基于自定義工作流的風(fēng)電場運維系統(tǒng)設(shè)計

田玉超宋冰飛劉新鋒劉聰楊琦

(1.山東建筑大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 濟南 250101；2.積成能源有限公司，山東 濟南 250101；3.山東理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引言

在煤炭、天然氣等不可再生能源日益緊張的情況下，風(fēng)能越來越受到重視。風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源利用的重要方式，具有無污染、可再生、方便采集等特點，近幾年得到快速發(fā)展[1]。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，新增風(fēng)電裝機量刷新歷史記錄。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年6月底，全國風(fēng)電累計裝機2.17億kW。僅2020年上半年，風(fēng)電發(fā)電量達到了2379億kW·h，同比增長了10.9%。預(yù)計到2060年，中國風(fēng)電裝機將達到20.07億kW，約為2020年的7.1倍[2]。

風(fēng)電運行過程中需要開展大量的故障處理、預(yù)警和巡檢維修等工作，工作票制度可有效地保證電力的安全生產(chǎn)以及人員安全。工作票是檢修人員進行設(shè)備安裝、檢修和維護等作業(yè)的書面依據(jù)，是檢修、運行人員雙方共同持有，并且強制遵守的書面安全約定。

傳統(tǒng)的工作票操作流程自動化程度低，主要依靠手動處理。同時風(fēng)電場分布范圍廣，使得傳統(tǒng)的運維方式不利于審批和監(jiān)控，不能及時根據(jù)現(xiàn)場情況變更流程、業(yè)務(wù)和人員，導(dǎo)致工作效率低且容易出錯，不利于后期的統(tǒng)計分析與流程優(yōu)化，因此，需要采用工作流進行業(yè)務(wù)的自動流轉(zhuǎn)。工作流是業(yè)務(wù)過程的部分或整體在計算機應(yīng)用環(huán)境下的自動化，是將一組任務(wù)組織起來完成某個流程，針對此流程及其各個步驟之間的流轉(zhuǎn)規(guī)則進行概括性的描述[3]。使用工作流技術(shù)[4]可實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在各個工作環(huán)節(jié)中的自動傳遞與流轉(zhuǎn)。

目前，針對業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)設(shè)計的研究較多。盧珊[5]針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)開發(fā)出兩票調(diào)度系統(tǒng)，提出一種工作流兩票管理系統(tǒng)的設(shè)計思路及實現(xiàn)原理，完成了調(diào)度兩票和生產(chǎn)計劃的工作流程設(shè)計，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，但是此方法并不適用于分布式風(fēng)電運維系統(tǒng)。楊源等[6]搭建了海上風(fēng)電場智慧運維管理系統(tǒng)，側(cè)重于保障船舶和人員管理安全。趙軒等[7]依靠智能移動終端設(shè)備，實現(xiàn)了風(fēng)電場兩票業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的運行，規(guī)范了兩票業(yè)務(wù)流程，但是沒有針對告警信息和設(shè)備管理提出有效的處理措施。楊艷華[8]基于工作流技術(shù)完成了對辦公自動化系統(tǒng)的設(shè)計，提高了辦公室業(yè)務(wù)流程的運作效率?？道诘萚9]構(gòu)建大型風(fēng)電場生產(chǎn)集中管控中心樞紐，建立層級流程化的風(fēng)電生產(chǎn)集控管理模式，然而該設(shè)計中并沒有涉及工作票與流程結(jié)合的相關(guān)內(nèi)容。

文章引入工作流技術(shù)，基于其定義和管理結(jié)合電氣操作的特殊性，可視化配置了流程和表單；通過定時巡檢、人工故障發(fā)起和實時數(shù)據(jù)告警發(fā)起實現(xiàn)電氣一種票、二種票和檢修票自動化流轉(zhuǎn)；實時發(fā)送告警信息，將風(fēng)電運維中產(chǎn)生的各種信息銜接起來，幫助用戶管理風(fēng)電運維流程，避免出現(xiàn)錯誤，減少工作人員工作的復(fù)雜性，提高轉(zhuǎn)票操作效率和考核業(yè)務(wù)處理的效率，進而改善企業(yè)運作的靈活性和適應(yīng)性。

1 風(fēng)電場運維系統(tǒng)建模

文章針對業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)進行分析并建模，將具體業(yè)務(wù)與工作流程結(jié)合起來，根據(jù)不同的目標(biāo)由不同的人分別完成一系列活動?；谧远x工作流的風(fēng)電流程運維系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電線上運維，針對業(yè)務(wù)流程建模以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模給出詳細的設(shè)計過程。

