葉濤　張弛

摘要：針對單架構(gòu)下鋼絲繩監(jiān)測系統(tǒng)面臨的設(shè)備分散、數(shù)據(jù)龐雜、容錯率低、擴展性差等問題，設(shè)計并實現(xiàn)了基于微服務(wù)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過建立數(shù)據(jù)存儲集群，實現(xiàn)損傷數(shù)據(jù)的同步備份，系統(tǒng)業(yè)務(wù)以微服務(wù)的形式部署于阿里云上Docker容器中，并采用微服務(wù)治理手段運營該系統(tǒng)?；谖⒎?wù)架構(gòu)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于港口岸橋時，解決了諸多通信問題，滿足現(xiàn)場高效可靠的傳輸需求，從而大大提高對鋼絲繩監(jiān)測智能化及精益化水平。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩;微服務(wù);監(jiān)測系統(tǒng);阿里云;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號? TP391 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）07-0016-03

鋼絲繩作為一種工程構(gòu)件，具有強度高、耐沖擊、耐腐蝕等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。然而，鋼絲繩在使用過程中會經(jīng)常發(fā)生斷絲、磨損、銹蝕等現(xiàn)象，因此，對鋼絲繩的損傷量進行科學(xué)檢測與實時監(jiān)控，及時檢測鋼絲繩失效的情況，可以避免發(fā)生重大的安全事故，這也成為廣大鋼絲繩用戶的迫切要求。

傳統(tǒng)的鋼絲繩無損檢測方法主要有電磁檢測法、超聲波檢測法、光學(xué)檢測法等[1]。目前，基于單系統(tǒng)的鋼絲繩監(jiān)測系統(tǒng)將全部功能集成在一起，隨著設(shè)備與功能增多，數(shù)據(jù)量增大，單體的鋼絲繩監(jiān)測系統(tǒng)面臨著不能應(yīng)對高并發(fā)、高負載、服務(wù)擴展、網(wǎng)絡(luò)安全等問題[2]。

因此，本文基于微服務(wù)架構(gòu)理論，提出使用Spring Cloud中相應(yīng)組件進行解決的最佳實踐方法，設(shè)計開發(fā)了基于微服務(wù)架構(gòu)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)。運用于港口岸橋場景時，解決了原系統(tǒng)存在的如物聯(lián)通信，遠程傳輸?shù)韧ㄐ艈栴}，滿足現(xiàn)場高負載的需求，為工作人員提供可視化操作界面，從而大大提高對鋼絲繩監(jiān)測智能化及精益化水平。

1 微服務(wù)介紹

微服務(wù)思想提倡將多功能的單一系統(tǒng)，劃分為多組具有各自功能的小型服務(wù)，即微服務(wù)，微服務(wù)運行于獨立進程中，微服務(wù)之間通過輕量級通信協(xié)議互相協(xié)調(diào)，互相配合，而又相對獨立。

在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、可視化等技術(shù)發(fā)展的帶動下，出現(xiàn)了云計算與物聯(lián)網(wǎng)的相互協(xié)同，提高企業(yè)對工業(yè)大數(shù)據(jù)的處理效率[3]，而微服務(wù)生態(tài)，為這些技術(shù)提供了實現(xiàn)基礎(chǔ)，為未來的系統(tǒng)架構(gòu)朝著靈活、高效、可擴展以及高可用的方向發(fā)展提供全新的實現(xiàn)方案[4]。

2 微服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

分析微服務(wù)架構(gòu)在鋼絲繩損傷監(jiān)測領(lǐng)域的運用場景后[5]，將監(jiān)測系統(tǒng)模型拆分為多個模塊，分別為物聯(lián)層、服務(wù)層以及環(huán)境層，對每個模塊進行獨立的設(shè)計與實現(xiàn)。

2.1 物聯(lián)層

物聯(lián)層作為系統(tǒng)與硬件之間通信的物理基礎(chǔ)。由于鋼絲繩工作環(huán)境較差，使得無線傳輸不夠穩(wěn)定，因此采用串口形式的有線信道進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣既保證了高效率傳輸，又保證了傳輸可靠。

選擇RS-485進行串口通信，其支持使用差分信號進行傳輸，當(dāng)有噪聲干擾時仍可進行數(shù)值判斷，允許鋼絲繩探傷儀與上位機進行全雙工模式的雙向?qū)崟r通信，為數(shù)據(jù)監(jiān)聽上傳和遠程維護提供物理通信基礎(chǔ)。

