一種海上智能油氣田應用系統(tǒng)的微服務架構設計

高 靜，安創(chuàng)鋒，劉 歡，田 迪

（1.中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

為引領第四次工業(yè)革命，數字化、智能化戰(zhàn)略已經上升至重要國際戰(zhàn)略，中國海洋石油有限公司提出大力發(fā)展數字化、智能化指導思想。中海油某智能油田建設過程中緊密集合目前最新的IT 技術，同時遵循中海油生產云平臺應用建設規(guī)范要求，目標實現了油藏、注采和設備設施的智能化管理以及遠程操控管理，進而實現海上油田無人化少人化、油藏研究可視化、生產運營協(xié)同化和戰(zhàn)略決策科學化管理，推動生產方式轉變和管理流程優(yōu)化，構建一種“智能、安全、高效”的新型海上油氣開采運行模式，并通過智能油田綜合管理系統(tǒng)將研究建設成果進行可視化展示。

因此本文將重點介紹通過微服務架構設計，完成項目分層微服務架構設計在海上智能油田綜合管理系統(tǒng)的實踐。一方面實現大型能源行業(yè)綜合業(yè)務系統(tǒng)設計，另一方面闡述一種成果積累的微服務設計方法。

1 系統(tǒng)設計

該文所設計的智能油田綜合管理系統(tǒng)包含陸地云端服務系統(tǒng)和邊緣端服務兩個區(qū)域的功能應用，其中邊緣端服務負責對海上19 套生產監(jiān)測系統(tǒng)進行實時高頻的數據采集、匯聚及回傳至陸地服務器與邊緣視覺識別計算，云端服務系統(tǒng)負責對海上平臺各類生產數據進行綜合多樣計算與可視化展示。

1.1 云端微服務架構設計

智能油田綜合管理系統(tǒng)云端微服務通過前期的需求分析調研與結合各專業(yè)工程師日常工作流程進行梳理，最終確定9 項功能應用模塊，包含遠程監(jiān)控、生產管理、油藏管理、注采管理、設備設施管理、調度管理、能耗管理、安全管理和報表管理，如圖1 所示。根據領域模型DDD 微服務拆分最佳實踐，對9 項功能模塊的后端服務進行服務拆分，最終形成8 個服務領域，包含油藏中心、設施中心、作業(yè)中心、設備中心、支持中心、用戶中心、人員中心和算法中心，通過領域的劃分能夠對服務進行業(yè)務域的統(tǒng)一管理，統(tǒng)一業(yè)務的數據服務，此種設計方法目標可避免數據服務的重復性建設。

圖1 云端微服務設計

1.2 邊緣端微服務架構設計

智能油田綜合管理系統(tǒng)邊緣端微服務通過在海上平臺架設多協(xié)議接入邊緣計算一體機設備，負責為海上生產監(jiān)測設備提供硬件、軟件接入服務和邊緣計算資源，并實現邊緣數據階段性數據緩存，避免網絡中斷導致數據丟失，再通過數據匯聚程序實現數據的清洗與轉化，形成數據輸出接口服務，如圖2 所示。目前，邊緣一體機中部署的對接服務可實現對接MODBUS、OPC、HTTP、MQTT 和ONVIF 等協(xié)議數據。

圖2 邊緣端微服務設計

2 微服務設計原則

服務劃分是微服務架構設計中重要一環(huán)，是架構合理性的關鍵，不但影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能，還會對將來的全局業(yè)務監(jiān)控、鏈路分析和服務治理的效果產生巨大影響，而且會對系統(tǒng)靈活性和組織溝通效率也產生深遠的影響。系統(tǒng)的服務劃分可以遵循以下幾個原則，如圖3 所示。

圖3 微服務設計實踐原則圖

服務的最小完備性：服務所提供的能力應該是完整的，能夠滿足基本的業(yè)務目標，同時避免添加不必要的能力。

自我履行的原則：服務自身能夠決定自己能夠做什么，不屬于服務本身的職責，應該轉給其他服務完成。

穩(wěn)定的能力空間：減少其他服務變化對本服務的影響。

易用性的原則：使用服務使用者專業(yè)領域內有意義的名稱，優(yōu)先選用業(yè)務概念而不是技術概念。

可被重用、可被組合原則：服務可重復使用相同或相似場景，可與其他服務組合使用。

歸屬清晰：服務的業(yè)務歸屬應當清晰，服務的分層應當清晰。

3 分區(qū)域微服務設計

3.1 云端微服務架構設計

智能油田建設項目在微服務拆分之前，由架構設計團隊對項目微服務架構進行技術路線設計，項目采用4 層架構設計，充分考慮業(yè)務流程解耦，提高系統(tǒng)程序的靈活性與可拓展性：由前端服務層完成系統(tǒng)界面展示，做到前后端分離；聚合服務層完成負責業(yè)務過程組合與交互，用于支撐多變的前端需求；基礎服務層負責整合并提供基礎業(yè)務，用于持續(xù)基礎能力沉底；數據層進行數據分類存儲，如圖4 所示。

