李培聰 ，袁明道 ，徐云乾 ，李田貴

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣東 廣州 510635）

0 引言

智慧水利是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要標(biāo)志，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，智慧水利體系的構(gòu)建，數(shù)字孿生水利工程的建設(shè)成為可能，同時(shí)在工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行中，全要素全過程的感知、模擬、分析、預(yù)警的數(shù)字化和智能化需求日益增強(qiáng)，相關(guān)平臺(tái)迭代優(yōu)化也逐漸加快。

構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)智慧水利的關(guān)鍵一環(huán)，為工程管理提供全過程、全要素信息，是水利工程安全監(jiān)測(cè)最基本和最重要的支撐。20 世紀(jì) 90 年代，葛洲壩船閘、小浪底大壩等工程開始嘗試應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[1]；2000 年以后，由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量越來越大，存儲(chǔ)內(nèi)容媒體形式不再只是單一的文本或數(shù)據(jù)，涉及到文本、圖形、圖像等媒體，因此，三峽大壩[2]、小浪底大壩[3]等工程逐漸在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫優(yōu)化；“十三五”以來，隨著人工智能、識(shí)別技術(shù)及軟硬件的快速發(fā)展，水利工程各類平臺(tái)系統(tǒng)開始從數(shù)字水利向智慧水利發(fā)展，GIS 綜合展示[4]、BIM 模型構(gòu)建[5]、圖像水位識(shí)別[6]等功能開始在各類平臺(tái)系統(tǒng)中應(yīng)用。

然而，隨著用戶需求的增加，安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)功能日漸增多，應(yīng)用程序日趨龐大復(fù)雜，迭代周期也日益縮短，以往單體式結(jié)構(gòu)平臺(tái)已經(jīng)無法滿足智慧水利快速發(fā)展的需求。因此，目前安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是將整體的系統(tǒng)拆分成獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊，每個(gè)業(yè)務(wù)模塊獨(dú)立運(yùn)行，共同構(gòu)建整個(gè)平臺(tái)的微服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)，提高平臺(tái)開發(fā)、維護(hù)、迭代更新的效率。

本研究將微服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用于安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)中，通過業(yè)務(wù)拆分和服務(wù)封裝等構(gòu)建一個(gè)服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、配合，能獨(dú)立地部署到生產(chǎn)環(huán)境、類生產(chǎn)環(huán)境中，具備高可拓展性及快捷部署的安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)。

1 基礎(chǔ)架構(gòu)

微服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)是區(qū)別于單體式架構(gòu)的平臺(tái)開發(fā)方法[7]，相比單體式架構(gòu)，微服務(wù)技術(shù)的松耦合式結(jié)構(gòu)可靠性高，迭代更新快，同時(shí)具備更好的可擴(kuò)展性[8]。安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)結(jié)合監(jiān)測(cè)、管理、預(yù)警等工作，通過劃分不同業(yè)務(wù)模塊，形成獨(dú)立運(yùn)行的各服務(wù)，服務(wù)之間采用基于 TCP/IP 傳輸協(xié)議中應(yīng)用層的 http 通信協(xié)議進(jìn)行通信[9]，各服務(wù)可在不影響整體系統(tǒng)運(yùn)行的情況下修改，運(yùn)行，停止[10]，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚和低耦合。微服務(wù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微服務(wù)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務(wù)構(gòu)造

采用微服務(wù)架構(gòu)的主要難點(diǎn)在于顆粒度的最優(yōu)劃分：顆粒度劃分過細(xì)，容易導(dǎo)致服務(wù)數(shù)量倍增，加劇相互之間協(xié)調(diào)、配合、通信的復(fù)雜程度；顆粒度劃分過粗，則無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦，不同服務(wù)會(huì)存在較多的重復(fù)功能與代碼。因此，采用領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（DDD）的方法進(jìn)行服務(wù)劃分。DDD 是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過業(yè)務(wù)需求構(gòu)建領(lǐng)域模型，控制業(yè)務(wù)的復(fù)雜性，將復(fù)雜業(yè)務(wù)領(lǐng)域簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)顆粒度劃分[11]。

本研究從大壩安全監(jiān)測(cè)及工程運(yùn)行管理的實(shí)際需求出發(fā)，控制單個(gè)業(yè)務(wù)的復(fù)雜性，合理劃分領(lǐng)域邊界，從業(yè)務(wù)出發(fā)的領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)管理

微服務(wù)架構(gòu)下，各微服務(wù)可部署在不同的服務(wù)器上，也可部署在相同服務(wù)器的不同容器上，因此，數(shù)據(jù)管理也是主要難點(diǎn)，目前通常采用一庫一服或一庫多服 2 種方式：一庫多服是常用的方式，即 1 個(gè)數(shù)據(jù)庫可對(duì)應(yīng)多個(gè)模塊；一庫一服，即每個(gè)微服務(wù)準(zhǔn)備 1 個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫。2種方式的部署模式如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫部署模式

