自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構研究

苗 璐，楊 誠，龍 霏，蔡文婷

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心，廣州 510600；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣州 510600）

0 引言

云平臺的服務架構能夠?qū)ο到y(tǒng)進行良好的服務，并幫助各類系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運行，提升服務質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡信息的快速變化，服務架構由傳統(tǒng)的單體式架構發(fā)展成面向服務架構，但兩者均體量大、業(yè)務模糊，開發(fā)和日常維護具有一定的難度，不能滿足云平臺外服務的多樣性和復雜性需求，微服務架構能夠很好的解決以上出現(xiàn)的問題，微服務架構把系統(tǒng)的每個服務方式進行分解，使每個服務方法互相獨立并組成同一個模塊，分別進行開發(fā)、部署和檢測，每一個微服務均可解決系統(tǒng)的一種業(yè)務功能問題，并且與傳統(tǒng)服務架構的體量、業(yè)務相比，微服務架構的體量更小，業(yè)務更明確，日常維護和開發(fā)更簡單，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)部署流程，統(tǒng)一提供服務的各種配置[1]。

目前，利用微服務對服務架構進行調(diào)整的方法很多，有的利用微服務架構的理念對服務架構進行改造，有的從服務架構構成方式、服務開發(fā)、服務數(shù)據(jù)存儲等方面對微服務架構進行修改。但利用微服務架構對自動化工程進行研究的方案沒有被提出，也沒有相關的工程研究，基于以上問題，本文基于自動化工程BIM+GIS云平臺對微服務架構進行研究，設計自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構結構，分析其相關特性，并詳細介紹微服務架構流程，通過實驗驗證微服務架構服務的效果。

1 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構結構

在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構中，每種微服務可向系統(tǒng)提供一個服務端，添加微服務節(jié)點為系統(tǒng)的架構節(jié)點，微服務節(jié)點是架構結構中所有微服務進入平臺的入口，能夠很好的發(fā)揮負載均衡和服務數(shù)據(jù)緩存功能，微服務節(jié)點可以通過水平擴容滿足平臺終端用戶提出的服務需求，為了擁有更多的流量，微服務節(jié)點可以在架構結構中部署大量的節(jié)點[2]。

除此之外，微服務節(jié)點利用系統(tǒng)中的插件，擴展終端用戶授權和身份認證監(jiān)控功能，微服務節(jié)點還可向自動化工程中提供服務管理接口，能夠采集與管理微服務架構中的原始數(shù)據(jù)信息，原始數(shù)據(jù)信息包括微服務種類、節(jié)點集群、微服務接口、用戶注冊信息等。

通過微服務節(jié)點，可以實現(xiàn)微服務的負載均衡和緩存功能，如圖1所示為微服務節(jié)點的主要功能模塊。

圖1 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構結構

根據(jù)圖1可知，自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構結構中的微服務控制接口在進行設計時，要充分利用微服務節(jié)點的授權、控制特點，發(fā)揮微服務節(jié)點的靈活性和復雜性，采用REST風格設計微服務控制接口。微服務控制接口首先需要將微服務管理資源進行系統(tǒng)分類，分成配置微服務節(jié)點狀態(tài)資源和微服務接口數(shù)據(jù)資源，具體資源數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 具體資源數(shù)據(jù)

表1中詳細介紹了微服務控制接口對應的數(shù)據(jù)集資源，將這些數(shù)據(jù)集資源通過資源路徑存儲在微服務平臺中，配置微服務接口的授權信息，針對微服務接口的服務請求，通過微服務節(jié)點進行傳遞，微服務節(jié)點接收請求并及時響應，利用云平臺的字符串管理微服務接口的格式，由于微服務接口的信息結構體不同，所以在定義其響應代碼時，需要用進程內(nèi)的內(nèi)存堆棧進行捕獲，以實現(xiàn)微服務接口的響應，微服務接口如圖2所示。

圖2 微服務架構接口

自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構結構中，除了微服務節(jié)點和微服務控制接口外，還包括電力云服務平臺和GIS云平臺，本文設計的自動化工程BIM+GIS云平臺微服務架構工作原理如圖3所示。

