CN116911642B - 面向多维多态的水电机组设备指标计算系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及面向多维多态的水电机组设备指标计算系统，包括设备对象构建模块和指标工具模块。其中设备对象构建模块用于层次性逻辑设备、层次性物理设备和逻辑测点、物理测点的管理，以及设备与测点关联关系的管理；指标工具模块用于函数、公式模板、专业模板和指标的管理。本发明还公开了水电机组设备指标计算系统的专业模板的创建方法。本发明对水电机组设备层次模型、设备指标计算涉及的函数和模板进行统一、规范化信息化管理，实现了针对不同周期多层次的设备指标的快速高效统计、汇总计算，其中指标计算函数和模板一次开发后即可重复使用，提高了指标计算函数和模板的重用性，使指标统计人员脱离于指标计算逻辑的实现过程。
Description
技术领域
本发明属于水电机组监测领域，具体涉及一种面向多维多态的水电机组设备指标计算系统和方法。
背景技术
指标构建系统是提供指标定义和计算的系统，工业互联网中指标按照逻辑设备与逻辑测点来设计，通过设备模型、测点模型与工业互联网平台业务函数库配合实现指标的逻辑定义过程到物理实例批量定义过程的映射，从而达到一次构建多个指标并实现逻辑设计批量完成的目标。
目前市面上工业领域的指标构建和计算框架几乎都是基于静态数据的数据统计。通常需要业务人员提出业务需求，再由开发人员针对该业务进行代码开发。公开号为CN116109243A的中国专利“一种基于SQL算法的计费方法、装置、设备”中虽然公开了指标的创建方法，但是都是对管理系统中数据的统计，指标创建方式基本都是SQL拼接的过程，需要编写数据取数逻辑如数据库链接信息，并编写业务定制统计方法等计算机程序，每一个业务都需要一次独立的开发比如重新写业务代码或者根据业务编写SQL，对于一些特殊的需求，还需要进行复杂的SQL语句嵌套或者自定义函数，增加了开发和维护的难度，复用性不高，无形中增加了维护和变更的成本。在处理大规模数据时，由于SQL算法是基于关系型数据库的查询语言，它需要对整个数据集进行扫描和处理，这导致指标计算统计过程变得缓慢和耗时。SQL算法是基于关系型数据库的查询语言，它更适合于批量处理和离线计算，对于实时计算和大数据分析的需求有很大局限性。
发明内容
本发明的技术问题是目前现有的工业指标的构建方法是业务专家先提取业务逻辑再在模拟仿真工具如matlab进行编程计算；或者使用业务定制化SQL对结构化数据进行统计，可复用性差，开发周期长，排错能力弱。
本发明的目的是针对上述问题，提供一种面向多维多态的水电机组设备指标计算系统和方法，对水电机组层次性设备模型、层次性测点模型以及测点与设备的关联关系进行统一信息化管理；构建用于实现指标计算逻辑的通用函数库、自定义业务函数库，提高函数的可重用性；制定用于特定指标计算的公式模板、专业模板，实现指标计算逻辑的封装，提高模板的可重用性，并通过专业模板针对专业特点实现了指标计算逻辑的特殊化专业定制。
本发明的技术方案是面向多维多态的水电机组设备指标计算系统，包括设备对象构建模块和指标工具模块。
设备对象构建模块：用于层次性逻辑设备、层次性物理设备和逻辑测点、物理测点的管理，以及设备与测点关联关系的管理，形成层次性设备模型和层次性测点模型；
指标工具模块：用于函数、公式模板、专业模块、逻辑指标和物理指标的管理；
所述指标工具模块包括通用数学函数库、自定义业务函数库以及公式模板管理、专业模板管理、逻辑指标管理和物理指标管理子模块；
通用数学函数库：包含用于计算设备指标的通用数学函数，通用数学函数的类别包括符号运算、业务函数、逻辑函数、统计函数、数学和三角函数以及文本函数；
自定义业务函数库：包含用于计算设备指标的用户自定义的函数，是对通用数学函数库的补充；