一庫多服存在以下問題：1） 數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致整批服務(wù)全部停止；2） 程序編寫中存在數(shù)據(jù)間的依賴性大、耦合性高的部分，不利于后續(xù)拓展；3） 無法針對(duì)某一個(gè)服務(wù)進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化或擴(kuò)展。而一庫一服模式在數(shù)據(jù)管理上可保證共享數(shù)據(jù)的全局一致性，解決跨流程服務(wù)組合時(shí)數(shù)據(jù)丟失的問題。因此本研究中的微服務(wù)框架采用一庫一服模式。

2.3 服務(wù)組合

微服務(wù)架構(gòu)下，服務(wù)組合通常采用編排和協(xié)同 2 種方式，將相互獨(dú)立的各服務(wù)按照需求組合成更為復(fù)雜、完善、滿足使用需要的整體模塊，其中：編排是根據(jù)業(yè)務(wù)流程處理順序，通過中心服務(wù)組織多個(gè)服務(wù)的配合；協(xié)同通常是在沒有中心服務(wù)的情況下，所有服務(wù)以需求或某一功能為核心的相互協(xié)作。2 種組合方式具體形式如圖4 所示。

圖4 服務(wù)組合方式

本研究根據(jù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)、預(yù)警等業(yè)務(wù)需要，以本業(yè)務(wù)為中心，同時(shí)調(diào)動(dòng)其他業(yè)務(wù)協(xié)助的需求，以編排的方式，在中心服務(wù)的組織下，按照一定的順序調(diào)用配合的多個(gè)微服務(wù)，并對(duì)配合服務(wù)返回的成果進(jìn)行組合、轉(zhuǎn)換等加工，最終實(shí)現(xiàn)整體功能。中心服務(wù)與每個(gè)配合服務(wù)都有自己的緩存和數(shù)據(jù)庫，利用Rabbit 等分布式事件流平臺(tái)協(xié)調(diào)組合服務(wù)的調(diào)用，不需要持久化任何數(shù)據(jù)。

3 業(yè)務(wù)服務(wù)

3.1 基本架構(gòu)及模塊化

微服務(wù)架構(gòu)核心是模塊化，通過 DDD 的方法，合理劃分系統(tǒng)顆粒度，將系統(tǒng)拆分成合適的微服務(wù)。

目前，安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)主要包括業(yè)務(wù)及基礎(chǔ)兩部分功能，其中業(yè)務(wù)功能主要包括監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警等內(nèi)容，而大壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境量、變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)水利工程安全監(jiān)測(cè)需求及用戶使用情況，將安全監(jiān)測(cè)、用戶管理等作為單一領(lǐng)域模型，安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)服務(wù)基本架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理體現(xiàn)為管理某一服務(wù)完成某一功能所需的數(shù)據(jù)，在微服務(wù)架構(gòu)中包括數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫管理。本研究根據(jù)服務(wù)劃分，采用一服一庫的方式設(shè)計(jì)微服務(wù)的數(shù)據(jù)庫，限制對(duì)應(yīng)服務(wù)對(duì)其他服務(wù)數(shù)據(jù)庫的訪問能力，同時(shí)保證數(shù)據(jù)在全局上的一致性，并利用 Rabbit 等分布式事件流平臺(tái)協(xié)調(diào)組合服務(wù)的調(diào)用。

本監(jiān)測(cè)平臺(tái)涉及的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫主要包括用戶、基礎(chǔ)、安全監(jiān)測(cè)、雨水情、運(yùn)行管理、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)云服務(wù)等數(shù)據(jù)庫，其中：監(jiān)控云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫采用對(duì)象存儲(chǔ)方式，存儲(chǔ)和檢索非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，通過 URL（Uniform Resource Locator）訪問一個(gè)空間及其中的文件，存儲(chǔ)對(duì)象包括非結(jié)構(gòu)化的圖像文件、視頻文件、日志、HTML 文件等。

3.3 模塊化開發(fā)

本研究將整體系統(tǒng)拆分成獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊，每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行的微服務(wù)共同構(gòu)建起整個(gè)系統(tǒng)，微服務(wù)是一種以服務(wù)為中心的架構(gòu)，服務(wù)之間通過定義明確的協(xié)議和接口進(jìn)行通信，因此，可根據(jù)不同水庫的不同需求，針對(duì)某一個(gè)服務(wù)定制開發(fā)，同時(shí)共用大部分服務(wù)，提高開發(fā)效率。

微服務(wù)架構(gòu)在陽江大河水庫及廣州黃龍帶水庫體現(xiàn)明顯，2 座水庫均部署了安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)，需求類似，因此僅需修改部分服務(wù)內(nèi)容即可部署，極大提高了開發(fā)效率。如 2 座水庫的接入數(shù)據(jù)方式不同，可采取以下方式部署：大河水庫通過設(shè)備廠商的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接接入數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過安全監(jiān)測(cè)服務(wù)中的數(shù)據(jù)定時(shí)抓取，滿足安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需求；黃龍帶水庫建立本地?cái)?shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)設(shè)備直接通過部署在本地的采集服務(wù)傳回?cái)?shù)據(jù)庫。

