Voronov-Kalashnickov

УДК 004.4'2
ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ
МОНИТОРИНГА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ*
В.А. Воронов1, Е.А. Калашников2, Л.Н. Лядова3
Описывается технология разработки программных комплексов
мониторинга энергопотребления. Созданные с помощью этой
технологии системы допускают динамическую настройку на
меняющиеся условия эксплуатации и потребностям пользователей.
Программное обеспечение комплекса обеспечивает возможность
подключения
к
различным
источникам
информации
(контроллерам процессов энергопотребления и состояния
технических объектов, базам данных внешних приложений,
поставляемых производителями с приборами различных типов,
и пр.). Для каждого источника определяется перечень параметров,
которые необходимо контролировать. Полученные данные
интегрируются в базе данных комплекса, на их основе система
генерирует отчеты в соответствии с формами, задаваемыми
пользователями. При этом осуществляется журнализация событий,
перечень которых определяется при настройке комплекса в ходе
его установки и эксплуатации.
Введение
Эффективность использования топлива и электроэнергии в России
пока остается крайне низкой: так, например, удельный расход
электроэнергии в отечественной промышленности намного выше, чем в
развитых странах. Рост потребления электроэнергии спрогнозирован и
отражен в документах, принятых на федеральном уровне. Вместе с тем,
происходит подорожание энергоресурсов, что приводит к увеличению их
доли в себестоимости продукции для многих промышленных
предприятий. Таким образом, современные условия диктуют
необходимость радикального изменения отношения к организации
энергоучета, оптимизации энергопотребления. Эти задачи актуальны не
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-01-00794
1 614105, г. Пермь, Передвижная электролаборатория, Labora447@mail.ru
2 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, ПГУ, keatrance@gmail.com
3 614070, г. Пермь, ул. Студенческая, 38, Пермский филиал ГУ-ВШЭ, lnl@nm.ru
только для промышленности, но и для других областей деятельности,
жизнеобеспечения. Их решение требует использования специального
оборудования, установки и настройки приборов, позволяющих, как
минимум, контролировать расход ресурсов. Получаемые данные – основа
для выполнения анализа параметров, оптимизации энергопотребления.
Специальное программное обеспечение позволяет автоматизировать сбор
и обработку данных, решение оптимизационных задач.
Многие фирмы, работающие в этой области, представляют на рынке
собственные программно-аппаратные комплексы, предназначенные для
решения указанных задач. Существуют также разработки сторонних
фирм, занимающихся производством программного обеспечения,
позволяющего создавать решения, интегрирующие оборудование разного
типа от различных фирм-производителей в единую систему. Эти работы
ведутся как на уровне отдельных объектов, предприятий и организаций,
так и на региональных уровнях.
1. Системы мониторинга и учета
энергопотребления
Поставляемые разработчиками оборудования программы чаще всего
не дают возможности интеграции данных, получаемых из множества
источников разных типов. Создание комплексных систем мониторинга и
учета энергопотребления – это актуальная задача, которая
предусматривает разработку программно-аппаратных комплексов,
предназначенных для решения взаимосвязанных задач сбора, обработки
и архивации данных о функционировании сложных систем, включающих
различные источники и потребителей энергоресурсов.
Несмотря на многообразие существующих решений можно выделить
общие для всех функции, подходы к реализации. Практически все
продукты включают программные компоненты для выполнения
следующих функций:
 телеметрический контроль режимов работы электрических,
тепловых и газовых сетей, энергетического оборудования, систем
тепло- и водоснабжения;
 определение
параметров
энергопотребления,
подлежащих
контролю;
 автоматический сбор данных с приборов учета;
 оперативный контроль поступающих данных и фиксация
нештатных ситуаций по установленным критериям;
 формирование
ретроспективных
(исторических,
или
темпоральных) данных в архивах различной дискретности;
 отображение оперативных и ретроспективных данных в виде
мнемосхем, графиков, таблиц, гистограмм;
 создание и ведение отчетных форм, генерация отчетов и вывод
данных на печать, архивация документов;
 информационный обмен между компонентами системы;
 ретрансляция данных, организация информационного обмена со
смежными системами;
 администрирование комплексов, баз данных.
Кроме того, в зависимости от их назначения, системы могут включать
также компоненты для решения других задач, в частности, расчет
удельных затрат энергоносителей, вывод сигналов управления
технологическим оборудованием и пр.
