型库管理

在三维可视化系统数据管理过程中，由于会将数量较多的模型置于服务器，可能带来一些混乱，为此须构建专门模型库管理方案［13～14］。如图 4 所示。根据模型文件类型差异，该方案包含三个部分［15］：1）原件库管理，包括原件类别设定、原价可视化管理、原件属性管理；2）模板库管理，包括模板类别管理、模板可视化管理、模板原价信息管理等；3）场景库文件管理，包括场景文件管理、场景信息管理等。

图3 三维建模平台

图4 三维模型库管理方案

3.3 场景视角管理

在场景视角管理方面，在Twaver 3D软件中，可以设置如下三类视角：

1）自由视角。通过默认视角，用户可以查询和调阅所有设备的三维信息。

2）巡视视角。通过该视角，用户能够进入系统门禁，并且通过操作键盘来实现向前（按W键）、向后（按S键）、向左（按A键）以及向右（按D键）移动；如果要进入跑动状态，可以通过长按W键来实现。

3）悬浮视角。通过该视角，可以获得电网机房的三维全景图，并且自动旋转，便于用户直观读取信息。

3.4 空间规划管理

在实施空间规划管理过程中，将机房和站点视为基本要素，其以排位单位摆放或者设置，这不仅便于确立相关要素的坐标，而且有助于用户对其进行快速定位。在管理中，某要素的位置可能发生变化，此时需要运用“排管理”来对坐标加以修正。如图5所示，为“排管理”流程示意图。由图5可知，该流程包含如下两个部分：

1）浏览器端处理流程，依次为进入“空间规划管理”菜单、配置“空间规划管理”选项、更新界面、生成并发送交互协议。在完成协议发送后，会进入服务器端。

2）服务器端处理流程，首先对是否接收到交互协议进行判断，如果确认接收到，进一步对该协议合法与否进行判断；如果确认未接收到交互协议，将返回操作状态。若交互协议合法，将对数据库进行修改，否则返回操作状态。在此之后，再次回到浏览器端，对操作成功与否进行判断，若操作成功，则结束处理；若操作未成功，需返回原界面。

图5 排管理的系统处理流程图

3.5 设备管理

3.5.1 设备上下架

为了确保电网信息系统与机房设备实际变动情况一致，须开通设备上下架功能。在具体操作过程中，该功能可通过如下两种方式加以实现：

1）手工更新

（1）设备上架。通过手工更新，如果三维元件库中缺乏某类设备，或者某设备需要升级，可通过手工更新上架新设备。如图6所示，为手工更新设备上架流程。由图6可知，手工更新流程可以分为如下几个基本部分：①从浏览器端进入添加设备菜单，可从服务器端获得空间布局数据。②根据空间布局数据，可在浏览器端选择设备所处位置，并从服务器端获得设备模板列表。③基于模板列表，在浏览器端选择某一个设备模板，可从服务器端获得该设备模板信息。④基于设备模板信息，在浏览器端完成界面更新，并配置设备属性信息。之后在服务器端对数据库进行相应修改。⑤在浏览器端对数据库修改操作是否成功进行判断，若操作失败，显示失败原因并返回原界面；若操作成功，则配置设备拓扑信息，并再次在服务器端对数据库进行修改。⑥再次判断数据库修改是否成功，若操作未成功，显示失败原因；若操作成功，更新界面，至此完成操作。

图6 手工更新设备上架系统运行流程示意图（无缓存）

（2）设备下架。与设备上架相比，设备下架流程更为简单，且主要在服务器端进行。相关操作主要包括如下环节：①用户对设备是否下架进行判断，并输入权限，通过浏览器端将下架指令发送至服务器端。②根据设备ID，服务器端会搜索相关信息，并完成设备信息删除操作。