3.4 部署及開發(fā)工具

部署服務(wù)器環(huán)境為：Centos7 + Java+ Docker +MySQL + Redis?？紤]平臺(tái)具備生產(chǎn)級(jí)應(yīng)用的移植性、穩(wěn)定性及跨平臺(tái)性等特性，選擇Docker 作為部署的應(yīng)用容器，主要開發(fā)環(huán)境及工具如表1 所示。

表1 開發(fā)工具表

4 部署應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)部署

微服務(wù)程序十分適合在 Docker 環(huán)境下部署。Docker 是基于容器的平臺(tái)，可以在物理或虛擬機(jī)，云服務(wù)上或混合環(huán)境（開發(fā)、測(cè)試及實(shí)際部署環(huán)境）中部署、應(yīng)用。

Docker 中主要有以下 3 個(gè)基本概念：1） 鏡像。鏡像是一個(gè)可執(zhí)行的程序包，是創(chuàng)建容器的基礎(chǔ)，包括運(yùn)行應(yīng)用程序所需要的所有內(nèi)容，包含代碼、通用類程序庫、環(huán)境變量和配置文件。2） 容器。容器是從鏡像創(chuàng)建的運(yùn)行實(shí)例，可以被啟動(dòng)、停止和拆除。3） 倉庫。倉庫是用來集中保存鏡像的存儲(chǔ)位置。

本研究在 Docker 環(huán)境下部署安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)，主要部署步驟如圖6 所示。

圖6 主要部署步驟

4.2 服務(wù)編排

4.2.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警

根據(jù)業(yè)務(wù)流程處理的需要，以編排的方式，將安全預(yù)警服務(wù)作為中心服務(wù)，調(diào)用多個(gè)微服務(wù)，包括通過安全監(jiān)測(cè)、雨水情測(cè)報(bào)等服務(wù)提供數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象、水文要素對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供各類監(jiān)測(cè)預(yù)警情況，及時(shí)發(fā)布報(bào)警信息等，黃龍帶水庫相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)安全預(yù)警界面示例如圖7 所示。

4.2.2 智慧管理

將運(yùn)行管理服務(wù)作為中心服務(wù)，涉及移動(dòng)端、視頻監(jiān)控等服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)水庫日常管理所需的功能，包括巡視檢查、維修養(yǎng)護(hù)、檔案管理等功能，大河水庫智慧管理具體巡查結(jié)果界面示例如圖8 所示。

圖8 智慧管理

4.3 提升效果

在陽江大河水庫、黃龍帶水庫應(yīng)用微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)及部署，對(duì)比單體式架構(gòu)的平臺(tái)，微服務(wù)架構(gòu)部署快捷，可擴(kuò)展性高，具體提升效果如下：

1） 快捷部署性。黃龍帶水庫在大河水庫安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，僅重新開發(fā)安全監(jiān)測(cè)服務(wù)，其他服務(wù)在調(diào)整后優(yōu)先部署，極大縮短了開發(fā)周期。

2） 高可拓展性。微服務(wù)架構(gòu)的核心是模塊化，本次展示的 2 座水庫的服務(wù)部署在不同的服務(wù)器上，其中大河水庫的巡查模塊包括電腦端及手機(jī)移動(dòng)端，具體業(yè)務(wù)需求確定及開發(fā)時(shí)間較久，因此是在平臺(tái)上線運(yùn)行后，在保證其他服務(wù)仍可正常工作基礎(chǔ)上的一個(gè)拓展。

3）故障獨(dú)立處置。在開發(fā)過程中，各服務(wù)同步獨(dú)立開發(fā)，因此，平臺(tái)日常運(yùn)行中某一服務(wù)出現(xiàn)故障，可單獨(dú)處理，其他服務(wù)仍可正常工作。測(cè)試環(huán)境中，模擬大批量同時(shí)請(qǐng)求運(yùn)行管理服務(wù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行管理服務(wù)數(shù)據(jù)庫并發(fā)死鎖，但其他服務(wù)仍可正常使用。

4）智能化。前端感知設(shè)備及平臺(tái)自動(dòng)化智能化采集信息，如智能全站儀自動(dòng)采集表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，極大減輕了水庫管理單位工作人員的負(fù)擔(dān)，提升了水利管理自動(dòng)化、智能化水平。

5 結(jié)語

詳細(xì)闡述了水庫安全監(jiān)測(cè)這一復(fù)雜系統(tǒng)的解耦過程及平臺(tái)模塊化的服務(wù)組合的關(guān)鍵技術(shù)，并將安全監(jiān)測(cè)智能平臺(tái)成功部署于陽江大河水庫，后續(xù)通過修改安全監(jiān)測(cè)服務(wù)及拓展其他服務(wù)，快速應(yīng)用于黃龍帶水庫，與傳統(tǒng)軟件開發(fā)相比具有代碼復(fù)用率高、擴(kuò)展性好、部署效率高等優(yōu)勢(shì)，使平臺(tái)可適應(yīng)各水庫大壩的安全監(jiān)測(cè)與運(yùn)行管理需求，也可為其他系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)提供簡(jiǎn)化開發(fā)流程，提高整體開發(fā)效率。后續(xù)可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際使用需要融入智能分析服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大壩安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析，為管理決策提供依據(jù)。