基于微服務(wù)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

葉濤　張弛

摘要：針對(duì)單架構(gòu)下鋼絲繩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面臨的設(shè)備分散、數(shù)據(jù)龐雜、容錯(cuò)率低、擴(kuò)展性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于微服務(wù)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群，實(shí)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(yùn)營(yíng)該系統(tǒng)?；谖⒎?wù)架構(gòu)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于港口岸橋時(shí)，解決了諸多通信問(wèn)題，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)高效可靠的傳輸需求，從而大大提高對(duì)鋼絲繩監(jiān)測(cè)智能化及精益化水平。

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

中圖分類(lèi)號(hào)? TP391 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）07-0016-03

鋼絲繩作為一種工程構(gòu)件，具有強(qiáng)度高、耐沖擊、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。然而，鋼絲繩在使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生斷絲、磨損、銹蝕等現(xiàn)象，因此，對(duì)鋼絲繩的損傷量進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)檢測(cè)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(hù)的迫切要求。

傳統(tǒng)的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法主要有電磁檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法等[1]。目前，基于單系統(tǒng)的鋼絲繩監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)面臨著不能應(yīng)對(duì)高并發(fā)、高負(fù)載、服務(wù)擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)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(jìn)行解決的最佳實(shí)踐方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于微服務(wù)架構(gòu)的鋼絲繩物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用于港口岸橋場(chǎng)景時(shí)，解決了原系統(tǒng)存在的如物聯(lián)通信，遠(yuǎn)程傳輸?shù)韧ㄐ艈?wèn)題，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)高負(fù)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(duì)鋼絲繩監(jiān)測(cè)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(yùn)行于獨(dú)立進(jìn)程中，微服務(wù)之間通過(guò)輕量級(jí)通信協(xié)議互相協(xié)調(diào)，互相配合，而又相對(duì)獨(dú)立。

在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、可視化等技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，出現(xiàn)了云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的相互協(xié)同，提高企業(yè)對(duì)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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，為未來(lái)的系統(tǒng)架構(gòu)朝著靈活、高效、可擴(kuò)展以及高可用的方向發(fā)展提供全新的實(shí)現(xiàn)方案[4]。

2 微服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分析微服務(wù)架構(gòu)在鋼絲繩損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用場(chǎng)景后[5]，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型拆分為多個(gè)模塊，分別為物聯(lián)層、服務(wù)層以及環(huán)境層，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)與實(shí)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(wú)線(xiàn)傳輸不夠穩(wěn)定，因此采用串口形式的有線(xiàn)信道進(jìn)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(jìn)行串口通信，其支持使用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，當(dāng)有噪聲干擾時(shí)仍可進(jìn)行數(shù)值判斷，允許鋼絲繩探傷儀與上位機(jī)進(jìn)行全雙工模式的雙向?qū)崟r(shí)通信，為數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)上傳和遠(yuǎn)程維護(hù)提供物理通信基礎(chǔ)。

2.1.1 物聯(lián)通信測(cè)試

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

為驗(yàn)證基于串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可行性，選取5000條有效數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，具體如下：

鋼絲繩探傷儀的最大采樣頻率為10Hz，為驗(yàn)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(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。表1為串口通信測(cè)試結(jié)果記錄。

實(shí)驗(yàn)中，串口COM2發(fā)送的數(shù)據(jù)被COM1及時(shí)監(jiān)聽(tīng)。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(duì)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(jì)

用戶(hù)管理：對(duì)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，分為用戶(hù)、角色以及權(quán)限管理，用戶(hù)與角色、角色與權(quán)限分別為多對(duì)多的關(guān)系。

設(shè)備管理：對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行管理與維護(hù)，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(hù)等功能。

日志服務(wù)：對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行與使用情況進(jìn)行細(xì)粒度監(jiān)控記錄，提供實(shí)時(shí)或離線(xiàn)的日志服務(wù)。

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

實(shí)時(shí)預(yù)警：檢測(cè)到鋼絲繩發(fā)生或?qū)⒁r(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)預(yù)警，通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)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(shí)任務(wù)：定期為管理人員發(fā)送詳細(xì)的可視化監(jiān)測(cè)報(bào)表以及郵件推送，提供離線(xiàn)的數(shù)據(jù)展示。

數(shù)據(jù)上傳：為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)與離線(xiàn)調(diào)用，需要對(duì)數(shù)據(jù)上傳至云端并備份，保障數(shù)據(jù)安全。

遠(yuǎn)程維護(hù)：將用戶(hù)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(duì)應(yīng)上位機(jī)，通過(guò)串口傳輸至探傷設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。使得用戶(hù)能夠在可視化操作頁(yè)面上直接更改設(shè)備狀態(tài)，達(dá)到遠(yuǎn)程維護(hù)的目的。

2.2.2 微服務(wù)架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

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(lài)，需要建立完善的微服務(wù)集群，結(jié)合微服務(wù)思想，對(duì)服務(wù)的功能進(jìn)行合理拆分[6]，服務(wù)分為客戶(hù)端與服務(wù)端，并以微服務(wù)集群的形式部署，客戶(hù)端僅提供接口調(diào)用。