圖3 電力云服務平臺工作原理

根據(jù)圖3可知，設計人員對微服務架構的平臺應用設計完畢后，通過微服務接口的負載均衡和控制功能驗證平臺應用，并對電力云服務平臺進行注冊、登錄。電力云服務平臺的核心是微服務注冊中心，微服務注冊中心可以對微服務架構的內(nèi)部進行綜合評估，根據(jù)評估結果向各大系統(tǒng)提供訪問、查詢、緩存等服務，電力云服務平臺通過微服務節(jié)點中的數(shù)據(jù)集資源，控制微服務架構中原始服務記錄向外輸出，由監(jiān)控服務中心對注冊服務中心進行動態(tài)監(jiān)管，注冊服務中心將用戶發(fā)送的負載請求通過分發(fā)路徑向服務網(wǎng)關進行傳遞，服務網(wǎng)關是電力云平臺傳輸微服務數(shù)據(jù)的出口，能夠保證微服務架構內(nèi)部服務信息的安全性和可靠性，為電力云平臺提供數(shù)據(jù)緩存和安全防護等服務[3,4]。微服務架構示意圖如下圖4所示。

圖4 微服務架構示意圖

GIS云平臺主要包括GIS微服務應用平臺、GIS微服務數(shù)據(jù)庫、GIS微服務組件庫。GIS微服務應用平臺可以管理微服務資源數(shù)據(jù)，輔助用戶快速開發(fā)多維服務，GIS微服務數(shù)據(jù)庫包含各類空間位置數(shù)據(jù)和微服務拓撲數(shù)據(jù)，可以控制多源異構微服務數(shù)據(jù)，GIS微服務組件庫可以瀏覽微服務組件目錄，獲取微服務類型，對微服務控制接口進行添加、修改管理。

2 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務構建流程

BIM是一種工程信息模型，通過模擬數(shù)字信息集成各種相關數(shù)據(jù)，將BIM技術應用于自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構中，可以實現(xiàn)微服務架構的智能化維護，BIM技術可將微服務架構的設計效果通過服務網(wǎng)關進行檢驗，使微服務架構具有復雜性和靈活性，方便終端用戶發(fā)送服務請求，BIM技術還可以管理微服務的數(shù)據(jù)集資源分配。GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計算機的工具，在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構中使用GIS技術，能夠?qū)ξ⒎占軜嬛械目臻g和平面進行表達，還可以查詢微服務架構中的空間向量大小，分析和統(tǒng)計微服務種類和服務標準，除此之外，GIS技術能夠管理微服務數(shù)據(jù)庫，方便微服務數(shù)據(jù)的采集和存儲，GIS技術還可提供全面的微服務分析功能，智能化的GIS技術具有較高的專業(yè)性和集成性，利用該技術可以對微服務的服務項目進行管理，評價服務的效果。

鑒于云平臺中微服務信息的復雜性，在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務構建時需要考慮數(shù)字信息的復雜程度，把微服務架構中相鄰區(qū)域的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)酵豢臻g內(nèi)，發(fā)送數(shù)據(jù)集請求至平臺服務器中。按照松散劃分準則對分配至微服務架構中的請求進行服務劃分，如果同一服務空間的數(shù)據(jù)請求量巨大，則需要把這些大量的數(shù)據(jù)請求分配到微服務節(jié)點上，否則會出現(xiàn)節(jié)點過載的情況，負載均衡的功能不能有效完成。所以，自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務構建算法應采用負載均衡算法，微服務的服務端推送功能能夠查詢微服務數(shù)據(jù)調(diào)用次數(shù)，不同微服務區(qū)域具有不同的空間熱度，微服務數(shù)據(jù)集群中的實例容量大則表示用戶緩存的服務數(shù)據(jù)較多，自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務構建流程如圖5所示。

圖5 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務構建流程

1）定義自動化工程微服務數(shù)據(jù)的空間區(qū)間為a，負載均衡的微服務節(jié)點個數(shù)為m，在微服務數(shù)據(jù)資源庫中選擇某一服務時刻的用戶訪問數(shù)據(jù)，通過用戶發(fā)送數(shù)據(jù)請求的時間和次數(shù)構建空間資源數(shù)據(jù)集E[0，b]。

2）定義微服務架構的標準熱度ya=[b/m/2]，也就是用戶訪問微服務架構的總次數(shù)除以2倍的負載均衡微服務節(jié)點個數(shù)。

3）對自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務數(shù)據(jù)空間區(qū)間a內(nèi)的數(shù)據(jù)集進行劃分，劃分的結果可得到2個字節(jié)的空間區(qū)間，通過微服務數(shù)據(jù)記錄判斷字節(jié)所屬的接口范圍，從而按照計算公式計算2個字節(jié)的空間熱度。假設2個字節(jié)的空間熱度為y0，y1，存在等式y(tǒng)0+y1=b。

