CN101194226A - 在集成应用之间保持数据一致性 - Google Patents

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Abstract

本发明通过对不同局部应用的相应IT系统的数据库中的相关对象和属性提供更快且更廉价的同步或一致性保持，促进了在不同的局部应用之间的互操作性。相关联的局部数据对象通过集成方案的全局数据模型或全局地址空间内的全局对象或引用容器来引用。本发明假设集成方案默认处于一致的状态，即：将工程设计的或初始配置的全局地址空间看作是一致的，在这个空间内操作的所有软件组件假设它们访问的信息是有效且一致的。局部应用是可以与全局地址空间交互并可能引入无效的仅有的组件，它们被连续监视以发现它们的改变。当与局部应用对象的改变(诸如对象的插入或去除，或其属性修改)相关或与改变应用或适配器状态(组件停止或启动)相关的特定触发事件发生时，执行无效，并随后执行同步或一致性恢复。由于优选通过局部应用的应用程序接口(API)来访问数据，本发明对电力设施自动化特别有用，因为电力设施中的安全检查禁止数据库级的数据访问，并且其中物理资产的巨大数量使得无法连续查询任何局部应用的每一个局部对象的可能改变。

Description

在集成应用之间保持数据一致性
技术领域
本发明涉及工业信息技术(IT)领域，特别是在过程自动化或设施自动化中所使用的工业化信息技术。本发明从权利要求1的前序部分所描述的在集成的局部应用之间保持数据一致性或完整性的方法出发。
背景技术
电力设施与电力的产生、输送和分配有关。电力设施中所使用的物理资产或设备具有与它们相关的特定属性。这种物理资产的示例包括电站、电线、变压器或断路器。例如，这些属性包括变压器的额定初级电压或瞬时抽头位置。为了维护、操作、控制和/或监视这些物理资产，采用了各种局部应用或相应的IT系统。在本发明的环境中，术语“局部”与地理属性无关，而是指这些应用仅与所述物理资产的特定方面有关这一事实。这样的局部应用的示例包括计算机化维护管理系统(CMMS)、监管控制和数据采集(SCADA)系统、地理信息系统(GIS)和企业资源计划(ERP)系统等。在电力设施的环境中，CMMS包括例如活动的和归档的工作报告，以及新的工作指令，从而允许调度维修队。SCADA包括有关电网资产的电气图，以便操作断路器和开关，监视电压、电流或容量限制，而GIS用于通过有关资产的空间视图来优化维护操作。
在各种局部应用中，物理资产被模型化为携带有特定属性的对象。因为每个局部应用负责管理物理资产的不同方面，所以可以多种不同的方式引用物理资产。另外，每个相应的IT系统都允许为初始设置和继续更新而对底层数据集进行修改，即以自动方式或由操作人员或设施相关人员发起，可以在运行时间期间改变属性，也可以插入或删除对象。在系统侧的这种修改反映了通过物理资产的投入运行或部署来对例如电力设施的电网所进行的频繁改动，这又意味着一个或更多局部应用的数据集的改变。前述情况会导致不一致的数据，例如一个属性在控制和维护系统中具有不同的值，或者在计划系统中插入一个新的对象，但在维护系统中仍然看不到。这种不一致性导致工作过程的协调和自动化不充分。
由于上述修改所涉及的物理资产与若干局部应用或相应的IT系统共享一定范围的信息，所以应该消除任何不一致性，并在整个IT系统中更新所涉及的数据，以便在这些局部应用之间保证信息的一致性。然而，在IT侧，在运行的各种系统中所存储的信息之间导航、同步和统一访问是复杂的，并且维护工作量通常是巨大的。
所有IT系统依靠实时的或标准的数据库产品工作。发生单个属性的最微小的改变就触发所有这些数据库的同步或复制，其计算成本显然很高。另外，对标准数据库应用和诸如SCADA这样的实时数据库应用进行同步可能根本不可行。而且，数据库级的直接同步不适于设施应用，因为这些应用通常执行大量的安全和健全(sanity)检查，以保证对对象的这些修改是当前的配置所允许的和可行的。因此，用于访问这些局部应用的数据集的唯一合适的方法是通过相应IT系统所提供的应用程序接口(API)来访问信息。
