高 靜，安創(chuàng)鋒，劉 歡，田 迪

（1.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

為引領(lǐng)第四次工業(yè)革命，數(shù)字化、智能化戰(zhàn)略已經(jīng)上升至重要國際戰(zhàn)略，中國海洋石油有限公司提出大力發(fā)展數(shù)字化、智能化指導思想。中海油某智能油田建設(shè)過程中緊密集合目前最新的IT 技術(shù)，同時遵循中海油生產(chǎn)云平臺應(yīng)用建設(shè)規(guī)范要求，目標實現(xiàn)了油藏、注采和設(shè)備設(shè)施的智能化管理以及遠程操控管理，進而實現(xiàn)海上油田無人化少人化、油藏研究可視化、生產(chǎn)運營協(xié)同化和戰(zhàn)略決策科學化管理，推動生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和管理流程優(yōu)化，構(gòu)建一種“智能、安全、高效”的新型海上油氣開采運行模式，并通過智能油田綜合管理系統(tǒng)將研究建設(shè)成果進行可視化展示。

因此本文將重點介紹通過微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，完成項目分層微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計在海上智能油田綜合管理系統(tǒng)的實踐。一方面實現(xiàn)大型能源行業(yè)綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計，另一方面闡述一種成果積累的微服務(wù)設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該文所設(shè)計的智能油田綜合管理系統(tǒng)包含陸地云端服務(wù)系統(tǒng)和邊緣端服務(wù)兩個區(qū)域的功能應(yīng)用，其中邊緣端服務(wù)負責對海上19 套生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)進行實時高頻的數(shù)據(jù)采集、匯聚及回傳至陸地服務(wù)器與邊緣視覺識別計算，云端服務(wù)系統(tǒng)負責對海上平臺各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行綜合多樣計算與可視化展示。

1.1 云端微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

智能油田綜合管理系統(tǒng)云端微服務(wù)通過前期的需求分析調(diào)研與結(jié)合各專業(yè)工程師日常工作流程進行梳理，最終確定9 項功能應(yīng)用模塊，包含遠程監(jiān)控、生產(chǎn)管理、油藏管理、注采管理、設(shè)備設(shè)施管理、調(diào)度管理、能耗管理、安全管理和報表管理，如圖1 所示。根據(jù)領(lǐng)域模型DDD 微服務(wù)拆分最佳實踐，對9 項功能模塊的后端服務(wù)進行服務(wù)拆分，最終形成8 個服務(wù)領(lǐng)域，包含油藏中心、設(shè)施中心、作業(yè)中心、設(shè)備中心、支持中心、用戶中心、人員中心和算法中心，通過領(lǐng)域的劃分能夠?qū)Ψ?wù)進行業(yè)務(wù)域的統(tǒng)一管理，統(tǒng)一業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)，此種設(shè)計方法目標可避免數(shù)據(jù)服務(wù)的重復性建設(shè)。

圖1 云端微服務(wù)設(shè)計

1.2 邊緣端微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

智能油田綜合管理系統(tǒng)邊緣端微服務(wù)通過在海上平臺架設(shè)多協(xié)議接入邊緣計算一體機設(shè)備，負責為海上生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備提供硬件、軟件接入服務(wù)和邊緣計算資源，并實現(xiàn)邊緣數(shù)據(jù)階段性數(shù)據(jù)緩存，避免網(wǎng)絡(luò)中斷導致數(shù)據(jù)丟失，再通過數(shù)據(jù)匯聚程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗與轉(zhuǎn)化，形成數(shù)據(jù)輸出接口服務(wù)，如圖2 所示。目前，邊緣一體機中部署的對接服務(wù)可實現(xiàn)對接MODBUS、OPC、HTTP、MQTT 和ONVIF 等協(xié)議數(shù)據(jù)。

圖2 邊緣端微服務(wù)設(shè)計

2 微服務(wù)設(shè)計原則

服務(wù)劃分是微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計中重要一環(huán)，是架構(gòu)合理性的關(guān)鍵，不但影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能，還會對將來的全局業(yè)務(wù)監(jiān)控、鏈路分析和服務(wù)治理的效果產(chǎn)生巨大影響，而且會對系統(tǒng)靈活性和組織溝通效率也產(chǎn)生深遠的影響。系統(tǒng)的服務(wù)劃分可以遵循以下幾個原則，如圖3 所示。