公式模板管理子模块：针对具体的业务域的指标算法形成专用的公式模板，提供公式模板的管理功能；
专业模板管理子模块：针对水电专业领域特性形成用于设备指标计算的专业模板，提供专业模板的管理功能；
物理指标管理子模块：用于物理指标的创建、修改、删除和发布管理；
逻辑指标管理子模块：用于逻辑指标的创建、修改、删除和发布管理，其中对逻辑指标的创建、删除操作触发逻辑指标对应的实例化设备的物理指标的批量生成、删除。
优选地，函数库包括符号运算函数、业务函数、逻辑函数、统计函数、三角函数和文本函数。
水电机组设备指标计算系统的专业模板的创建方法，包括以下步骤：
S1、用户拆分所述专业模板的维度层级及计算逻辑，维度层级包括电站级和机组级；
S2、判断通用数学函数库是否包含所述专业模板的计算逻辑，若判断结果为是，则采用通用数学函数实现所述专业模板的计算逻辑，执行步骤S4，否则执行步骤S3；
S3、选用自定义函数库中的函数实现所述专业模板的计算逻辑；
S4、基于计算逻辑对应的函数建立公式模板；
S5、根据步骤S4得到的公式模板，结合专业模板的维度层级，从层次性逻辑设备模型中汇总选定逻辑设备，从逻辑测点模型中选定逻辑测点；
S6、将逻辑设备和逻辑测点与公式模板中的参数进行绑定；
S7、生成并保存专业模板。
优选地，所述采用通用数学函数实现所述专业模板的计算逻辑，具体包括以下步骤：
1）判断函数的参数是否为标准测点的数据，若为标准测点则执行步骤2），否则认为该参数为数值，进入步骤5）；
2）利用设备对象构建模块获取所述标准测点对应的详细测点信息；
3）从时序仓库、结构化数据仓库中查询得到所述标准测点的实际设备在当前周期内的测点数据；
4）使用测点数据按照预设的专业模板的计算逻辑进行计算；
5）根据函数的计算公式进行计算；
6）对步骤4）和步骤5）的计算结果进行多周期汇总，得到所述专业模板的计算结果。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：
1）本发明分别利用设备对象构建模块和指标工具模块对水电机组设备层次模型、设备指标计算涉及的函数和模板进行统一、规范化信息化管理，实现针对不同周期多层次的设备指标的快速高效统计、汇总计算，其中指标计算函数和模板一次开发后即可重复使用，提高了指标计算函数和模板的重用性，使指标统计人员脱离于指标计算逻辑的实现过程。
2）本发明的设备对象构建模块对水电机组层次性设备模型、层次性测点模型以及设备与测点关联关系进行信息化管理，有利于水机设备的多层次的指标计算、汇总统计。
3）本发明通过构建用于实现指标计算逻辑的通用函数库、自定义业务函数库，有利于指标计算函数的统一规范化管理，提高函数的可重用性，避免大量重复的计算机程序开发，提高了机组设备指标计算效率。
4）本发明结合水电机组设备指标的计算逻辑，制定用于特定指标计算的公式模板、专业模板，实现指标计算逻辑的封装，提高了模板的可重用性，便于对多周期的水电机组设备指标进行快速计算；利用专业模块针对专业特点实现了指标计算逻辑的特殊化专业定制。
5）本发明的指标计算系统融入了水电行业的专业知识，能解决绝大部分水电设备、机组、电站、流域的指标构建和计算统计，在行业内具有更好灵活性和智能性，可大范围推广使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的水电机组设备指标计算系统的系统框架结构示意图。
图2为本发明实施例中创建专业模板的流程示意图。
图3为本发明实施例中使用专业模板进行指标批量创建的流程示意图。
图4为本发明实施例中采用通用数学函数实现专业模板的计算逻辑的流程示意图。
具体实施方式
