金 銳 ，李端有 ，2，3，牛廣利 ，2，3，周華艷 ，2，3

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，430010，武漢；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，430010，武漢；3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，430010，武漢）

小浪底水利樞紐是一座集防洪、灌溉、減淤、供水、發(fā)電等功能為一體的綜合性大型水利工程。小浪底樞紐工程共安裝埋設(shè)安全監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)3380 支（套），附屬配套工程西霞院樞紐工程安裝埋設(shè)安全監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)855 支（套），其中部分監(jiān)測(cè)儀器已接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近20 年的信息化建設(shè)，小浪底樞紐工程累積形成了海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)管理軟件近20 個(gè)，每日采集匯聚的數(shù)據(jù)量龐大。在小浪底日常管理工作中，大壩安全監(jiān)測(cè)作為判斷水庫(kù)大壩安全狀態(tài)的重要技術(shù)手段之一，是監(jiān)測(cè)管理中心的重要工作內(nèi)容。資料整編分析報(bào)告作為大壩安全監(jiān)測(cè)的主要成果內(nèi)容，具有覆蓋內(nèi)容廣、涉及數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)性與綜合性較強(qiáng)特點(diǎn)，對(duì)評(píng)判水庫(kù)大壩的運(yùn)行狀態(tài)具有重要意義。

在小浪底安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)內(nèi)生成整編分析報(bào)告，需要綜合數(shù)據(jù)管理、整編計(jì)算、成果展示等各個(gè)模塊的信息作為數(shù)據(jù)支撐，系統(tǒng)查詢數(shù)據(jù)量大，程序之間調(diào)用復(fù)雜，高頻的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行存在一定的負(fù)荷壓力，在使用過(guò)程中易出現(xiàn)系統(tǒng)資源占用率過(guò)高、程序易阻塞崩潰、生成效率低等問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于分布式架構(gòu)的資料整編分析報(bào)告系統(tǒng)。通過(guò)集成分布式技術(shù)，將整編分析報(bào)告系統(tǒng)從其依賴的安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)中拆分出來(lái)，采用RPC 遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用的方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)服務(wù)間非阻塞調(diào)用，平衡系統(tǒng)的負(fù)載壓力，達(dá)到提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的目的。

一、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

小浪底安全監(jiān)測(cè)整編分析報(bào)告系統(tǒng)涉及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、整編分析計(jì)算、過(guò)程線成果展示等模塊。本系統(tǒng)以安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、環(huán)境量數(shù)據(jù)、整編計(jì)算數(shù)據(jù)、成果展示數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。從生成流程上，整編分析報(bào)告劃分為報(bào)告書(shū)簽設(shè)計(jì)、報(bào)告模板制作、報(bào)告書(shū)簽替換三個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程的繼續(xù)依賴于前置過(guò)程的完成（見(jiàn)圖1）。

圖1 整編分析報(bào)告生成流程

1.報(bào)告書(shū)簽設(shè)計(jì)

根據(jù)安全監(jiān)測(cè)整編分析報(bào)告表現(xiàn)形式的特點(diǎn)，將報(bào)告分解成統(tǒng)計(jì)文字、整編統(tǒng)計(jì)表、整編過(guò)程線等內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)整編分析報(bào)告的自動(dòng)生成，本系統(tǒng)將統(tǒng)計(jì)文字、整編統(tǒng)計(jì)表、整編過(guò)程線從報(bào)告中提取出來(lái)，作為動(dòng)態(tài)內(nèi)容在報(bào)告生成時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)替換；報(bào)告中的其他內(nèi)容則作為靜態(tài)部分，對(duì)報(bào)告進(jìn)行預(yù)處理形成一個(gè)特定報(bào)告模板。報(bào)告模板中的動(dòng)態(tài)內(nèi)容，分別以Word 書(shū)簽的形式進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，在報(bào)告生成過(guò)程中，通過(guò)此標(biāo)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，從而完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)替換。