另外，IT系统之一的硬件和软件组件可能在运行中发生故障。例如，在与局部应用的通信发生故障的情况下，在该局部应用内部进行的改变是在其它局部应用不知情的情况下进行。为了恢复一致性，以冗余的方式配置组件，使得能够克服硬件和软件组件的故障。然而，系统错误不能通过这种方法解决。另一方面，一种可替选的方法是定期轮询所有局部应用以获取改变信息，该方法造成所有通信信道的沉重负担，不适合具有数百万个资产的大型设施。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提供相应IT系统的数据库中的相关对象和属性的更快和更廉价的同步或一致性保持，来促进不同的局部应用之间的互操作性，特别是在设施自动化中。该目的通过根据权利要求1、8和10所述的用于在集成局部应用之间保持数据一致性的方法、装置或计算机程序来实现。更优选的实施例在从属权利要求中说明。
不同局部应用的相关局部数据对象通过集成方案的全局数据模型或全局地址空间中的全局对象或引用容器来引用。本发明没有假设集成方案由于改变对象和属性而总是处于不一致状态，并且因而执行连续查询全局地址空间的功能，而是明假设集成方案默认是处于一致状态。换句话说，工程设计的或初始配置的全局地址空间被看作是一致的，并且在这个空间内操作的所有软件组件假设它们访问的信息是有效的和一致的。
由于局部应用是可以与全局地址空间交互并引入无效的仅有的组件，所以对这些局部应用或相应提供的用于数据转换的对应的应用适配器进行连续监视，以发现它们的改变。当与局部应用对象的改变(例如对象的插入或去除，或其属性修改)或与改变应用或适配器状态(组件的停止/启动)相关的特定触发事件发生时，执行无效和随后的同步或一致性的恢复。全局对象的概念将在触发事件之后的同步操作的数量限制为严格极小值，从而显著减少回复一致性所需的时间和计算工作量。所提出的方案还更加可靠---访问一个引用容器意味着该容器处于一致状态，只要没有明确地使该容器无效过。
由于优选通过局部应用的应用程序接口(API)来访问数据，所以本发明对电力设施特别有用，在电力设施中的安全检查禁止在数据库级访问数据，并且其中大量的物理资产确实使得无法连续查询任何局部应用的各个和每个局部对象来发现可能的改变。
附图说明
在下文中，将参考附图中示出的优选的示例性实施例来更详细地说明本发明的主题，在附图中：
图1示意性地示出将针对局部对象的引用分组的三个引用容器；
图2示出IT结构的主要组件；
图3示出由在局部应用中插入对象而发起的更新程序；以及
图4示出在应用适配器故障之后的更新程序。
附图中使用的参考符号及其含义以总结的形式列在参考符号列表中。原则上，相同的部件在附图中使用相同的参考符号。
具体实施方式
为了克服局部应用之间的互操作性的挑战，正在开发所谓的集成方案。在局部应用之间或者在它们分别对应的局部数据模型之间交互的一种优选方法使用全局数据模型，如在电力设施的情况下，符合标准IEC 61970的公用信息模型(CIM)。利用这种概念，避免了局部应用之间的点到点连接，因为所有的局部数据或信息模型只是被“转换”为全局数据或信息模型，并且通过全局数据或信息模型来通信。因而，增加一个新的局部应用要求开发对应的新局部数据模型和一个单一全局数据模型之间的适配器或接口，而不是开发用于所有其它局部数据模型的转换器。
现实的物理资产或设备，例如设施中的变压器、断路器或电站，在局部应用中被模型化为局部对象实例，而诸如额定初级电压或瞬时抽头位置这样的资产属性被表示为对象的属性。每个局部对象实例属于特定的局部对象类型，该类型定义了由对象所揭示，并且通过应用的API可以访问的属性。例如，相同物理类型的两个变压器在一个特定局部应用中被模型化为相同对象类型的两个局部对象实例。因为所有的局部应用引用相同的物理资产，所以引入“引用容器”或“全局对象”的概念，作为一种手段，来对局部应用中在逻辑上共享某种关系的局部对象实例之间的关联进行分组。这种关系通常是模型化的相同物理资产，但是实际上可以自由定义，从而将例如从GIS对象“极”的导航与SCADA对象“线”相对应。在最初或设置阶段，对来自不同IT系统的对象之间的关系进行工程设计，并且将来自不同局部应用的对象分组到引用容器。
在图1中，通过全局标识符X、Y和Z所标识的三个引用容器被描述为全局数据模型内的全局对象。还示出了对应于三个应用SCADA、CMMS和GIS的局部数据模型中的局部对象实例A到F。对局部对象实例的引用表示为箭头，并保持在引用容器中，作为元信息。所述元信息包括局部标识符A、B、C…，用于访问局部应用中的局部对象，还包括应用标识符，以允许将与该对象相关的任何请求导向相应的应用适配器。引用容器Z包括对同一GIS应用中的两个局部对象A和D的引用。因而，可以改变不同应用之间的建模粒度。全局标识符允许从应用访问上述关系，也允许将引用容器绑定到结构层次。
