基于微服務的管道陰極保護信息管理系統設計

譚帥 李金煒 黃川晟 馬玉寶 李年杰

摘 要 管道陰極保護具有分布區域化和信息多樣化特點。陰極保護數據海量，分布分散，尚未形成集中統一管理和經驗共享，存在嚴重的數據碎片化和信息隔離現象，數據價值未能有效挖掘。因此，提出基于微服務架構的長輸管道陰極保護信息管理系統設計方案，結合實際應用場景，對系統功能模塊進行了劃分。系統建成后可實現管道區域和線路陰極保護數據的集中儲存、分析和查詢管理，提高陰極保護數據利用效率，可為管道陰極保護輔助決策提供依據。

關鍵詞 信息管理系統 長輸管道 微服務架構 陰極保護 數據深度挖掘

中圖分類號 TP391.9；TE832? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0371?05

作者簡介：譚帥（1990-），工程師，從事長輸管道安全管理工作。

通訊作者：馬玉寶（1987-），高級工程師，從事長輸管道安全管理工作，765741661@qq.com。

引用本文：譚帥，李金煒，黃川晟，等.基于微服務的管道陰極保護信息管理系統設計［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：371-375.

長輸管道主要采用防腐涂層和陰極保護技術防止防腐層老化，通過恒電位儀或犧牲陽極的方式向管道施加負電位，使管道對地構成陰極，形成防護、減緩腐蝕［1］。長輸管道陰極保護系統根據保護目標不同可分為管道線路陰極保護系統和站場區域陰極保護系統，具有分布區域化、信息多樣化的特點［2］。現階段，由于陰極保護數據量大，儲存孤立分散，導致數據利用效率低，信息孤島現象嚴重。隨著信息化、智能化技術的快速發展，數據資源已成為工業安全生產評價的核心，建立統一的信息管理系統，將已有的管道陰極保護數據進行數據儲存與應用，輔助管道陰極保護技術決策已經成為重要的研究課題。

文獻［3］依托百度地圖API開發了長輸管道陰極保護信息管理系統，并嵌入WebGIS技術，實現了陰極保護數據共享。文獻［4］利用Hadoop生態圈數據挖掘技術設計長輸管道區域陰極保護數據管理系統，實現了陰極保護影響因素——土壤的數據管理。文獻［5］開發了管道陰極保護智能管理系統，并引入智能測試樁，實現了管道線路陰極保護參數的集中統一管理。文獻［6］研發了基于站控系統的管道陰極保護設備，實現對管道電位、裝置輸出電流與電壓以及環境參數的采集，通過對數據的對比與處理，輔助管道陰極保護決策管理。上述管道陰極保護信息管理系統僅實現了站場區域或者管道線路陰極保護數據的采集、管理，未將站內和站外陰極保護數據集中管理，且由于系統均采用單體架構開發，存在很多問題，如：所有組件、服務高度耦合，導致系統開發周期長；隨著運行時間的延長，業務量增大，系統維護難度會逐漸增大；程序架構會隨著修改而不斷退化，無法進行持續布署；橫向擴展困難，不能根據實際業務需要靈活調整架構；容錯性差，程序任何一個環節出現問題，都有可能導致系統癱瘓。

針對以上問題，筆者設計了一套基于微服務架構的長輸管道陰極保護信息管理系統，以實現區域和線路陰極保護數據的采集上傳、儲存分析、故障報警等多項功能，不需要Web服務器，通過瀏覽器即可直接訪問，操作便捷，并提升陰極保護數據的深度挖掘利用能力，為管道陰極保護輔助決策提供依據。

