基于微服務(wù)架構(gòu)的生產(chǎn)管控平臺(tái)研究

李月晴 范純超 張?jiān)?

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.北京北礦智能科技有限公司，北京 102628；3.金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628；4.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442）

目前礦山企業(yè)在生產(chǎn)中面臨著市場(chǎng)、資源、環(huán)境及成本等多方面的壓力，如何實(shí)現(xiàn)資源的高效利用、人員的合理配置，生產(chǎn)效益的基本保障，以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是大多礦山企業(yè)亟待解決的問(wèn)題。鑒于此，礦山企業(yè)在采、選礦作業(yè)過(guò)程中一直秉持著高效率、有秩序及高安全的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析與可視化管理更是打造數(shù)字化礦山企業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，其對(duì)生產(chǎn)作業(yè)的進(jìn)度、設(shè)備能耗、原輔料利用率、產(chǎn)品品位的實(shí)時(shí)追溯和優(yōu)化管理起著關(guān)鍵性作用。

目前有很多礦山領(lǐng)域生產(chǎn)和管控系統(tǒng)的研究，如文獻(xiàn)［1］中提到的地下礦山生產(chǎn)管控與觀念建設(shè)體系，文獻(xiàn)［2］采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了礦山智能生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)，以及文獻(xiàn)［3］基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下礦山智能生產(chǎn)控制和管理建設(shè)體系，實(shí)現(xiàn)了礦山生產(chǎn)和管理數(shù)字化、自動(dòng)化和預(yù)警智能化。以上研究體現(xiàn)了通過(guò)先進(jìn)科技的應(yīng)用，搭建符合礦山經(jīng)營(yíng)需求的生產(chǎn)管控軟件平臺(tái)對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)快速交互、直觀展示，打通企業(yè)管理壁壘有一定幫助［4］。

針對(duì)平臺(tái)或系統(tǒng)本身，隨著越來(lái)越多的用戶參與，業(yè)務(wù)場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的單體架構(gòu)已經(jīng)很難滿足互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展要求。由此，系統(tǒng)架構(gòu)的更高要求促使微服務(wù)架構(gòu)概念的產(chǎn)生。微服務(wù)架構(gòu)系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，按照業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分為獨(dú)立的服務(wù)單元并可以進(jìn)行獨(dú)立部署，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠解決單體架構(gòu)的不足，有自動(dòng)化運(yùn)維、容錯(cuò)的特點(diǎn)，同時(shí)也能滿足復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及礦山企業(yè)現(xiàn)面臨復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求及數(shù)字化礦山建設(shè)理念的推動(dòng)，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了基于微服務(wù)架構(gòu)的生產(chǎn)管控平臺(tái)方案。該方案為企業(yè)著重打造一個(gè)集工業(yè)大數(shù)據(jù)集成展示、生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢管理，業(yè)務(wù)決策為一體化的智能礦山生產(chǎn)管控體系。

1 微服務(wù)架構(gòu)概述

2014年由M.Fowler和J.Lewis共同提出微服務(wù)（MicroService）［5］。微服務(wù)是一個(gè)具有高并發(fā)、高擴(kuò)展、獨(dú)立部署等特性的應(yīng)用，它將復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)劃分以獨(dú)立業(yè)務(wù)模塊的形式拆解成多個(gè)服務(wù)單元［6］，各個(gè)應(yīng)用服務(wù)都專注于單一的功能實(shí)現(xiàn)，有利于開(kāi)發(fā)者專注于某個(gè)模塊的快速實(shí)現(xiàn)，并提供應(yīng)用服務(wù)。這些按業(yè)務(wù)劃分的微服務(wù)單元可獨(dú)立部署，運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程中。同時(shí)，這些微服務(wù)之間是松耦合的，每個(gè)服務(wù)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)及其不同存儲(chǔ)方式［7］，服務(wù)之間數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)耦合的特點(diǎn)能夠滿足礦山企業(yè)不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式需求。微服務(wù)之間的通訊方式傾向于用輕量級(jí)的通信機(jī)制（如HTTP、RESTfulAPI或RPC）相互溝通和配合實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用［8］，并且這種通訊機(jī)制與平臺(tái)和語(yǔ)言無(wú)關(guān)。基于微服務(wù)框架開(kāi)發(fā)的礦山生產(chǎn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)者更多關(guān)注根據(jù)礦山業(yè)務(wù)劃分的微服務(wù)內(nèi)部功能的開(kāi)發(fā)，而微服務(wù)的部署方式是自動(dòng)化部署，這樣簡(jiǎn)化了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，并提高了開(kāi)發(fā)效率［9］。總之，相對(duì)于傳統(tǒng)的單體應(yīng)用架構(gòu)，微服務(wù)具有技術(shù)選型靈活、復(fù)雜度可控、功能邊界清晰、具有高擴(kuò)展性、獨(dú)立部署、高容錯(cuò)等優(yōu)勢(shì)［7］。

