基于分布式状态机的集装箱智能道口软件架构方法

集装箱码头对进出场道口的通过能力始终是要求最高的，衡量道口的直接指标为道口通行效率，道口通行效率直接体现了集装箱码头的作业效率以及对外服务水平，进而直接影响到码头的综合能力。所以，码头普遍使用智能道口实现24小时无人值守，以大幅提升道口的通行效率，单车过闸30秒左右即可通行。这样，在适应进出高峰车流量的同时可大幅缩减码头的道口数量。在这有限的道口配置下，道口软件需要更高的稳定性和可靠性，尽可能保证24小时全年无故障，即使故障出现后也能快速恢复正常，单个道口故障不影响到其他道口的正常作业。否则，道口通行效率会大幅降低，甚至彻底无法通行，很快就会进入排队拥堵状态，即使排故后也不会马上恢复畅通。这不仅影响码头自身的作业生产，也会对社会生活造成困扰和负面影响。

传统道口软件普遍采用单体架构，是因为结构简单，开发容易，部署成本低，只需一台服务器。但是服务程序里任何一个模块出现bug，就可能导致整个系统崩溃。即使单体架构上搭建一套主备结构（见图一），也只是缩短了恢复时间，系统仍然会崩溃，可靠性是不足的。

图一 主备结构下的单体架构

本发明采用分布式架构，将道口服务设计成分布式状态机，可以从根本上提升系统可靠性。

所谓分布式架构（Distributed Architecture），是指在组成集群的多台不同服务器中部署不同的服务模块，通过远程调用（Remote Procedure Call Protocol，简称RPC）和发布-订阅模式（Publish-Subscribe Pattern，简称Pub-Sub）进行协同工作，对外提供服务的服务架构。

所谓状态机（Finite State Machine）也被称为有限状态机，是一种用于模拟和表示系统行为的抽象计算模型。它由一组状态、一个初始状态、一组输入事件以及一组转换规则组成。系统可以在不同的状态之间进行转换，而每次转换都是由特定的事件触发。

本发明将道口服务设计成分布式状态机，以分布式服务的形式部署在分布式服务集群的服务容器（Host）中，利用分布式服务集群的服务注册与发现机制实现服务透明化。也就是说，客户端在访问道口服务时无需知道服务实例的具体网络地址，无需知道它们运行在哪台服务器上，而只需提供道口ID就可以访问得到。比如，可以约定用“一号道口”、“二号道口”等作为道口ID对道口服务实例进行命名、识别和寻址（见图二）。

图二 状态机模型下的分布式架构

分布式服务集群可以保证同一时间同一ID仅会有一个服务实例被激活，激活后不会主动释放，可持续被访问，除非发生崩溃，才会被自动切换到其他服务容器中激活，再继续被访问。也就是说，一个服务实例的崩溃不会影响到容器中其他服务实例的正常运行，单个道口的故障不会影响到其他道口的正常作业。这样，整个系统是非常稳定的，不容易发生整体性的崩溃，显著提升了道口软件系统的稳定性和可靠性（见图三）。

图三 具备容灾机制的分布式架构