1 微服務架構

微服務架構是在傳統單體架構的基礎上演變而來的軟件架構模式［7］，與傳統應用架構相比，主要有以下優勢：

a. 可將一個完整的應用程序劃分為若干個小服務，通過服務拆分，使每個服務開發和布署獨立化、小型化，高度內聚和低度耦合，可以提高開發效率，降低維護難度；

b. 每個服務具有獨立的生命周期，可以采用不同的語言開發，并在獨立的進程中運行，具有易于橫向擴展的優勢；

c. 當一個服務出現故障，可以單獨進行維護，不會影響到整個應用程序，提高了系統容錯性；

d. 各組件之間邊界清晰，輕量級的HTTP的RESTFUL API通信，可實現相互協調、配合，提高系統運行速度［8］。

微服務架構一般由展示層、網關層、應用層和數據層4部分組成［9］。展示層是前端用戶交互界面，主要負責服務實現和服務監控。網關層提供外部訪問的統一標準和入口，通過服務路由、負載均衡等完成服務分發管理。應用層由業務微服務模塊及聚合微服務組成，每個模塊可分別編程，相互耦合性低，適應性強。數據層負責基礎數據存儲，包括陰極保護數據以及設備、用戶數據等。

2 關鍵技術

2.1 架構設計

系統整體采用Spring Cloud+Vue的前后端分離技術。前端主要負責界面渲染、數據解析，開發語言采用輕量級即時編譯型的JavaScript。Vue.js融合了Angular JS和React框架的優勢，具有優良的MVVM庫Vue.js［10］，其組件化的特點大幅增加了程序的易讀性和維護性。采用Vue?cli提供腳手架和自定義配置，Element UI提供完善的組件［11］，Echarts提供豐富的可視化圖表庫，Axios提供簡潔高效的HTTP庫［12］。后端采用Java語言編寫，主要負責提供數據。Spring Cloud是一種服務框架，可以有效簡化分布式系統基礎設施的開發［13］。Spring Boot是Spring提供的快速配置腳手架，通過Spring Boot封裝后可屏蔽掉復雜的配置，成熟度高、維護性強［14］。使用Nginx作為反向代理服務器，可提高系統開發效率，在系統運行時，通過負載均衡也可獲取更好的運行效率［15］。

Spring Cloud的基本配置包括服務注冊和發現中心、配置中心、服務網關、負載均衡、容斷器等。Spring Cloud提供的服務注冊和發現中心主要有Netflix Eureka和zookeeper。Eureka沒有選舉過程，即使發生網絡分割故障，也會繼續提供服務，因此可靠性更強。本系統框架選用Eureka作為服務注冊和發現中心組件。采用config作為配置中心，為多個微服務管理配置文件。采用Sentinel作為流量控制中心，實現流量控制。采用基于Zuul的微服務API網關，向客戶端統一提供REST API接口，便于各系統的集成，為整個微服務架構系統的入口提供可靠保護，同時將多個微服務應用的權限控制統一轉移到微服務網關［16］。采用RestTemplate實現服務間的調用、通信。Ribbon用于負載均衡，它提供了6種負載均衡方法，可根據業務場景和業務需要進行選擇。采用hystrix作為斷路器，當某一服務出現故障時，給出響應信息，避免系統聯級失敗，提高容錯性。RabbitMQ作為系統的消息中間件，擔任系統服務的解耦、削峰、異步和隊列功能［17］。

2.2 數據庫設計

陰極保護數據是管理系統的核心組成部分，包括各個輸油氣站場區域和線路恒電位儀輸出保護電壓、保護電流等數據，還包括設備參數數據、用戶信息等。

系統持久化數據庫選用關系型MySQL［18］，主要存儲數量少、改動少的管理系統的系統信息，以及所有實體對象信息。MySQL具有響應速度快、性能穩定和可靠性高的特點。它的核心程序采用安全的多線程編程，內存分配系統快速、穩定，權限和口令系統靈活、安全。采用Redis主要用作緩存數據庫使用，以存儲登錄用戶的Token信息、登錄驗證碼以及緩存陰極保護數據。系統查詢和報表生成功能主要依靠的是Redis數據庫。