1.1 業(yè)務(wù)需求分析

根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計針對故障告警維護流程和計劃檢修流程2種主要的業(yè)務(wù)流程給出詳細的業(yè)務(wù)需求分析。

1.1.1 故障告警維護流程

系統(tǒng)的告警模塊主要用來處理故障流轉(zhuǎn)，共有故障采集、主動發(fā)起和缺陷登記3種操作會發(fā)起系統(tǒng)告警處理。(1)故障采集 當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會通過物聯(lián)網(wǎng)自動采集告警信息，觸發(fā)故障處理方案并進入工作票的選擇。(2)主動發(fā)起 根據(jù)需要主動發(fā)起故障處理，填寫故障信息，并選擇工作票。(3)缺陷記錄 現(xiàn)場工作人員主動添加缺陷信息進行處理。

以上3種發(fā)起告警處理流程途徑的整體流程圖如圖1所示。其中，轉(zhuǎn)電氣一種票、二種票、檢修票分別為子流程，如圖2～4所示。

圖1 告警處理流程圖

“轉(zhuǎn)電氣一種票”節(jié)點對應(yīng)的子流程包含開票子流程、人員變動子流程、延期子流程和終結(jié)子流程，每一種子流程下又包含填寫、簽發(fā)、批準(zhǔn)確認和許可等活動節(jié)點，具體的電氣一種票操作流程如圖2所示。

圖2 電氣一種票操作流程圖

“轉(zhuǎn)電氣二種票”節(jié)點對應(yīng)的流轉(zhuǎn)子流程如圖3所示。其中，與電氣一種票流程相比，缺少人員變動子流程。

圖3 電氣二種票操作流程圖

“轉(zhuǎn)電氣檢修票”節(jié)點對應(yīng)的流轉(zhuǎn)子流程如圖4所示。其中，在開票子流程中增加了工作班組成員簽名確認活動。

圖4 電氣檢修票操作流程圖

1.1.2 計劃檢修流程

計劃檢修是按照計劃對機器設(shè)備日常維護、檢查等。計劃檢修流程則是指計劃檢修過程中開票處理時，引發(fā)的一系列有順序的活動。

檢修計劃和主動發(fā)起會發(fā)起計劃檢修流程，計劃檢修工作整體流程如圖5所示。其中檢修計劃需要根據(jù)已定計劃發(fā)起，主動發(fā)起強調(diào)發(fā)起的即時性。

圖5 計劃檢修工作流程圖

1.2 業(yè)務(wù)流程建模

為了方便分析員的理解，采用業(yè)務(wù)流程建模語言(Business Process Modeling Notation，BPMN)[10]為故障告警維護流程、計劃檢修流程進行可視化的業(yè)務(wù)流程建模，具體BPMN業(yè)務(wù)流程如圖6所示。該模型包含了工作票的開票、簽發(fā)、批準(zhǔn)、延期、人員變更、終結(jié)等活動以及各分支之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖6 BPMN業(yè)務(wù)流程圖

以電氣一種票流程為例，描述自定義工作流的設(shè)計和實現(xiàn)。

管理者選擇需要處理的信息條目，通過故障處理方案進入開票流程，此處選擇電氣一種票。填寫票據(jù)相關(guān)信息，提交后根據(jù)流程規(guī)則進入工作人員簽發(fā)步驟。下一活動操作者可以查看并處理當(dāng)前要處理的數(shù)據(jù)，將通過或駁回的處理結(jié)果插入到流程處理表中。若駁回，則返回上一活動節(jié)點；若通過，則流程進行下一步驟的處理。逐級運轉(zhuǎn)后最終進入工作票的批準(zhǔn)工作，由負責(zé)人審批提交進入工作票的終結(jié)工作，負責(zé)人確認后該流程結(jié)束。在實際的業(yè)務(wù)中，會遇到工作組成員或負責(zé)人的變動，此時需要激活人員變更流程。具體的業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 電氣一種票BPMN流程圖

業(yè)務(wù)流程指過程節(jié)點以及執(zhí)行方式組成的工作過程?；顒又g有嚴(yán)格的先后順序，并且活動的內(nèi)容、方式和責(zé)任也有明確的界定，從而使不同活動在不同的角色之間進行逐級遞轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)中主要有故障告警維護流程和計劃檢修流程2種業(yè)務(wù)流程的流轉(zhuǎn)涉及工作票的選擇。

1.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)建模

工作人員每天都要面對大量的業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)，信息臨時更改頻繁。將業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)可視化，便于工作人員處理不同的數(shù)據(jù)，將復(fù)雜數(shù)據(jù)簡單化。