图2描述了一种集成体系结构的概略图，包括以下主要结构单元：企业服务或消息总线1，用于通过诸如各种局部应用2、2’这样的订户的相应应用适配器3、3’连接订户；目录服务4；全局数据访问服务5；同步服务6；整体服务7；以及系统工程工具8。虚线边界线9指示由局部应用2和2’所使用的局部数据模型和由全局数据访问服务5或同步服务6所使用的全局数据模型之间的边界。适配器3和3’、目录服务4和工程工具8位于边界线9上，即它们既了解局部数据模型，也了解全局数据模型。
作为中央媒介，消息总线1提供可靠和安全的通信中枢。用全局数据模型表达的所有消息都通过该消息总线1来传送。
适配器3、3’作为局部应用2、2’的应用程序接口(API)和消息总线1之间的链接。适配器3和3’从应用提取数据，和将数据发送到应用，以及在全局和局部数据模型之间转换或作为媒介。转换通常是基于类型执行的，并且涉及一个对象类型的所有属性。根据本发明，如以下进一步详述的那样，适配器还可以在应用中发生数据改变时发布通知。
适配器3、3’使用目录服务4来执行对数据模型转换的请求。目录服务4存储并提供适配器3、3’在全局和局部数据模型的数据域之间进行转换所需要的映射信息，例如指示局部数据模型的哪个数据域应当映射到全局数据模型的哪个数据域，并且包括转换数值属性值的规则。映射信息包括诸如局部标识符(A、B、C)和全局标识符(X、Y、Z)之间的关联的信息。目录服务4的内容可以在运行时间如在下面进一步讨论的那样通过同步服务6来改变，或者通过工程工具8来离线改变。另外，目录服务4存储对象实例库中的局部应用2、2’的所有局部对象实例，包括那些没有分配给任一引用容器的局部对象实例。
全局数据访问服务5通过全局数据模型来管理指向局部应用的所有信息请求。其将信息片断组合成用户可用的完整的集合。
为了解决由于工作过程(涉及诸如属性值这样的资产属性的修改)的协调和自动化不充分所造成的数据不一致性，用户和应用从检测到不一致性的那点起，一直到应用再次一致为止，与帮助管理工作流程的同步服务6交互。
整体服务7是软件组件，其在“适配器运转(adapter live)”事件发生时起动，并且其本身与集成方案的其它组件(同步服务6、目录服务4、全局数据访问服务5)交互，以便如下面进一步详述的那样在全局地址空间中恢复一致状态。
工程工具8通常用于在部署解决方案之前配置对象之间的关系。对关系的定义是使用工程工具在离线过程中进行的，并且将关系的定义部署于诸如目录服务4这样的运行时间组件。
每个局部应用包括“局部地址空间”，在其中标识可访问的局部对象，并通过相应局部应用定义局部数据模型的局部对象类型。在本发明提出的标识法中，所提出的集成方案又包括“全局地址空间”，在其中标识引用容器，并根据诸如CIM这样的标准导出全局数据模型的全局对象类型。
适配器是集成方案的、通过基于从目录服务4所提取的映射信息将用局部数据模型或格式表示的信息转换成全局数据模型来在局部和全局地址空间之间交互的仅有的软件组件。所有的其它软件组件，如同步服务6，仅交换用全局数据模型表达的信息，而没有表示信息是来自哪个局部应用或局部地址空间。
全局地址空间首先通过工程工具8来配置，由此定义各种局部应用中的局部对象实例的关系以及属性映射。然后将作为引用容器的一部分的所述关系和所述映射信息部署到目录服务4。
本发明没有假设集成方案由于改变对象和属性而总是处于不一致状态，并且因而执行连续查询配置并对其更新的功能，而是假设集成方案，即全局地址空间，默认是处于一致状态。由于已知局部应用2、2’是可以与全局地址空间交互并将无效引入该配置的仅有的组件，所以上述假设是可行的。因此，对前者连续地监视或侦听，并且仅当应用适配器3、3’按时向整体服务7报告在局部地址空间中发生改变时，才进行同步处理。因此，运行在局部/全局范围内的每个适配器或等效的软件组件必须能够在相应的适配器或组件的运行过程中以及起动/停止期间，报告它所监督或控制的局部地址空间的改变。
整体服务7监视触发事件，该触发事件由适配器发送，指示与适配器相关的启动/停止或通信故障，或指示对象的改变，然后向适配器请求进一步的信息。如果适配器能够通过报告哪个对象被插入或去除，或者哪个对象的特定属性被修改来确定改变的位置，则只有那些指向该对象的引用容器被无效。否则，引用该局部地址空间中的对象的每个引用容器都被无效。在任何情形下，整体服务7都将关于需要被无效的引用容器通知目录服务4，直到由同步服务6恢复一致性为止。