2.1.1 物聯(lián)通信測試

鋼絲繩探傷儀提供的損傷數(shù)據(jù)格式為機構(gòu)編號、損傷位置、損傷量（三位有效數(shù)字）、損傷類型以及檢測時間，其中規(guī)定的鋼絲繩判廢上限為損傷量0.010。

為驗證基于串口方式進行數(shù)據(jù)傳輸可行性，選取5000條有效數(shù)據(jù)進行測試，具體如下：

鋼絲繩探傷儀的最大采樣頻率為10Hz，為驗證串口通信的可靠性，取極限采樣頻率為50Hz。以串口通信比特率進行分組實驗。表1為串口通信測試結(jié)果記錄。

實驗中，串口COM2發(fā)送的數(shù)據(jù)被COM1及時監(jiān)聽。結(jié)果表明，以RS-485的串口通信協(xié)議作為基礎(chǔ)的物聯(lián)通信，使得系統(tǒng)完全具備對損傷大數(shù)據(jù)的可靠采集能力。

2.2 服務(wù)層

2.2.1 系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)設(shè)計

用戶管理：對訪問權(quán)限進行拆分設(shè)計，分為用戶、角色以及權(quán)限管理，用戶與角色、角色與權(quán)限分別為多對多的關(guān)系。

設(shè)備管理：對監(jiān)測設(shè)備進行管理與維護，該業(yè)務(wù)包括設(shè)備狀態(tài)更新、設(shè)備增刪、設(shè)備維護等功能。

日志服務(wù)：對系統(tǒng)運行時，各個環(huán)節(jié)運行與使用情況進行細粒度監(jiān)控記錄，提供實時或離線的日志服務(wù)。

數(shù)據(jù)發(fā)布：負責(zé)向其他模塊提供數(shù)據(jù)服務(wù)。將檢測到的鋼絲繩損傷數(shù)據(jù)提供給調(diào)用者，比如為前端實時或歷史的數(shù)據(jù)可視化聯(lián)動展示等功能提供數(shù)據(jù)源。

實時預(yù)警：檢測到鋼絲繩發(fā)生或?qū)⒁r，通過實時預(yù)警，通知現(xiàn)場工作人員及時更換鋼絲繩，防止其在失效后繼續(xù)工作從而造成生產(chǎn)事故。

定時任務(wù)：定期為管理人員發(fā)送詳細的可視化監(jiān)測報表以及郵件推送，提供離線的數(shù)據(jù)展示。

數(shù)據(jù)上傳：為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時與離線調(diào)用，需要對數(shù)據(jù)上傳至云端并備份，保障數(shù)據(jù)安全。

遠程維護：將用戶的操作信息轉(zhuǎn)換成控制邏輯，經(jīng)由RPC接口轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)上位機，通過串口傳輸至探傷設(shè)備，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備的遠程控制。使得用戶能夠在可視化操作頁面上直接更改設(shè)備狀態(tài)，達到遠程維護的目的。

2.2.2 微服務(wù)架構(gòu)方案設(shè)計

為降低微服務(wù)之間耦合度，避免服務(wù)之間的循環(huán)依賴，需要建立完善的微服務(wù)集群，結(jié)合微服務(wù)思想，對服務(wù)的功能進行合理拆分[6]，服務(wù)分為客戶端與服務(wù)端，并以微服務(wù)集群的形式部署，客戶端僅提供接口調(diào)用。

客戶端與服務(wù)端集群各自注冊于Eureka集群中，確保了客戶端能夠發(fā)現(xiàn)并調(diào)用可用服務(wù)接口[7]。

在客戶端中配置OpenFeign后，實現(xiàn)客戶端對前端請求的負載均衡[8]，提高了系統(tǒng)的健壯性與功能性。

應(yīng)用Hystrix確保客戶端的服務(wù)降級，使得核心業(yè)務(wù)所占服務(wù)器資源最大化，保證核心業(yè)務(wù)的正常使用。

使用Spring Cloud Config實現(xiàn)微服務(wù)的遠程配置，并進行監(jiān)聽，將配置文件存儲于遠程倉庫，實現(xiàn)自動化部署。

