CC BY
15
И. Н. Фомин, аспирант кафедры ПИН Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю. А., г. Саратов, ignik16@yandex.ru
Фреймовый подход к систематизации расчетных моделей электроснабжения
В статье, написанной по материалам доклада на X Международной научно-практической конференции «Объектные системы — 2015» (ШИ (ф) ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова, г. Ростов-на-Дону), описывается подход к проектированию структуры баз данных и отражению в биллинговых информационных системах расчетных моделей электроснабжения. Дается новое определение понятия «расчетная модель», приводятся основные свойства объектно-реляционного описания расчетных моделей и предлагается модель структуры базы данных информационной биллинговой системы энергосбытового предприятия.
Ключевые слова: семантическая сеть, расчетная модель, концептуальная модель, объектно-реляционная структура, биллинг.
Введение
Важнейшая задача при разработке отраслевых информационных систем — определение моделей, по которым должна структурироваться информация при вводе, хранении и обработке. В электроэнергетике, энергосетевых, энергогенериру-ющих и особенно энергосбытовых предприятиях основная цель обработки информации об энергопотреблении — расчет цены и стоимости выработанной, переданной и потребленной электроэнергии (биллинг энергии), который осуществляют посредством отраслевых информационных биллинговых систем.
Информационная биллинговая система — это программный или программно-аппаратный комплекс, выполняющий все задачи автоматизации энергосбытовой деятельности, осуществляющий учет первичной информации, возникающей на этапах бизнес-процесса, учет и расчет различных учетных показателей и на основании всего этого формирующий расчетные модели для осуществления расчета стоимости потребленной энергии в различных аналитических разрезах. Биллинговые системы укрупненно состоят из блока обработки
информации и хранилища данных, представляющего собой программный комплекс, предназначенный для извлечения, очистки, проверки и загрузки данных из источников в базу данных с многомерной структурой [1].
Расчетная модель как фреймовая сеть
При проектировании информационных биллинговых систем требуется найти и формализовать расчетные модели, по которым множество договорных, административных и технических условий электроснабжения имели бы отражение в компьютерных информационных системах.
Расчетная модель — это описание электроэнергетической системы, предназначенное для построения математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности, с помощью которой рассчитываются реализуемые в этой электроэнергетической системе объемы производства и потребления электрической энергии и мощности и соответствующие им цены [2]. Целью описываемого в статье исследования стал поиск возможности се-
[ 99 ]
мантического и объектно-реляционного описания расчетных моделей электроснабжения для реализации их в биллинговых информационных системах.
При проектировании систем автоматизации энергосбытовой деятельности, реализующих расчетные модели, требуется оригинальный подход к формированию структуры данных и отражению оптимизационных процедур и функций. Для этого на ранних этапах исследования были определены функциональные характеристики биллинговых систем, произведена декомпозиция основных процедур и функций, в [3; 4] формально описаны выявленные типовые этапы бизнес-процесса автоматизированного биллинга.
Для систематизации информационной структуры данных биллинговой системы удобно использовать фреймовую концепцию представления знаний, идея которой состоит в концентрации всех знаний о некотором классе объектов в единой структуре данных, что позволяет связать декларативные и процедурные знания о рассматриваемом объекте [5]. Этими объектами могут быть приборы учета, абстрактные точки на линии электропередачи, где они установлены, реальные объекты электроснабжения и прочие сущности, в том числе договоры и документы, фиксирующие действия по организации и изменению условий электроснабжения. Фреймовой концепцией описания взаимосвязей этих объектов решается задача структу-
ризации информационной структуры данных об энергопотреблении.
Поскольку было определено, что объектно-ориентированное программирование является концептуальной основой автоматизации энергосбыта, то при исследовании производился поиск сущностей, являющихся иерархическими фреймами, к которым применимы понятия абстрагирования, инкапсуляции, модульности, типизации, устойчивости [5].
