石化行业VOCs综合治理管理平台的设计与实现

任 聪 王丹阳

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730060）

1 引言

目前，我国石化行业VOCs泄漏检测治理主要存在检测及监管流程不完整、检测数据准确性相对偏低、软件管理平台功能不完善等问题，导致企业装置存在安全隐患、物料损失成本增加、设备生产效率低下、危害人员身体健康等问题。针对以上问题，我们设计开发了石化行业VOCs综合治理管理平台。

本平台的研发采用的是目前主流的Spring Boot框架。在数据获取方面，采用美国赛默飞公司研发的TVA有毒挥发性气体分析仪（VOC气体检测仪）对现场VOCs气体的泄漏情况进行检测；在数据安全性和计算能力方面，通过混合云的技术手段，将后端的业务部署在私有云，前端的页面部署在公有云，通过VPN网关来实现公有云和私有云之间的互联互通。

2 关键技术概述

2.1 混合云技术

目前，云计算的部署模型有私有云、公有云、混合云、社区云等模型[1]。混合云是由两个或两个以上不同类型的云组成，本研究中采用的是私有云和公有云构成的混合云，同时也是目前最流行的一种混合模式。它既可以利用私有云的安全性，同时也可以使用公有云的计算资源和公有云的可扩展性[2]；不仅可以将内部的重要数据保存在本地的数据中心，还可以更高效快捷地完成工作，相比于单纯用私有云或者公有云来讲都更加完善。在本研究中，我们将前端的应用服务部署在公有云，对外部用户提供访问入口，后端的业务实现部署在私有云中，对内部提供专有的计算服务。

2.2 Spring Boot框架

Spring Boot是Pivotal团队在Spring的基础上提供的一套全新的开源框架，其目的是为了简化Spring应用的搭建和开发过程。Spring Boot不仅继承了Spring框架原有的优秀特性，而且还通过简化配置来进一步简化了Spring应用的整个搭建和开发过程；它遵循“约定优先于配置”的原则，使用Spring Boot时只需很少的配置，大部分的时候直接使用默认的配置即可。在本研究中，使用Spring Boot框架使我们部署业务、集成安全框架等操作更加方便。

3 系统平台设计

3.1 平台设计思路

根据上述混合云的部署要求，本系统的云平台由公有云和私有云2个部分组成。其中私有云部分部署核心业务实现和私有资源，以保证数据具有较高的安全性；公有云部分部署前端公共业务，并为用户提供公有地址去访问服务器，以此去获取相应的公共服务。基于数据安全可靠原则及混合云的灵活性的特点，构建公有云和私有云之间的安全机制，以此实现公有云和私有云之间的通信和数据传递。

本平台的总体逻辑如图1所示，首先将前端与后端的系统分别部署在公有云和私有云的Tomcat容器中进行项目启动，当用户通过页面发送访问请求至公有云部分中的前端控制器后，前端控制器首先对用户请求进行认证、授权与记录，然后通过专有通道将用户请求发送至私有云部分的页面控制器。私有云部分中的页面控制器调用相应的业务功能模块，功能模块中所需的数据首次从MySQL数据库中调用其次优先从Redis缓存服务器调用，功能模块所获取的数据在模型中进行计算处理后，将数据计算结果返回至页面控制器，且经专有通道将结果传送至前端，前端经过解码之后再将页面呈现给用户[3]。

图1 平台总体设计逻辑

3.2 平台架构设计

本平台系统分为5个层面：支撑层、感知层、数据层、业务层、表现层，具体情况如图2所示。

图2 平台总体架构

（1）支撑层。支撑层是由平台的基础所构成的部分，可分为硬件支撑和软件支撑两个部分，硬件支撑部分由实体服务器、存储设备、网络设备以及其他设备所组成；软件支撑部分是由阿里云虚拟服务器、Java编程语言、Spring Boot开发框架、MySQL数据库等软件组成。

（2）感知层。感知层是平台识别VOCs气体和采集气体泄漏信息的部分。本平台通过TVA有毒挥发性气体分析仪（VOC气体检测仪）和Eye-C-Gas红外气体成像仪对现场VOCs气体进行识别和采集气体泄漏情况，实现对检测数据的感知获取[4-5]。

（3）数据层。数据层是基于MySQL数据库的数据文件、部分数据查询、插入等操作语句及数据表单等构成，其中数据表单包括用户信息数据表、权限信息数据表、装置信息数据表、检测点信息数据表、设备信息数据表、泄漏点信息等。

