Portal - Zamówienia Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Podkarpackiego

Przedmiot zamówienia

Systemu do prognozowania i optymalizacji produkcji energii elektrycznej. Dedykowane oprogramowanie niezbędne do świadczenia nowej usług (Prognozowania i optymalizacji produkcji energii elektrycznej z OZE), w sposób zgodny z koncepcją Wnioskodawcy. Oprogramowanie to zostanie wykonane według koncepcji Wnioskodawcy i przy zastosowaniu wyników prac B+R.

System będzie się składał się z dwóch podstawowych komponentów: fizycznego – autorskiego terminala danych T-Data, opracowanego w efekcie przeprowadzonych prac badawczo-rozwojowych oraz z oprogramowania – czterech modułów serwera obliczeniowego.

Terminal danych T-Data jest autorskim urządzeniem elektronicznym instalowanym w elektrowni. Ma on za zadanie przesyłanie przez łącze internetowe danych o aktualnych warunkach atmosferycznych, jakie panują w danej lokalizacji i parametrów z pracy elektrowni. Informacje te będą analizowane przez serwer z zainstalowanym oprogramowaniem obliczeniowym. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe będzie precyzyjne prognozowanie produkcji energii elektrycznej przy danych warunkach meteorologicznych.

Oprogramowanie składające się z czterech modułów tworzących serwer obliczeniowy:

1) Moduł prognozowania pogody

Podsystem algorytmiczny prognozowania pogody będzie bazował na algorytmie wykorzystującym wyniki obliczeń z numerycznego modelu prognozy pogody oraz danych z lokalnej stacji pogodowej i danych historycznych. Jest to podsystem prognostyczny, bazujący na modelach numerycznych wielkoskalowych warunków meteorologicznych korygowanych lokalnymi pomiarami. Algorytm ten, na podstawie stanu atmosfery w danej chwili T (i danych archiwalnych), będzie pozwalał na wyznaczenie przyszłego stanu atmosferycznego w chwili T+ΔT. Dokładność prognozy zależy w głównej mierze od jakości warunku początkowego, który powinien jak najdokładniej odzwierciedlać rzeczywisty stan atmosfery w chwili T. Dlatego też kluczowe jest zastosowanie jako danych wejściowych do obliczeń danych pochodzących z autorskiego terminala T-Data, który ma za zadanie przesłanie do modułu prognozowania danych o aktualnych warunkach atmosferycznych, jakie panują w miejscu lokalizacji elektrowni elektrycznej. Dzięki procesowi asymilacji danych obserwacyjnych (takich jak temperatura, wilgotność, wektory składowe pola wiatru, itp.), bazującym na korekcie danych w oparciu o dane obserwacyjne w danej lokalizacji, uzyska się prognozę bliższą stanowi rzeczywistemu. Podsystem będzie w określonych interwałach czasu otrzymywał dane z poszczególnych stacji pogodowych, dotyczące m. in. temperatury, wilgotności względnej, ciśnienia zredukowanego do poziomu morza, prędkości i kierunku wiatru na określonej wysokości. Dane tę będą składowane w nierelacyjnym systemie zarządzania bazą danych a następnie poddawane analizie i przetwarzaniu z zastosowaniem algorytmu asymilacji danych.

Dane wejściowe: numeryczna prognoza pogody dla danej lokalizacji, lokalne dane meteorologiczne z terminala T-Data (w obu przypadkach dane historyczne i aktualne).

Dane wyjściowe: skorygowana prognoza pogody dla danej lokalizacji.

2) Moduł prognozowania produkcji energii elektrycznej

Podsystem algorytmiczny prognozowania produkcji energii elektrycznej z OZE ma na celu oszacowanie produkcji w perspektywie krótkoterminowej (tj. do kilkudziesięciu godzin naprzód) na podstawie prognozowanych warunków atmosferycznych przez podsystem prognozowania pogody, takich jak energia kinetyczna wiatru czy energia promieniowania słońca oraz w oparciu o dane z danej elektrowni o produkcji energii wg historycznych danych meteorologicznych bądź – głównie w początkowym okresie uczenia się systemu – w oparciu o dane katalogowe producenta (krzywa mocy – podstawowa charakterystyka produkcji energii elektrycznej zależna od jednej zmiennej, np. prędkości wiatru). System powinien implementować mechanizmy uczących się sieci neuronowych wykorzystujących np. algorytmy Levenberga-Marquardta, Quasi Newtona  bądź optymalizacji rojem cząstek (PSO) – opcjonalnie wspomagany algorytmem BP (propagacji wstecznej) lub innym równie skutecznym. Do wstępnego prognozowania dopuszcza się metodę statystyczną, które w perspektywie czasu powinna podlegać automatycznej optymalizacji (uczeniu) na wybranym zakresie danych historycznych. Zakłada się wykorzystanie do modeli prognostycznych zmiennych takich jak: ciśnienie atmosferyczne (prognoza na dzień d), prędkość wiatru (prognoza na dzień d), prędkość wiatru w dniu d-1, produkcja energii w dniu d-1, średnia miesięczna wartość produkcji energii obliczona na podstawie danych historycznych, dobowa wielkość produkcji energii szacowana z wykorzystaniem wzoru.