上述全局对象或引用容器的概念将同步操作的数量限制为严格极小值，因为仅有该配置的子集需要是有效的，因此显著减少了恢复一致性所需的时间和计算工作量。所提出的方案还更加可靠---访问一个引用容器意味着该容器处于一致状态，只要没有明确地使该容器无效过。
下面结合图3和图4所示的两个优选集成方案来说明上面所述的本发明的原理。
图3描述了在应用适配器3检测到示例性改变之后，如何进行更新，其中所述示例性改变的形式为对象实例(A)被插入到局部应用2中。适配器通过对应基础局部应用的基于事件的API接口来检测这种改变，所述基于事件的API接口将上述改变揭示或指示为事件。如果局部应用没有提供基于事件的接口，则可以通过局部地址空间与该局部地址空间先前的快照(snapshot)的比较来识别对象的插入或去除，所述先前的快照包括目录服务的对象实例库中的所有局部对象标识符。相应的通知被发送到整体服务7，这又使得同步服务6创建一种类型的引用容器(Z)或全局对象，这种类型对应于插入的对象(A)的局部对象类型。同步服务6最终命令应用适配器3使应用2’插入局部对象(B)，局部对象(B)的局部对象类型对应于上述的全局对象类型。该任务的执行通过信号通知给整体服务7。接下来，通知目录服务4，并完成新创建的引用容器(Z)。可替选地，该过程可以要求手动干预，或通过工程工具8来跟踪，以决定将新插入的对象(A)分配给现有的引用容器(Y)，而不是创建新的引用容器(Z)。最后，同步服务6向整体服务7报告更新任务的完成，并且将全局地址空间标记为一致。
通过电子邮件从用于应用CMMS的适配器3发送给整体服务7的示例性通知可能类似于如下内容。在这种情况下，局部应用通知适配器3关于带有特定局部标识符的局部对象的插入，基于此，随后从目录服务4获得被指示的Goba1ObjectIdentifier。
 <？xml version＝″1.0″encoding＝″utf-8″？>
 <soap:Envelope xmlns:xsi＝″http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance″
 xmlns:xsd＝″http://www.w3.org/2001/XMLSchema″
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     <soap:Body>
         <Notification xmlns＝″http://www.abb.com/″>
            <Action>insertedObject</Action>
            <Initiator>CMMS-1.0 Adapter(SAP)</Initiator>
            <GlobalObjectldentifier>{46ae-9705-8ba497010d}</GlobalObjectldentifier>
        </Notification>
    </soap:Body>
</soap:Envelope>
图4描述了在应用适配器3或者应用2发生故障或超时之后所进行的更新过程。在所述过程中，局部应用没有处理例如去往或来自整体服务或同步服务的通知。在适配器3不可访问期间插入局部应用2中的对象通过比较应用适配器3恢复服务时的对象实例与目录服务4所存储的代表经过确认的“一致”状态的对象实例库来识别。如果这样识别出局部地址空间中有关删除和插入对象的改变，则随后的同步时间会显著缩短。详细地，适配器3按照整体服务7的请求读取其当前实例列表，并且将其移交给整体服务7，整体服务7将这个列表与存储在目录服务4中的对象实例库进行比较。如果识别出未存储在目录服务4中的新对象，则整体服务7触发更新或对象插入程序，该程序类似于图3所示情形中所描绘的程序。可替选地，如果不能进行上述识别过程，则假设由这个局部应用导致的所有配置的实例都是“无效的”。更新程序由同步服务6来执行，并示于图4的虚线长方形10内。一旦整体服务7已启动所有工作流程，则新的实例列表被最终拷贝到目录服务4，以取代该局部应用的在前实例列表，作为新的对象实例库。