2.3 系統安全性

為提高系統安全性和可靠性，恒電位儀陰極保護數據只能單向通過企業內部局域網傳輸至服務器，不能反向傳送。在后臺開發方面，采用Spring Cloud Security提供的安全解決方案，強化用戶鑒權［19］。用戶登錄時在前端同時輸入賬號、密碼和驗證碼。系統將賬號、密碼和驗證碼發送至后端System/login接口。后端將前端輸入的驗證碼與Redis中的驗證碼信息進行對比，并到數據庫中進行用戶信息校驗。如果成功查詢到用戶信息，鑒權中心會使用JWT［20］+RSA［21］生成加密的用戶Token信息返回前端，完成登錄。當用戶請求其他接口時就會攜帶這個Token信息，用來驗證用戶身份。前端通過已登錄用戶的Token調用后端的接口來獲取數據，根據相應的數據來渲染前端的頁面。

3 實現路徑

3.1 系統組成結構

基于微服務架構的管道陰極保護信息管理系統包括采集端、服務端和客戶端3部分。

采集端布設在各個輸油氣站場，包括區域和線路恒電位儀，及其配套電源等輔助設備，主要完成陰極保護數據采集功能。一般情況下，每個輸油氣站場至少有區域恒電位儀和線路恒電位儀，且均采用冗余設置。采集端采集現場的陰極保護數據后，通過局域網上傳至服務端并儲存至數據層數據庫中。

服務端存儲了后臺源代碼以及數據庫。主要用于程序的開發，數據匯集、儲存、計算等功能。數據庫的數據由恒電位儀通過通信模塊進行傳輸并在服務器中存儲。系統每小時讀取一次恒電位儀輸出保護電壓、保護電流等參數，并將數據存儲起來。

采集端與服務端之間通過Modbus/TCP協議通信。

客戶端提供了友好的人機交互界面，可以直觀展示各臺恒電位儀輸出陰極保護數據、設備運行狀態等，并完成報表自動生成功能。客戶端通過展示層向服務器發起請求后，服務端接收請求，與數據庫交互，將數據打包返回，并通過前端展示對應的視圖，供瀏覽查閱。

3.2 數據透傳模式

將接入局域網的串口服務器與恒電位儀引出的RS485信號線相連，恒電位儀根據預置參數及末端管道防護情況，輸出保護電壓、保護電流值，然后通過RS485信號線傳輸到協議轉換器，接入串口服務器中。通過通信參數調節，自定義注冊包等功能設定，服務端通過局域網絡向串口服務器發送Modbus RTU請求報文，報文根據不同數據需求及安全性保障，分別獲取恒電位儀報警信息、陰極保護數據，并將所有數據都保存到數據庫中，便于數據查詢和分析。服務器每小時讀取并記錄一次陰極保護數據，每次讀取的數據包括輸出保護電壓、輸出保護電流兩個參數數據。實時數據采用一月一表的策略進行存儲。

3.3 數據采集及訪問

服務端向采集端寫入相應的查詢指令，當客戶端回傳數據到服務器時，服務器通過通信協議進行相應的解包，得到通信數據。解包后獲取到客戶端的Mac地址，使用Redis通過Mac地址查詢出對應的設備信息，如果Redis中不存在設備信息，則通過Mac地址使用Mybatis查詢恒電位儀設備表得到對應的設備信息，待查詢成功后，將設備信息保存到Redis中，以提升設備信息查詢效率。實現數據訪問后就可以進行保存陰極保護信息、更新設備報警狀態等操作。

4 系統功能

依據管道陰極保護管理業務功能、業務邏輯和微服務拆分原則，業務微服務模塊主要劃分為陰保數據展示、業務報表管理、設備狀態監視和設備及用戶管理。系統總體架構如圖1所示。

4.1 業務報表管理

根據陰極保護業務管理需求，系統可以自動生成日、周、月度及年度等多種形式的報表，既可顯示某個站點的區域陰極保護報表，也可以顯示某段管道的線路陰極保護報表，還可以顯示整個公司的陰極保護業務報表。日、周、月度和年度報表中的陰極保護數據主要從服務端數據庫中獲得。