2 SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)的生產(chǎn)管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 管控平臺(tái)的架構(gòu)

本項(xiàng)目的生產(chǎn)管控平臺(tái)是基于SpringCloud微服務(wù)框架，并且采用前后端分離的模式進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、部署和運(yùn)維。該生產(chǎn)管控平臺(tái)后端框架采用Spring Boot、Spring-Cloud Greenwich、Mybatis-plus等核心技術(shù)，前端框架基于Vue、ElementUI等進(jìn)行搭建。SpringCloud是基于SpringBoot進(jìn)行構(gòu)建服務(wù)的，它主要特點(diǎn)就是提高了開(kāi)發(fā)和部署上的效率，用來(lái)構(gòu)建分布式系統(tǒng)。SpringCloud的主要目標(biāo)就是通過(guò)提供一系列內(nèi)部組件和框架，迅速搭建一個(gè)分布式的微服務(wù)系統(tǒng)，還提供了分布式微服務(wù)系統(tǒng)的一些常用組件，例如服務(wù)注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)、配置中心、熔斷器、路由網(wǎng)關(guān)等核心組件［2］。基于SpringCloud開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管控平臺(tái)主要有以下核心功能：

（1）本平臺(tái)使用Nacos擔(dān)任注冊(cè)中心與配置中心的角色。Nacos是構(gòu)建以“服務(wù)”為中心的現(xiàn)代應(yīng)用架構(gòu)的服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，致力于幫助發(fā)現(xiàn)、配置和管理微服務(wù)，可以幫助快速構(gòu)建交付和管理微服務(wù)平臺(tái)。Nacos服務(wù)領(lǐng)域模型主要分為命名空間、集群、服務(wù)，在使用時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建命名空間，并在服務(wù)上添加服務(wù)注冊(cè)和配置依賴，以及在控制臺(tái)的配置管理中添加YAML格式的配置文件，對(duì)整個(gè)工程的基本配置和每個(gè)微服務(wù)進(jìn)行配置管理。

（2）采用Oauth2協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一的Token下發(fā)與鑒權(quán)，保證系統(tǒng)安全性。Oauth2授權(quán)協(xié)議提出了“授權(quán)服務(wù)器”，經(jīng)過(guò)用戶授權(quán)后授權(quán)服務(wù)器向第三方應(yīng)用發(fā)放一個(gè)Token，這樣就可以在不向第三方應(yīng)用提供賬號(hào)和密碼的情況下，通過(guò)令牌在特定時(shí)間內(nèi)訪問(wèn)用戶存放在特定資源服務(wù)器上的資源。

（3）使用Gateway進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)，用來(lái)管理授權(quán)、訪問(wèn)控制和流量限制等，這樣REST API接口服務(wù)就被API網(wǎng)關(guān)保護(hù)起來(lái)，隱藏在API網(wǎng)關(guān)后面的業(yè)務(wù)系統(tǒng)就可以專注于創(chuàng)建和管理服務(wù)。SpringCloud Gateway旨在為微服務(wù)架構(gòu)提供一種簡(jiǎn)單而有效的統(tǒng)一的API路由管理方式，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單、比Zuul更高效、與SpringCloud緊密配合的API網(wǎng)關(guān)。其不僅提供統(tǒng)一的路由方式，并且基于Filter鏈的方式提供了網(wǎng)關(guān)基本的功能，如安全、監(jiān)控和限流等。

（4）使用ELK分布式日志管理系統(tǒng)，具有日志收集與監(jiān)控服務(wù)為一體的能力。

（5）集成MinIO分布式對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)，非常便捷地提供大容量非結(jié)構(gòu)化文件上傳與管理，如視頻、圖片、日志文件的備份數(shù)據(jù)等。

（6）采用Redis分布式鎖。為了防止分布式系統(tǒng)中的多個(gè)進(jìn)程之間相互干擾，需要一種分布式協(xié)調(diào)技術(shù)來(lái)對(duì)這些進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，這個(gè)分布式協(xié)調(diào)技術(shù)的核心就是來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)分布式鎖。

