基于SOA和ESB的安全生產管控系統軟件架構設計與應用

曾　厲　常　青　喬紅偉　劉海艷

(珠海優特電力科技股份有限公司　廣東 珠海 519000)

0　引　言

隨著計算機技術的飛速發展，計算機在各行各業的應用范圍也就越來越廣，用戶對應用計算機技術解決實際問題的需求也就越來越強烈，隨之而來的應用的層次越來越深，應用水平也越來越高。這就造成了計算機應用系統的開發規模在不斷擴大，系統的復雜性也在不斷攀升，系統的開發難度也就越來越大，系統開發的風險也越來越高。自1968年國際NATO軟件工程會議提出“軟件危機”概念以來[1]，人們對軟件技術探索的腳步就從未停息。軟件是對客觀世界問題空間與求解空間的具體描述，是對客觀事物的一種反映[2]。而人們認識客觀世界的角度總在不斷變化和發展，認識的程度也在不斷深入，這種變化推動著軟件技術發展不斷進步，而軟件架構是軟件技術發展過程中非常關鍵的技術之一。

軟件架構是對業務需求系統分析之后而進行的一系列相關概念的抽象，是對構成系統的組件對象的整體描述，包含它們之間的連接關系、通信方式和協作模式[3]。它主要用于指導大型復雜軟件系統的設計和研發，它是軟件系統設計研發的重要決策之一，是軟件系統設計研發的總體性的規劃藍圖，是軟件系統質量保證非常重要的技術手段。軟件架構設計的目的就是為了降低軟件開發的技術風險和研發成本，提高軟件系統開發的效率和復用程度。

由于電廠安全生產管理中“兩票三制”(兩票：工作票和操作票；三制：交接班制度、設備巡檢制度和設備定期切換與輪換制度)業務的作業任務繁多，而且作業過程與流程復雜多變，并與其他應用業務系統之間存在著業務和數據的相互關聯與交互。企業現有許多單一的業務管理系統(如：財務系統、資產系統、PMS、HR、CRM、OA、DCS和SIS等)的數據和信息不能共享，部門之間的重復著銜接部分的冗余工作，系統彼此之間成為“信息孤島”[4]，這樣就造成了企業工作效率低下，以及企業資源浪費。本文提出一種基于SOA和ESB的分布多層軟件架構，構建電廠安全生產管控系統(以下簡稱“安全管控系統”)的解決方案。系統實現了業務功能模塊靈活組態、業務流程動態配置、系統集成簡單、業務功能拓展方便的應用軟件系統的二次開發平臺。

1　電廠安全生產管理的需求分析

電廠的安全生產永遠關注的是“人、機、環、管”四個環節，“安全第一、預防為主、綜合治理”是安全生產管理的基本方針，也是安全生產管理必須遵循的根本原則。由于影響企業安全和生產的因素很多，而且“人、機、環、管”的關系錯綜復雜，時常還會出現某些不確定的意外情況。為此，在企業的安全生產管理工作中，首先應遵循電力安全生產的客觀規律，然后對影響企業安全生產的因素進行綜合分析與研究，找出最影響安全生產的最主要的關鍵因素。著重整治企業安全生產過程中最危險的薄弱環節和危險因素，采取預控預防的手段進行管理，以達到安全生產的管理目標。

電廠的安全生產是由很多關系復雜的作業任務相互協作而完成的一個連續不間斷的生產流程。安全生產的管理要求我們把影響安全生產的各方面因素，以及各種業務關聯關系進行全面的綜合分析。通過我們對電廠安全生產的業務進行全過程的跟蹤，收集和整理了電廠安全生產管理的各種業務報表和工作日志，重點分析了電廠安全生產作業過程中的“兩票三制”的業務信息和流程。并與電廠一線的工作人員和管理人員進行業務交流和技術探討，經過系統性的歸納、總結與分析，建立了一個系統性的電廠安全生產管理的業務模型(CIM)。電廠安全生產管理的業務模型如圖1所示。

圖1　電廠安全生產管理的業務模型

以電廠安全生產過程中缺陷和隱患為起點，以工作單業務流程管理為主線，在此基礎上嚴格控制好工作票和操作票的管理流程和安全措施。對作業現場的安全措施、工作人員和設備狀態進行監督、監測和監控等管理，對作業現場和安全措施發現的問題和異常及時發布預警信息，通知工作人員進行及時響應和處理。當設備缺陷和隱患以及作業現場出現事故險情時，自動啟動應急管控，發布應急預案，部署救援措施。風險預控管理應用于安全生產作業過程，針對設備缺陷、隱患、工單任務、工作票和操作票中存在的風險及時預警，并自動提供相應風險預控措施。

