基于微服務技術的安全用電管理平臺設計

陳熙 胡威

摘? 要：隨著社會用電需求的不斷增加，用電安全隱患越發明顯，用電安全已成為當今亟需深入探索并加以解決的重大課題。以減少電氣火災事故為總體設計目標，對RPC通信、指標數據解析與推送等進行了研究，設計了包含基于微服務的RPC通信、數據解析與實時監控、統計分析等功能，具有接口通信穩定、QPS高、支持接入多終端等特點的安全用電管理平臺。

關鍵詞：用電安全；遠程監控；SpringCloud；Apollo；Undertow

中圖分類號：TP311? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0017-04

Design of Safe Electricity Management Platform Based on Micro-Service Technology

CHEN Xi， HU Wei

（Hunan Provincial Corps of the Chinese People's Armed Police Force， Changsha? 422000， China）

Abstract： With the increasing demand for electricity in the society， the hidden danger of electricity safety is becoming more and more obvious， and electricity safety has become a major issue that needs to be explored in depth and solved. Taking reducing electrical fire accidents as the overall design goal， RPC communication， index data analysis and push are studied， and a safe electricity management platform is designed， which includes RPC communication based on micro-service， data analysis and real-time monitoring， statistical analysis and other functions， and has the characteristics of stable interface communication， high QPS， and supporting access to multiple terminals.

Keywords： safe electricity; remote monitoring; SpringCloud; Apollo; Undertow

0? 引? 言

隨著社會發展，國家越來越重視用電安全。近年來，我們國家出臺了一系列電氣安全法律法規和標準，隨著2017年中華人民共和國公安部關于全面推進“智慧消防”建設指導意見的出臺[1，2]，電氣火災綜合治理已成為國家應急救援部門重要工作，擺在了更加突出的位置。

隨著我國電氣化的不斷發展，家用電器和工業電器設備得到了廣泛應用，社會基礎服務不斷提升給社會發展帶來極大的便利的同時，由于用電設備缺陷、用電安全知識匱乏、管理不到位等問題，電力也給社會帶來了諸多安全隱患及災害事故[3]。用電安全事故危機人民生命財產安全，影響社會安全穩定，用電安全已成為各個行業的難點痛點，受到了國家和社會各界的廣泛關注。

在實際生活生產中，用電安全事故大多發生在使用端。因電器老化、線路損壞、操作不當以及管理疏漏等因素，引發的安全生產事故不計其數[4，5]。本文將以企業管理部門和用戶需求為牽引，構建用電安全遠程管理服務系統，為用戶提供用電數據的云存儲及實時監控服務。當用電數據異常時，服務系統將第一時間以短信、微信、警鈴等方式進行預警，及時有效地避免用電安全事故發生，有效減少企業和個人的生命財產損失，將用電安全事故控制在萌芽狀態。

1? 需求分析

本平臺采用了“物聯網”和“電氣安全”兩項關鍵技術，將電氣安全數據傳輸到服務終端，通過PC端或手機微信對監管的用電設備進行實時數據監控、設備管理、設備控制、故障異常報警、消息實時推送等。通過本平臺，用戶可以實時獲知設備用電狀態，及時發現用電異常及故障，客戶在降低人力、物力和資金成本的同時，還可以提升企業安全運行效率，以最優成本，實現智慧安全用電目標。

平臺通過前后端分離技術，將用戶PC端、管理員后臺、移動端等前端展示應用與后端接口進行分離。通過SpringCloud技術將基礎數據管理、客戶數據管理、數據上報與推送、管理員后臺等設計成不同的應用，所有應用都歸口到Apollo配置中心進行管理，各應用之間通過輕量級客戶端框架Feign請求進行調用。

2? 關鍵技術

本平臺服務器端通過SpringCloud+Apollo+Undertow整合框架實現，SpringCloud中以SpringBoot為核心實現微服務，Apollo配置中心進行分布式配置管理，API請求通過Nginx進行代理，GateWay進行轉發，Undertow作為Web服務器容器運行各類應用，通過微服務集群技術有效保證了7×24小時不間斷運行的需求。

