自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)研究

苗 璐，楊 誠，龍 霏，蔡文婷

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)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(wù)架構(gòu)能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行良好的服務(wù)，并幫助各類系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行，提升服務(wù)質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)信息的快速變化，服務(wù)架構(gòu)由傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)發(fā)展成面向服務(wù)架構(gòu)，但兩者均體量大、業(yè)務(wù)模糊，開發(fā)和日常維護(hù)具有一定的難度，不能滿足云平臺外服務(wù)的多樣性和復(fù)雜性需求，微服務(wù)架構(gòu)能夠很好的解決以上出現(xiàn)的問題，微服務(wù)架構(gòu)把系統(tǒng)的每個服務(wù)方式進(jìn)行分解，使每個服務(wù)方法互相獨立并組成同一個模塊，分別進(jìn)行開發(fā)、部署和檢測，每一個微服務(wù)均可解決系統(tǒng)的一種業(yè)務(wù)功能問題，并且與傳統(tǒng)服務(wù)架構(gòu)的體量、業(yè)務(wù)相比，微服務(wù)架構(gòu)的體量更小，業(yè)務(wù)更明確，日常維護(hù)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(wù)的各種配置[1]。

目前，利用微服務(wù)對服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的方法很多，有的利用微服務(wù)架構(gòu)的理念對服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行改造，有的從服務(wù)架構(gòu)構(gòu)成方式、服務(wù)開發(fā)、服務(wù)數(shù)據(jù)存儲等方面對微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行修改。但利用微服務(wù)架構(gòu)對自動化工程進(jìn)行研究的方案沒有被提出，也沒有相關(guān)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(wù)架構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)，分析其相關(guān)特性，并詳細(xì)介紹微服務(wù)架構(gòu)流程，通過實驗驗證微服務(wù)架構(gòu)服務(wù)的效果。

1 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)

在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)中，每種微服務(wù)可向系統(tǒng)提供一個服務(wù)端，添加微服務(wù)節(jié)點為系統(tǒng)的架構(gòu)節(jié)點，微服務(wù)節(jié)點是架構(gòu)結(jié)構(gòu)中所有微服務(wù)進(jìn)入平臺的入口，能夠很好的發(fā)揮負(fù)載均衡和服務(wù)數(shù)據(jù)緩存功能，微服務(wù)節(jié)點可以通過水平擴(kuò)容滿足平臺終端用戶提出的服務(wù)需求，為了擁有更多的流量，微服務(wù)節(jié)點可以在架構(gòu)結(jié)構(gòu)中部署大量的節(jié)點[2]。

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

通過微服務(wù)節(jié)點，可以實現(xiàn)微服務(wù)的負(fù)載均衡和緩存功能，如圖1所示為微服務(wù)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(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)中的微服務(wù)控制接口在進(jìn)行設(shè)計時，要充分利用微服務(wù)節(jié)點的授權(quán)、控制特點，發(fā)揮微服務(wù)節(jié)點的靈活性和復(fù)雜性，采用REST風(fēng)格設(shè)計微服務(wù)控制接口。微服務(wù)控制接口首先需要將微服務(wù)管理資源進(jìn)行系統(tǒng)分類，分成配置微服務(wù)節(jié)點狀態(tài)資源和微服務(wù)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(xì)介紹了微服務(wù)控制接口對應(yīng)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(wù)平臺中，配置微服務(wù)接口的授權(quán)信息，針對微服務(wù)接口的服務(wù)請求，通過微服務(wù)節(jié)點進(jìn)行傳遞，微服務(wù)節(jié)點接收請求并及時響應(yīng)，利用云平臺的字符串管理微服務(wù)接口的格式，由于微服務(wù)接口的信息結(jié)構(gòu)體不同，所以在定義其響應(yīng)代碼時，需要用進(jìn)程內(nèi)的內(nèi)存堆棧進(jìn)行捕獲，以實現(xiàn)微服務(wù)接口的響應(yīng)，微服務(wù)接口如圖2所示。

圖2 微服務(wù)架構(gòu)接口

自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)中，除了微服務(wù)節(jié)點和微服務(wù)控制接口外，還包括電力云服務(wù)平臺和GIS云平臺，本文設(shè)計的自動化工程BIM+GIS云平臺微服務(wù)架構(gòu)工作原理如圖3所示。