在一個業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)中主要涉及對電氣一種票、電氣二種票以及電氣檢修票的操作，需要對3種票據(jù)的數(shù)據(jù)進行建模。根據(jù)具體的工作票流程數(shù)據(jù)，抽取了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通用信息，如業(yè)務(wù)信息、簽名信息、時間信息、措施等，主要數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)見表1。

表1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息表

根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇對應(yīng)的票據(jù)。電氣一種票主要用于高壓作業(yè)，而電氣二種票主要用于無需將設(shè)備停電的操作，電氣檢修票主要是針對設(shè)備維護所需的票據(jù)。在業(yè)務(wù)流程中具體工作票的選擇情況如圖8所示。

圖8 工作票選擇思維導(dǎo)圖

每一種票據(jù)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，采取的具體措施也不同。每一種票據(jù)的詳細措施信息如下:

(1)電氣一種票

針對電氣一種票應(yīng)用場景，其開票過程中輸入的措施需要先進行停電處理，具體實施的措施信息有作業(yè)前先停電驗電；拉斷路器(開關(guān))、隔離開關(guān)(刀閘)；裝接地線、合接地刀閘；設(shè)遮攔、掛標(biāo)示牌及防止二次回路誤碰等。

(2)電氣二種票

電氣二種票對應(yīng)的應(yīng)用場景中，不需要停電處理，因此需要注意與帶電設(shè)備的安全距離。其開票過程中輸入的措施信息與電氣一種票存在不同，具體的措施信息包括未經(jīng)站內(nèi)人員許可，嚴(yán)禁擴大工作范圍；使用專用調(diào)試電腦及閃存盤，不得私自將未經(jīng)許可的設(shè)備接入站內(nèi)電力系統(tǒng)等。

(3)電氣檢修票

電氣檢修票用于計劃檢修，要求工作人員具備高空作業(yè)資質(zhì)或經(jīng)過培訓(xùn)，具體的措施信息包含檢查所有吊具、吊帶和工具袋；拆剎車保護罩時確認剎車盤處于剎車狀態(tài)，機艙外工作時須確認有安全繩和機身相連，保障人身安全；切斷遠控操作，機組進入就地模式，按下“急?！卑粹o，掛警示牌等。

工作票是業(yè)務(wù)流程中最主要的數(shù)據(jù)，將工作票操作轉(zhuǎn)移到線上，通過流程的運轉(zhuǎn)進行票據(jù)的處理，利用該過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)可以進行預(yù)警和性能分析[11]。

2 工作流算法設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 工作流程設(shè)計

系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)操作均是圍繞工作流展開的。工作流是實現(xiàn)工程任務(wù)全過程管理的核心支撐部分。通過自定義工作流可以實現(xiàn)風(fēng)電運維過程中轉(zhuǎn)票操作的線上自動化流轉(zhuǎn)，進行智能化的數(shù)據(jù)交互[12]。即通過工作流規(guī)范實現(xiàn)相應(yīng)的工作流[13]，管理一系列的工作活動以及相關(guān)人員、資源、信息技術(shù)資料來提供業(yè)務(wù)處理程序上的自動控制。

在實際業(yè)務(wù)流程處理過程中，一個流程實例表示一次完整的業(yè)務(wù)流程流轉(zhuǎn)。根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用的流程規(guī)則，控制活動狀態(tài)的變遷，處理形成的各種子流程，如工作票的延期、終結(jié)流程。其中，流程規(guī)則包括順序、并行、拒絕、同步。順序規(guī)則是指一個活動結(jié)束后另一個活動開始，如在軌跡＜a，b＞中，b跟在a后面執(zhí)行，公式化關(guān)系式表示為f∈ea→eb，其中f表示a和b之間的順序關(guān)系；ea為e流程實例中的a活動；并行規(guī)則是指兩個活動在同一個活動之后執(zhí)行；拒絕規(guī)則是指在一個活動之后不執(zhí)行所選擇的活動；同步規(guī)則是兩個活動必須都執(zhí)行結(jié)束才能執(zhí)行下一活動。具體步驟如下:

(1)流程實例開始執(zhí)行，初始活動被激活；

(2)記錄活動相關(guān)信息，包括開始時間、完成時間、狀態(tài)等；

(3)選擇與當(dāng)前活動狀態(tài)相對應(yīng)的流程規(guī)則進行流程的流轉(zhuǎn)；

(4)重復(fù)以上過程；

(5)無被激活活動，該流程結(jié)束。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計具有重要的地位。通過數(shù)據(jù)庫和終端的交互可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)交互[14]。文章系統(tǒng)以自定義工作流為核心配置業(yè)務(wù)，工作流的配置過程中涉及工作流實例、流程類型、狀態(tài)以及流程步驟等，其中工作流實例還會涉及多種流程活動。風(fēng)電流程運維系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)調(diào)試和操作業(yè)務(wù)流程，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的流轉(zhuǎn)。自定義工作流相關(guān)數(shù)據(jù)庫模型如圖9所示，包含流程實例表、流程活動表、表單表、流程規(guī)則表和操作者數(shù)據(jù)表。

圖9 數(shù)據(jù)庫模型圖

其中，編碼(Identify Document，ID)作為數(shù)據(jù)表的唯一標(biāo)識；外鍵約束(Foreign Key，F(xiàn)K)用于建立表之間的聯(lián)系。流程實例表是指在工作流運轉(zhuǎn)過程中會涉及不同的實例，所有的實例對應(yīng)流程實例表；流程活動表涉及流程配置中的活動結(jié)點；流程規(guī)則表對應(yīng)流程配置中的流轉(zhuǎn)規(guī)則，每一步之間的流轉(zhuǎn)均為單向，根據(jù)每一步的判斷條件完成下一步的選擇；表單對應(yīng)流程運轉(zhuǎn)過程中的票據(jù)記錄；操作者則對應(yīng)系統(tǒng)的用戶信息。

2.3 基于廣度遍歷和僵枝切除算法的工作流實現(xiàn)

針對業(yè)務(wù)流程的復(fù)雜性，文章提出了一種基于廣度遍歷算法和僵枝切除的工作流實現(xiàn)方法，其步驟為(1)可視化流程的配置，包括節(jié)點配置和連接線配置；(2)自定義表單；(3)調(diào)用工作流進行工作流流轉(zhuǎn)。

基于過程模型Petri網(wǎng)的工作流設(shè)計是切實可行的[15]，但李建軍[16]未考慮Petri網(wǎng)對事務(wù)狀態(tài)描述的龐雜性，容易造成工作人員工作量的增加。因此，文章系統(tǒng)的開發(fā)過程中舍棄Petri網(wǎng)，采用頂點活動網(wǎng)(Activity On Vertex，AOV)，基于AOV抽象出工作流模型，進行流程節(jié)點的處理[17]。算法1展示了系統(tǒng)設(shè)計中AOV網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)建方法。給定一個序列L，遍歷其中的節(jié)點，節(jié)點共有休眠、激活、完成、僵死4個狀態(tài)。其中，休眠表示該活動節(jié)點還沒有執(zhí)行，可隨時被激活；激活表示該活動節(jié)點正在執(zhí)行還沒有完成；僵死表示該活動節(jié)點所在的分支拋棄，永遠不會被執(zhí)行。如果父親節(jié)點休眠數(shù)量和激活數(shù)量＞0，則保持原狀態(tài)；如果父親節(jié)點已經(jīng)全部僵死，則節(jié)點類型(C.Type)轉(zhuǎn)化為僵死狀態(tài)，并更新該節(jié)點的子節(jié)點父親僵死數(shù)目(DeadNum)；如果父親節(jié)點完成數(shù)量＞0，更新子節(jié)點父分支激活數(shù)目(ActiveNum)。

算法1構(gòu)建AOV網(wǎng)絡(luò)

輸入:活動節(jié)點Ci

輸出:AOV網(wǎng)絡(luò)A

在工作流的設(shè)計中，根據(jù)是否完成當(dāng)前活動的所有工作項，判斷下一步是否設(shè)置活動狀態(tài)。如果活動為中間節(jié)點，則獲取并遍歷所有的就緒活動。如果就緒活動的前置活動已經(jīng)完成，則激活該就緒活動，否則不做處理，而交給工作流引擎進行處理。

從AOV網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點開始分層搜索，節(jié)點的入度(inEdges)為0則壓入棧A中，同期入棧的為并行活動。A中元素個數(shù)不為空則進行出棧操作，將棧頂元素出棧放入拓撲序列(listOut)中，并將鄰接頂點入度減1，遍歷需要激活的節(jié)點，根據(jù)節(jié)點狀態(tài)判斷是否設(shè)置該活動節(jié)點為結(jié)束。具體流程如圖10所示。