2.1? SpringClude

服務端基于Spring Boot和Spring Cloud部分組件開發，無需額外安裝Undertow、Tomcat等應用容器即可運行。Spring Cloud 是一套完整的微服務解決方案，基于 Spring Boot 框架，利用其開發便利性，巧妙地簡化了分布式系統基礎設施的開發，如服務發現注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數據監控等，對多個模塊進行集成和封裝，減少各模塊的開發成本，實現一鍵啟動和部署。

2.2? Apollo配置中心

為了解決傳統方式配置文件寫在應用程序中而帶來的，每次修改配置都需要修改每臺（可能是上百臺服務器）應用的配置，而造成的可維護性，擴展性極低的問題，本平臺構建微服務環境時采用了Apollo配置中心。Apollo是攜程提供的一個可靠的分布式配置管理中心，能夠集中化管理應用不同環境、不同集群的配置，配置修改后能夠實時推送到應用端，并且具備規范的權限、流程治理等特性，適用于微服務配置管理場景[6，7]。Apollo相比于SpringCloudConfig和 Nacos，可以支持灰度發布和權限管理，它實現了對配置權限的有效治理，由于配置能改變程序的行為，不正確的配置甚至能引起災難性的后果，所以對配置的修改必須有比較完善的權限控制。

2.3? Undertow

本系統運行平臺采用Red Hat的開源產品Undertow作為Http服務器，采用Java語言開發，提供包括阻塞和基于NIO的非堵塞機制，是一款靈活的高性能Web服務器。Undertow支持開箱即用的 HTTP/2，并提供對 Servlet 4.0、嵌入式 servlet等的全面支持，具有可嵌入、靈活的特點。在高并發業務場景中，Undertow性能優于Tomcat，當安全用電遠程監控終端越來越多，形成高并發請求時，本系統性能將得到很大的提升。

3? 設計與實現

本平臺將運用通信技術、計算機網絡技術、電氣安全技術將電氣指標數據傳輸到服務端，實現系統主動推送故障異常報警信息和實時指標數據功能，用戶還可以通過PC端或手機微信平臺進行實時數據監控、設備管理、設備控制等。對基于異步推送機制的實時監控、設備數據傳輸的服務器接口設計、功能權限安全管理機制的設計、微信公眾號功能的設計等進行重點研究。在整體的設計架構下，結合業務需求與平臺特點，平臺設計時將遵循實用性、開放性、擴展性、可維護性及操作的便捷性原則進行設計。

3.1? 系統架構

平臺通過采用NIO的Netty框架實現消息異步推送機制，有效實現電氣數據實時上傳、電氣數據實時監控、異常數據實時報警等系統安全機制，并避免了輪詢所帶來的資源浪費問題。通過負載均衡實現應用服務器的故障容災，當一個服務器無法訪問時，另一個服務器將自動接管應用服務，保證了應用24小時不間斷的正常訪問。平臺架構圖如圖1所示。

3.2? 業務流程

安全用電管理平臺的主要業務分為五個流程：（1）硬件設計對安全用電數據進行檢測；（2）數據采用終端將檢測到的指標數據進行采集將上傳到服務器；（3）服務器接收分析數據；（4）對數據進行分析與管理，為不同的應用提供持久化的數據；（5）為不同角色的用戶提供數據服務。系統業務流程如圖2所示。

3.3? 數據接口參數

其中硬件設備、數據采集與發送部分由項目合作公司提供，本平臺提供數據上傳接口，接口調用需通過RPC技術進行實現，如設備維護接口參數說明如表1所示。

服務器RPC接口收到終端上傳的電氣數據后，通過校驗數據完整性、判斷設備類型、匹配解析協議、調用數據分析程序、數據持久化等一系列步驟后，對電器數據進行預警判斷和信息推送，服務器處理數據時序如圖3所示。用戶可以通過瀏覽、檢索、監控、分析等前端操作獲取安全用電數據管理平臺提供的服務。

3.4? 功能實現

以數據監控與預警數據推送為例闡述該功能的實現過程。該功能采用基于非阻塞I/O（NIO）模式的異步網絡應用框架Netty進行實現。它是一款異步的事件驅動的網絡應用框架和工具。Netty提供異步的、事件驅動的網絡應用程序框架和工具，用于快速開發可維護的高性能、高擴展性協議服務器和客戶端。通過基于異步推送機制的實時監控策略，實現了對用電設備數據報送和無人值守時的有效監控。