本发明是通过工业特别是水电行业的最根本视角，从业务人员的角度基于设备来构建指标，而不是从IT角度来进行组织与构建的系统。系统的设备管理能力来自设备对象构建，指标构建系统自身管理业务函数，内置通用数学函数库、专业模板管理、自定义业务函数等。多维是指指标管理层面包含多重维度如指标时间、设备层级、统计函数特征等；多态是指指标统计条件中设备的运行状态多样，比如设备处于稳定运行区间、设备处于稳态区间、设备同时处于设备稳定运行区间且处于稳态区间，工况比如开机过程、停机过程、检修态或停机态等；多算法是用于指标统计的算法包含众多的通用数学函数或自定义函数。
如图1所示，面向多维多态的水电机组设备指标计算系统，包括：
设备对象构建模块：为整个工业互联网平台提供层次性的逻辑设备模型、层次性的物理设备模型和逻辑测点、物理测点信息以及设备与测点的关联关系的信息化管理。所有的其它模块中的业务功能都围绕此设备对象构建信息来设计，从而在平台的使用中，都会自然的和设备概念匹配。
指标工具模块：为整个平台提供指标定义与计算服务，指标在设计过程中按照逻辑设备与逻辑测点来设计，通过设备模型与测点模型实现指标的逻辑计算过程到物理计算过程的映射，从而达到一次设计，全部设备适用的目标。
指标工具模块包括：通用数学函数库、自定义业务函数、公式模板、专业模板、逻辑指标和物理指标管理子模块。
其中，通用数学函数库是整个指标工具的核心算法库，包含有常用通用计算逻辑的实现函数。核心实现是基于平台设计和设备模型兼容平台对数据的多种不同存储，构建时用户只需指定参与计算的设备、测点和计算逻辑，计算时函数自动根据设备测点管理信息从对应的数据源读取数据并计算。函数库包括符号运算函数、业务函数、逻辑函数、统计函数、数学和三角函数、文本函数。
自定义业务函数库是本平台扩展函数的入口，在通用函数库内函数不满足个别需求时提供编辑可自定义业务函数的功能。因为是非通用业务逻辑，所以可能涉及非抽象计算方法，此功能的使用需要用户具有一定的编程基础。
公式模板管理子模块是把某一个业务域的指标算法进行抽象形成一个模板。比如设备运行状态指标模板，模板中可添加上开停机次数、停机时长、稳定运行时长等，设备温度检测指标模板中可添加最大值、最小值、平均值、中位数和温差等等。公式模板是函数按业务域分组的产物。使用公式模板可批量创建某个业务实体的不同指标，比如一键批量创建出某个设备的某些监测数据的日最大值、日最小值、日最大偏差等等。
专业模板管理子模块是在公式模板的基础上增加水电专业领域的特定条件，形成更具业务能力的模板。比如从设备温度检测指标模板的基础上从设备对象构建模块选取层次性测点模型进行绑定，生成可创建所有设备的某一测点模型的温度检测指标的专业模板。
逻辑指标管理子模块是指标工具管理的子模块，涉及指标的批量创建、修改、删除、发布等。创建时可基于水电专业模板进行创建，批量选取要创建指标的层次性设备模型，选取指标的维度信息以及管理信息即可一键创建多个业务主体的多个种维度的多个逻辑指标，如某电站某温度部件的日最大值、日最小值、时最小值等。
物理指标管理子模块：物理指标是实例化指标，是参与运算的实例与业务主体的对应。在上述逻辑指标管理子模块内创建或者删除每一个逻辑指标，系统都会自动根据向导创建过程中选取的实例化设备批量生成或者删除物理指标。用户可以为物理指标添加业务属性如指标上下限等，让其它模块使用当前指标时更方便，如逻辑指标“某电站某温度部件的日最大值”可能包含电站#1的1号机组日最大值和电站#1的2号机组日最大值等等，可人工为物理指标添加业务属性如指标上下限等，让其它模块使用当前指标时更方便。当系统还包括预警模块时，在使用预警类指标时可以把指标值与上下限以及预警通用规则进行绑定，生成某一设备的预警逻辑。
如图2所示，基于专业模板管理模块创建水电专业模板的过程，具体包括：
S1、用户拆分确认模板维度层级及计算逻辑；维度层级包括电站级、机组级等；计算逻辑包括常见的取值方式，如最大值、平均值、趋势等。