圖3 電力云服務(wù)平臺工作原理

根據(jù)圖3可知，設(shè)計人員對微服務(wù)架構(gòu)的平臺應(yīng)用設(shè)計完畢后，通過微服務(wù)接口的負(fù)載均衡和控制功能驗證平臺應(yīng)用，并對電力云服務(wù)平臺進(jìn)行注冊、登錄。電力云服務(wù)平臺的核心是微服務(wù)注冊中心，微服務(wù)注冊中心可以對微服務(wù)架構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行綜合評估，根據(jù)評估結(jié)果向各大系統(tǒng)提供訪問、查詢、緩存等服務(wù)，電力云服務(wù)平臺通過微服務(wù)節(jié)點中的數(shù)據(jù)集資源，控制微服務(wù)架構(gòu)中原始服務(wù)記錄向外輸出，由監(jiān)控服務(wù)中心對注冊服務(wù)中心進(jìn)行動態(tài)監(jiān)管，注冊服務(wù)中心將用戶發(fā)送的負(fù)載請求通過分發(fā)路徑向服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳遞，服務(wù)網(wǎng)關(guān)是電力云平臺傳輸微服務(wù)數(shù)據(jù)的出口，能夠保證微服務(wù)架構(gòu)內(nèi)部服務(wù)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(hù)等服務(wù)[3,4]。微服務(wù)架構(gòu)示意圖如下圖4所示。

圖4 微服務(wù)架構(gòu)示意圖

GIS云平臺主要包括GIS微服務(wù)應(yīng)用平臺、GIS微服務(wù)數(shù)據(jù)庫、GIS微服務(wù)組件庫。GIS微服務(wù)應(yīng)用平臺可以管理微服務(wù)資源數(shù)據(jù)，輔助用戶快速開發(fā)多維服務(wù)，GIS微服務(wù)數(shù)據(jù)庫包含各類空間位置數(shù)據(jù)和微服務(wù)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，可以控制多源異構(gòu)微服務(wù)數(shù)據(jù)，GIS微服務(wù)組件庫可以瀏覽微服務(wù)組件目錄，獲取微服務(wù)類型，對微服務(wù)控制接口進(jìn)行添加、修改管理。

2 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)構(gòu)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(guān)數(shù)據(jù)，將BIM技術(shù)應(yīng)用于自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)中，可以實現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)的智能化維護(hù)，BIM技術(shù)可將微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計效果通過服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行檢驗，使微服務(wù)架構(gòu)具有復(fù)雜性和靈活性，方便終端用戶發(fā)送服務(wù)請求，BIM技術(shù)還可以管理微服務(wù)的數(shù)據(jù)集資源分配。GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計算機(jī)的工具，在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)架構(gòu)中使用GIS技術(shù)，能夠?qū)ξ⒎?wù)架構(gòu)中的空間和平面進(jìn)行表達(dá)，還可以查詢微服務(wù)架構(gòu)中的空間向量大小，分析和統(tǒng)計微服務(wù)種類和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，除此之外，GIS技術(shù)能夠管理微服務(wù)數(shù)據(jù)庫，方便微服務(wù)數(shù)據(jù)的采集和存儲，GIS技術(shù)還可提供全面的微服務(wù)分析功能，智能化的GIS技術(shù)具有較高的專業(yè)性和集成性，利用該技術(shù)可以對微服務(wù)的服務(wù)項目進(jìn)行管理，評價服務(wù)的效果。

鑒于云平臺中微服務(wù)信息的復(fù)雜性，在自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)構(gòu)建時需要考慮數(shù)字信息的復(fù)雜程度，把微服務(wù)架構(gòu)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(wù)器中。按照松散劃分準(zhǔn)則對分配至微服務(wù)架構(gòu)中的請求進(jìn)行服務(wù)劃分，如果同一服務(wù)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(wù)節(jié)點上，否則會出現(xiàn)節(jié)點過載的情況，負(fù)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(wù)構(gòu)建算法應(yīng)采用負(fù)載均衡算法，微服務(wù)的服務(wù)端推送功能能夠查詢微服務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)用次數(shù)，不同微服務(wù)區(qū)域具有不同的空間熱度，微服務(wù)數(shù)據(jù)集群中的實例容量大則表示用戶緩存的服務(wù)數(shù)據(jù)較多，自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)構(gòu)建流程如圖5所示。

圖5 自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)構(gòu)建流程

1）定義自動化工程微服務(wù)數(shù)據(jù)的空間區(qū)間為a，負(fù)載均衡的微服務(wù)節(jié)點個數(shù)為m，在微服務(wù)數(shù)據(jù)資源庫中選擇某一服務(wù)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(gòu)建空間資源數(shù)據(jù)集E[0，b]。

2）定義微服務(wù)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)熱度ya=[b/m/2]，也就是用戶訪問微服務(wù)架構(gòu)的總次數(shù)除以2倍的負(fù)載均衡微服務(wù)節(jié)點個數(shù)。

