石化行業(yè)VOCs綜合治理管理平臺的設計與實現(xiàn)

任 聰 王丹陽

（蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730060）

1 引言

目前，我國石化行業(yè)VOCs泄漏檢測治理主要存在檢測及監(jiān)管流程不完整、檢測數(shù)據(jù)準確性相對偏低、軟件管理平臺功能不完善等問題，導致企業(yè)裝置存在安全隱患、物料損失成本增加、設備生產(chǎn)效率低下、危害人員身體健康等問題。針對以上問題，我們設計開發(fā)了石化行業(yè)VOCs綜合治理管理平臺。

本平臺的研發(fā)采用的是目前主流的Spring Boot框架。在數(shù)據(jù)獲取方面，采用美國賽默飛公司研發(fā)的TVA有毒揮發(fā)性氣體分析儀（VOC氣體檢測儀）對現(xiàn)場VOCs氣體的泄漏情況進行檢測；在數(shù)據(jù)安全性和計算能力方面，通過混合云的技術手段，將后端的業(yè)務部署在私有云，前端的頁面部署在公有云，通過VPN網(wǎng)關來實現(xiàn)公有云和私有云之間的互聯(lián)互通。

2 關鍵技術概述

2.1 混合云技術

目前，云計算的部署模型有私有云、公有云、混合云、社區(qū)云等模型[1]?；旌显剖怯蓛蓚€或兩個以上不同類型的云組成，本研究中采用的是私有云和公有云構成的混合云，同時也是目前最流行的一種混合模式。它既可以利用私有云的安全性，同時也可以使用公有云的計算資源和公有云的可擴展性[2]；不僅可以將內(nèi)部的重要數(shù)據(jù)保存在本地的數(shù)據(jù)中心，還可以更高效快捷地完成工作，相比于單純用私有云或者公有云來講都更加完善。在本研究中，我們將前端的應用服務部署在公有云，對外部用戶提供訪問入口，后端的業(yè)務實現(xiàn)部署在私有云中，對內(nèi)部提供專有的計算服務。

2.2 Spring Boot框架

Spring Boot是Pivotal團隊在Spring的基礎上提供的一套全新的開源框架，其目的是為了簡化Spring應用的搭建和開發(fā)過程。Spring Boot不僅繼承了Spring框架原有的優(yōu)秀特性，而且還通過簡化配置來進一步簡化了Spring應用的整個搭建和開發(fā)過程；它遵循“約定優(yōu)先于配置”的原則，使用Spring Boot時只需很少的配置，大部分的時候直接使用默認的配置即可。在本研究中，使用Spring Boot框架使我們部署業(yè)務、集成安全框架等操作更加方便。

3 系統(tǒng)平臺設計

3.1 平臺設計思路

根據(jù)上述混合云的部署要求，本系統(tǒng)的云平臺由公有云和私有云2個部分組成。其中私有云部分部署核心業(yè)務實現(xiàn)和私有資源，以保證數(shù)據(jù)具有較高的安全性；公有云部分部署前端公共業(yè)務，并為用戶提供公有地址去訪問服務器，以此去獲取相應的公共服務。基于數(shù)據(jù)安全可靠原則及混合云的靈活性的特點，構建公有云和私有云之間的安全機制，以此實現(xiàn)公有云和私有云之間的通信和數(shù)據(jù)傳遞。

本平臺的總體邏輯如圖1所示，首先將前端與后端的系統(tǒng)分別部署在公有云和私有云的Tomcat容器中進行項目啟動，當用戶通過頁面發(fā)送訪問請求至公有云部分中的前端控制器后，前端控制器首先對用戶請求進行認證、授權與記錄，然后通過專有通道將用戶請求發(fā)送至私有云部分的頁面控制器。私有云部分中的頁面控制器調(diào)用相應的業(yè)務功能模塊，功能模塊中所需的數(shù)據(jù)首次從MySQL數(shù)據(jù)庫中調(diào)用其次優(yōu)先從Redis緩存服務器調(diào)用，功能模塊所獲取的數(shù)據(jù)在模型中進行計算處理后，將數(shù)據(jù)計算結果返回至頁面控制器，且經(jīng)專有通道將結果傳送至前端，前端經(jīng)過解碼之后再將頁面呈現(xiàn)給用戶[3]。