На рис. 1 изображена типовая фреймовая сеть, которая может структурировать знания о заданной предметной области. Слоты фреймов ¥п различаются по своему функциональному назначению. Для хранения и обработки информации об энергопотреблении с целью биллинга можно определить различные слоты теории фреймов [5]:
• слоты-идентификаторы (I; имя объекта) — специальные слоты, по которым идентифицируется фрейм (имеется у каждого фрейма);
• слоты-значения (D; поля объекта) — содержат заданные (константные) значения (например, учетные или расчетные показатели). Эти слоты могут также играть роль формальных параметров подпрограмм, прикрепленных к фрейму;
• слоты-программы или подпрограммы (Р; методы объекта) — реализуют расчетные алгоритмы, используя в качестве входных значений слоты-значения своего фрейма или слоты-значения Dx фрейма Fx, связанного с ним;
Рис. 1. Типовая фреймовая сеть представления знаний
Fig. 1. Typical framing network knowledge representation
• слоты-ссылки в совокупности определяют структуру фреймовой сети (подобно связям в таблицах БД или наследования в ООП) — хранят ссылки на другие фреймы Ех информационной структуры.
Наполняемость фреймов слотами различна (различно количество слотов и их функциональное назначение) и устанавливается на этапе проектирования информационной структуры.
Для описания понятия «расчетная модель» в аспекте набора взаимосвязанных фреймов каждый объект этой сети фреймов должен отражать реальные или абстрактные сущности предметной области, которые имеют конкретные значения в энергосбыте. Каждый набор сущностей, из которых формируются данные о структуре электроснабжения, можно описать системой взаимосвязанных фреймов F2, F3 ... Fя} или объектов в объектно-ориентированном программировании с таблицами в базе данных, каждый из которых содержит в себе набор слотов (полей) {I, D, Р, ... L} (рис. 2). Таким образом, эта система связанных фреймов образует некую семантическую сеть, которой и является понятие «расчетная модель электроснабжения».
Расчетная модель — это семантическая сеть, формирующаяся информационной моделью предметной области. В фреймовой
концепции расчетная модель имеет вид ориентированного графа, вершины которого соответствуют реальным и абстрактным сущностям предметной области, а его ребра задают отношения между ними.
Семантическая сеть является одним из способов представления расчетной модели, а слоты-значения фреймов определяют измерения массивов данных. Измерения — ключевая концепция многомерных баз данных. Многомерное моделирование предусматривает использование измерений для предоставления максимально возможного контекста для измеряемых фактов [1].
Потребители, субъекты рынков, их объекты электроснабжения с токоприемниками, точками измерения, учета, подключения, поставки образуют технологическую цепочку энергосбытовой деятельности. Они имеют массу атрибутов и свойств, характерных учетных показателей. Они могут выражаться типовыми фреймами F2, F3 ... Fя} или объектами в объектно-ориентированном программировании с набором слотов идентификаторов, слотов назначения, а также слотов-ссылок {I, D, Р, ... L }, в совокупности определяющих структуру фреймовой сети, которая по сути является расчетной моделью для каждого конкретного потребителя. Таким образом, появляется возможность с помощью описанной
Рис. 2. Элементы расчетной модели электроснабжения в фреймовой сети
Fig. 2. Elements of calculation model of power supply in the framing network
информации построить некую концептуальную модель прикладной области и информационной системы, оперирующей сущностями предметной области. Причем динамические объекты представляются единицами переменной информации, векторами или электронными документами, а статические объекты — единицами условно-постоянной информации в виде списков, номенклатур, ценников, справочников, классификаторов и т. п.
При изучении множества расчетных и учетных показателей, которые должна обрабатывать биллинговая информационная система, сущности предметной области с их атрибутами и свойствами было определено, что реляционная модель позволяет отражать в виде кортежей или строк реляции соответствие объекта объектно-ориентированной прикладной модели конкретному событию в типовом бизнес-процессе автоматизированного биллинга электроэнергии, а атрибуты или столбцы таблицы позволяют отражать характеризующие признаки, параметры объекта, события или явления.
Объектно-реляционная структура расчетной модели
Применение к реляционным моделям данных и к реляционным языкам обработки данных реляционной алгебры и реляционного исчисления позволяет применять процедурные языки обработки реляционных таблиц и непроцедурный язык создания запросов. Это позволяет производить манипулирование данными с помощью действий непосредственно в ячейке таблиц, без применения меню или сложных манипуляций [6].
Реляционные базы данных существенно расширяют число типов манипуляций данными, менее чувствительны к изменениям в физическом окружении, не требуют дополнительного преобразования файлов при дополнении к формату записи в файле новых полей. Таким образом, применение реляционных моделей в рассматриваемой приклад-[ 102 ]
ной области, основанных на логических отношениях, позволяет соблюсти принципы иерархичности и продукционности. Этот эмпирический вывод основывается на опыте создания различных биллинговых информационных систем с использованием различных СУБД. Во всех этих случаях приходилось на этапе концептуального проектирования создавать не концептуальную модель данных, а непосредственно реляционную схему базы данных, состоящую из определений реляционных таблиц, подвергающихся адаптации. При этом постоянно приходилось производить преобразование функциональной модели, созданной ранее, в нормализованную реляционную модель, что является нормой при проектировании структуры базы данных отраслевых информационных систем.