4）如果yi＞ya，即微服務節(jié)點的空間熱度低于標準熱度，需要對微服務子節(jié)點進行劃分，計算2個節(jié)點的空間熱度值。

5）執(zhí)行步驟2），當微服務節(jié)點的熱度高于標準熱度，yi＜ya，對節(jié)點可以不進行劃分，那么得到的微服務節(jié)點熱度將高于標準熱度。

6）通過采用負載均衡算法，得到子節(jié)點的空間熱度序列，按照先序遍歷算法對微服務節(jié)點進行編號，由步驟1）所得的負載均衡值構建自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務。

3 實驗研究

為了驗證本文提出的自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構的穩(wěn)定性和可行性，本文采用了負載均衡算法和先序遍歷算法，將傳統(tǒng)的微服務架構與采用負載均衡算法重構后的微服務架構進行對比，證明了本文提出的自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構具有更高的穩(wěn)定性和可行性。

微服務架構中的不同服務數(shù)據(jù)使用的服務器種類不同，服務數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲通過微服務節(jié)點的緩存功能來完成，這樣可以提高服務的靈活性和穩(wěn)定性，能夠充分滿足不同用戶發(fā)送的服務請求，而傳統(tǒng)微服務架構創(chuàng)造的實驗環(huán)境中，微服務架構中的不同服務數(shù)據(jù)對應同一個服務器，且微服務架構中沒有設置服務數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，導致微服務架構中的大量服務數(shù)據(jù)丟失，降低了服務數(shù)據(jù)的完整性，服務數(shù)據(jù)的準確度不能得到保障。需求響應實驗結果如圖6所示。

圖6 需求時間響應實驗結果

微服務架構工作過程損耗實驗結果如圖7所示。

圖7 微服務架構工作過程損耗實驗結果

由實驗結果可知，微服務架構中含有多種不同的服務項目，傳統(tǒng)的微服務架構通常包含直接訪問服務和代理服務，不同的服務種類對應不同的服務地址，使服務的授權和監(jiān)控功能無法得到擴展，微服務節(jié)點接口是整個微服務架構的唯一入口，無法高效支撐服務終端所有微服務的緩存、授權、監(jiān)控、負載均衡等基本功能。除此之外，傳統(tǒng)的微服務架構內(nèi)，沒有設計微服務的登錄、注冊等控制接口，不能應對復雜性較高的微服務，微服務組織不能有效形成。

而本文提出的自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務架構，通過負載均衡服務簡化了服務的流程，并能夠?qū)ξ⒎占軜嬛械膯我还δ苓M行獨立的開發(fā)，實現(xiàn)微服務架構的分布管理和單獨部署，微服務架構中的數(shù)據(jù)檢索服務、數(shù)據(jù)存儲服務、數(shù)據(jù)采集服務等服務的復雜性、多樣性、可靠性以及連續(xù)性較高，客戶端的服務請求量與每種微服務的細粒度高度匹配，面對客戶多次發(fā)送的服務請求，能夠有效降低客戶端代碼的復雜程度，使編碼更加簡單，很大程度上能夠提高微服務架構的應用效果，采用的消息協(xié)議可以較為容易的通過適配器的約束，在微服務架構內(nèi)可以高效利用瀏覽器。直接訪問不使用服務器，可以直接測出微服務架構的服務效果，在同樣條件下，增加了微服務接口的數(shù)量，使微服務架構在訪問時不產(chǎn)生性能損耗。

4 結語

本文提出的微服務架構通過采用BIM和GIS技術后被拆分成多種微服務，使客戶端和微服務互相獨立，提高了微服務的靈活度，重構微服務架構更加簡單，有效提高了微服務架構的伸縮性和可靠性，可根據(jù)用戶的不同需求對微服務架構進行獨立設計開發(fā)，對于海量的服務數(shù)據(jù)和復雜度高的服務信息內(nèi)容通過負載均衡功能，可實現(xiàn)高效存儲、分級處理以及分布管理，對微服務架構的日常維護也更加方便，每種微服務都設計了相應的存儲功能，所以服務設計更加合理，也會提供更高的服務性能。