圖1是基于SpringCloud微服務(wù)架構(gòu)的生產(chǎn)管控平臺(tái)架構(gòu)。

2.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

本平臺(tái)功能分為基礎(chǔ)服務(wù)功能和礦山生產(chǎn)業(yè)務(wù)服務(wù)功能，每個(gè)單獨(dú)的服務(wù)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)微服務(wù)單元。礦山生產(chǎn)業(yè)務(wù)服務(wù)是在基礎(chǔ)服務(wù)的基礎(chǔ)上做的業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊開(kāi)發(fā)。基礎(chǔ)服務(wù)功能包括用戶管理、資源管理、系統(tǒng)管理、權(quán)限管理和流程管理等基礎(chǔ)功能模塊。基礎(chǔ)服務(wù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL。業(yè)務(wù)服務(wù)功能是針對(duì)礦山生產(chǎn)中的業(yè)務(wù)范圍進(jìn)行開(kāi)發(fā)定制化功能模塊，主要包括工業(yè)數(shù)據(jù)集成展示、生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢管理等，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle。這些功能模塊通過(guò)接口層API網(wǎng)關(guān)進(jìn)行對(duì)外發(fā)布應(yīng)用服務(wù)接口。API網(wǎng)關(guān)具有統(tǒng)一認(rèn)證、API鑒權(quán)、API限流、API測(cè)試等功能。最終以WebSocket、HTTP/HTTPS、TCP/UDP協(xié)議對(duì)訪問(wèn)層提供接口。此應(yīng)用功能支持在手機(jī)、瀏覽器、大屏幕等硬件系統(tǒng)上進(jìn)行展示。在進(jìn)行平臺(tái)功能開(kāi)發(fā)前，需要在Nacos配置管理中添加整個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)配置和開(kāi)發(fā)環(huán)境配置，包括服務(wù)器配置、Spring配置、模塊數(shù)據(jù)源配置、Redis分布式鎖配置、項(xiàng)目模塊配置、Feign配置、Hystrix配置和Ribbon等配置。

圖2和圖3展示的是平臺(tái)的登錄界面及首頁(yè)。

2.2.1 基礎(chǔ)服務(wù)功能

該生產(chǎn)管控平臺(tái)具有基礎(chǔ)的通用功能，這些基礎(chǔ)功能是開(kāi)發(fā)面向礦山實(shí)際業(yè)務(wù)功能的基礎(chǔ)，主要的通用功能包括用戶管理、資源管理、系統(tǒng)管理、權(quán)限管理和流程管理等。每個(gè)功能需要建立獨(dú)立微服務(wù)單元，并在Nacos配置管理中進(jìn)行數(shù)據(jù)源的配置。

（1）用戶管理模塊是針對(duì)企業(yè)內(nèi)部人員的平臺(tái)登錄的賬號(hào)、平臺(tái)權(quán)限、密碼設(shè)置/重置、員工角色配置及所屬部門(mén)進(jìn)行管理。

（2）權(quán)限管理主要是指平臺(tái)基礎(chǔ)的權(quán)限管理功能，從角色管理、數(shù)據(jù)權(quán)限、接口權(quán)限對(duì)用戶進(jìn)行不同維度的管理。角色管理支持自定義角色配置，可以配置父節(jié)點(diǎn)角色，最終形成樹(shù)形結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)管理支持菜單自定義顯示隱藏，用戶可以自定義某個(gè)菜單對(duì)特定用戶進(jìn)行顯示或隱藏。接口管理對(duì)項(xiàng)目的接口類型、接口路徑進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)接口的分類與分組管理。

（3）資源管理是針對(duì)MinIO對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)內(nèi)資源的地址、accessKey、secretKey等進(jìn)行配置管理。

（4）系統(tǒng)管理是項(xiàng)目組織的骨架和基礎(chǔ)功能，主要包括機(jī)構(gòu)管理、菜單管理等功能。機(jī)構(gòu)管理主要是對(duì)企業(yè)內(nèi)部組織架構(gòu)進(jìn)行管理，包括職務(wù)部門(mén)、生產(chǎn)廠區(qū)和下屬子公司的詳細(xì)信息等管理。菜單管理是將整個(gè)首頁(yè)的導(dǎo)航欄進(jìn)行管理，可以對(duì)導(dǎo)航菜單進(jìn)行新增、刪除和搜索，同時(shí)每一個(gè)根菜單可以添加子項(xiàng)。通過(guò)路由地址的配置添加封裝好的前端頁(yè)面組件或者通過(guò)URL添加外部頁(yè)面，添加后的功能菜單直接顯示在導(dǎo)航欄內(nèi)。