В большинстве биллинговых информационных систем информация представлена с использованием реляционной модели данных. В соответствии с принципами иерархичности и реляционности данные в такого рода системах представлены как некие множества данных, определяющих расчетные и учетные показатели, состоящие из полей, взаимосвязанные между собой таким образом, что в результате группировки эти показатели, характеризующие предметную область, представляются в виде строк таблиц. Совокупность таких таблиц и образует реляционную базу данных [7]. Иерархичность, основанная на реляционности (на строго определенных связях), позволяет легко описывать такие модели математически, формировать технические задания на разработку информационных биллинговых систем. Эти свойства — одна из главных причин широкого распространения реляционных моделей.
При исследовании деятельности энергосбытовых предприятий было определено, что для моделирования структур баз данных и проектирования биллинговых информационных систем важно учитывать сущности объектов предметной области и их свойства. Для этого на этапах имитационного моделирова-
ния бизнес-процесса использовались объектно-ориентированные методики описания прикладной области, а для построения в информационных системах расчетных моделей лучше всего использовать объектно-ориентированный подход к разработке информационных систем. Для этого используются объектно-ориентированные системы и языки программирования, обладающие средствами для поддержки такого подхода, позволяющие точно описывать реально существующие объекты [8].
Применение объектно-реляционных моделей при построении биллинговых информационных систем позволяет обеспечить управление вводом, выводом и хранением учетных и расчетных показателей, представленных в виде фреймовой структуры с повторяющимися и изменяющимися объектами данных, описывающими объекты расчетной модели [9]. Кроме того, это предоставляет удобство пользования базами данных, обеспечивающее ускорение создания биллинго-вых информационных систем и упрощение управления существующими в таких системах учетными и расчетными показателями.
Для более полного описания объектно-реляционных моделей для хранения информации об энергопотреблении можно еще указать, что в такого рода базах данных обязательно присутствуют поля для записи уникального идентификатора фрейма из сформированной фреймовой сети, средства формирования каталогов, таблиц или набора таблиц с описанием структур объектов и их атрибутов, входящих в тот или иной фрейм, описывающий прикладную область [9]. Именно связи различных каталогов и таблиц в физическом смысле формируют расчетную модель как описание электроэнергетической системы, предназначенное для построения математической модели процесса производства, передачи и потребления электрической энергии и мощности.
Также важным свойством объектно-реляционной модели базы данных информаци-онно-биллинговых систем является наличие функции поиска и извлечения определенного
фрейма или множества показателей, по сути являющихся набором строк таблицы базы данных, имя которой поставлено в соответствие с именем этого множества. Применение теории множеств дает возможность математического описания процессов построения расчетных моделей. Каждое i-е значение элемента расчетной модели, принадлежащее множеству атрибутов объекта расчетной модели A, является по отношению к другим объектам связанным фреймом с набором слотов и набором отношений:
V i е А? = F {I, P, ... L}.
Формирующиеся в этих моделях отношения многие ко многим являются по сути функциональными зависимостями. Они формируют наборы данных d1, d2, d3,... dn из множества данных D для каждого i-го объекта электроснабжения и для каждой i-й расчетной модели в отношении этого объекта.
При этом каждому значению d1, d2, d3,... dn соответствует некоторое значение отношений «многие-ко-многим» множества отношений {г1, г2, г3,... гп}. Таким образом, набор данных об объекте предметной области, описанной в структуре объектно-реляционной базы данных, можно описать как
F = {1, L, {rl, r2, rз,. гп)}.
Описание всевозможных отношений сущностей предметной области с использованием теории реляционных баз данных дает возможность описывать математически объектную привязку и учитывать влияние видов данных в этих моделях, их множеств атрибутов AF и значений этих атрибутов а?.
В современных языках программирования требуется, чтобы переменные объявлялись как принадлежащие к определенному типу данных. Определение типа переменных равносильно указанию множества, из которого переменным присваиваются значения [10]. Тип данных представляет собой множество объектов со списком стандартных операций над ними.
[ 103 ]
Таким образом, атрибут может рассматриваться как переменная отношения L метаданных, а фрейм может перечислять имена атрибутов а:
= {1, ^^ азf, anF}, rз,.•• гп}}.