圖10 節(jié)點處理流程圖

所構(gòu)建的AOV網(wǎng)絡(luò)同一層中可能存在多個流程節(jié)點指向同一個子節(jié)點的情況，在到達該子節(jié)點時，其前一層所有的父節(jié)點均執(zhí)行完畢才會執(zhí)行該節(jié)點，如圖11所示，a1的子節(jié)點a5、a6、a7和a8同屬一層，需要等待a5、a6、a7和a8同時處于完成或僵死狀態(tài)才會繼續(xù)執(zhí)行下一節(jié)點。針對僵死節(jié)點需要進行剪枝操作，如圖12所示，若不執(zhí)行a8，則判為僵死節(jié)點，將剪除該分支。

圖11 廣度遍歷流程圖

圖12 僵枝切除流程圖

3 業(yè)務(wù)實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)框架

運維系統(tǒng)主要工作為線上開票操作，主要的業(yè)務(wù)單元包括人工發(fā)起故障信息、系統(tǒng)自動發(fā)起故障信息以及流程變更。工作人員根據(jù)自己的需要選擇對應(yīng)的轉(zhuǎn)票操作，實現(xiàn)開票流程的自動化流轉(zhuǎn)?？傮w架構(gòu)主要包括監(jiān)控層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層，如圖13所示。

圖13 總體架構(gòu)圖

監(jiān)控層用于監(jiān)控風(fēng)電場的設(shè)備，采集實時數(shù)據(jù)并發(fā)送告警信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達[18]。通過監(jiān)控層能夠查看并管理所有工作，包括對工作活動節(jié)點、工作項進行查看、刪除和回滾等基本操作。數(shù)據(jù)層是指運維過程中形成的各種數(shù)據(jù)和信息[19]，包括實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，分別用于存儲開票操作和物資管理過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及用戶、設(shè)備和其他有關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)據(jù)信息。服務(wù)層用于提供用戶和設(shè)備的權(quán)限管理，通過分析應(yīng)用層的功能需求，提取所需業(yè)務(wù)流程，以輕量級工作流為模型推動活動，完成活動的流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)智能化管理。應(yīng)用層基于瀏覽器/服務(wù)器(Brower/Server，B/S)模式進行終端訪問，客戶端在瀏覽器訪問系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電兩票操作的智能運維管理，可以進行缺陷記錄登記、開票操作、檢修處理及設(shè)備管理工作，能夠監(jiān)測某個業(yè)務(wù)目前流轉(zhuǎn)到哪個環(huán)節(jié)，提供有效的信息以及方便快捷的處理流程。

3.2 流程應(yīng)用

結(jié)合系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，以計劃檢修子流程實例為例展開詳細描述。(1)開票流程 故障處理方案轉(zhuǎn)入電氣檢修票的開票流程，由工作人員填寫工作票，包含電廠信息、開票時間、措施等信息；工作票填寫完成后進入工作票的簽發(fā)、許可工作；再由值班人員安措布置工作，工作班組成員簽名確認；業(yè)務(wù)工作線下完成后由值班人員完成安措恢復(fù)，開票流程終結(jié)。(2)延期流程 由于執(zhí)行不及時等原因會出現(xiàn)流程的延期，需要執(zhí)行工作票的延期流程，填寫工作票延期信息后提交延期批準(zhǔn)工作。(3)驗收流程 工作票延期流程審核通過后，開始工作票的驗收流程，包括工作票的終結(jié)申請、終結(jié)審批工作，流程結(jié)束形成工作驗收單，工作票進入終結(jié)狀態(tài)。

每一種業(yè)務(wù)流程在運轉(zhuǎn)過程中都會生成對應(yīng)的事件日志文件，其主要事件日志信息見表2。該事件日志可以幫助工作人員監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)生的事件，還可以幫助分析員分析發(fā)生錯誤的原因。在后續(xù)的工作中，將采用事件日志進行流程下一任務(wù)預(yù)測以及流程剩余時間預(yù)測[20]等。

表2 電氣檢修票事件日志表

4 結(jié)語

文章基于自定義工作流搭建了新能源風(fēng)電場運維系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電運維的動態(tài)管理，完整支持了多數(shù)據(jù)源發(fā)起、電氣一種票、電氣二種票、電氣檢修票多種工作票選擇以及業(yè)務(wù)流程對接、流轉(zhuǎn)、變更，有效地解決了流程發(fā)起、變更、運轉(zhuǎn)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與流程相結(jié)合的復(fù)雜性問題，避免了誤操作，保證了轉(zhuǎn)票操作的安全性，提升了工作效率，并能夠?qū)⒘鞒踢\行的結(jié)果數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化存儲。后續(xù)可利用機器學(xué)習(xí)方法完成對流程剩余時間預(yù)測以及業(yè)務(wù)流程檢查，進一步加強對流程過程的監(jiān)控。