S2、判断通用数学函数库是否包含所述计算逻辑。如果函数库中没有包含所述计算逻辑，执行S3，否则执行S4。
S3、使用自定义函数库进行计算逻辑的实现。
S4、基于计算逻辑对应的函数建立公式模板。
S5、根据S4定义的公式模板，结合维度层级从设备对象模块构建模块的层次性设备模型汇总选定逻辑设备，从层次性逻辑测点模型中选定逻辑测点。
S6、将逻辑设备和逻辑测点与公式模块中的参数进行绑定。
水电专业模板是在公式模板的基础上增加水电业务领域的特定条件形成更具业务能力的模板，是通用函数库与设备对象构建模块对接的纽带，是基于工业互联网领域特别是水电领域的一个抽象设计。使用多维专业模板实例化指标的过程中可以选择机组、设备工作状态实现多算法融合与过滤，也可以选择机组工况，针对某一工况下进行某指标的建立。也可以添加额外数据预处理条件如计算中忽略毛刺数据。达到指标实例化过程多维、过滤条件与工况筛选多算法融合的效果。
在实际应用中，当业务人员配置专业模板时，首先要对目标业务指标进行抽象分割，确定模板的维度层级和计算逻辑，比如确定是电站级统计还是机组级统计，计算逻辑是求最大值MAX还是求平均值AVG。步骤S2中的计算逻辑利用通用数学函数库中的函数实现。如果函数库中不存在需要的计算逻辑，就需要在步骤S3中使用自定义业务函数库进行函数扩展，比如自定义实现“每周期最后十分钟的最大值统计”功能的函数，实施例中的自定义函数支持java语言和脚本语言aviator实现。以目标为建立上导摆度最大值的专业模板为例，在步骤S4中选取通用数学函数库中已有的最大值函数MAX(X,Y)建立公式模板，指定参数X、Y为两个逻辑测点的数据。在步骤S5中选定步骤S4中定义的公式模板，从设备对象构建模块的层次性设备模型选定逻辑设备路径，把“上导轴承系统”所在层级作为逻辑层级，此时系统会自动确定模板层级维度为机组级。在步骤S6中根据业务目标从设备对象构建模块的层次性测点模型分别选定逻辑测点上导横向摆度、上导纵向摆度与最大值函数的两个参数X、Y绑定。至此专业模板的信息选定完毕，点击“保存”按钮，系统自动生成模板唯一标识和中英文名称，并生成水电专业模板。
逻辑指标管理子模块可批量创建指标，如图3所示，具体步骤包括：
S1、从专业模板管理模块中选择目标专业模板。
S2、确定多维度多算法过滤条件；过滤条件包括统计周期、运行区间、厂站信息、设备信息等。
S3、选定实例化参数，包括测点分类；将测点分类发送给设备对象构建模块。
S4、设备对象构建模块根据测点分类信息返回对应的测点数据，得到预生成指标列表；
S5、用户选择要生成的指标列表，确认批量创建。
指标创建时可基于水电专业模板实现，批量选取要创建指标的层次性设备模型，选取指标的维度信息以及管理信息即可一键创建多个业务主体的多个种维度的多个逻辑指标，如电站#1温度部件_1的日最大值、电站#1温度部件_1的日最小值、电站#1温度部件_1的时最小值等。
以构建三峡电站1F机组每天和每小时稳定运行期间的上导摆度最大值两个指标为例，首先，从专业模板管理子模块中选择“上导轴承系统-上导X向摆度_上导Y向摆度-最大值”模板；然后，进行多维、多算法过滤条件选择即从筛选条件中选择稳定运行区间、从统计周期中选择周期为1日和1时，选定厂站→从设备对象构建管理的层次性设备模型中查询出设备列表，选定设备为三峡1F机组下的1F上导轴承系统即对机组级统计。然后选定实例化参数，选定测点分类，测点会在计算机界面右侧自动带出数据。测点数据由设备对象构建的层次性测点模型管理，由指标的查询接口查询得到，下一步进入预览预生成指标步骤，可预览要生成的指标列表。确认业务正确，点击“批量创建”，即可批量生成需求的两个指标，如表1所示。
表1 水电专业模板的指标表
| 指标名称 | 指标编码 | 模板类型 |