（1）統(tǒng)計(jì)文字書(shū)簽

統(tǒng)計(jì)文字是對(duì)整編分析報(bào)告中某段時(shí)間內(nèi)某特定統(tǒng)計(jì)對(duì)象的描述，特定統(tǒng)計(jì)對(duì)象一般為某工程部位、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等，常見(jiàn)統(tǒng)計(jì)方式有極值、上期值、本期值、變化量等。將整編分析報(bào)告中統(tǒng)計(jì)文字按統(tǒng)計(jì)方式逐個(gè)抽取，在整編報(bào)告系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，形成一個(gè)適配的統(tǒng)計(jì)文字資源池。資源池的每個(gè)數(shù)據(jù)以唯一標(biāo)識(shí)符表示，并與報(bào)告模板中指定位置書(shū)簽進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（2）整編統(tǒng)計(jì)表書(shū)簽

整編統(tǒng)計(jì)表作為常見(jiàn)的數(shù)據(jù)展示形式，被大量應(yīng)用于整編分析報(bào)告中。整編統(tǒng)計(jì)表通常統(tǒng)計(jì)一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某取值周期內(nèi)的極值、當(dāng)前值、變化量等。統(tǒng)計(jì)表可分別進(jìn)行表頭樣式配置和表頭數(shù)據(jù)取值配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整編統(tǒng)計(jì)表的樣式自定義。將配置完成的整編統(tǒng)計(jì)表保存至統(tǒng)計(jì)表資源池中，在系統(tǒng)生成報(bào)告時(shí)，通過(guò)書(shū)簽標(biāo)識(shí)從資源池中獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)整編統(tǒng)計(jì)表的自動(dòng)繪制和數(shù)據(jù)填充。

（3）整編過(guò)程線書(shū)簽

整編過(guò)程線作為圖形數(shù)據(jù)，展示的是一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某一段時(shí)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有非常直觀的展示效果，是整編分析報(bào)告中必不可少的內(nèi)容之一。過(guò)程線的動(dòng)態(tài)生成依賴于安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的成果展示模塊，用戶根據(jù)整編分析報(bào)告中的過(guò)程線預(yù)先在成果展示模塊進(jìn)行過(guò)程線的配置工作。由于BS 系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，整編過(guò)程線的生成流程與CS 系統(tǒng)架構(gòu)存在較大區(qū)別，程序首先從后端服務(wù)器獲取過(guò)程線配置信息，然后隱式地調(diào)用前端圖形插件進(jìn)行繪圖得到SVG 數(shù)據(jù)，最后通過(guò)后端服務(wù)器將SVG 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成PNG 圖片插入整編分析報(bào)告中，從而完成整編過(guò)程線的動(dòng)態(tài)生成。

2.報(bào)告模板定制

報(bào)告模板是整編分析報(bào)告的數(shù)據(jù)載體，包含所有與此報(bào)告相關(guān)的書(shū)簽信息。復(fù)雜的整編分析月報(bào)和年報(bào)，其關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)文字、整編統(tǒng)計(jì)表、整編過(guò)程線的書(shū)簽可達(dá)幾百甚至上千個(gè)。Office AddIns 加載項(xiàng)是微軟近年來(lái)提供的一種新興的、可直接在Office軟件中進(jìn)行定制化功能開(kāi)發(fā)的技術(shù)。通過(guò)此功能，用戶可直接在Word 文檔中與安全監(jiān)測(cè)整編分析報(bào)告系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，讀取報(bào)告書(shū)簽資源池，并將對(duì)應(yīng)的書(shū)簽標(biāo)識(shí)插入Word 文檔指定位置，快速實(shí)現(xiàn)報(bào)告模板的制作。

3.報(bào)告生成技術(shù)

Java 語(yǔ)言作為目前Web 服務(wù)器端主流編程語(yǔ)言之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累發(fā)展，已形成完善生態(tài)系統(tǒng)，擁有大量?jī)?yōu)秀第三方資源庫(kù)，通過(guò)Java 程序可以方便地讀取、修改和生成文檔。