2　安全管控系統的軟件架構方案

該方案采用面向服務架構SOA(Service-Oriented Architecture)、企業服務總線ESB(Enterprise Service Bus)、業務流程執行語言BPEL(Business Process Execution Language)和分布式多層軟件架構技術和設計思想，提出安全管控系統的軟件架構方案。安全管控系統軟件架構如圖2所示。

圖2　安全管控系統軟件架構

以SOA、BPEL和ESB多層分布式軟件架構的技術框架為基礎，根據電廠安全生產過程的作業流程和業務需求，把整個系統分為設備管理(含缺陷、隱患等)、作業管理(含工作單、工作票、操作票等)、風險預控、安全監督、應急管控、安全監測、輔助決策和移動APP應用八個業務功能子系統。由于電廠安全生產管理的業務繁多，而且流程比較復雜。所以，在系統架構圖中的用戶層展示時，我們只選擇其中的一部分業務(如：設備缺陷、隱患、工作單、工作票、操作票等)，而且在架構圖中的服務層只選擇工作票單個業務進行展示，這樣架構圖在表示上就相對簡單清晰，其他的業務都是這個業務樣式的疊加。

2.1　安全管控系統企業服務總線的實現機制

企業服務總線包括五個組件和四個接口。五個組件分別為ESB服務總線引擎、ESB管理工具、ESB開發工具、流程客戶端(BPEL流程引擎)和服務客戶端(服務層服務程序)，四個接口為服務調用接口、流程調用接口、服務發布與注冊接口和服務監控管理接口[5-6]。安全管控系統企業服務總線的實現機制如圖3所示。

牛肉膏蛋白胨培養基(g/L)：牛肉膏5 g，蛋白胨10 g，氯化鈉5 g，瓊脂20 g。pH調節至7.0～7.2，121℃、0.1MPa條件下滅菌20 min后，冷卻倒平板，備用。

圖3　安全管控系統企業服務總線的實現機制

在安全管控系統的ESB層，通過ESB開發工具提供的服務，實現安全管控系統服務組件在服務總線上的發布和注冊，并為安全管控系統的服務提供統一資源定位符URL(Uniform Resource Locator)的存儲、定位和檢索的功能；而ESB管理工具可以對安全管控系統集成和部署服務總線上的服務進行監控，并自動生成運行監控記錄日志。流程客戶端和服務客戶端都成為企業服務總線的用戶，并可通過服務總線獲得服務。企業服務總線引擎是服務總線層的核心，它與開發工具和管理工具協同配合，共同完成服務的發布、注冊、監控、管理和訂閱功能。

2.2　安全管控系統業務流程層的實現機制

業務流程層由BPEL流程引擎、BPEL流程建模工具、BPEL流程監控管理工具、應用客戶端和ESB服務客戶端五個組件，以及流程建模接口、流程監控與管理接口、流程客戶端接口、調用服務接口四個接口組成[7]。安全管控系統業務流程層的實現機制如圖4所示。

圖4　安全管控系統業務流程層的實現機制

BPEL流程引擎是流程層的核心層，它通過與其他組件的合作，共同完成業務流程的建模、執行、監控和管理的功能。應用客戶端通過BPEL流程引擎流程客戶端接口來調用BPEL流程，ESB服務客戶端為BPEL引擎提供服務，而BPEL流程的節點也來自ESB服務中的流程。

2.3　安全管控系統服務層的實現機制

企業應用系統變得日益龐大和復雜，要提高軟件的開發效率和系統的復用性，服務層的設計和規劃已經變得非常的關鍵和重要，同時也要面臨巨大的挑戰。一方面從業務領域模型抽象易于組態的業務組件和公用組件，另一方面組件分解、抽象和映射為一組不同粒度的具有組裝關系的服務組件，從而實現服務層中應用業務功能模塊組件化的抽象、組件化的實現、業務功能服務的動態組裝，以下是工作票服務模塊案例說明。工作票服務抽象與業務功能組態如圖5所示。