Dane wejściowe: skorygowana prognoza pogody dla danej lokalizacji, aktualne i historyczne dane meteorologiczne z terminala T-Data, krzywa mocy dla danej jednostki oraz jej historyczna produkcja energii.

Dane wyjściowe: prognoza produkcji energii (w zadanym czasie i interwałach, w ramach dopuszczalnych parametrów).

.3) Moduł oprogramowania klient-serwer terminala danych T-Data

Moduł implementujący wersję produkcyjną oprogramowania klienckiego dla terminali danych T-Data oraz część serwerową, zapewniającą komunikację pomiędzy poszczególnymi terminalami a serwerem i pozostałymi modułami systemu. Oprogramowanie powinno obsługiwać komunikację za pośrednictwem protokołu TCP lub UDP poprzez sieci GSM (3G/LTE), obsługę automatycznych i ręcznych aktualizacji oprogramowania w poszczególnych terminalach, awaryjną komunikację SMS, synchronizację czasu, obsługę uwierzytelniania typu OTP, obsługę notyfikacji SMS, a także efektywną wymianę niezbędnych danych pomiędzy terminalami a serwerem.

4) Moduł administracyjny elektrowni

Moduł zapewniający wizualny interfejs użytkownika – tzw. panel klienta dla właścicieli i operatorów elektrowni. Jest to aplikacja udostępniana w modelu SaaS (software as a service) dla klientów usługi, która umożliwi komunikację i zarządzanie systemem poprzez desktop-ową przeglądarkę internetową. Aplikacja powinna także monitorować wprowadzone reguły i warunki brzegowe parametrów alarmowych dla każdej jednostki OZE, pozwalające na zadziałanie mechanizmów ostrzegających przed wystąpieniem warunków krytycznych a w przypadku ich przekroczenia na aktywację mechanizmów awaryjnych w elektrowni i notyfikację użytkownika jednym ze zdefiniowanych kanałów komunikacji (e-mail, SMS, itp.). Panel klienta będzie się składał z części zarządczej, udostępnianej użytkownikom o uprawnieniach administratora - umożliwiającej konfigurację i modyfikację parametrów elektrowni wiatrowych oraz z części wizualizacyjnej, udostępnianej pozostałym użytkownikom klienta. Administrator systemu będzie miał możliwość wprowadzania parametrów dla oszczególnych OZE (lokalizacja adresowa i GPS, krzywa mocy, historyczne wartości produkcji – import z plików CSV), ustalania reguł alarmowych i zarządzania użytkownikami oraz notyfikacjami (e-mail, SMS) oraz konfigurowanie parametrów integracyjnych, np. z CSWI. Użytkownik klienta otrzyma dostęp do funkcji takich jak: przeglądanie danych prognozowanych oraz historycznych (w tym w postaci wykresów), generowanie prognoz w funkcji czasu (także z opcją eksportu do plików CSV), szacowanie spodziewanych przychodów instalacji OZE w oparciu o prognozowaną produkcje energii elektrycznej, kontrolę wysyłanych prognoz do POB (np. CSWI), analizę rozliczeń z Operatorem na podstawie porównania prognoz i faktycznej produkcji instalacji OZE. Moduł powinien zapewnić także dostęp super-administratora dla operatora całego systemu, umożliwiającego zarządzanie administratorami elektrowni, rozliczeniami i monitorowanie poprawności pracy poszczególnych modułów i systemów integracyjnych. Zintegrowane systemy: moduły prognozowania pogody i produkcji energii elektrycznej, serwer terminala danych T-Data, zewnętrzne systemy do wysyłania e-mail oraz wiadomości SMS a także CSWI/POB.

Technologia oprogramowania

Opracowano wstępne założenia technologiczne dla zaplanowanego systemu informatycznego, które mogą być na etapie realizacji projektu zostać uaktualnione w związku z pojawieniem się nowszych i bardziej odpowiadających rozwiązań.