Netty實現異步推送機制實現原理如下：首先創建ServerSocketHcannel類，在此Class中將其配置為非阻塞模式，綁定監聽，配置TCP參數，通過使用一個獨立的I/O線程和輪詢多路復用器Selector，啟動I/O線程，再循環體中執行Selector.select（）方法，最后將SocketChane注冊到Selector中，監聽OP_READ和IP_WRITE操作位來執行讀取數據包和發送數據包操作。

服務器接收設備請求RPC接口傳輸來的二進制流數據后，先解析二進制數據，再按協議分析該數據包應對的指標值，并對比該設備的閾值范圍，判斷數據是否異常。當數據正常時，直接推送到當前正在監控的頁面進行展示；當數據異常時，分別向當前登錄到系統且有權限查看該設備的用戶及其移動端推送異常報警數據。

用戶登錄到系統時，將與系統服務器建立WebSocket長連接，該連接通過心跳保持在線，當設備數據上傳到服務器后，服務器會立即將數據通過Netty連接推送到客戶終端進行呈現或預警。其中消息推送功能的業務流程如下：

（1）平臺接收設備通過RPC接口發送的數據；

（2）平臺解析數據，分析出該數據包對應設備ID和各數據項應對的值；

（3）匹配相應協議，根據閾值范圍判斷數據是否異常；

（4）當數據正常時，則直接推送到當前正在監控的頁面進行展示；

（5）當數據異常時，向擁有相應權限且在線的用戶及其移動端推送異常報警數據。

推送流程圖如圖4所示。

3.5? 平臺展示

本文實現的系統運用了物聯網、電氣安全、微服務等技術，將電氣安全數據采集傳輸到服務端，用戶和管理員都可能通過PC端或手機微信進行實時數據監控、設備管理、設備控制、故障異常報警、消息實時推送、統計分析與數據可視化等。通過本平臺，用戶可以實時監控用電設備狀態，及時發現用電異常及設備故障，切實有效地避免電氣火災隱患，在降低家庭、企業、公用服務設施等投入成本和人力資源的同時，可以提升企業安全運行效率，以最優成本實現社會智慧安全用電管理。圖5為安全用電設備數據檢測實時監控界面。

4? 測? 試

在某公司的安全用電設備為基礎條件，準確獲取用電數據和實時預警異常狀態，以實現減少發生電氣火災的總體設計目標，對RPC通信傳輸用電指標數據、用電指標數據包解析與指標推送服務等進行了研究，在此基礎上研發了基于微服務的安全用電管理平臺，系統采用B/S框架開發，服務端采用SpringCloud+Apollo+Undertow的整合框架進行構建，實現了包括RPC服務接口、數據解析與實時監控、統計分析等功能，具有接口通信穩定、QPS高、支持接入終端數量多等特點的平臺。

平臺在實環境中進行測試，硬件部份在真實環境中安裝了200多個GPRS模塊節點進行數據傳輸，服務器部份申請了阿里云輕量級應用服務器作為云平臺測試服務器，服務器網絡帶寬為5 M，系統安裝Windows Server 2012 R2操作系統，MySQL 5.1.3數據庫系統，微信公眾號對接企業申請的公眾號進行測試。系統測試的基本要求如表2所示。

平臺在兩臺4核8 GB集群部署，通過Apache Jmeter工具進行測試可知，至少可以支持2萬臺用電終端設備同時鏈接，數據通訊穩定，服務器運行正常。運行數據與實際情況表明，研究的平臺可以滿足企業的實際需求，能夠有效提高用電部門和用戶的電能安全科學管理水平，減少安全事故的發生。

5? 結? 論

平臺以社會用電安全設備管理與監控為導向，通過接收遠程數據采集終端所傳輸的電氣數據，形成直觀的展示界面，并通過分析設定的安全閾值，預警線路異常狀態，真正將用電安全工作提高到不受地域、不受時間的限制，切實提高用電安全科學管理水平，實現用戶對用電安全真正意義上的遠程監控與安全管理。

參考文獻：

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作者簡介：陳熙（1985—），男，漢族，湖南長沙人，本科，助理工程師，研究方向：通信工程、集成電路工程；通訊作者：胡威（1985—），男，漢族，湖南常德人，碩士，助理工程師，研究方向：軟件系統與技術、信息可視化。

收稿日期：2022-10-22