圖5　工作票服務抽象與業務功能組態

2.4　安全管控系統數據層的實現機制

主要為安全管控系統服務層提供數據服務的功能，其中包括數據庫的讀寫，數據的持久化和數據倉儲等，它還包括數據庫的事務管理、并發控制、數據庫的備份與恢復等功能。

操作數據庫的方法有ADO.NET和ORM兩種方式，其中ADO.NET是.NET平臺自帶的數據庫操作功能。而ORM采用的是開源的NHibernate技術框架，它引進的是J2EE的Hibernate開源項目的技術，經技術升級改造后，它成為.NET平臺中的數據庫應用開發的ORM工具。ORM是一種面向對象的數據封裝，以面向對象的方式操縱數據，隔離了實際數據存儲和業務層之間的關系，并能對每一層進行單獨跟蹤，實現的是在.NET平臺中數據庫對象/關系數據庫映射，是數據持久的解決方案。

它不僅可以實現從.NET類到數據庫表的數據管理與映射，還為數據查詢和獲取數據提供了一種快捷的方法，減少了開發人員直接使用SQL和ADO.NET訪問和操作數據庫，從而提高了開發的效率。

2.5　安全管控系統用戶層的實現機制

3　系統關鍵技術的應用研究

3.1　領域驅動設計的應用研究

領域驅動設計是將領域模型作為軟件系統業務分析和設計的重點研究對象，主要用于指導面向大型復雜系統的軟件開發方法。領域模型是對業務對象的邊界或者對具有邊界領域的抽象，反應的是領域內用戶業務需求的本質。所以，只有在充分理解業務領域知識的情況下，才可能建好軟件系統的領域模型。領域模型建模主要包括分層架構、服務、實體、值對象、倉儲、聚合根等基本要素，其目標就是要實現對業務邏輯的封裝，保證業務功能模塊的高內聚和業務功能模塊之間低耦合，使系統具有更好的維護性與擴展性。領域模型消息機制的引入，使得領域對象之間的數據傳遞變得清晰，這樣可以更清晰地劃分系統功能模塊之間的邊界[8]。所以，安全管控系統的領域模型根據電廠安全生產管理的需求分析的結果和領域驅動設計的思想，按照領域對象數據傳遞的機制進行建模，實現業務功能模塊的劃分，以及模塊之間的數據和消息傳輸機制。安全管控系統業務領域模型如圖6所示。

圖6　安全管控系統業務領域模型

安全管控系統的領域模型貫穿系統分析、設計、開發與測試整個過程，是系統所有工作人員業務需求交流溝通的工具，是軟件架構設計中最為關鍵的一部分，也是整個系統的核心。

3.2　圖形拓撲技術的應用研究

3.2.1基于CIM 和SVG的圖模庫建模

SVG是國際W3C組織制定的一種可縮放矢量圖形的語言描述規范[8]。為了實現在互聯網上圖形數據的應用與共享而設計，該規范采用的是基于XML語言的標準規范。所以國際電工委員會將SVG確定為圖形數據交換和圖形交互操作的標準格式，并且作為所有系統集成與異構之間圖形數據交換的載體。其主要原因就是由于SVG圖形采用的基于XML技術標準，使得它具有良好的可擴充性、可檢索性、互操作性與可重用性等特點。國際電工委員會也在IEC 61970和IEC 61968標準中擴展了基于CIM/SVG信息交換標準化的技術規范，而且已被各國接受為電力系統模型的工業標準[9]。圖模庫一體化技術在電力系統自動化領域得到了很好的應用，其核心思想是利用SVG圖形表達設備模型和拓撲結構，使圖形和數據庫相互對應。本方案中就是采用CIM的電網模型和SVG圖形技術實現電廠系統圖(含電氣、鍋爐、汽機和輔助系統)的圖模庫一體化建模，實現電廠系統圖的數字化管理和圖形的交互操作。

3.2.2拓撲技術分析算法

接線圖的拓撲結構反映是設備之間物理連接及相關的信息，而拓撲分析以設備元件連接點的位置作為判斷設備關聯的依據。電網拓撲分析算法有：深度或廣度搜索法、面向對象啟發式搜索法、基于關聯矩陣集合劃分法、基于OSPF協議的算法、分電壓等級的算法、基于分析單元的有色Petri法等。以上的幾種算法利用數據結構加上特定的算法實現拓撲分析的改進，目的就是為了加快拓撲的速度和效率，得到準確的拓撲分析的結果和拓撲結構。根據項目的特點，我們選用面向對象啟發式搜索法，該算法的特點：當設備的狀態發生改變時，對電網節點樹拓撲跟蹤，進行局部的拓撲分析，這樣就可以減少拓撲分析的計算量。