圖1 平臺總體設計邏輯

3.2 平臺架構設計

本平臺系統(tǒng)分為5個層面：支撐層、感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務層、表現(xiàn)層，具體情況如圖2所示。

圖2 平臺總體架構

（1）支撐層。支撐層是由平臺的基礎所構成的部分，可分為硬件支撐和軟件支撐兩個部分，硬件支撐部分由實體服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備以及其他設備所組成；軟件支撐部分是由阿里云虛擬服務器、Java編程語言、Spring Boot開發(fā)框架、MySQL數(shù)據(jù)庫等軟件組成。

（2）感知層。感知層是平臺識別VOCs氣體和采集氣體泄漏信息的部分。本平臺通過TVA有毒揮發(fā)性氣體分析儀（VOC氣體檢測儀）和Eye-C-Gas紅外氣體成像儀對現(xiàn)場VOCs氣體進行識別和采集氣體泄漏情況，實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的感知獲取[4-5]。

（3）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是基于MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)文件、部分數(shù)據(jù)查詢、插入等操作語句及數(shù)據(jù)表單等構成，其中數(shù)據(jù)表單包括用戶信息數(shù)據(jù)表、權限信息數(shù)據(jù)表、裝置信息數(shù)據(jù)表、檢測點信息數(shù)據(jù)表、設備信息數(shù)據(jù)表、泄漏點信息等。

（4）業(yè)務層。業(yè)務層是本平臺所有業(yè)務功能集合，包括用戶管理、數(shù)據(jù)分析、檢測管理、分級管理、報告管理等模塊。

（5）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層就是用戶與平臺之間的交互式操作界面，實現(xiàn)對用戶的請求接受，以及平臺功能的信息的反饋與操作頁面呈現(xiàn)，為用戶提供應用程序的訪問。

3.3 前端頁面設計

本研究基于用戶體驗為中心設計原則，確保界面直觀、簡潔，操作方便快捷，使用戶接觸到軟件之后對界面所對應的功能一目了然、不需太多培訓就可以方便使用本系統(tǒng)。

頁面采用了目前流行的前端開發(fā)框架Boostrap。Boostrap框架在本研究中用于部署動態(tài)頁面，通過框架制作動態(tài)表格、創(chuàng)建表格字段屬性、下拉菜單、導航條、對話框等元素，方便快捷，且易于自定義設置。ECharts是一款基于Java Script的數(shù)據(jù)可視化圖表庫，提供直觀、生動、可交互、可個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表。它方便各種折線圖、柱狀圖、散點圖、餅圖等的繪制（如可將密封點、檢測點、泄漏點等數(shù)據(jù)以柱狀圖、折線圖、餅圖等方式直觀展現(xiàn)給客戶）。另外，頁面布局利用DIV標簽來標記頁面不同區(qū)塊，并利用CSS樣式對頁面進行渲染優(yōu)化；通過Ajax技術實現(xiàn)頁面的局部刷新，且跟蹤設備檢測信息的變化情況，實時展示相應系統(tǒng)功能內(nèi)容和信息。

3.4 后端功能設計

依據(jù)系統(tǒng)的安全性和功能業(yè)務的需求，利用Apache Shiro安全框架，使得平臺登錄認證功能能夠安全、有效地實現(xiàn)對平臺用戶進行分級權限管理，設置不同的角色且為各角色分配相應的操作權限，保證用戶信息安全和系統(tǒng)運行安全。平臺的基本業(yè)務功能主要有基礎信息管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、LDAR檢測管理和預警提示功能等（如圖3所示）。

圖3 平臺功能模塊

4 平臺實現(xiàn)

4.1 關鍵技術的實現(xiàn)

（1）創(chuàng)建Spring Boot工程

本研究中采用的搭建環(huán)境為JDK 1.8、Maven 3.6.3以及Spring Boot 2.2.3。首先搭建JDK環(huán)境，通過官方提供的程序安裝包進行下載安裝，之后我們在PC端進行相應環(huán)境變量的設置。其次準備Maven工具，從Maven官網(wǎng)下載安裝包進行安裝，之后設置Maven的環(huán)境變量。準備好環(huán)境后，首先對Maven的settings.xml文件添加我們所需功能的相應配置，之后我們在開發(fā)工具中也進行相應的配置工作；其次創(chuàng)建Maven工程，最后導入Spring Boot的相關依賴與配置即可[6-7]。