В реальных биллинговых информационных системах такими атрибутами фреймов могут быть различные значения элементов расчетной модели, влияющие на алгоритм и метод расчета стоимости, среди которых
такие учетные показатели, как «Ценовая категория», «Уровень напряжения», «Тарифные группы», «Тип договора» и др.
При базировании на фреймовую теорию представления знаний расчетная модель энергоснабжения была представлена в виде семантической сети, описывающей функциональные зависимости, что дало возможность проектирования универсальной структуры базы данных, изображенной на рис. 3, с набором описанных в [11] свойств.
Рис. 3. Объектно-реляционная структура базы данных расчетной модели электроснабжения на РРЭ
Fig. 3. Object-relational data base structure of calculation model of power supply in the retail electricity market
Заключение
Изучение бизнес-процессов энергетических предприятий, их оптимизация с применением элементов теории графов и теории автоматов позволили определить требования к моделям отраслевых информационных систем, описанных в [3], формализовать их через семантику фреймовой сети, представленной в [9], определить диапазоны применения созданных моделей, которые были предложены в [11], и описать универсальные алгоритмы расчета стоимости электроэнергии [12], учитывающие требования отраслевого законодательства, для потребителей, находящихся в ценовых и неценовых зонах рынка электроэнергии.
Подход к построению расчетной модели электроснабжения через семантику фреймовой сети с математическим описанием атрибутов каждого фрейма дает возможность последовательно конструировать и графически описывать структуры специализированных баз данных. Формализованное таким образом представление понятия «расчетная модель» дает развитие теоретическим основам методологии проектирования, разработки и сопровождения биллинговых информационных систем субъектов розничного рынка электроэнергии. Произведенное моделирование структуры базы данных, формирующей расчетную модель электроснабжения и модель измерений массивов данных, было использовано в проектируемых на практике информационных системах. Результаты этих исследований и сформированные модели также могут быть использованы и в разработке организационной и технической концепции подбора оптимальных договорных условий энергоснабжения, что напрямую влияет на энергоэффективность отрасли.
Список литературы
1. Kimball R. The Data Warehouse Toolkit: Practical
Techniques for Building Dimensional Data Warehouses. N. Y., John Wiley & Sons, 1996. — 324 р.
2. Постановление Правительства РФ от 27.12.2010
№ 1172 (ред. от 29.02.2016) «Об утверждении Пра-
вил оптового рынка электрической энергии и мощности и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам организации функционирования оптового рынка электрической энергии и мощности» // Собрание законодательства РФ. 04.04.2011. № 14. С. 1916.
3. Фомин И. Н. Методика поэтапного автоматизированного расчета стоимости потребленной электроэнергии // Труды Академэнерго. Казань, 2013. № 3. С. 103-115.
4. Фомин И. Н. Учетные и расчетные функциональные характеристики автоматизированной системы для расчета цены и стоимости электроэнергии // Проблемы управления в социально-экономических и технических системах ИЦ «Наука». Саратов, 2013. С. 135-138.
5. Минский М. Фреймы для представления знаний. М.: Мир, 1979. С. 234.
6. CoddE. F. Relational Completeness of Data Base Sublanguages, Database Systems, 1970. Р. 65-98.
7. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных. М.: Мир, 1985. Т. 1. С. 18-19.
8. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применений. М.: Диалектика & И. В. К., 1992.
9. Фомин И. Н. Объектно-реляционное отображение расчетных моделей в корпоративных информационных системах энергетических предприятий // Объектные системы — 2015: материалы X Международной научно-практической конференции, ШИ(ф) ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова. Ростов н/Д, 2015. С. 11-17.
10. Хаггарти Р. Дискретная математика для программистов. М.: Техносфера, 2003. — 320 с.
11. Сердюкова Н. В., Фомин И. Н., Шульга Т. Э. Построение расчетной модели измерения электроэнергии для задач автоматизированного ценообразования в информационных биллинговых системах // Экономика и менеджмент систем управления. 2014. Т. 12. № 2.2. С. 308-318.
12. Фомин И. Н. Интегральный и интервальный метод расчета энергопотребления в информационных бил-линговых системах // Наука и образование. Межотраслевой институт «Наука и образование». Екатеринбург, 2015. № 1 (8), С. 11-14.
References
1. Kimball R. The Data Warehouse Toolkit: Practical Techniques for Building Dimensional Data Warehouses. New York, John Wiley & Sons, 1996.