虽然由于对象类型的所有属性必须存储在目录服务4中的对象实例库中，而使得有些更加复杂，但是修改属性形式的改变按照类似于上述方法处理。如果起触发作用的改变包括修改的属性值，则将相应的通知发送到整体服务7，并且立即通知目录服务4关于所有需要被无效或被标识为不一致的引用容器。同样，这个初始通知然后被传送到其它局部应用2’，以便重建一致的状态。
标号列表
1消息总线
2、2’局部应用
3、3’应用适配器
4目录服务
5全局数据访问服务
6同步服务
7整体服务
8系统工程工具
9局部和全局数据模型之间的边界

Claims (10)

1.一种在用于设施的自动化解决方案的集成局部应用(2、2’)之间保持数据一致性的方法，所述设施包括多个物理资产，其中
第一局部应用(2)的局部对象(A、B)与第二局部应用(2’)的局部对象(E、C)相关联；
不同局部应用的相关联的局部对象(A、E；B、C)通过全局数据模型内的全局对象(X、Y)来引用；
针对所述局部应用(2、2’)中的每一个，提供相应的适配器(3、3’)，以便在所述局部应用的局部数据模型和所述全局数据模型之间进行转换；
其特征在于，所述方法包括：
在局部应用(2、2’)或相应适配器(3、3’)的状态或者局部对象(A、E；B、C)没有任何改变的情况下，假设局部对象(A、E；B、C)一致表示设施的物理资产；
在局部应用(2、2’)或相应适配器(3、3’)的状态或者局部对象(A、E；B、C)有改变的情况下，使引用所述局部应用(2)的所述局部对象(A)或所有局部对象(A、B、C…)的任何全局对象(X)无效；以及
针对被无效的每个全局对象(X)，恢复所有被引用的局部对象(A、E)之间的数据一致性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中局部应用(2)的局部对象的改变包括插入或删除对象，或者修改对象的属性，所述方法的特征在于包括：
由相应的适配器(3)通过所述局部应用(2)的接口(API)来检测所述改变。
3.根据权利要求1所述的方法，其中对局部应用(2)或相应适配器(3)的状态的改变包括启动或停止所述应用或适配器，所述方法的特征在于包括：
由相应的适配器(3)将所述的局部应用(2)的所有局部对象与对象实例库进行比较。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
由适配器(3)将改变报告给整体服务(7)；
通知目录服务(4)使所涉及的全局对象(X)无效；
通知同步服务(6)恢复所引用的局部对象(A、E)之间的数据一致性。
5.根据权利要求1所述的方法，其中第一局部应用(2)的局部对象(A、C)和第二局部应用(2’)的相关局部对象(B、F)都是设施的相同物理资产的模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述设施是电力设施。
7.根据权利要求1所述的方法，其中全局数据模型内的全局对象(X、Y)最初通过工程工具(8)来配置。
8.一种在用于设施的自动化解决方案的集成局部应用(2、2’)之间保持数据一致性的装置，所述设施包括多个物理资产，其中
第一局部应用(2)的局部对象(A、B)与第二局部应用(2’)的局部对象(E、C)相关联；
不同局部应用的相关联的局部对象(A、E；B、C)通过全局数据模型内的全局对象(X、Y)引用；
针对每个所述局部应用(2、2’)，提供相应的适配器(3、3’)，以便在所述局部应用的局部数据模型和所述全局数据模型之间进行转换；
所述设备的特征在于包括用于以下操作的装置：
在局部应用(2、2’)或相应适配器(3、3’)的状态或者局部对象(A、E；B、C)没有任何改变的情况下，假设局部对象(A、E；B、C)一致表示设施的物理资产；
在局部应用(2、2’)或相应适配器(3、3’)的状态或者局部对象(A、E；B、C)有改变的情况下，使引用所述局部应用(2)的所述局部对象(A)或所有局部对象(A、B、C…)的任何全局对象(X)无效；以及
针对被无效的每个全局对象(X)，恢复所有被引用的局部对象(A、E)之间的数据一致性。
9.根据权利要求8所述的装置，其中电力设施被自动化。
10.一种用于执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的计算机程序。
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