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

在客戶(hù)端中配置OpenFeign后，實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端對(duì)前端請(qǐng)求的負(fù)載均衡[8]，提高了系統(tǒng)的健壯性與功能性。

應(yīng)用Hystrix確?？蛻?hù)端的服務(wù)降級(jí)，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(shí)現(xiàn)微服務(wù)的遠(yuǎn)程配置，并進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，將配置文件存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化部署。

此外，為避免暴露真實(shí)資源路徑，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性能，運(yùn)用Gateway自定義的資源訪(fǎng)問(wèn)路徑掩蓋真實(shí)路徑對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并創(chuàng)建請(qǐng)求白名單過(guò)濾掉不合規(guī)請(qǐng)求。

2.3 環(huán)境層

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

為保證系統(tǒng)運(yùn)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(wèn)題，對(duì)微服務(wù)運(yùn)行基礎(chǔ)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

2.3.1 環(huán)境搭建

系統(tǒng)應(yīng)用阿里云計(jì)算平臺(tái)，同時(shí)集成了Docker容器，搭建鏡像服務(wù)器集群，保證穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

針對(duì)鋼絲繩損傷大數(shù)據(jù)的海量、多元、分散等特點(diǎn)，首先，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分庫(kù)分表設(shè)計(jì)，其次，建立Docker鏡像的數(shù)據(jù)庫(kù)集群與分布式文件存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份與同步，提高損傷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率，保證數(shù)據(jù)安全，為服務(wù)層的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供有效保障。

2.3.3 損傷數(shù)據(jù)上傳測(cè)試

對(duì)上位機(jī)處理后的實(shí)時(shí)損傷數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)效性與可靠性進(jìn)行測(cè)試。

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程并未發(fā)生丟失，完全能夠應(yīng)對(duì)檢測(cè)設(shè)備較多時(shí)的數(shù)據(jù)上傳。

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)損傷數(shù)據(jù)的時(shí)效性要求以及傳輸效率要求，每組數(shù)據(jù)不必過(guò)多，以每組50條數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳較為合適。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用實(shí)例

港口岸橋上鋼絲繩工作量大、負(fù)載大、環(huán)境惡劣，尤其需要及時(shí)地檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)于港口岸橋上投入使用后，設(shè)計(jì)了最小連接數(shù)負(fù)載均衡算法后，如圖4所示，充分利用計(jì)算資源，能夠滿(mǎn)足港口對(duì)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Vue的移動(dòng)端界面，并使用Echarts開(kāi)發(fā)了聯(lián)動(dòng)的可視化圖表，其交互簡(jiǎn)單、展示直觀(guān)，賦予用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

相較于本地單系統(tǒng)，微服務(wù)架構(gòu)采用輕量化運(yùn)行技術(shù)以及通信方法，簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施，降低服務(wù)粒度，使得獨(dú)立開(kāi)發(fā)和演化、獨(dú)立部署運(yùn)行和獨(dú)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(cè)系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)理論，不但實(shí)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(hù)功能，滿(mǎn)足鋼絲繩監(jiān)測(cè)智能可視化、業(yè)務(wù)精細(xì)化需求，同時(shí)，微服務(wù)架構(gòu)的構(gòu)建，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，具備優(yōu)秀的可移植性，表現(xiàn)出良好的推廣價(jià)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(duì)損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與展示，在一定程度上實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能，并未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的挖掘分析。下一步利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩工作能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)其剩余壽命，得出造成鋼絲繩損傷的主要因素，對(duì)其進(jìn)行深度研究與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王博思，黃子恒，趙雅，等.基于漏磁檢測(cè)的電梯鋼絲繩斷絲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2020（8）：29-32.

[2] 奐光潤(rùn)，謝良魁，張豪，等.基于弱磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的鋼絲繩在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐[J].能源與環(huán)保，2019，41（6）：101-106.

[3] 茍英，李冀明，魏星.邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)深度學(xué)習(xí)及任務(wù)卸載調(diào)度策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2019，36（8）：125-129.

[4] 劉罡.基于微服務(wù)架構(gòu)的汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商管理系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2018，38（S2）：243-249.

[5] 方意，朱永強(qiáng)，宮學(xué)慶.微服務(wù)架構(gòu)下的分布式事務(wù)處理[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2019，36（1）：152-158.

[6] 熊肖磊，韓雄飛，趙炯，等.微服務(wù)在大型設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)中的應(yīng)用探究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2019（6）：88-93.

[7] 吳曉龍.基于微服務(wù)架構(gòu)的在線(xiàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2019.

[8] 遲殿委.基于Ribbon的微服務(wù)通訊及負(fù)載均衡的實(shí)現(xiàn)[J].電腦與信息技術(shù)，2019，27（5）：25-27.

[9] 崔蓬.ECharts在數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用[J].軟件工程，2019，22（6）：42-46.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2021-10-21

作者簡(jiǎn)介：葉濤（1972—），女，湖北武漢人，博士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真;張弛（1996—），男，湖北天門(mén)人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)。