基于微服務架構的煤礦井下人員定位系統的設計

仇鳳娟 李夏

摘要：煤礦井下人員定位系統是保證煤礦生產人員安全的必要軟件，為了解決當前的人員定位系統軟件不能很好的滿足大數據精確定位的需求。本文中介紹的新版人員定位軟件，拋棄了原有封閉式軟件結構，采用微服務架構升級人員定位系統。微服務架構是把整個的大型軟件拆分為幾個甚至幾十個微服務，微服務之間通過中心軟件進行調度和通信。這種微服務架構的軟件，可以大幅提升數據的存取性能，能夠較好的滿足TB級數據的存儲需求。微服務架構消除了原有架構中數據庫集成造成的緊耦合，提高了軟件系統靈活性，降低了系統維護和升級的難度?？傮w來說，采用微服務架構設計的煤礦井下人員定位軟件，大幅提升了數據的存儲和讀取性能，實現了軟件功能間的松耦合，保證了人員定位軟件的精確定位數據的需求。

關鍵詞：微服務架構;人員定位軟件;解耦合;提升存取性能;TB級數據

中圖分類號：TP732 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0170-03

煤礦事故給國家財產造成了巨大損失，更是危及了公民的生命安全，并造成嚴重社會影響。為此，必須建立一個煤礦井下人員定位系統，能實時提供人員位置情況，明確的掌握井下人員分布情況，可以對下井人員進行有效監督，從源頭上杜絕安全隱患。尤其在有危險發生時，可以第一時間提供人員的位置，保證救援的及時性。因此，使用煤礦人員定位系統能有效的保證煤礦生產人員的生命安全，是大家公認的事實。我國現有的人員定位系統分為三類。第一類是基于射頻識技術的產品，包括射頻識別卡和讀卡器兩部分。第二類是基于WiFi技術的產品，這類產品是在井下建立以太網和網絡基站，建立起覆蓋全井下的網絡。第三類是基于計算機技術，與GIS系統相結合的人員定位系統，具有多功能、可視化和圖形化的特點，是現在采用較多的人員定位系統。

隨著時代的發展，計算機技術的不斷進步，傳統的人員定位系統已經不能滿足現在的大數據需求。大量的數據造成讀取速度緩慢，影響數據的分析結果，并且在講究個性化的時代，客戶的需求各種各樣，因此造成軟件的頻繁修改和維護。為此，設計一套新的人員定位軟件架構，有夠效的滿足大數據的需求，以及不斷變化的修改和更新需求是十分有必要的。

1 現有煤礦人員定位系統的情況

圖1所示為傳統的人員定位軟件結構，可以清楚的發現所有應用服務都要訪問中心數據庫，所有服務都是以數據庫為中心進行的。

隨著信息技術的不斷發展，原有的人員定位系統已經不能滿足現有客戶的需求，主要表現在以下幾個方面。

1.1 數據庫結構滿足不了現有需求

現有的數據庫結構是基于十年前的設計基礎，當時來說，數據量小，數據更新不頻繁，可以很好的滿足當時的需要。但對于如今的大數據時代來說，尤其精確人員定位系統每年要產生TB級的數據，原有數據庫架構的性能已經不能滿足高效存儲和快速查詢的業務需求。

1.2 系統架構造成維護困難

原有的人員定位系統采用了基礎數據庫的模式進行集成，這種方式雖然看起來的直觀，結構簡單，但隨著服務的增多，會讓工程中代碼的耦合度無可避免的越來越嚴重，造成其內部功能的代碼數量變得龐大而導致邏輯變得十分復雜，增加了后續維護的難度。

1.3 造成系統修改增加功能困難

原有的系統架構是密閉的，每次修改或增加刪除功能都十分的繁瑣，不僅需要更多的時間處理各種模塊間的邏輯關系，更是需要大量時間進行測試及部署，對于新接手的人員來說，根本無法修改，以至于軟件的后續性很差。