Wszystkie elementy programowe powinny zostać wykonane w technologiach zapewniających skalowalność systemu, modularną i warstwową architekturę aplikacji, komponentowy paradygmat tworzenia oprogramowania. Komunikacja z usługami zewnętrznymi, realizowana przez moduły integracyjne, wykorzystywać będzie protokół HTTP lub protokoły Web Services. Oprogramowanie powinno być wytwarzane wg ścisłych norm jakościowych w procesie continuous integration (CI) oraz być pokryte automatycznymi testami jednostkowymi i integracyjnymi. Proces wytwarzania powinien być oparty na powszechnie uznanych standardach.

Jednym z podstawowych wymagań dotyczących projektu jest wdrożenie go w paradygmacie SOA (ang. Service Oriented Architecture). Dzięki temu możliwe będzie zintegrowanie aplikacji z aktualnie istniejącą infrastrukturę opartą na serwisach lub zbudowanie takiej architektury wokół aplikacji poprzez udostępnione API. Wykorzystanie osiągnięć podejścia SOA, takich jak szyna komunikacyjna (ESB – ang. Enterprise Service Bus) czy WebSerwisy (WS – ang. Web Services), pozwoli na bezproblemową wymianę danych pomiędzy różnymi aplikacjami, co znacznie usprawni procesy biznesowe dzięki możliwej współpracy pomiędzy elementami różnych systemów.

Wszystkie elementy programowe powinny zostać wykonane w technologiach zapewniających skalowalność systemu, modularną i warstwową architekturę aplikacji, komponentowy paradygmat tworzenia oprogramowania. Wszystkie moduły oprogramowania muszą ze sobą ściśle współpracować i być zintegrowane na poziomie kodu źródłowego oraz baz danych.

Z uwagi na stopień złożoności podsystemów prognozowania a także oprogramowania klient-serwer terminala danych T-Data, zgodnie z przyjętą obecnie koncepcją projektu systemu, do ich realizacji zostaną wykorzystane technologie oparte na języku Java: Java Enterprise Edition (JEE), Hibernate, Spring oraz JBoss lub Tomcat.

JEE, to technologia o ugruntowanej pozycji na rynku, która dostarcza stabilnych i skalowalnych rozwiązań dla biznesu. Jest to zestaw komponentów, narzędzi, wzorców i dobrych praktyk, dzięki którym projekty są budowane i prowadzone w jednolity ustandaryzowany sposób.

Komunikacja z bazą danych może zapewnić framework Hibernate, która udostępnia warstwę abstrakcji dostępu do bazy danych klasy ORM. Hibernate jest technologią dojrzałą i uznaną na całym świecie. Dzięki niej system uzyska niezależność aplikacji od systemu bazodanowego, co daje znaczne korzyści w perspektywie czasowej. Odseparowanie aplikacji od warstwy danych za pomocą Hibernate, pozwoli ją skuteczniej skalować  - wraz ze zmieniającymi się wymaganiami co do środowiska, baza danych będzie mogła być wymieniona na bardziej wydajną bez wpływu na aplikacje. Technologia Hibernate pozwala na wsparcie praktycznie wszystkich liczących się silników zarządzania bazami danych. Aplikacja może wykorzystywać technikę mapowania obiektowo-relacyjnego ORM (Object-Relational Mapping), jednakże kluczowe struktury bazy danych powinny być zaprojektowane i utworzone ręcznie a istotne zapytania SQL powinny być opracowane indywidualnie tak, aby zapewnić maksymalną możliwą wydajność dla zastosowanego silnika bazy danych.

W zakresie bazy danych zaleca się wykorzystanie serwera MySQL (preferowany silnik, to InnoDB). Dla przechowywania i analizy danych hurtowych (tzw. Big Data) nierelacyjnych zalecane jest zastosowanie innego bardziej odpowiedniego serwera, zapewniającego odpowiednią wydajność. W zakresie przechowywania i przetwarzania dużej ilości danych niezbędne jest wykorzystanie bazy danych typu No-SQL oraz wykorzystanie rozwiązania typu Hibernate Object/Grid Mapper (OGM).

System prognozowania może zostać zbudowany w oparciu o szkielet tworzenia aplikacji Spring, jako bazy technologicznej dla części serwerowej aplikacji. Stabilność tego rozwiązania, jego dojrzałość rynkowa i mnogość tematów które rozwiązuje, pozwalają zagwarantować, że projekt zostanie utworzony w przejrzysty i przemyślany sposób. Spring zapewnia sprawdzone mechanizmy i narzędzia do rozwiązywania szerokiego wachlarza zagadnień aplikacyjnych, takich jak autentykacja, autoryzacja, bezpieczeństwo, konfigurowalność i zarządzalność poprzez dostarczanie implementacji nowoczesnych wzorców projektowych, takich jak IoC/DI, MVC czy podejście aspektowe.