系統報表自動生成功能的實現可以大幅減少人工統計工作量，并規范陰極保護數據管理。

4.2 設備狀態監視

服務端獲取采集端恒電位儀設備報警信息并保存到數據庫中，在數據庫中查詢設備信息、輸出陰極保護數據和報警信息，通過比對分析，判斷恒電位儀的工作狀態，以不同顏色指示燈在前端窗口展示設備狀態。同時，根據設備輸出的電流值和電壓值對比判斷設備是處于恒電位運行模式或是恒電流運行模式。數據庫中儲存恒電位儀運行狀態數據，如預置參比電壓、預置參比電流、預置輸出電壓等區間閾值。并將采集端采集的輸出保護電位值、輸出保護電流值與之對比，以此來判斷設備運行狀態。若設備有報警或輸出數據偏離閾值區間，則在前端顯示設備故障，設備指示燈為紅色。若恒電位儀無報警且輸出陰極保護數據在正常值范圍內，則顯示該設備正常運行，設備指示燈為綠色。若恒電位儀無輸出數據，則判斷該設備處于備用狀態，設備指示燈為黃色。

4.3 陰極保護數據展示

陰極保護數據展示主要用以展示各輸油氣站的名稱、區域和線路陰極保護電位、電流。陰極保護數據以曲線圖的形式在界面展示。運行數據和參考數據分別以不同的顏色區分顯示。在前端界面設置數據錄入窗口，區域和線路測試樁定期測試陰極保護數據，包括保護電位、自然電位、干擾電壓、干擾電流等均可通過前端錄入系統，數據錄入時可以通過電子表單模板快速錄入。系統將自動調取表單中數據，并以曲線圖形式在界面展示，以此實現陰極保護數據集中統一、可視化管理。

通過陰極保護數據可視化展示、自動對比分析，可以準確掌握管道防腐層狀態及恒電位儀運行情況，為管理腐蝕防護提供決策依據。

4.4 設備及用戶管理

系統可實現恒電位儀設備的集中統一管理，統計恒電位儀維護保養記錄，包括維護保護內容、周期及頻次。管理人員可收集設備維護保養信息，并上傳系統，實現維護保養記錄的電子化管理。系統會根據后面設定的周期和頻率，及時提醒管理人員按期開展恒電位儀切換、測試及維護保養等工作。由于系統采用前后端分離技術設計，前端登錄通過網頁便可實現，提高了便捷性，為保障系統安全，可設定用戶級別、用戶數量、限定用戶權限，并對用戶登錄密碼進行管理。

5 結束語

利用微服務架構的服務獨立、低耦合、可擴展等優勢，提出了一套基于微服務架構的長輸管道陰極保護信息管理系統設計方案，從關鍵技術、實現路徑、系統功能三大方面詳細介紹了系統設計方案的全過程。基于微服務架構的長輸管道陰極保護信息管理系統，可實現管道陰極保護數據集中統一管理，進一步挖掘陰極保護數據價值，提高管理效率，減少人工勞動。

目前，由于智能測試樁普及率低，大部分管道線路陰極保護參數仍然需要由人工現場測試并記錄，然后才能錄入系統。在智能測試樁推廣普及后，可探索將智能測試樁的陰極保護數據直接與本系統進行鏈接，進而取代人工測試等環節，進一步實現管道陰極保護的現代化管理。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-09-30，修回日期：2023-01-05）

Design of Information Management System for Pipeline Cathodic Protection Based on Microservice

TAN Shuai， LI Jin?wei， HUANG Chuan?sheng， MA Yu?bao， LI Nian?jie

（Nanning Oil and Gas Transportation Branch， PipeChina Southwest Pipeline Co.， Ltd.）

Abstract? ?The distribution regionalization and information diversification characterize the pipeline cathodic protection. The data of cathodic protection is massive and distributed widely and no unified management platform and experience can be shared. It results in serious phenomena of data fragmentation and information isolation and the data value cant be mined effectively. In this paper， a design scheme of cathodic protection information management system for long?distance pipeline based on microservice architecture was proposed and basing on actual application scenario， the functional modules of the management system were divided. The system completed can realize centralized storage， analysis， query and management of cathodic protection data of both the pipeline areas and lines. It can improve utilization efficiency of cathodic protection data and provide a basis for auxiliary decision?making of the pipeline cathodic protection.

Key words? ?information management system， long?distance pipeline， microservice architecture， cathodic protection， data deep mining