電力領(lǐng)域信息建模技術(shù)研究

南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司 趙增濤 李定林 佘 俊 王小軍

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 趙 磊 唐 凱

一般將業(yè)務(wù)分析過(guò)程中的實(shí)體和約束條件稱為問(wèn)題域，業(yè)務(wù)復(fù)雜程度與問(wèn)題域呈正相關(guān)；對(duì)問(wèn)題域的建模需要建模語(yǔ)言具備良好的支持能力，能滿足對(duì)各種情形的概念約束。UML作為通用建模語(yǔ)言，其所包含的大部分概念都來(lái)自面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，而不是應(yīng)用系統(tǒng)的問(wèn)題域，這導(dǎo)致UML中的概念與問(wèn)題域這種的概念存在一定差距。因此很難借助UML滿足某些領(lǐng)域業(yè)務(wù)方面建模的需求，更傾向于針對(duì)特定業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)分析，強(qiáng)調(diào)從問(wèn)題域出發(fā)，設(shè)計(jì)適用于業(yè)務(wù)域的領(lǐng)域特定語(yǔ)言(DSL)。

設(shè)計(jì)DSL是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，從最開(kāi)始的模型抽象層級(jí)劃分、抽象語(yǔ)法設(shè)計(jì)，到形成建模驅(qū)動(dòng)框架，開(kāi)發(fā)專用建模工具完成對(duì)DSL理論的支撐；整個(gè)過(guò)程對(duì)模型設(shè)計(jì)人員是很大的挑戰(zhàn)，既要具備對(duì)問(wèn)題域的抽象能力，完成對(duì)建模的元素設(shè)計(jì)和語(yǔ)義法則定義形成建模理論；還要具備IT產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力，完成專用建模工具的功能設(shè)計(jì)。不過(guò)，領(lǐng)域特定語(yǔ)言（DSL）方法論提供了理論指導(dǎo)，模型設(shè)計(jì)人員只需聚焦于問(wèn)題域的復(fù)雜度，抽象出建模需求，然后對(duì)主流建模語(yǔ)言UML、MOF理論按需裁剪，便可完成基本的DSL理論雛形。然后基于DSL理論開(kāi)展專用建模工具的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)理論到應(yīng)用的落地支撐。通常開(kāi)發(fā)DSL的工具稱為元建模工具，設(shè)計(jì)DSL所建的模型稱為元模型，而建立DSL元模型并提供或生成支持DSL的建模工具的過(guò)程稱為元建模。

1 技術(shù)框架

1.1 MOF元數(shù)據(jù)體系

為規(guī)范元建模過(guò)程，更好的使用元模型和元數(shù)據(jù)技術(shù)，OMG組織制定了元對(duì)象設(shè)施MOF（Meta Object Facility）。按照抽象層級(jí)將模型劃分為四個(gè)層級(jí)，自上而下依次呈金字塔型分布M3、M2、M1、M0。元-元模型層（M3）：是對(duì)元-元數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義的描述，通俗說(shuō)就是定義建模的抽象語(yǔ)法，完成語(yǔ)言模型的刻畫[1]；元模型層（M2）：基于定義的抽象語(yǔ)法，完成對(duì)元-元數(shù)據(jù)的描述，由元-元數(shù)據(jù)非正式地聚合成為元模型；模型層（M1）：定義一個(gè)具體的系統(tǒng)模型，實(shí)質(zhì)上這個(gè)系統(tǒng)模型就是元模型的實(shí)例化；信息層（M0）：是系統(tǒng)模型在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用實(shí)例，反映真實(shí)世界的事物邏輯。