圖3 微服務(wù)設(shè)計實踐原則圖

服務(wù)的最小完備性：服務(wù)所提供的能力應(yīng)該是完整的，能夠滿足基本的業(yè)務(wù)目標，同時避免添加不必要的能力。

自我履行的原則：服務(wù)自身能夠決定自己能夠做什么，不屬于服務(wù)本身的職責，應(yīng)該轉(zhuǎn)給其他服務(wù)完成。

穩(wěn)定的能力空間：減少其他服務(wù)變化對本服務(wù)的影響。

易用性的原則：使用服務(wù)使用者專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有意義的名稱，優(yōu)先選用業(yè)務(wù)概念而不是技術(shù)概念。

可被重用、可被組合原則：服務(wù)可重復使用相同或相似場景，可與其他服務(wù)組合使用。

歸屬清晰：服務(wù)的業(yè)務(wù)歸屬應(yīng)當清晰，服務(wù)的分層應(yīng)當清晰。

3 分區(qū)域微服務(wù)設(shè)計

3.1 云端微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

智能油田建設(shè)項目在微服務(wù)拆分之前，由架構(gòu)設(shè)計團隊對項目微服務(wù)架構(gòu)進行技術(shù)路線設(shè)計，項目采用4 層架構(gòu)設(shè)計，充分考慮業(yè)務(wù)流程解耦，提高系統(tǒng)程序的靈活性與可拓展性：由前端服務(wù)層完成系統(tǒng)界面展示，做到前后端分離；聚合服務(wù)層完成負責業(yè)務(wù)過程組合與交互，用于支撐多變的前端需求；基礎(chǔ)服務(wù)層負責整合并提供基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，用于持續(xù)基礎(chǔ)能力沉底；數(shù)據(jù)層進行數(shù)據(jù)分類存儲，如圖4 所示。

圖4 微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計思路圖

3.2 云端微服務(wù)設(shè)計流程

在智能油田建設(shè)項目微服務(wù)設(shè)計工作中，按照微服務(wù)設(shè)計最佳實踐進行本項目的微服務(wù)設(shè)計。整個過程以真實業(yè)務(wù)為輸入，經(jīng)過業(yè)務(wù)模型梳理、用例模型梳理、序列圖設(shè)計、服務(wù)梳理、服務(wù)設(shè)計5 個階段，輸出智能油田建設(shè)項目微服務(wù)設(shè)計，實現(xiàn)可指導研發(fā)階段的服務(wù)落地的目的。如圖5 所示。

圖5 微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計流程圖

（1）微服務(wù)設(shè)計過程通過需求矩陣分析與工作流程分析等方式獲取系統(tǒng)建設(shè)范圍，明確項目需要解決的問題與需要實現(xiàn)的優(yōu)化功能。通過需求分析過程確定用戶角色、業(yè)務(wù)描述、需求描述、數(shù)據(jù)描述和運行環(huán)境要求，形成業(yè)務(wù)需求功能點設(shè)計矩陣。通過需求功能點矩陣將需求明細轉(zhuǎn)化為軟件服務(wù)動作。

（2）梳理服務(wù)動作，結(jié)合中海油集團公司數(shù)據(jù)湖項目提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，由業(yè)務(wù)人員輔助確定服務(wù)的數(shù)據(jù)源，將數(shù)據(jù)源進行匹配對比，在數(shù)據(jù)源符合性達到60%的服務(wù)，進行針對性的服務(wù)分析，將相似或者相同的動作進行通用性設(shè)計。

在過程一方面形成的是共性服務(wù)動作，如文件上傳、下載、消息服務(wù)、郵件服務(wù)等技術(shù)服務(wù)組件，此類服務(wù)通常市面上具有成型的技術(shù)組件，項目組只需按照項目特定場景選擇合適技術(shù)棧開展優(yōu)化即可。