На основе получаемых данных может быть выполнена идентификация
энергоемких устройств и процессов для выработки решений,
направленных на повышение эффективности энергопотребления.
Программная часть большинства комплексов представляет собой
клиент-серверные системы, включающие программное обеспечение
нескольких уровней. Можно выделить следующие компоненты:
 Модуль опроса, решающий задачи сбора информации, получаемой
от контроллеров, кодовых счетчиков электроэнергии и
расходомеров (теплосчетчиков) и пр. Здесь осуществляется
конфигурирование и настройка связи с оборудованием различных
производителей. Обычно используются стандартизированные
интерфейсы для подключения к источникам разных типов.
 Модуль ведения баз данных (БД), выполняющий функции доступа
к БД, ведущий запись полученной информации в БД и
предоставляющий доступ к ней средствам анализа данных,
репортинга. Для обеспечения переносимости доступ к БД
осуществляется с использованием методов доступа, независимых
от конкретных СУБД (на основе ODBC, ADO.NET и т.п.).
 Модуль оперативного контроля, отвечающий за контроль
поступления, целостности получаемых данных, проверка
выполнения
граничных
условий.
Получаемые
данные
визуализируются в реальном времени, на их основе строятся
графики, диаграммы. Этот модуль выполняет также функции
оперативного мониторинга событий системы, формирования в
реальном времени тревожных сообщений пользователям системы,
журнализации событий (записи аварийных событий, аудит
которых ведется в системе в соответствии с заданными
критериями, в специальный журнал). Может осуществляться
рассылка сообщений во внешние приложения по локальной сети,
электронной почте, через SMS и т.п.
 Модуль администрирования, предназначенный для решения задач
администрирования, резервного копирования и восстановления
БД, управления правами пользователей. Кроме того, во многих
системах имеются средства для конфигурирования структуры
получаемых от источников данных.
 Модуль репортинга, выполняющий функции анализа данных и
генерации отчетов в соответствии с формами (шаблонами)
имеющимися в системе или задаваемыми пользователями. Обычно
предусмотрены средства проектирования системы отчетности в
соответствии с потребностями пользователей.
 Модуль экспорта/импорта, выполняющий функции по интеграции
с внешними системами (передача/прием информации) в различных
форматах (XML, XLS и пр.).
Многие системы предусматривают ручное заполнение недостающих
данных, текущих и зафиксированных показаний счётчиков, состояний
дискретных вводов и др.
Еще одна функция – прогнозирование потребления энергоресурсов, а
также аварийных ситуаций на основе архива статистики потребления и
прогноза различных внешних факторов.
Возможности систем расширяются за счет включения в их состав
модулей планирования задач, для выполнения которых может быть задан
график или периодичность. В качестве заданий могут быть
запланированы работы по подготовке отчетов, передаче данных и т.п.
Для повышения гибкости системы, ее возможностей, стандартная
функциональность расширяется счет подключения программных
компонентов сторонних разработчиков, предоставления возможности
создания макросов, скриптов на языках программирования VBS, VBA
и т.д. Многие системы позволяют настраивать не только формы отчетов,
но и вид экранных форм с учетом специфики использования
программного обеспечения, потребностей конкретных пользователей.
2. Схема работы системы METAS Control
Одной из задач, на решение которых направлено создание
программного комплекса METAS Control, является задача реализации
системы, которая обеспечивала бы максимальную степень гибкости в
сочетании с простотой, доступностью для различных категорий
пользователей.
Создаваемый комплекс основан на многоуровневом моделировании в
сочетании с работой в режиме интерпретации построенных моделей. При
создании системы создается модель, включающая описание всех
объектов, параметры которых должны собираться и обрабатываться
(рис. 1). При подключении нового прибора создается объект,
соответствующий типу прибора, представляющий его в БД. Для каждого
такого объекта определяется набор параметров, которые должны быть
получены, и устанавливается связь с соответствующим источником.
Данные могут быть получены как непосредственно с приборов (рис. 2),
так и из баз данных поставляемых с приборами приложений
[Калашников, 2010]. Вся информация о системе хранится в базе
метаданных (БМД).
Редактор
моделей
предметной
области
Средства
репортинга
База
данных
База
метаданных
Средства
генерации
интерфейса
пользователя
Создание модели
и настройка
интерфейса
Пользователи
Работа с
приложением
Рис. 1. Схема создания приложения METAS Control
Основа комплекса – CASE-система METAS, включающая средства
описания моделей и генерации на их основе баз данных, настройки и
генерации интерфейса пользователя, подготовки и генерации отчетов
[Лядова, 2007].