四層元數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)自下而上的抽象、自上而下的驗(yàn)證原則，能夠合理的設(shè)計(jì)框架。自下而上的抽象是指根據(jù)信息層的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)抽象出共性特征，并對(duì)這些特征概念化、規(guī)則化形成模型元素；然后根據(jù)現(xiàn)有的類和關(guān)聯(lián)向上抽象，概念提煉形成元模型，表征業(yè)務(wù)間的根本法則。自上而下的推演是指先設(shè)計(jì)元模型層的類和關(guān)聯(lián)，再衍生定義模型層的類和關(guān)聯(lián)，分析驗(yàn)證元模型的設(shè)計(jì)合理性。

1.2 建模驅(qū)動(dòng)框架

基于四層元數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)的抽象原則，提出了對(duì)應(yīng)的建模驅(qū)動(dòng)框架，實(shí)現(xiàn)從理論到落地的全程支持。整個(gè)框架由領(lǐng)域特定語(yǔ)言DSL（設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)）-元建模工具（資產(chǎn)信息元模型、風(fēng)險(xiǎn)信息元模型、＊＊業(yè)務(wù)元模型）-建模工具（資產(chǎn)信息模型、風(fēng)險(xiǎn)信息模型、＊＊業(yè)務(wù)模型）-數(shù)字化應(yīng)用組成。

領(lǐng)域特定語(yǔ)言DSL：元-元模型層（M3）的理論依據(jù)，主體采用MOF標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)領(lǐng)域自身的建模需求進(jìn)行適應(yīng)性裁剪和擴(kuò)充形成一套完整的建模理論；元建模工具：DSL的開(kāi)發(fā)工具，核心就是將DSL理論可視化、IT化，業(yè)務(wù)人員借助元建模工具設(shè)計(jì)產(chǎn)出相關(guān)業(yè)務(wù)元模型（M2）；建模工具：實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)元模型的解析與實(shí)例化。受限于業(yè)務(wù)元模型的約束，產(chǎn)出對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)模型（M1），這一步也被稱為元模型的實(shí)例化；數(shù)字化應(yīng)用：實(shí)例化產(chǎn)出的業(yè)務(wù)模型就是領(lǐng)域建模的終極產(chǎn)物，是數(shù)字化應(yīng)用（M0）運(yùn)轉(zhuǎn)的依據(jù)，反映著現(xiàn)實(shí)世界的事物邏輯。

2 抽象語(yǔ)法設(shè)計(jì)

抽象語(yǔ)法定義語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)以及它們間的關(guān)系也稱為語(yǔ)言模型[2]。抽象語(yǔ)法設(shè)計(jì)要滿足對(duì)領(lǐng)域內(nèi)模型概念、模型元素、以及關(guān)聯(lián)法則的制定，形成一套適應(yīng)于當(dāng)前領(lǐng)域范疇的DSL理論，支撐領(lǐng)域建模。針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)建模需求，在主流的MOF理論基礎(chǔ)上進(jìn)行了個(gè)性化擴(kuò)充，最終完成抽象語(yǔ)法的設(shè)計(jì)。主要建模概念包括：

域：界定業(yè)務(wù)的領(lǐng)域邊界。將支撐某類業(yè)務(wù)領(lǐng)域范疇所需的模型元素劃分到一個(gè)域下，域內(nèi)對(duì)象間的關(guān)聯(lián)不受限制，不同域間的相互引用則借助跨域關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。采用此方式界定領(lǐng)域邊界，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的解耦、降低關(guān)聯(lián)復(fù)雜度。域的基本特征：名稱。領(lǐng)域名稱是唯一的；描述。是對(duì)業(yè)務(wù)域的輔助性說(shuō)明。

包：實(shí)現(xiàn)模塊化分類，按照業(yè)務(wù)模塊化的需要對(duì)模型元素分類整理。包的基本特征：名稱。包名是唯一的；子包。支持建立子包，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化分類整理。