在生成整編分析報(bào)告時(shí)，用戶首先通過(guò)前端瀏覽器頁(yè)面動(dòng)態(tài)地傳入本次整編分析報(bào)告生成的時(shí)間期數(shù)信息，服務(wù)器收到報(bào)告生成的指令后，調(diào)用Java相關(guān)庫(kù)將報(bào)告模板加載到系統(tǒng)內(nèi)存中，然后遍歷模板中所有書(shū)簽標(biāo)識(shí)，通過(guò)書(shū)簽標(biāo)識(shí)去數(shù)據(jù)資源池中匹配對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)文字、整編統(tǒng)計(jì)表或者整編過(guò)程線信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)替換，最終形成完整的整編分析報(bào)告。通過(guò)程序批量處理書(shū)簽信息，可大大提升工作效率，減少每次編制報(bào)告的重復(fù)性勞動(dòng)。

二、分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)

作為目前主流開(kāi)源的分布式框架之一，Apache Dubbo 致力于提供高性能、透明化的RPC 遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用方案及SOA 服務(wù)治理方案，其核心部分包括遠(yuǎn)程通信、集群容錯(cuò)以及服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)，通過(guò)透明化的遠(yuǎn)程方法調(diào)用，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者可以像調(diào)用本地方法一樣調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)方法。根據(jù)不同服務(wù)對(duì)系統(tǒng)資源要求的不同，可以更合理地對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行配置，最大化利用系統(tǒng)資源。RPC 是分布式系統(tǒng)的核心通信組件。一個(gè)完整的RPC 流程由服務(wù)提供者、服務(wù)消費(fèi)者以及服務(wù)注冊(cè)中心三部分組成。在本文所設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測(cè)整編分析報(bào)告系統(tǒng)中，將報(bào)告生成的相關(guān)公共方法提取出來(lái)作為服務(wù)提供者，使用分布式應(yīng)用程序Zookeeper 進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)，并對(duì)接口服務(wù)的調(diào)用進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。

在傳統(tǒng)的單一應(yīng)用架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)模式中，從底層數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器到后端服務(wù)器再到前端服務(wù)器，每個(gè)部分都各自作為獨(dú)立的服務(wù)單元部署在Web 服務(wù)器上?？蛻舳藞?zhí)行一個(gè)操作后，將指令發(fā)送給前端服務(wù)器，前端服務(wù)器將指令推送給后端服務(wù)器，后端服務(wù)器通過(guò)執(zhí)行SQL 語(yǔ)句從結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，并調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理單元進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，最后將處理結(jié)果返回給客戶端。

傳統(tǒng)的單一應(yīng)用架構(gòu)系統(tǒng)中所有業(yè)務(wù)模塊都耦合在一起，每個(gè)模塊的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，單一應(yīng)用架構(gòu)模式適合業(yè)務(wù)邏輯處理相對(duì)簡(jiǎn)單、規(guī)模較小的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量的提升，在單一應(yīng)用架構(gòu)模式下，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和可靠性難以保證。為克服單一應(yīng)用架構(gòu)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的基于Apache Dubbo 分布式架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，將整編分析報(bào)告生成單一責(zé)任的功能模塊從安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)中拆分，從而降低系統(tǒng)耦合度、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。該分布式系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用流程如下（見(jiàn)圖2）：

圖2 分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

①整編分析報(bào)告模塊作為服務(wù)提供者啟動(dòng)運(yùn)行并發(fā)布接口信息，將接口信息注冊(cè)到服務(wù)注冊(cè)中心。

②服務(wù)注冊(cè)中心接收到注冊(cè)信息后，為服務(wù)接口分配注冊(cè)地址并開(kāi)啟服務(wù)監(jiān)控，保證相關(guān)服務(wù)接口離線后能及時(shí)通知服務(wù)消費(fèi)者。

③服務(wù)消費(fèi)者向服務(wù)注冊(cè)中心提交接口訂閱請(qǐng)求，申請(qǐng)獲取服務(wù)注冊(cè)中心注冊(cè)接口地址。

④訂閱請(qǐng)求通過(guò)后，服務(wù)注冊(cè)中心向服務(wù)消費(fèi)者發(fā)出訂閱成功的通知。

⑤服務(wù)消費(fèi)者根據(jù)接口地址向目標(biāo)接口發(fā)送調(diào)用請(qǐng)求封裝傳遞參數(shù)。

⑥服務(wù)提供者接收參數(shù)并進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，將處理結(jié)果返回給服務(wù)消費(fèi)者。