| 三峡-上导轴承系统-上导X向摆度_上导Y向摆度-日-最大值-逻辑测点型指标_TL4275 | TL4275 | 水电专业模板 |
| 三峡-上导轴承系统-上导X向摆度_上导Y向摆度-时-最大值-逻辑测点型指标_TL4276 | TL4276 | 水电专业模板 |
对上述两个指标进行试算确认业务无误后点击“发布”，此时指标自动生成当前逻辑指标下的N个物理指标，物理指标也称为虚拟测点。物理指标管理子模块把虚拟测点同步到设备对象构建管理模块的测点表中。虚拟测点在使用上等同于原始测点，只是数据来源与原始测点不同，数据均来自业务计算。
实施例中，通用数学函数库是在现有常见的数学函数的基础上，对水电设备对象构建的标准化逻辑测点、测点模型进行封装扩展而得到的，比如数学函数的最大值一般接受参数都是一组数字，在本函数库里，参数可以是数字也可以是设备的标准测点信息。如果是数字则是常规的数学运算，如果是标准测点信息，该计算方法内部运算过程中会根据标准测点信息从数据中台自动匹配到相应的业务数据源并进行计算完全兼容时序与结构化数据。用户在构建时完全不用关心数据的来源和取数逻辑，计算时完全由函数自动组合计算。
如图4所示，面向水电设备的通用数学函数库的计算步骤包括：
S1、判断数据p1是否为标准测点，如果为标准测点则进入步骤S2，否则认为数据为数值，进入步骤S5；
S2、从设备对象构建模块中获取与p1标准测点对应的详细测点信息；
S3、从时序仓库、结构化数据仓库中查询得到实际设备在当前周期内的测点数据；
S4、使用测点数据按照预设计算逻辑进行计算；
S5、按照数学计算公式进行计算；
S6、汇总步骤S4和S5的计算结果，进行多周期数据汇总。
面对各种复杂的业务场景，基于本方案的指标构建系统，用户只要明确需要对什么设备做什么业务统计就可以根据向导构建出自己的目标指标，不需要开发实施人员的介入业务人员即可完成指标构建。整体方案融入了水电行业的知识，能够解决绝大部分水电的设备、机组、电站、流域的指标构建，在行业内具有更好灵活性和智能性。
实施例一
构建三峡电站1F机组每天和每小时稳定运行期间的水导瓦温最大值两个指标：
1）选择专业模板：水导轴承系统-水导瓦温-最大值；
2）多维、多算法过滤条件选择：
- 稳定运行区间；
- 统计周期选择：1日和1时；
- 厂站信息选择：三峡电站；
- 设备选：三峡1F机组下的1F水导轴承系统（机组级统计）；
3）选定实例化参数；
- 选定测点分类，测点会在右侧自动带出；
- 手动调整[可选]；
- 下一步；
4）预览预生成指标，点击“批量生成指标”；
- 批量生成需求的两个指标，如表2所示；
表2 三峡电站1F机组水导瓦温指标表
| 指标名称 | 场站 | 机组 | 虚拟测点名称 | 虚拟测点编码 |
| 三峡-水导轴承系统-水导瓦温-日-最大值 | 三峡电站 | 1F水导轴承系统 | 三峡1F水导轴承系统~水导瓦温~时~最大值 | 02011MEA05-WGuiTt-Hour~Max |
| 三峡-水导轴承系统-水导瓦温-时-最大值 | 三峡电站 | 1F水导轴承系统 | 三峡1F水导轴承系统~水导瓦温-日-最大值 | 02011MEA05-WGuiTt-Day-Max |
- 自动添加后缀唯一标识，如表3所示。
表3 三峡电站1F机组水导瓦温指标编码表
| 指标名称 | 指标编码 | 模板类型 |
| 三峡-水导轴承系统-水导瓦温-日-最大值-逻辑测点型指标_TL4274 | TL4274 | 水电专业模板 |
| 三峡-水导轴承系统-水导瓦温-时-最大值-逻辑测点型指标_TL4273 | TL4273 | 水电专业模板 |
实施例二
创建“葛洲坝-发电机-发电机电流Ia_发电机电流Ib_发电机电流Ic-时-切面比率”指标：
1） 选择专业模板为“发电机-发电机电流Ia_发电机电流Ib_发电机电流Ic-切面比率”模板；