2. The Russian Government, Ob utverzhdenii Pravil op-tovogo rynka elektricheskoj energii i moshhnosti... Decree # 1172 Moscow, 4 December 2010.
3. Fomin I. N., Metodikapojetapnogo avtomatizirovan- 9. Fomin I. N., Objektno-reljacionnoe otobrazhenie ra-nogo raschjota stoimosti potrebljonnoj jelektrojener- schjotnyh modelej v korporativnyh informacionnyh gii [The automated phased method for calculating the sistemah jenergeticheskih predprijatij [Object-rela-power cost]. Trudy Akademjenergo, Kazan, 2013, no. 3, tional mapping of calculation models in the corpo-pp. 103-115. rate information systems of energy companies]. Ob-
4. Fomin I. N., Uchjotnye iraschjotnyefunkcional'nye ha- ject Systems — 2015: Proceedings of X International rakteristiki avtomatizirovannoj sistemy dlja raschjota Theoretical and Practical Conference (Rostov-on-Don, ceny i stoimosti jelektrojenergii [The accounting and 10-12 May, 2015), edited by Pavel P. Oleynik. Rostov-calculation functional characteristics in meter to cash on-Don, SI (b) SRSPU (NPI), 2015, pp. 11-17. systems for calculation of prices and the cost of elec- 10. Haggarti R., Diskretnaja matematika dlja programmis-tricity]. Problemy upravlenija v social'no-jekonomi- tov [Discrete mathematics for computer programmers]. cheskih i tehnicheskih sistemah, Nauka, Saratov, 2013, Moscow, Tehnosfera, 2003, p. 320.
pp. 135-138. 11. Serdjukova N. V., Fomin I. N., Shulga T. E., Postroe-
5. Minskij M. Frejmy dlja predstavlenija znanij [Frames nie raschetnoj modeli izmerenija jelektrojenergii dlja for knowledge representation]. Moscow, Mir Publ., zadach avtomatizirovannogo cenoobrazovanija v in-1979, p. 234. formacionnyh billingovyh sistemah [The designing cal-
6. Codd E. F. Relational Completeness of Data Base Sub- culation model of measurements electricity power for languages, Database Systems, 1970, pp. 65-98. the automated pricing in the meter to cash systems].
7. Teorey T., Fry J. Proektirovanie struktur baz dannyh Ekonomika i Menedzhment Sistem Upravlenija, 2014, [Design of database structures]. Moskow, Mir Publ., vol. 12, no. 2.2, pp. 308-318.
1985, pp. 18-19. 12. Fomin I. N., Integral'nyji interval'nyjmetodraschjota
8. Buch G. Obektno-orientirovannoe proektirovanie s jenergopotreblenija v informacionnyh billingovyh siste-primerami primenenij [Object-Oriented Design with mah [Integral and interval calculation method of energy Applications]. Dialektika, Kiev & I. V. K., Moskow, consumption in the in meter to cash systems]. Nauka i 1992. Obrazovanie, Ekaterinburg, 2015, no. 1 (8), pp. 11-14.
I. Fomin, Saratov State Technical University, Saratov, Russia, ignik16@yandex.ru
The frame approach for systematization computational models of power supply
In an article written based on the report on the X-th International Scientific and Practical Conference «Object Systems — 2015» (Rostov-on-Don) describing the approach to design database structures and reflection the computational models in the ''meter-to-cash systems''. In this article to presenting a new definition of the concept of «calculation model». In an article, describe the basic properties of object-relational of computational models, and proposing a model of the database structure meter-to-cash systems in power retail companies.
The hierarchy is based on a relationships makes it easy to describe such a model mathematically to form the terms of reference for the development of meter-to-cash systems.
The proposed approach of the author of the structural and parametric synthesis of technical systems power supply to consumers in the retail electricity market allows formalizing the various functional elements according to this system. This approach shows how the various of connection, the catalogs and tables, to form the computational model, which describes the electric power system in the physical sense.
Presented in the article the way of formalizing the concept of «calculation model» provides the theoretical foundations of the development of methodology for the design, development and maintenance of information systems of the subjects of the retail electricity market.
Keywords: semantic network, computational model, conceptual model, object-relational structure billing. About author: I. Fomin, Postgraduate
For citation: Fomin I. The frame approach for systematization computational models of power supply. Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2016, vol. 11, no. 2 (62), pp. 99-106 (in Russian).