（2）聯(lián)通混合云

本研究中通過阿里云平臺進行混合云的聯(lián)通，我們將本地云與具有私有權限控制的阿里云空間整合，構成混合云的私有云部分，之后通過阿里云所提供的VPN網(wǎng)關服務，通過互聯(lián)網(wǎng)將公有云和私有云之間的網(wǎng)絡連接起來，由此實現(xiàn)混合云環(huán)境。隨后，我們將可以對外訪問的應用服務部署在公有云部分，將數(shù)據(jù)處理、計算、儲存等后臺服務部署在私有云部分，使二者之間形成安全、高效的服務或信息傳遞機制和增益互助機制，確保私有云環(huán)境既具有公有云可擴展、節(jié)約成本的特點，同時具有私有云部分的數(shù)據(jù)安全、SLA等優(yōu)點。

4.2 主要功能實現(xiàn)

（1）權限管理

在本平臺中，用戶權限分為3個等級：超級管理員、普通管理員和普通用戶。不同等級的用戶擁有不同的管理權限：超級管理員具有管理注冊用戶及維護系統(tǒng)的全部功能和數(shù)據(jù)權限，可管理和查看所有用戶的相關信息；普通管理員具有部分管理和維護系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)權限，可管理和查看比其等級低的用戶的相關信息；一般用戶則只具有管理和查看自身相關信息的權限，僅能訪問系統(tǒng)公共功能以及角色數(shù)據(jù)權限內(nèi)的相關操作。本平臺采用Apache Shiro安全框架實現(xiàn)認證和授權管理，當用戶輸入賬號和密碼時，先經(jīng)過身份認證，經(jīng)過認證后可讀取出其所具有的角色信息，其次依據(jù)角色信息，在自定義的Realm中選擇所對應的權限信息，之后根據(jù)用戶所具有的權限信息，為用戶提供相應的業(yè)務功能進行操作。

自定義Realm部分代碼如圖4。

圖4 Realm代碼

（2）信息管理

本平臺的信息管理模塊是基于用戶權限進行管理的，通過不同的用戶權限去管理不同用戶的相關功能及操作，實現(xiàn)用戶在自己所具有的權限內(nèi)的操作，為用戶提供更加智能化的LDAR管理方式，擺脫傳統(tǒng)較為復雜的信息管理方式，方便用戶管理。

（3）檢測管理

該模塊支持設備圖片建檔，檢測任務分配、下載，并根據(jù)檢測點位信息，能夠自動生成最優(yōu)檢測路徑，上傳檢測數(shù)據(jù)。按部門、密封點類型、地理位置等統(tǒng)計泄漏分布情況，以部門為單位統(tǒng)計泄漏點、修復點匯總情況，均以圖表、柱狀圖、表格等形式反映，時間節(jié)點可任意選擇（圖5）。

圖5 泄漏檢測模塊頁面

（4）泄漏管理

若發(fā)生泄漏，本系統(tǒng)會按照泄漏排放的標準要求自動下發(fā)維修與復檢任務，實時監(jiān)測維修與復檢過程，維修及復檢完成后，將復檢結果自動上傳到工作后臺。工作流程如下：首先制定維修復檢計劃，包括復檢通知、復檢工單及復檢記錄；其次下發(fā)維修復檢通知，告知被檢測單位修復復檢；隨后生成復檢工單，包括部門、工單號、復檢人、開始和結束時間等；最后記錄復檢后的結果（圖6）。

圖6 泄漏管理模塊頁面

5 結語

本平臺基于Spring Boot框架和混合云技術開發(fā)了石化行業(yè)VOCs綜合治理管理平臺，通過在Spring Boot框架上整合目前流行的前端設計、業(yè)務開發(fā)等框架，實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)進行匯總、分析，生成相應報表，對異常情況進行報警提示等功能。在功能部署方面，公有云對外開放，提供相應的公共服務，私有云進行數(shù)據(jù)存儲和計算，具有良好的數(shù)據(jù)安全性，兩者結合，提升數(shù)據(jù)計算性能和業(yè)務的可擴展性。經(jīng)過測試和實地應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，為石化企業(yè)提高了VOCs泄漏檢測技術管理治理水平。