圖4 微服務架構設計思路圖

3.2 云端微服務設計流程

在智能油田建設項目微服務設計工作中，按照微服務設計最佳實踐進行本項目的微服務設計。整個過程以真實業(yè)務為輸入，經過業(yè)務模型梳理、用例模型梳理、序列圖設計、服務梳理、服務設計5 個階段，輸出智能油田建設項目微服務設計，實現可指導研發(fā)階段的服務落地的目的。如圖5 所示。

圖5 微服務架構設計流程圖

（1）微服務設計過程通過需求矩陣分析與工作流程分析等方式獲取系統(tǒng)建設范圍，明確項目需要解決的問題與需要實現的優(yōu)化功能。通過需求分析過程確定用戶角色、業(yè)務描述、需求描述、數據描述和運行環(huán)境要求，形成業(yè)務需求功能點設計矩陣。通過需求功能點矩陣將需求明細轉化為軟件服務動作。

（2）梳理服務動作，結合中海油集團公司數據湖項目提供的統(tǒng)一數據源，由業(yè)務人員輔助確定服務的數據源，將數據源進行匹配對比，在數據源符合性達到60%的服務，進行針對性的服務分析，將相似或者相同的動作進行通用性設計。

在過程一方面形成的是共性服務動作，如文件上傳、下載、消息服務、郵件服務等技術服務組件，此類服務通常市面上具有成型的技術組件，項目組只需按照項目特定場景選擇合適技術棧開展優(yōu)化即可。

上文提到，本項目將采用聚合服務與基礎服務解耦的架構設計，所以在業(yè)務服務聚合的過程需要充分考慮服務的輸入源特征，如服務動作由多個服務聚合才能形成最終的結果，并且此序列動作與系統(tǒng)界面展示強相關（序列輸出與展示內容一致），那么將此服務抽離形成聚合服務。如序列動作主要為操作實體對象與數據源強相關，那么將此服務抽離形成基礎服務，通過此過程實現頁面與數據層的高內聚與低耦合，如圖6 所示。

圖6 前后端調研關系圖

（3）此設計方法在推廣過程中充分考慮各用戶對相同業(yè)務在界面展示的不同需求，針對此情況開發(fā)人員只需要對聚合服務與前端界面服務進行調整，無需修改基礎服務。同時如果在數據源模型發(fā)生優(yōu)化的情況下，開發(fā)人員修訂基礎服務即可完成程序修訂，無需對多個聚合服務進行修訂。

3.3 邊緣端數據采集微服務架構設計

實時數據采集與遠傳程序支持通過ModbusRTU、Http、OPC、WebService、ONVIF、數據庫連接等多種方式從在線監(jiān)測系統(tǒng)中采集實時數據，獲取到實時數據后，再通過MQTT 協(xié)議將數據遠傳到海油PaaS 云平臺。云端數據匯集程序將實時數據存儲到kudu 數據庫，文件類數據存儲到MinIO 文檔庫，如圖7 所示。

圖7 邊緣端數據采集架構圖

其中數據采集服務包含采集配置，通過協(xié)議接口配置、數據采集頻率配置、點表配置、緩存配置、斷點續(xù)傳和傳輸加密等實現對多協(xié)議的數據進行采集；為方便數據采集統(tǒng)計，設計按平臺、設備類別、時間對采集的實時數據進行統(tǒng)計；由于采集服務部署于海上平臺環(huán)境，IT 人員配備不足，通過采集報警實現系統(tǒng)自動對數據采集異常進行報警，并將報警信息推送給管理員。

實時數據甄別服務是在實時數據采集的基礎上，實時對數據質量進行監(jiān)測，按照定義的數據甄別規(guī)則診斷出假、啞、空等問題數據。

數據緩存服務是通過采集服務獲取數據后，并行將數據緩存至數據庫，在網絡情況中斷情況下保證數據傳輸不丟失，確保數據的完整性。數據回傳服務采用物聯(lián)網MQTT 協(xié)議對數據進行加密回傳。如圖8 所示。

圖8 消息傳輸架構圖

4 實施現狀

本系統(tǒng)在實施10 個月后完成全部軟件功能開發(fā)、系統(tǒng)測試、和上線試運行工作，目前系統(tǒng)已正常運行，并在油田內部進行正常運行使用。系統(tǒng)建設成果中的微服務，可在中海油其他油田進行成果復用。

5 結束語

在本文中，對目前海上油田業(yè)務需求以及智能化功能需求進行架構設計，研究了針對業(yè)務復雜度較高的微服務劃分思路及方法，提出了實踐方案，通過此微服務劃分方式支持中海油智能油田系統(tǒng)的建設，保證建設成果的可復用性，做到一次建設，多處使用，可極大地降低投資與建設成本。