Aplikacja będzie mogła funkcjonować w oparciu o serwer aplikacji JBoss lub Tomcat. Rozwiązania te są rozwijane od lat i wielokrotnie sprawdzone, zapewniają stabilność, elastyczność i kompletność niezbędnych komponentów, takich jak kontener aplikacji, serwer mailowy, rozwiązania cache-owania, load-balancing itp.

Wykorzystywane algorytmy obliczeniowe mogą jednakże wykorzystywać takę inne technologie, zapewniające najlepszą wydajność dla poszczególnych rozwiązań.

Warstwa prezentacyjna modułu administracji, zapewniającego interfejs użytkownika, może zostać wykonana w innej lżejszej technologii - np. Apache+PHP. Struktura oprogramowania powinna być zorganizowana w oparciu o wzorzec architektoniczny typu MVC (Model-View-Controller). Wzorzec projektowy MVC pozwala na oddzielenie części kodu oddzielającego model biznesowy aplikacji, od warstwy widoku, czyli strony internetowej, jaką widzi użytkownik w przeglądarce internetowej. Pozwala to na lepsze zarządzanie kodem aplikacji od strony technicznej, jej łatwe utrzymanie, a także rozwój aplikacji w późniejszym okresie.

Zaleca się wykorzystanie aktywnego modelu, zapewniającego możliwość samoczynnej zmiany stanu różnych elementów (w szczególności interfejsu), niezależnie od akcji wykonywanych przez użytkownika – np. z wykorzystaniem techniki AJAX (Asynchronous JavaScript and XML), w której interakcja użytkownika z serwerem może się odbywać bez konieczności przeładowania całego dokumentu, w sposób asynchroniczny. Technika ta powinna być wdrożona w oparciu o wykorzystanie jednego z dostępnych standardów w postaci gotowych bibliotek JavaScript. Aplikacja powinna również w maksymalnym stopniu wykorzystywać w miarę możliwości interfejs użytkownika typu RIA (Rich Internet Application), oferujący bogaty, dynamiczny, jednoekranowy interfejs (one-screen-application). Interfejs aplikacji powinien być zgodny z podejściem RWD (Responsive Web Design), zapewniającym optymalne doświadczenia z użytkowania aplikacji niezależnie od rozmiaru, rozdzielczości i układu ekranu na różnych urządzeniach końcowych (od smartfonów po duże ekrany komputerów). Interfejs powinien się dynamicznie i automatycznie dostosowywać (pod tym samym adresem URL) tak aby zapewnić jak najlepszą użyteczność, zarówno w kwestii czytelności jak i interfejsu komunikacji z użytkownikiem (np. wsparcie dla urządzeń z ekranem dotykowym). W każdym przypadku aplikacja powinna zapewniać wsparcie dla najnowszych dostępnych stabilnych wersji oprogramowania serwerowego (serwera WWW, bazy danych i języka) w chwili rozpoczęcia realizacji projektu.

Oprogramowanie powinno uwzględniać również wykorzystanie mechanizmów typu cache, aby zapewnić jak najwyższą wydajność – zarówno w warstwie interfejsu użytkownika (odpowiednia konfiguracja serwera WWW) jak i warstwy danych (przechowywanie istotnych danych w pamięci podręcznej – np. rozwiązanie typu Memcached).

Całość oprogramowania zostanie udostępniona użytkownikom, poprzez moduł administracji, w modelu  Software as a Service (SaaS), który zakłada, iż aplikacja jest przechowywana i udostępniana użytkownikom poprzez Internet. Eliminuje to potrzebę instalacji i uruchamiania aplikacji na komputerze klienta (użytkownika). Model SaaS przerzuca obowiązki zarządzania i aktualizacji z odbiorcy oprogramowania na dostawcę. Model SaaS zakłada najczęściej cykliczne opłaty (abonament) za dostęp do najnowszej wersji programu, staje się to dla użytkownika stałym wydatkiem, a nie jednorazowym w momencie zakupu. Z punktu widzenia producenta, SaaS zapewnia także lepszą ochronę jego własności intelektualnej.

Dopuszcza się możliwość uzasadnionych zmian technologii realizacji w uzgodnieniu z Zamawiającym, o ile będą to technologie nie gorsze i nie starsze od zaproponowanych.