對于以上的不足，原有架構上的修補已經不能滿足現有需求。需要開發新的程序架構，以滿足高通量、大數據處理的需要。

2 微服務架構

2.1 微服務架構介紹

微服務的最先提出者是Martin Fowler，其核心理論是將一個復雜大型的單個應用程序，按照業務需求的獨立性和使用頻率，拆分為數個甚至數十個微服務，將功能分解到各個離散的服務中以實現對解決方案的解耦，服務之間互相協調、互相配合，為用戶提供最終價值。微服務可以最大程度減少程序間的耦合程度，每個拆分后的服務都只需關注自身的功能需求并完成這些需求，每個服務都可以獨立地進行部署，服務于服務之間是松耦合的，服務與服務之間可以通過RPC或者API等方式進行通信或被調用?？梢酝ㄟ^擴展或增加單個服務擴展整個應用程序。

2.2 微服務與傳統服務之間的區別

圖2所示，傳統軟件設計是把所有的功能打包在一個WAR包里，所有模塊化組件混合后運行在同一個服務中，部署在一個容器里，包含了DO/DAO，Service，UI等所有邏輯。只能對包含多個模塊化組件的整體進程進行水平擴展，而無法對某個模塊化組件進行水平擴展。當某個模塊化組件發生變化時，需要對所有的模塊化組件進行編譯、打包和上線 。久而久之，模塊間的依賴將會不清晰，互相耦合、互相依賴成為家常便飯。

傳統軟件架構的優點：

（1）集中式管理。

（2）功能基本不會重復開發，功能都在本地，沒有分布式的管理和調用消耗。

（3）代碼與數據中心化，在一個包中發布，運行在同一個進程中。

傳統架構的缺點：

（1）效率低：開發都在同一個項目改代碼，相互等待，沖突不斷。

（2）維護難：代碼功能耦合在一起，無從下手。

（3）不靈活：任何修改都要重構整個項目。

（4）穩定性差：一個微小的問題，都可能導致整個應用掛掉。

（5）無法進行水平擴充。

圖3所示，采用微服務架構是把整個程序拆分成了三個獨立的微服務，微服務之間是水平的松耦合關系，強調每個服務的獨立性。每個微服務都是有功能意義的小型服務，無論是開發階段、或者是部署和測試階段都是獨立的。無論是整個軟件還是每個微服務，都可以進行水平擴展。每個微服務都有自己的存儲能力，可以有自己的數據庫，也可以使用統一數據庫。微服務通過API等方式進行通信或者被調用，服務于服務之間使用IPC通信。

微服務架構的優點：

（1）系統是由微服務組建成的，每個微服務都可以獨立進行升級，替換的組件。

（2）每一個獨立的微服務都能夠使用不同的語言和不同的團隊進行開發，獨立開發，獨立測試，獨立部署，獨立擴展。只需要保證每個微服務都提供API服務，實現服務之間的通信即可。

（3）可伸縮彈性架構、當服務器壓力過高的時候可動態注冊服務，分攤服務器壓力。

微服務架構的缺點：

（1）微服務架構可能帶來過來的操作。

（2）鏈路變長，排查問題難度增加，分布式系統復雜不好管理。

3 采用微服務架構設計的人員定位軟件

對比于傳統的軟件結構，考慮到現有人員定位軟件對數據存儲讀取的需求及客戶的個性化需求，以微服務架構為基礎，設計了新版的人員定位軟件，其軟件結構如圖4所示。

此人員定位軟件采用微服務架構，把GIS服務、多系統融合、聯網客戶端、檢卡臺桌面、檢卡臺大屏、Redis內存數據庫、Postgres主數據庫進行水平架構，各服務之間是水平排列關系。如圖所示，軟件只是改變了系統的結構，并沒有改變系統的功能。用Docker來運行各個微服務的情況下，部署在同一個網絡上的各個微服務之間可以用名稱而不是固定的IP來訪問彼此，在一定程度上實現了解耦。每個服務都實現了獨立性，可以獨立開發、獨立測試、獨立部署及獨立擴展。軟件采用中心服務（API）進行各個服務間的通訊和調度，實現整個程序的功能。更可以根據配置來選擇啟用哪些微服務，比如要提供GIS服務，就啟動Publisher和GeoServer兩個鏡像，要增加視頻流服務，就啟動Liveup鏡像，只需要修改配置文件而無需修改代碼，就可實現靈活部署。軟件中設有主數據庫和內存數據庫，每個單獨的服務并沒有提供服務數據庫，所有為服務都通過中心服務訪問數據庫。