上文提到，本項目將采用聚合服務(wù)與基礎(chǔ)服務(wù)解耦的架構(gòu)設(shè)計，所以在業(yè)務(wù)服務(wù)聚合的過程需要充分考慮服務(wù)的輸入源特征，如服務(wù)動作由多個服務(wù)聚合才能形成最終的結(jié)果，并且此序列動作與系統(tǒng)界面展示強相關(guān)（序列輸出與展示內(nèi)容一致），那么將此服務(wù)抽離形成聚合服務(wù)。如序列動作主要為操作實體對象與數(shù)據(jù)源強相關(guān)，那么將此服務(wù)抽離形成基礎(chǔ)服務(wù)，通過此過程實現(xiàn)頁面與數(shù)據(jù)層的高內(nèi)聚與低耦合，如圖6 所示。

圖6 前后端調(diào)研關(guān)系圖

（3）此設(shè)計方法在推廣過程中充分考慮各用戶對相同業(yè)務(wù)在界面展示的不同需求，針對此情況開發(fā)人員只需要對聚合服務(wù)與前端界面服務(wù)進行調(diào)整，無需修改基礎(chǔ)服務(wù)。同時如果在數(shù)據(jù)源模型發(fā)生優(yōu)化的情況下，開發(fā)人員修訂基礎(chǔ)服務(wù)即可完成程序修訂，無需對多個聚合服務(wù)進行修訂。

3.3 邊緣端數(shù)據(jù)采集微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計

實時數(shù)據(jù)采集與遠傳程序支持通過ModbusRTU、Http、OPC、WebService、ONVIF、數(shù)據(jù)庫連接等多種方式從在線監(jiān)測系統(tǒng)中采集實時數(shù)據(jù)，獲取到實時數(shù)據(jù)后，再通過MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)遠傳到海油PaaS 云平臺。云端數(shù)據(jù)匯集程序?qū)崟r數(shù)據(jù)存儲到kudu 數(shù)據(jù)庫，文件類數(shù)據(jù)存儲到MinIO 文檔庫，如圖7 所示。

圖7 邊緣端數(shù)據(jù)采集架構(gòu)圖

其中數(shù)據(jù)采集服務(wù)包含采集配置，通過協(xié)議接口配置、數(shù)據(jù)采集頻率配置、點表配置、緩存配置、斷點續(xù)傳和傳輸加密等實現(xiàn)對多協(xié)議的數(shù)據(jù)進行采集；為方便數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計，設(shè)計按平臺、設(shè)備類別、時間對采集的實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；由于采集服務(wù)部署于海上平臺環(huán)境，IT 人員配備不足，通過采集報警實現(xiàn)系統(tǒng)自動對數(shù)據(jù)采集異常進行報警，并將報警信息推送給管理員。

實時數(shù)據(jù)甄別服務(wù)是在實時數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實時對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行監(jiān)測，按照定義的數(shù)據(jù)甄別規(guī)則診斷出假、啞、空等問題數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)緩存服務(wù)是通過采集服務(wù)獲取數(shù)據(jù)后，并行將數(shù)據(jù)緩存至數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)絡(luò)情況中斷情況下保證數(shù)據(jù)傳輸不丟失，確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)回傳服務(wù)采用物聯(lián)網(wǎng)MQTT 協(xié)議對數(shù)據(jù)進行加密回傳。如圖8 所示。

圖8 消息傳輸架構(gòu)圖

4 實施現(xiàn)狀

本系統(tǒng)在實施10 個月后完成全部軟件功能開發(fā)、系統(tǒng)測試、和上線試運行工作，目前系統(tǒng)已正常運行，并在油田內(nèi)部進行正常運行使用。系統(tǒng)建設(shè)成果中的微服務(wù)，可在中海油其他油田進行成果復用。

5 結(jié)束語

在本文中，對目前海上油田業(yè)務(wù)需求以及智能化功能需求進行架構(gòu)設(shè)計，研究了針對業(yè)務(wù)復雜度較高的微服務(wù)劃分思路及方法，提出了實踐方案，通過此微服務(wù)劃分方式支持中海油智能油田系統(tǒng)的建設(shè)，保證建設(shè)成果的可復用性，做到一次建設(shè)，多處使用，可極大地降低投資與建設(shè)成本。