類：用來(lái)模型化建模的對(duì)象。針對(duì)建模所處的抽象層級(jí)，將類概念進(jìn)行了細(xì)分，M2層定義的類稱為“元類”，M1層定義的類稱為“類實(shí)例”，M1層的類實(shí)例是M2層元類的實(shí)例化。類的基本特征：名稱。類范圍內(nèi)是唯一的；子類。支持生成子類，子類繼承父類的屬性和關(guān)聯(lián)（為降低M2層模型復(fù)雜度，應(yīng)用中限定M2層類對(duì)象無(wú)子類特征）；是否抽象。用作分類，抽象類不作為關(guān)聯(lián)的目標(biāo)對(duì)象。

關(guān)聯(lián)：用來(lái)模型化對(duì)象之間的二元聯(lián)系，描述對(duì)象間的必然聯(lián)系。針對(duì)建模所處的抽象層級(jí)，將關(guān)聯(lián)概念進(jìn)行了細(xì)分，M2層定義的關(guān)聯(lián)稱為“元關(guān)聯(lián)”，M1層定義的關(guān)聯(lián)稱為“類關(guān)聯(lián)”，M1層的類關(guān)聯(lián)是M2層元關(guān)聯(lián)的實(shí)例化。關(guān)聯(lián)的基本特征：名稱。關(guān)聯(lián)范圍內(nèi)是唯一的；基數(shù)。描述關(guān)聯(lián)的目標(biāo)對(duì)象數(shù)量邏輯，可以是一對(duì)一或者一對(duì)多；源端。關(guān)聯(lián)的發(fā)起方，是一個(gè)類對(duì)象；目標(biāo)端。關(guān)聯(lián)目標(biāo)對(duì)象，是一個(gè)類對(duì)象。關(guān)聯(lián)的基本操作：繼承。子類繼承父類的關(guān)聯(lián)同時(shí)，默認(rèn)繼承父類關(guān)聯(lián)的目標(biāo)對(duì)象集；細(xì)化。子類進(jìn)一步收斂目標(biāo)對(duì)象集；終止。子類終止關(guān)聯(lián)的目標(biāo)對(duì)象。

屬性：是對(duì)類的固有特征定義。針對(duì)建模所處的抽象層級(jí)將屬性概念進(jìn)行了細(xì)分，M2層定義的屬性稱為“元屬性”，M1層定義的屬性稱為“類屬性”，M2層的元屬性是對(duì)M1層類屬性的抽象定義，M1層類屬性完成M1層類實(shí)例自身特征的可視化收集。屬性的基本特征：名稱。屬性范圍內(nèi)是唯一的；值域?？梢允且粋€(gè)類對(duì)象或數(shù)據(jù)類型。

結(jié)構(gòu)：是以業(yè)務(wù)注焦點(diǎn)及組織規(guī)則為原則，按需的組織類對(duì)象搭建形成的業(yè)務(wù)框架，本質(zhì)上是基于類和關(guān)聯(lián)的衍生產(chǎn)物。針對(duì)建模所處的抽象層級(jí)，將結(jié)構(gòu)概念進(jìn)行了細(xì)分，M2層定義的結(jié)構(gòu)稱為“元結(jié)構(gòu)”，M1層定義的結(jié)構(gòu)稱為“類結(jié)構(gòu)”，M2層的元結(jié)構(gòu)是M1層類結(jié)構(gòu)的框架。結(jié)構(gòu)的基本特征：根節(jié)點(diǎn)。一個(gè)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)對(duì)象。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)允許掛接多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)類型：用來(lái)定義模塊化數(shù)據(jù)，約束屬性的值域。包含基本類型和枚舉類型，基本類型主要包含常見(jiàn)的整型、串類型、布爾型、浮點(diǎn)型、日期型。枚舉類型則是根據(jù)業(yè)務(wù)需求，自定義枚舉類型、枚舉值。