3.2.3拓撲技術應用解決方案

圖模庫一體化技術和拓撲分析方法實現了對電廠系統圖的數字化管理和圖模庫一體化建模、工作票安全措施的智能分析、操作票內容的防誤邏輯判斷和作業任務的風險預控措施管理，保證工作票的安全措施、操作票的操作內容與順序的準確性與完整性和作業任務風險預控措施全面性與準確性。圖形與拓撲應用解決方案如圖7所示。

圖7　圖形與拓撲應用解決方案

3.3　系統集成技術的應用研究

在面向服務的架構下，為面向服務的企業應用集成與異構提供一個統一標準的可配置業務集成平臺，可以解決不同類型的異構系統難以有效整合的問題[10-11]。ESB服務總線克服傳統EAI技術集成的缺陷，因為在ESB總線上的所有服務采用的都是標準的消息通信方式進行交互，所以ESB為整合異構系統資源而提供的一種基于SOA的集成解決方案。該集成解決方案的優點：降低系統之間集成的復雜度，增加重用性，降低成本。通過重用以前的遺留應用程序，實現了更有效的應用程序的開發，減少了企業的重復投資，同時也降低系統維護與集成的成本。安全管控系統集成解決方案如圖8所示。

圖8　安全管控系統系統集成解決方案

Web服務的關鍵是遵循了SOA的所定義的服務接口標準和松耦合的連接。Web服務在ESB總線中注冊之后，就可以通過ESB服務總線建立和管理各應用服務之間的拓撲關系，使得服務的消息和事件通過ESB總線進行通信與互動，為應用服務程序在分布式異構環境中提供了一種簡單高效的企業應用集成的機制。安全管控系統采用的是基于Web服務組件式的方式開發，并按照服務組件發布的要求規劃定義好接口服務。具體實現過程如下：

首先,建立安全管控系統服務注冊中心，實現安全管控系統所有服務組件的發布與管理；其次,對安全管控系統中的應用系統的服務邏輯進行封裝，實現統一接口，以Web服務的方式發布，使其他系統可以通過SOAP進行調用；第三,將需要集成的各應用系統(如：財務管理系統、資產管理系統、PMS系統、HR系統、CRM系統、OA系統、SIS系統數據服務和DCS系統數據服務等)發布的服務進行描述，生成服務的描述文檔WSDL，并注冊到UDDI注冊中心，以便其他系統能夠發現和訪問這些服務；第四,服務請求者發出消息請求，經解析被封裝成SOAP消息，發送給企業服務總線；第五,通過ESB的消息轉換和動態消息路由機制，將用戶請求發送服務提供者；第六,服務提供者接收請求消息后提供服務，由服務代理者調用服務，服務請求者綁定并使用服務。

4　工程驗證及效果

電廠安全生產管控系統在安徽和陜西的兩個電廠得到推廣和應用，已經取得很好的應用效果。(1) 實現安全生產安全管控系統與其他系統(DCS、SIS、PMS等)的集成和異構，使得各系統之間的業務與數據能互聯互通和數據共享，解決了企業“信息孤島”的問題。(2) 系統采用面向服務和組件的開發模式，實現企業業務的靈活組態，滿足了企業應用的靈活性和企業未來變化與發展的需求。(3) 系統采用分布式多層軟件架構設計思想，增強系統的可擴展性和可維護性，為用戶的業務擴展與集成提供二次開發平臺。電廠安全生產管控系統現場應用的主界面如圖9所示。

圖9　電廠安全生產管控系統現場應用的主界面

5　結　語

結合電廠安全生產管理業務，采用基于多層分布軟件架構的設計思想和領域驅動設計理念，通過分層分而治之，使其關注點進行分離，增進了業務模塊的內聚性，降低模塊之間的耦合度，進而降低了系統復雜性并增強業務模塊的復用性和可維護性。基于SOA和ESB服務總線設計，安全管控系統解決系統異構集成、業務功能擴展、數據共享和數據交換的問題。所以，我們在后續的功能擴展時，可以把所有精力聚焦在企業業務管理的應用組件開發，很好地適應企業未來發展變化的需要。

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