（4）业务层。业务层是本平台所有业务功能集合，包括用户管理、数据分析、检测管理、分级管理、报告管理等模块。

（5）表现层。表现层就是用户与平台之间的交互式操作界面，实现对用户的请求接受，以及平台功能的信息的反馈与操作页面呈现，为用户提供应用程序的访问。

3.3 前端页面设计

本研究基于用户体验为中心设计原则，确保界面直观、简洁，操作方便快捷，使用户接触到软件之后对界面所对应的功能一目了然、不需太多培训就可以方便使用本系统。

页面采用了目前流行的前端开发框架Boostrap。Boostrap框架在本研究中用于部署动态页面，通过框架制作动态表格、创建表格字段属性、下拉菜单、导航条、对话框等元素，方便快捷，且易于自定义设置。ECharts是一款基于Java Script的数据可视化图表库，提供直观、生动、可交互、可个性化定制的数据可视化图表。它方便各种折线图、柱状图、散点图、饼图等的绘制（如可将密封点、检测点、泄漏点等数据以柱状图、折线图、饼图等方式直观展现给客户）。另外，页面布局利用DIV标签来标记页面不同区块，并利用CSS样式对页面进行渲染优化；通过Ajax技术实现页面的局部刷新，且跟踪设备检测信息的变化情况，实时展示相应系统功能内容和信息。

3.4 后端功能设计

依据系统的安全性和功能业务的需求，利用Apache Shiro安全框架，使得平台登录认证功能能够安全、有效地实现对平台用户进行分级权限管理，设置不同的角色且为各角色分配相应的操作权限，保证用户信息安全和系统运行安全。平台的基本业务功能主要有基础信息管理、监测数据管理、LDAR检测管理和预警提示功能等（如图3所示）。

图3 平台功能模块

4 平台实现

4.1 关键技术的实现

（1）创建Spring Boot工程

本研究中采用的搭建环境为JDK 1.8、Maven 3.6.3以及Spring Boot 2.2.3。首先搭建JDK环境，通过官方提供的程序安装包进行下载安装，之后我们在PC端进行相应环境变量的设置。其次准备Maven工具，从Maven官网下载安装包进行安装，之后设置Maven的环境变量。准备好环境后，首先对Maven的settings.xml文件添加我们所需功能的相应配置，之后我们在开发工具中也进行相应的配置工作；其次创建Maven工程，最后导入Spring Boot的相关依赖与配置即可[6-7]。

（2）联通混合云

本研究中通过阿里云平台进行混合云的联通，我们将本地云与具有私有权限控制的阿里云空间整合，构成混合云的私有云部分，之后通过阿里云所提供的VPN网关服务，通过互联网将公有云和私有云之间的网络连接起来，由此实现混合云环境。随后，我们将可以对外访问的应用服务部署在公有云部分，将数据处理、计算、储存等后台服务部署在私有云部分，使二者之间形成安全、高效的服务或信息传递机制和增益互助机制，确保私有云环境既具有公有云可扩展、节约成本的特点，同时具有私有云部分的数据安全、SLA等优点。

4.2 主要功能实现

（1）权限管理

在本平台中，用户权限分为3个等级：超级管理员、普通管理员和普通用户。不同等级的用户拥有不同的管理权限：超级管理员具有管理注册用户及维护系统的全部功能和数据权限，可管理和查看所有用户的相关信息；普通管理员具有部分管理和维护系统功能和数据权限，可管理和查看比其等级低的用户的相关信息；一般用户则只具有管理和查看自身相关信息的权限，仅能访问系统公共功能以及角色数据权限内的相关操作。本平台采用Apache Shiro安全框架实现认证和授权管理，当用户输入账号和密码时，先经过身份认证，经过认证后可读取出其所具有的角色信息，其次依据角色信息，在自定义的Realm中选择所对应的权限信息，之后根据用户所具有的权限信息，为用户提供相应的业务功能进行操作。

自定义Realm部分代码如图4。

图4 Realm代码

（2）信息管理

本平台的信息管理模块是基于用户权限进行管理的，通过不同的用户权限去管理不同用户的相关功能及操作，实现用户在自己所具有的权限内的操作，为用户提供更加智能化的LDAR管理方式，摆脱传统较为复杂的信息管理方式，方便用户管理。

（3）检测管理

该模块支持设备图片建档，检测任务分配、下载，并根据检测点位信息，能够自动生成最优检测路径，上传检测数据。按部门、密封点类型、地理位置等统计泄漏分布情况，以部门为单位统计泄漏点、修复点汇总情况，均以图表、柱状图、表格等形式反映，时间节点可任意选择（图5）。

图5 泄漏检测模块页面

（4）泄漏管理

若发生泄漏，本系统会按照泄漏排放的标准要求自动下发维修与复检任务，实时监测维修与复检过程，维修及复检完成后，将复检结果自动上传到工作后台。工作流程如下：首先制定维修复检计划，包括复检通知、复检工单及复检记录；其次下发维修复检通知，告知被检测单位修复复检；随后生成复检工单，包括部门、工单号、复检人、开始和结束时间等；最后记录复检后的结果（图6）。

图6 泄漏管理模块页面

5 结语

本平台基于Spring Boot框架和混合云技术开发了石化行业VOCs综合治理管理平台，通过在Spring Boot框架上整合目前流行的前端设计、业务开发等框架，实现对检测数据进行汇总、分析，生成相应报表，对异常情况进行报警提示等功能。在功能部署方面，公有云对外开放，提供相应的公共服务，私有云进行数据存储和计算，具有良好的数据安全性，两者结合，提升数据计算性能和业务的可扩展性。经过测试和实地应用，系统运行稳定、可靠，为石化企业提高了VOCs泄漏检测技术管理治理水平。