三、系統(tǒng)應(yīng)用與性能測(cè)試

1.系統(tǒng)應(yīng)用

小浪底安全監(jiān)測(cè)資料整編分析報(bào)告系統(tǒng)自上線試運(yùn)行以來(lái)，通過(guò)用戶反饋和持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)已在小浪底安全監(jiān)測(cè)中心穩(wěn)定運(yùn)行。

小浪底安全監(jiān)測(cè)資料整編分析報(bào)告系統(tǒng)作為服務(wù)提供者，其提供的每個(gè)接口業(yè)務(wù)負(fù)載情況不同。Apache Dubbo 提供的接口管理中心將服務(wù)接口分為高頻、中頻和低頻服務(wù)。針對(duì)高頻訪問(wèn)的服務(wù)接口，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢接口、報(bào)告數(shù)據(jù)替換接口等屬于報(bào)告生成過(guò)程中需要頻繁大量訪問(wèn)的接口，可以適當(dāng)分配更多的系統(tǒng)資源，軟件開(kāi)發(fā)人員可根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況對(duì)相關(guān)主要接口進(jìn)行權(quán)重調(diào)整。綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的實(shí)際情況，表1 列舉了小浪底安全監(jiān)測(cè)資料整編分析報(bào)告系統(tǒng)的主要接口和相應(yīng)權(quán)重分配值。

表1 報(bào)告生成系統(tǒng)主要接口權(quán)重分配

2.性能測(cè)試

為驗(yàn)證分布式架構(gòu)相對(duì)于單一應(yīng)用架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的提升，制作一套包含50 張整編過(guò)程線圖、50 個(gè)整編數(shù)據(jù)表格、100 個(gè)統(tǒng)計(jì)量的共100 頁(yè)的整編分析報(bào)告模板，用于模擬整編分析報(bào)告的生成。整編分析報(bào)告生成耗時(shí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 整編分析報(bào)告生成耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表

對(duì)分布式架構(gòu)與單一應(yīng)用架構(gòu)資源消耗量比較（圖3）進(jìn)行分析：在單一應(yīng)用架構(gòu)下生成報(bào)告，通過(guò)瀏覽器DevTools 工具可以發(fā)現(xiàn)，部分高頻接口存在阻塞時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，多次生成報(bào)告，耗時(shí)波動(dòng)較大；在分布式架構(gòu)下，報(bào)告生成耗時(shí)大大降低，整體操作流暢度有明顯提升。通過(guò)Java 性能分析工具JVisualVM 進(jìn)一步分析可知，在分布式架構(gòu)模式下，CPU平均占用率為60.2%；在單一架構(gòu)模式下進(jìn)行相同業(yè)務(wù)操作，CPU 平均占用率達(dá)到74.4%，并且峰值波動(dòng)較大。

圖3 分布式架構(gòu)（a）與單一應(yīng)用架構(gòu)（b）資源消耗量

綜上測(cè)試結(jié)果，通過(guò)應(yīng)用分布式架構(gòu)，可以更加合理地對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行分配，降低整編分析報(bào)告生成中資源擠占率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載的分擔(dān)與均衡，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

四、結(jié) 語(yǔ)

本文提出的小浪底安全監(jiān)測(cè)資料整編分析報(bào)告系統(tǒng)，從書(shū)簽設(shè)置、模板定制、報(bào)告生成方面進(jìn)行了系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了報(bào)告模板中統(tǒng)計(jì)文字信息、整編統(tǒng)計(jì)表和整編過(guò)程線的快速批量替換，降低了報(bào)告編制人員的使用難度，大大提升了工作效率。通過(guò)集成分布式技術(shù)，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而更好地應(yīng)對(duì)各類整編分析報(bào)告的生成。該整編分析報(bào)告系統(tǒng)滿足了目前水利信息化發(fā)展需求，其設(shè)計(jì)思路和技術(shù)對(duì)本領(lǐng)域軟件開(kāi)發(fā)人員具有一定參考作用。該系統(tǒng)如何智能地根據(jù)整編分析內(nèi)容進(jìn)行推理和結(jié)論信息自動(dòng)生成，是下一步需要研究的方向。