采用微服務架構設計的人員定位軟件的優點：

（1）把系統劃分成許多相對獨立的子系統，通過API集成各子系統可以獨立開發、修改、驗證。

（2）使用在互聯網界應用廣泛的開源組件 可以借鑒的成熟經驗較多、技能通用性好的組件，更可以選用已有的成熟軟件使用API集合在軟件中 ，減少開發時間。

（3）引入分層的失效防御 可以更有效地發現系統異常。

（4）利用虛擬化技術來實現隔離和簡化部署 各組件在虛擬環境中運行，不受系統環境變化影響 可以使用自動化工具實現快速部署。

采用微服務架構，從業務功能上來講，大型應用分解為多個微服務，既保持了功能的完整性，又解決了原系統的復雜性，既把傳統的人員定位軟件拆分為6-8個微服務。從技術開發角度講，可以分解給到多個團隊并行開發，每個團隊可以選擇自己成熟技術的開發， 而且由于模塊小型化，后續更新更為快捷。從部署的角度，每個微服務都是獨立部署，這樣不再需要協調服務部署的時候對于其他服務的影響，并且今后維護升級更為方便。以虹膜考勤模塊為例，在客戶提出需要增加虹膜考勤模塊時，只需要在考勤服務中進行修改，出于對技術和時間的考慮，設計人員采用了現在市面上已有成熟技術的公司的產品，只需提供API，即加入軟件中進行應用。此項操作很好的滿足了客戶的個性化需求，對于前期需求不明確的客戶來說，微服務架構很好的解決的調研和開發之間的時間關系，避免了因為確認過程復雜，而耽誤軟件研發進度。并且對于開發后，客戶總是提出各種更改，微服務更是可以避免因為需求更改而造成更改整個平臺，進而引起的大量人員的時間和金錢浪費的情況。

采用微服務架構后，不僅軟件維護及修改變得容易，更是滿足了人員定位軟件對于讀寫速度與查詢速度的這一硬性需求。在大數據時代，數據量快速增長，讀寫與查詢時，都會有大量數據參與，這就要求有快速的讀寫與查詢速度，經過測試，微服務架構可以很好的滿足這一需求。

表1和表2可以看出，無論是讀寫速度和查詢速度，采用微服務架構的新版人員定位軟件都是具有優勢的，能夠很好的滿足大數據時代的需求。

4 結論

采用微服務架構設計的人員定位系統軟件，把整個單一軟件拆分成了8個微服務，服務之間實現了解耦合，即8個服務之間沒有相互關系，服務之間依靠中心服務進行通信和調度，使存儲和讀取數據的速度大幅提升。采用微服務架構的人員定位軟件系統滿足了客戶和開發人員的雙需求，更是滿足了大數據下的在數據讀寫與查詢的時間需求上，有著易修改，易發布，易更新，讀寫與查詢速度快的優勢。

參考文獻

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One of? Underground Coal Mine Personnel Positioning system method which is Based on Microservice Architecture

QIU Feng-juan1，2，3，LI Xia1，2，3

（1.Coal Science and Technology Research Institute Co.， Ltd.， Beijing? 100013;

2.Coal Mine Emergency Escape Technology Equipment Engineering Research Center， Beijing? 100013;

3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center， Beijing? 100013）

Abstract：Underground Coal Mine Personnel Positioning system is the necessary software to ensure the safety of coal mine production personnel. In order to solve the problem that the current personnel positioning system software which is not meet the needs of big data accurate positioning， the software architecture of personnel positioning system is modified and microservice architecture is used to upgrade the software. Abandon the original closed software structure， divide the software into several microservices， schedule and communicate through the center software. This kind of microservice architecture software can greatly improve the data access performance and better meet the storage requirements of TB level data. Microservice architecture relieves the tight coupling caused by database integration， makes the software system more flexible and easier to maintain and modify in the future. By using the micro service architecture design of the coal mine personnel positioning software， greatly improved the data storage and reading performance， realized the loose coupling between the software functions， and ensured the accurate positioning data requirements of the personnel positioning software.

Key words：microservice architecture;personnel positioning software;decoupling improves access performance;TB level data