3 應(yīng)用案例

本案例基于上文的領(lǐng)域信息建模技術(shù)研究成果，先開(kāi)發(fā)了一套建模工具，包括元建模及建模；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)電力企業(yè)設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬，完成M2層設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元模型設(shè)計(jì)，并由設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元模型實(shí)例出M1層設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬模型，自上而下的完成該領(lǐng)域模型設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元模型設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)上，設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬從功能角度描述資產(chǎn)對(duì)象，對(duì)資產(chǎn)對(duì)象劃分為設(shè)施類型、功能分組類型、設(shè)備類型、成套設(shè)備類型、組件類型、部件類型[3-4]。設(shè)施類型、功能分組類型、設(shè)備類型、成套設(shè)備類型間的聚合關(guān)聯(lián)描述功能位置結(jié)構(gòu)模型；組件類型、部件類型則用于描述產(chǎn)品的部件結(jié)構(gòu)模型。其中設(shè)備類型、部件類型表示可安裝物理設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，其余類型節(jié)點(diǎn)主要發(fā)揮臺(tái)賬結(jié)構(gòu)的組織作用。通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)概念的抽象、提煉，得出M2層的元類概念主要有設(shè)施類型、功能分組類型、設(shè)備類型、成套設(shè)備類型、組件類型、部件類型，并建立元類對(duì)象間的關(guān)聯(lián)。

設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元關(guān)聯(lián)中的元關(guān)聯(lián)名稱、源端、目標(biāo)端分別為：構(gòu)成設(shè)施臺(tái)賬的適用功能分組類型/設(shè)施類型/功能分組類型，構(gòu)成功能分組的功能分組類型/功能分組類型/功能分組類型，構(gòu)成功能分組的設(shè)備類型/功能分組類型/設(shè)備類型，構(gòu)成功能分組的適用成套設(shè)備類型/功能分組類型/成套設(shè)備類型，構(gòu)成成套設(shè)備的組件類型/成套設(shè)備類型/組件類型，構(gòu)成成套設(shè)備的部件類型/成套設(shè)備類型/部件類型，構(gòu)成組件的組件類型/組件類型/組件類型，構(gòu)成組件的部件類型/組件類型/部件類型，其基數(shù)都為一對(duì)多。

基于產(chǎn)出的元類和元關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步衍生出設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元結(jié)構(gòu)（圖1）。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬業(yè)務(wù)的抽象概念定義、以及設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬樹(shù)的框架定義；最終確定設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬建模的頂層設(shè)計(jì)，完成設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元模型設(shè)計(jì)。

圖1 設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元結(jié)構(gòu)

3.2 設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬模型設(shè)計(jì)

M2層設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)元類概念、關(guān)聯(lián)關(guān)系、以及元結(jié)構(gòu)框架的定義，M1層則是對(duì)這些概念實(shí)例化。以元類概念的劃分原則，對(duì)電力行業(yè)設(shè)備設(shè)施的概念抽象和類型歸類，產(chǎn)出M1層的類實(shí)例；并受限于元關(guān)系的關(guān)聯(lián)法則，合理配置類實(shí)例間的聯(lián)系，最終基于設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬元結(jié)構(gòu)定義的業(yè)務(wù)框架，產(chǎn)出對(duì)應(yīng)的設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬樹(shù)，完成M1層設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬模型設(shè)計(jì)（表1）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于電力行業(yè)領(lǐng)域建模特定需求，擴(kuò)展了MOF元-元模型理論，完成建模驅(qū)動(dòng)框架設(shè)計(jì)、元建模及建模的軟件開(kāi)發(fā)，并以設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬業(yè)務(wù)建模為例，展示了領(lǐng)域模型的構(gòu)建過(guò)程。結(jié)果表明，基于本文理論搭建的軟件具備易用性、直觀性、滿足電力行業(yè)領(lǐng)域建模的支撐應(yīng)用，并且在多場(chǎng)景下表現(xiàn)出良好的建模支持優(yōu)勢(shì)。未來(lái)將對(duì)元模型與模型同步演化以及版本管理開(kāi)展進(jìn)一步研究。

表1 類實(shí)例對(duì)象

圖2 發(fā)電廠-設(shè)備設(shè)施臺(tái)賬樹(shù)