在进行设备删除时，主要内容包括设备数量、三维状态、使用情况以及拓扑信息等。在完成删除操作后，该设备在三维场景不再得以显示。

2）XML文件导入

（1）设备上架。该操作包括如下基本环节：创建空间规划，为文件导入做好准备；填写设备基础资料、设备扩展、设备编号、设备所连接拓扑等属性信息；在上传XML文件后，会对问卷合法性进行判断，若通过验证，该文件会被服务器端，并完成数据库修改；否则，会显示失败原因，并返回操作。最后，服务器端完成设备接收，并对浏览器界面进行更新，可将新设备显示于三维场景。

（2）设备下架。通过XML文件导入的方式对设备进行下架操作时，与手工更新下架方式比较类似，主要有如下两点不同之处：其一，通过手工更新下架，单次操作中，只能对单台设备进行；通过XML文件导入，单次操作中，可下架多台设备；其二，如果通过手工更新方式下架，需要用户在浏览器端点击该设备，并将设备ID发送至服务器端。通过XML文件导入下架设备时，可选择路径更加多元，既可以通过编号确定设备，也可以通过属性组合或者设备名称来加以确定。

3.5.2 机柜使用率统计

通过统计机柜使用率，可直观了解设备部署情况、使用状态。统计工作与设备上架、设备上架功能紧密相关。当有新设备上架时，机柜使用率就会增大；相反，若有设备下架，机柜使用率就会变小。在统计过程中，采用EIA机构所推出U值标准进行，其中，1U=4.445cm。

3.5.3 信息故障告警

基于故障类型差别，可以将电网机房的信息告警分为如下几个等级：1）一级故障。故障发生后，系统可自动识别并修复，不需要用户介入。因此，也被称为预警故障。2）二级故障。故障发生后，如果用户不及时介入，可能造成轻微系统破坏，又被称为临界故障。3）三级故障。该类故障也被称为危险故障，会对系统造成严重破坏，需要立即进行系统维护，同时对数据信息进行检查、备份。4）四级故障，又被称为破坏性故障。若排除措施不到位或者存在瑕疵，可能引发灾难性破坏结果。

为了增加故障告警区分度，分别用绿色、蓝色、黄色和红色来表示一级、二级、三级和四级故障。对于机柜内部设备，为了能够快速定位故障端口，可以设置U值标签，根据标签数值来确定故障类型。

3.6 资源搜索

图7 高级资源搜索流程框架

由于机房内部设备数量多，如果需要快速寻找某资源，就需要创建高级搜索方式，如图7所示。由图7可知，高级资源搜索包括如下环节：1）用户在浏览器端选择高级搜索，服务器端在接收到指令后，会查找并返回设备类别信息。2）基于设备类别信息，浏览器端可选择设备类别，并从服务器端获得对应设备属性信息。3）浏览器端会显示属性信息，用户可选择高级搜索条件，并由服务器端获得满足条件的设备编号。4）浏览器端选择设备编号，并进行cache判断，若结果为真，可进一步进行场景匹配与否验证；若结果不为真，须查找并返回设备信息。5）在通过浏览器端进行场景匹配验证时，若通过验证，须显示设备，至此完成设备高级搜索；若未通过场景匹配验证，须再次进入cache判断。6）在第二次cache判断中，若判断结果为真，须加载三维场景，至此完成高级搜索；若判断结果不为真，须查找并返回场景信息。

4 结语

通过三维可视化技术，可显著提升电网数据系统管理效率、分析深度和设备运行安全性。基于MongoDB技术，在讨论其运用情况后，对如何实现电网信息三维可视化管理进行分析，得出如下几点主要结论：1）作为一种信息存储介质，MongoDB在数据插入、数据读取和数据改写方面具有适当伸缩性能，可用于系统数据实时处理，即信息系统三维化改造；2）根据模型文件类型差异，三维模型库包括原件库、模板库、场景库文件管理等三个基本部分；3）在三维可视化系统数据管理实现部分，场景视角管理、空间规划管理、设备管理以及资源搜索是最主要内容。其中，设备管理三维化是核心，需要分别从设备上下架、机柜使用率统计以及信息故障告警等三个角度展开。