此外，為避免暴露真實資源路徑，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性能，運用Gateway自定義的資源訪問路徑掩蓋真實路徑對請求進行轉(zhuǎn)發(fā)，并創(chuàng)建請求白名單過濾掉不合規(guī)請求。

2.3 環(huán)境層

環(huán)境層作為微服務(wù)的運行環(huán)境與數(shù)據(jù)存儲的物理基礎(chǔ)。

為保證系統(tǒng)運行正常，配置環(huán)境穩(wěn)定，需克服微服務(wù)系統(tǒng)的復(fù)雜性與微服務(wù)的連續(xù)集群等問題，對微服務(wù)運行基礎(chǔ)進行具體設(shè)計。

2.3.1 環(huán)境搭建

系統(tǒng)應(yīng)用阿里云計算平臺，同時集成了Docker容器，搭建鏡像服務(wù)器集群，保證穩(wěn)定運行。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫

針對鋼絲繩損傷大數(shù)據(jù)的海量、多元、分散等特點，首先，對數(shù)據(jù)庫進行分庫分表設(shè)計，其次，建立Docker鏡像的數(shù)據(jù)庫集群與分布式文件存儲實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份與同步，提高損傷數(shù)據(jù)的存儲效率，保證數(shù)據(jù)安全，為服務(wù)層的業(yè)務(wù)場景提供有效保障。

2.3.3 損傷數(shù)據(jù)上傳測試

對上位機處理后的實時損傷數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫的時效性與可靠性進行測試。

以阿里云上基于Docker容器的MySQL鏡像服務(wù)器作為測試基礎(chǔ)，記錄將損傷數(shù)據(jù)分組上傳的測試結(jié)果。分組提交測試結(jié)果如表2所示，上傳總耗時與每組容量的關(guān)系如圖3所示。

實驗結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸過程并未發(fā)生丟失，完全能夠應(yīng)對檢測設(shè)備較多時的數(shù)據(jù)上傳。

為了滿足系統(tǒng)對損傷數(shù)據(jù)的時效性要求以及傳輸效率要求，每組數(shù)據(jù)不必過多，以每組50條數(shù)據(jù)進行上傳較為合適。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 應(yīng)用實例

港口岸橋上鋼絲繩工作量大、負載大、環(huán)境惡劣，尤其需要及時地檢測鋼絲繩損傷情況，避免發(fā)生安全事故?；谖⒎?wù)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)于港口岸橋上投入使用后，設(shè)計了最小連接數(shù)負載均衡算法后，如圖4所示，充分利用計算資源，能夠滿足港口對鋼絲繩安全生產(chǎn)的管理需求。

3.2 可視化管理

如圖5所示，基于已有的微服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了基于Vue的移動端界面，并使用Echarts開發(fā)了聯(lián)動的可視化圖表，其交互簡單、展示直觀，賦予用戶對數(shù)據(jù)進行高效挖掘、整合的能力[9]，操作人員直接在可視化界面上對檢測設(shè)備進行控制。

4 結(jié)束語

相較于本地單系統(tǒng)，微服務(wù)架構(gòu)采用輕量化運行技術(shù)以及通信方法，簡化基礎(chǔ)設(shè)施，降低服務(wù)粒度，使得獨立開發(fā)和演化、獨立部署運行和獨立自治成為可能。

基于微服務(wù)架構(gòu)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)理論，不但實現(xiàn)了原單體系統(tǒng)的所有功能，還具有一定程度的設(shè)備維護功能，滿足鋼絲繩監(jiān)測智能可視化、業(yè)務(wù)精細化需求，同時，微服務(wù)架構(gòu)的構(gòu)建，提高了系統(tǒng)的開發(fā)、維護效率，降低運營成本，具備優(yōu)秀的可移植性，表現(xiàn)出良好的推廣價值，為工業(yè)4.0添磚加瓦。

目前造成岸橋鋼絲繩損傷的主要因素并不明確，本系統(tǒng)主要對損傷數(shù)據(jù)進行處理與展示，在一定程度上實現(xiàn)物聯(lián)功能，并未對數(shù)據(jù)進行有效的挖掘分析。下一步利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對鋼絲繩工作能力進行綜合評價，預(yù)測其剩余壽命，得出造成鋼絲繩損傷的主要因素，對其進行深度研究與優(yōu)化。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-10-21

作者簡介：葉濤（1972—），女，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向為計算機仿真;張弛（1996—），男，湖北天門人，在讀碩士研究生，研究方向為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。