Приборы
(контроллеры процессов энергопотребления и
состояния технических объектов)
…
ТЭК
1
ТЭК
n
…
БД
1
БД
n
Приложение n
Приложение 1
Программный комплекс
METAS Control
Сервер
METAS Control
БМД
БД
Кэш
…
Кэш
Рабочие места пользователей
Рис. 2. Структура программно-аппаратного комплекса
Режим интерпретации позволяет вносить изменения в систему в
процессе ее функционирования без изменения программного кода.
Нестандартная логика может быть реализована через разработку
скриптов и подключение внешних программных компонентов.
Допускается создание не только новых объектов, но и новых типов
данных.
Пользователи работают в терминах предметной области, для создания
и редактирования моделей используются предметно-ориентированные
языки, которые при необходимости могут изменяться, расширяться с
помощью языкового инструментария, интегрированного в систему.
Информация о каждом объекте представляется на сгенерированной
для него экранной форме. Для удобной навигации, просмотра всей
имеющейся в системе информации строится дерево объектов.
2. Структура комплекса METAS Control
Программный комплекс выключает ядро, работающее в режиме
интерпретации построенных моделей. Модели базовых уровней – это
модели физического уровня (описывают представление данных в
реляционной БД в терминах таблиц и связей между ними), логического
уровня (описание системы в терминах предметной области) и
презентационного уровня (описание интерфейса пользователя).
Основные программные компоненты, работающие с моделями
базового уровня, – это средства реструктуризации данных, генерации
пользовательского интерфейса, а также средства генерации запросов к
БД на основе логической модели. Описание физического уровня
формируется автоматически на основе логической модели, которую
строит пользователь. Логическая же модель является основой для
автоматической генерации интерфейса пользователя.
Над моделями базовых уровней строятся другие модели: модель
репортинга (запросы и отчеты, с которыми работают менеджеры
запросов и отчетов, конструкторы и генераторы), Web-модель и пр.
Доступ к системе контролируется подсистемой безопасности.
Приложение имеет клиент-серверную архитектуру, но все
компоненты могут быть установлены и на один компьютер.
Основа интеграции с внешними приложениями – средства импорта и
экспорта, миграции данных.
Для создания системы мониторинга энергопотребления над
существующим ядром реализуются дополнительные компоненты:
 Диспетчер подключений, использующий механизм провайдеров
для подключения к внешним гетерогенным источникам данных,
обеспечивающий возможность абстрагирования от конкретной
модели доступа к данным и протоколов связи. В качестве
источников могут быть использованы не только базы данных или
контроллеры и т.п., но и генераторы случайных чисел, что
обеспечивает возможность работы в деморежиме, в режиме
тренажера.
 Менеджер событий, задачей которого является отслеживание
различных ситуаций, задаваемых пользователем, оперативное
оповещение о них и журнализация.
 Дополнительные компоненты визуализации, позволяющие
наглядно отобразить значения контролируемых параметров на
формах.
 Средства управления кэшированием данных, обеспечивающие
возможность оперативной работы с данными, получаемыми от
источников в реальном времени.
Языковой инструментарий, предназначенный для создания
предметно-ориентированных языков, позволяет пользователям работать в
терминах
предметной
области,
минимизировать
привлечение
программистов для настройки системы.
Заключение
Представленная
технология
позволяет
создавать
гибкие
масштабируемые распределенные приложения для мониторинга
параметров энергопотребления. Эти приложения могут работать
параллельно с программами, поставляемыми в составе программноаппаратных
комплексов
от
производителей
оборудования,
взаимодействуя с ними и дополняя их.
В будущем предполагается реализация средств анализа и
прогнозирования параметров энергопотребления, нештатных ситуаций на
основе собранных данных.
Список литературы
[Калашников, 2010] Калашников Е.А. Лядова Л.Н. Система мониторинга
источников энергопотребления METAS Control // Материалы конференции
«Технологии Microsoft в теории и практике программирования». – Нижний
Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2010. С. 183-185.
[Лядова, 2007] Лядова Л.Н. Технология создания динамически адаптируемых
информационных
систем
//
Труды
междунар.
науч.-техн.
конф.
«Интеллектуальные системы» (AIS’07). Т. 2. – М.: Физматлит, 2007.