（5）流程管理則是支持模型管理、創(chuàng)建流程、修改流程、刪除流程等相關(guān)業(yè)務(wù)操作。在模型管理中，用戶可以添加自定義事務(wù)流程模型、對(duì)現(xiàn)有流程模型更改和刪除。對(duì)新增加的模型通過(guò)發(fā)起部署即可處于激活狀態(tài)，可供用戶使用。用戶可以在我的流程中查看發(fā)起流程、審批進(jìn)度、待辦流程、已發(fā)流程和辦結(jié)流程等事務(wù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)集成展示功能

數(shù)據(jù)集成展示功能是根據(jù)企業(yè)實(shí)際需求對(duì)采、選礦數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)計(jì)合適的圖表組件進(jìn)行可視化展示，所以需要?jiǎng)?chuàng)建新的基于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)集成展示微服務(wù)單元，并在Nacos控制臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)并添加配置文件。在前端Vue中通過(guò)適當(dāng)?shù)慕M件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成展示大屏并將采礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)和選礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行展示。在平臺(tái)的前端界面菜單管理中，通過(guò)路由地址配置添加數(shù)據(jù)展示大屏，包括選礦數(shù)據(jù)大屏和采礦數(shù)據(jù)大屏。可視化數(shù)據(jù)展示是一種很好的數(shù)據(jù)分析手段，它將更直觀地展示生產(chǎn)作業(yè)中的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，幫助生產(chǎn)者了解作業(yè)及資源利用情況，甚至通過(guò)數(shù)據(jù)信息的變化和趨勢(shì)幫助企業(yè)快速預(yù)測(cè)礦山生產(chǎn)計(jì)劃、操作、運(yùn)營(yíng)以及更優(yōu)化資源配置情況。

2.2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢功能

數(shù)據(jù)查詢功能是將礦山生產(chǎn)中采、選礦作業(yè)的礦產(chǎn)資源、礦產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)出以及產(chǎn)品的銷售訂單等數(shù)據(jù)通過(guò)關(guān)鍵字段進(jìn)行詳情查詢。針對(duì)此查詢功能創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)查詢微服務(wù)單元，主要用于提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)API，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle，同樣需要在Nacos進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)以及數(shù)據(jù)源的配置。在前端Vue中設(shè)計(jì)查詢組件的頁(yè)面樣式，并完成路由配置，最后在菜單管理中添加封裝的查詢頁(yè)面組件的路由地址，即可在導(dǎo)航欄內(nèi)添加數(shù)據(jù)查詢管理功能，通過(guò)編號(hào)以及日期等關(guān)鍵詞查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的詳情。圖4是以銷售訂單數(shù)據(jù)為例的查詢展示界面。

3 平臺(tái)應(yīng)用成果

根據(jù)某有限公司礦山生產(chǎn)的實(shí)際需求，基于此微服務(wù)架構(gòu)定制化開(kāi)發(fā)了工業(yè)數(shù)據(jù)集成展示平臺(tái)，使采礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)、選礦生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、銷售計(jì)量數(shù)據(jù)和尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、外排水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等以多樣化圖表組件的形式直觀地展示出來(lái)。用戶可以通過(guò)平臺(tái)展示的數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題并快速了解公司運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，以便及時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題以及輔助調(diào)度、分析和決策等工作的開(kāi)展，使公司運(yùn)作情況清晰可控。

圖5為某公司礦山定制化的工業(yè)數(shù)據(jù)集成展示平臺(tái)應(yīng)用情況。

4 結(jié)論

數(shù)字化、信息化是礦山企業(yè)生產(chǎn)管理發(fā)展方向。本項(xiàng)目針對(duì)礦山生產(chǎn)單體結(jié)構(gòu)應(yīng)用存在的可擴(kuò)展性、并發(fā)性、維護(hù)性等方面的問(wèn)題，從礦山采、選礦生產(chǎn)實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點(diǎn)，構(gòu)建了一套基于SpringCloud微服務(wù)框架并以工業(yè)數(shù)據(jù)集成展示為核心的生產(chǎn)管控平臺(tái)。基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化的方式對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析，能夠全面提高企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的透明性和可控性，有效地展示采、選礦作業(yè)過(guò)程中的資源分配和產(chǎn)品輸出趨勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合企業(yè)管理基礎(chǔ)功能和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢功能，為礦山企業(yè)開(kāi)展信息化建設(shè)、達(dá)到數(shù)據(jù)互通、優(yōu)化生產(chǎn)管控提供了一定的指導(dǎo)作用。