2）多维、多算法过滤条件选择：
- 稳定运行区间+稳态区间；
- 统计周期选择：1时；
- 厂站信息选择：葛洲坝；
- 设备选所有机组；
选定实例化参数；
- 选定测点分类，测点会在右侧自动带出；
- 手动调整[可选]；
- 下一步；
4）预览预生成指标，点击“批量生成指标”；
- 批量生成需求的指标，如表4所示；
表4 葛洲坝发电机电流指标表
。
- 自动添加后缀唯一标识，如表5所示。
表5 葛洲坝发电机电流指标编码表
| 指标名称 | 指标编码 | 模板类型 |
| 葛洲坝-发电机-发电机电流Ia_发电机电流Ib_发电机电流Ic-时-切面比率-逻辑测点型指标_TL2761 | TL2761 | 水电专业模板 |
Claims (1)
1.面向多维多态的水电机组设备指标计算系统，其特征在于，包括：
设备对象构建模块：用于层次性逻辑设备、层次性物理设备和逻辑测点、物理测点的管理，以及设备与测点关联关系的管理；
指标工具模块：用于函数、公式模板、专业模板、逻辑指标和物理指标的管理；
所述指标工具模块包括通用数学函数库、自定义业务函数库以及公式模板管理、专业模板管理、逻辑指标管理和物理指标管理子模块；
通用数学函数库：包含用于计算设备指标的通用数学函数，通用数学函数的类别包括符号运算、业务函数、逻辑函数、统计函数、数学和三角函数以及文本函数；
自定义业务函数库包含用于计算设备指标的用户自定义的函数，是对通用数学函数库的补充；
公式模板管理子模块：将业务域的指标算法形成该业务域对应的公式模板，提供公式模板的管理功能；使用公式模板能批量创建业务实体的不同指标；公式模板是由函数按业务域分组产生；
物理指标管理子模块：用于物理指标的创建、修改、删除和发布管理；物理指标是实例化指标；
所述专业模板管理子模块针对水电机组设备形成用于指标计算的专业模板，提供专业模板的管理功能；水电专业模板是在公式模板的基础上增加水电机组设备指标条件形成水电专业模板，是通用函数库与设备对象构建模块对接的纽带；使用多维专业模板实例化指标的过程中选择机组、设备工作状态实现多算法融合与过滤，或选择机组工况，对机组工况进行指标的建立；
所述逻辑指标管理子模块用于逻辑指标的创建、修改、删除和发布管理，其中对逻辑指标的创建、删除操作触发逻辑指标对应的实例化设备的物理指标的批量生成、删除；
所述的水电机组设备指标计算系统的专业模板的创建方法，包括以下步骤：
S1、用户对目标业务指标进行抽象分割，确定所述专业模板的维度层级及计算逻辑，维度层级包括电站级和机组级；
S2、判断通用数学函数库是否包含所述专业模板的计算逻辑，若判断结果为是，则采用通用数学函数实现所述专业模板的计算逻辑，执行步骤S4，否则执行步骤S3；
S3、选用自定义函数库中的函数实现所述专业模板的计算逻辑；
S4、基于计算逻辑对应的函数建立公式模板；
S5、根据步骤S4得到的公式模板，结合专业模板的维度层级，从层次性逻辑设备模型中汇总选定逻辑设备，从逻辑测点模型中选定逻辑测点；
S6、将逻辑设备和逻辑测点与公式模板中的参数进行绑定；
S7、生成并保存专业模板；
所述步骤S2中，采用通用数学函数实现所述专业模板的计算逻辑，包括：
1）判断函数的参数是否为标准测点的数据，若为标准测点则执行步骤2），否则认为该参数为数值，进入步骤5）；
2）利用设备对象构建模块获取所述标准测点对应的详细测点信息；
3）从时序仓库、数据仓库中查询得到所述标准测点的实际设备在当前周期内的测点数据；
4）使用测点数据按照预设的专业模板的计算逻辑进行计算；
5）根据函数的计算公式进行计算；
6）对步骤4）和步骤5）的计算结果进行多周期汇总，得到所述专业模板的计算结果。
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