3）對自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)數(shù)據(jù)空間區(qū)間a內(nèi)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分，劃分的結(jié)果可得到2個字節(jié)的空間區(qū)間，通過微服務(wù)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(shè)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(wù)節(jié)點的空間熱度低于標(biāo)準(zhǔn)熱度，需要對微服務(wù)子節(jié)點進(jìn)行劃分，計算2個節(jié)點的空間熱度值。

5）執(zhí)行步驟2），當(dāng)微服務(wù)節(jié)點的熱度高于標(biāo)準(zhǔn)熱度，yi＜ya，對節(jié)點可以不進(jìn)行劃分，那么得到的微服務(wù)節(jié)點熱度將高于標(biāo)準(zhǔn)熱度。

6）通過采用負(fù)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(wù)節(jié)點進(jìn)行編號，由步驟1）所得的負(fù)載均衡值構(gòu)建自動化工程BIM+GIS云平臺的微服務(wù)。

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(wù)架構(gòu)的穩(wěn)定性和可行性，本文采用了負(fù)載均衡算法和先序遍歷算法，將傳統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)與采用負(fù)載均衡算法重構(gòu)后的微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)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(wù)架構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性和可行性。

微服務(wù)架構(gòu)中的不同服務(wù)數(shù)據(jù)使用的服務(wù)器種類不同，服務(wù)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲通過微服務(wù)節(jié)點的緩存功能來完成，這樣可以提高服務(wù)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(wù)請求，而傳統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)創(chuàng)造的實驗環(huán)境中，微服務(wù)架構(gòu)中的不同服務(wù)數(shù)據(jù)對應(yīng)同一個服務(wù)器，且微服務(wù)架構(gòu)中沒有設(shè)置服務(wù)數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，導(dǎo)致微服務(wù)架構(gòu)中的大量服務(wù)數(shù)據(jù)丟失，降低了服務(wù)數(shù)據(jù)的完整性，服務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度不能得到保障。需求響應(yīng)實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 需求時間響應(yīng)實驗結(jié)果

微服務(wù)架構(gòu)工作過程損耗實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 微服務(wù)架構(gòu)工作過程損耗實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，微服務(wù)架構(gòu)中含有多種不同的服務(wù)項目，傳統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)通常包含直接訪問服務(wù)和代理服務(wù)，不同的服務(wù)種類對應(yīng)不同的服務(wù)地址，使服務(wù)的授權(quán)和監(jiān)控功能無法得到擴(kuò)展，微服務(wù)節(jié)點接口是整個微服務(wù)架構(gòu)的唯一入口，無法高效支撐服務(wù)終端所有微服務(wù)的緩存、授權(quán)、監(jiān)控、負(fù)載均衡等基本功能。除此之外，傳統(tǒng)的微服務(wù)架構(gòu)內(nèi)，沒有設(shè)計微服務(wù)的登錄、注冊等控制接口，不能應(yīng)對復(fù)雜性較高的微服務(wù)，微服務(wù)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(wù)架構(gòu)，通過負(fù)載均衡服務(wù)簡化了服務(wù)的流程，并能夠?qū)ξ⒎?wù)架構(gòu)中的單一功能進(jìn)行獨立的開發(fā)，實現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)的分布管理和單獨部署，微服務(wù)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)等服務(wù)的復(fù)雜性、多樣性、可靠性以及連續(xù)性較高，客戶端的服務(wù)請求量與每種微服務(wù)的細(xì)粒度高度匹配，面對客戶多次發(fā)送的服務(wù)請求，能夠有效降低客戶端代碼的復(fù)雜程度，使編碼更加簡單，很大程度上能夠提高微服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)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(wù)架構(gòu)內(nèi)可以高效利用瀏覽器。直接訪問不使用服務(wù)器，可以直接測出微服務(wù)架構(gòu)的服務(wù)效果，在同樣條件下，增加了微服務(wù)接口的數(shù)量，使微服務(wù)架構(gòu)在訪問時不產(chǎn)生性能損耗。

4 結(jié)語

本文提出的微服務(wù)架構(gòu)通過采用BIM和GIS技術(shù)后被拆分成多種微服務(wù)，使客戶端和微服務(wù)互相獨立，提高了微服務(wù)的靈活度，重構(gòu)微服務(wù)架構(gòu)更加簡單，有效提高了微服務(wù)架構(gòu)的伸縮性和可靠性，可根據(jù)用戶的不同需求對微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行獨立設(shè)計開發(fā)，對于海量的服務(wù)數(shù)據(jù)和復(fù)雜度高的服務(wù)信息內(nèi)容通過負(fù)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(wù)架構(gòu)的日常維護(hù)也更加方便，每種微服務(wù)都設(shè)計了相應(yīng)的存儲功能，所以服務(wù)設(shè)計更加合理，也會提供更高的服務(wù)性能。