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结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现

仇阿根 张杨 罗宁 赵习枝 刘佳澄 何望君

仇阿根, 张杨, 罗宁, 赵习枝, 刘佳澄, 何望君. 结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
引用本文: 仇阿根, 张杨, 罗宁, 赵习枝, 刘佳澄, 何望君. 结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
QIU Agen, ZHANG Yang, LUO Ning, ZHAO Xizhi, LIU Jiacheng, HE Wangjun. Design and Implementation of Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Micro-service Architecture and Middle Platform Concept[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
Citation: QIU Agen, ZHANG Yang, LUO Ning, ZHAO Xizhi, LIU Jiacheng, HE Wangjun. Design and Implementation of Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Micro-service Architecture and Middle Platform Concept[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124

结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现

doi: 10.13203/j.whugis20200124
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC0803101

国家重点研发计划 2016YFC0803109

国家重点研发计划 2019YFB2102503

中央引导地方科技发展专项 [2016]4009

详细信息
    作者简介:

    仇阿根,博士,副研究员,主要从事政务地理信息服务、信息资源整合、时空地理信息大数据、应急地理信息平台等方面的研究。qiuag@casm.ac.cn

    通讯作者: 赵习枝,博士。zxz@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P208

Design and Implementation of Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Micro-service Architecture and Middle Platform Concept

Funds: 

The National Key Research and Development Program of China 2016YFC0803101

The National Key Research and Development Program of China 2016YFC0803109

The National Key Research and Development Program of China 2019YFB2102503

Central Leading Local Science and Technology Development Special Foundation [2016]4009

More Information
    Author Bio:

    QIU Agen, PhD, associate professor, specializes in e-government geographic information service, information resource integration, spatial-temporal big data analysis, and emergency geographic information platform construction.qiuag@casm.ac.cn

    Corresponding author: ZHAO Xizhi, PhD.zxz@casm.ac.cn
  • 摘要: 减灾服务系统的建设对于科学防灾减灾具有重要作用,目前单体架构的减灾服务系统无法满足科学减灾、智能减灾的需求。设计了一种结合微服务架构和中台理念的一体化综合减灾智能服务系统框架。首先,通过分析中台理念的概念、微服务框架的特点及一体化综合减灾智能服务系统的概念和需求,总结了中台理念和微服务架构用于一体化综合减灾智能服务系统的优势。然后,提出了基于中台理念的系统架构设计,分为应用系统层、中台层、微服务层和基础设施层,重点介绍了中台层的模块和功能,同时介绍了基于微服务的系统架构实现路径。最后,介绍了基于所提框架实现中国西藏自治区突发事件地理信息服务平台的建设路径及系统功能。
  • 图  1  中台架构概念图

    Figure  1.  Concept of Middle Platform Architecture

    图  2  传统单体架构与微服务架构对比图

    Figure  2.  Comparison Between Traditional Single Architecture and Micro-service

    图  3  基于中台理念的一体化综合减灾智能服务系统架构

    Figure  3.  Architecture of Comprehensive Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Middle Platform Concept

    图  4  西藏自治区突发事件地理信息服务平台

    Figure  4.  Geographic Information Service Platform for Emergencies in Tibet Autonomous Region

    表  1  微服务架构在一体化综合减灾智能服务系统建设中的优势

    Table  1.   Advantages of Micro-service Architecture in Construction of Comprehensive Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System

    对比内容 普通单体架构 微服务架构 在一体化综合减灾平台构建中的优势
    耦合性 使得各个模块更加容易开发、理解和维护
    扩展性 支持快速完成新系统和新功能的开发
    独立性 提高部署效率,降低模块的升级成本
    容错性 单个模块出现故障不会导致整个系统不可用
    系统语言 单一语言 多种语言 可集成基于不同语言开发的应急减灾工具
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-29
  • 刊出日期:  2020-08-05

结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现

doi: 10.13203/j.whugis20200124
    基金项目:

    国家重点研发计划 2016YFC0803101

    国家重点研发计划 2016YFC0803109

    国家重点研发计划 2019YFB2102503

    中央引导地方科技发展专项 [2016]4009

    作者简介:

    仇阿根,博士,副研究员,主要从事政务地理信息服务、信息资源整合、时空地理信息大数据、应急地理信息平台等方面的研究。qiuag@casm.ac.cn

    通讯作者: 赵习枝,博士。zxz@casm.ac.cn
  • 中图分类号: P208

摘要: 减灾服务系统的建设对于科学防灾减灾具有重要作用,目前单体架构的减灾服务系统无法满足科学减灾、智能减灾的需求。设计了一种结合微服务架构和中台理念的一体化综合减灾智能服务系统框架。首先,通过分析中台理念的概念、微服务框架的特点及一体化综合减灾智能服务系统的概念和需求,总结了中台理念和微服务架构用于一体化综合减灾智能服务系统的优势。然后,提出了基于中台理念的系统架构设计,分为应用系统层、中台层、微服务层和基础设施层,重点介绍了中台层的模块和功能,同时介绍了基于微服务的系统架构实现路径。最后,介绍了基于所提框架实现中国西藏自治区突发事件地理信息服务平台的建设路径及系统功能。

English Abstract

仇阿根, 张杨, 罗宁, 赵习枝, 刘佳澄, 何望君. 结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
引用本文: 仇阿根, 张杨, 罗宁, 赵习枝, 刘佳澄, 何望君. 结合微服务和中台理念的减灾服务系统设计与实现[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
QIU Agen, ZHANG Yang, LUO Ning, ZHAO Xizhi, LIU Jiacheng, HE Wangjun. Design and Implementation of Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Micro-service Architecture and Middle Platform Concept[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
Citation: QIU Agen, ZHANG Yang, LUO Ning, ZHAO Xizhi, LIU Jiacheng, HE Wangjun. Design and Implementation of Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Micro-service Architecture and Middle Platform Concept[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(8): 1288-1295. doi: 10.13203/j.whugis20200124
  • 中国是一个灾害频发的国家,地震、洪水、地质灾害等自然灾害以及交通事故、建筑物火灾等人为灾害每年都会造成大量的人员伤亡和财产损失。科学防灾减灾具有重大意义[1]。为有效应对突发灾害,国内外多个地区建立了减灾应急相关的系统,如地质灾害监测和预警系统[2-4]、气象灾害监测和预警系统[4-6]、洪水灾害预警系统[7-8]、防洪调度系统[9]、应急指挥信息服务系统[10]等。

    随着减灾系统的不断建设,减灾智能服务也逐渐引起重视。智能服务指的是采用人工智能、知识图谱等新技术为减灾提供服务,最主要的减灾智能服务包括模型分析、可视化、智能制图、智能决策服务等。本文所指的一体化综合减灾智能服务系统定义为基于减灾应急相关的多源空间和属性数据,结合地图服务、空间模型分析、可视化、数据挖掘、智能匹配、知识图谱和应急主动推送服务等智能服务技术建设而成的综合性减灾系统,其目的在于为灾害的监测、分析、预警、响应与恢复提供及时的信息和科学的依据,为防灾减灾提供综合的支撑服务。

    就系统架构而言,目前的减灾服务系统多以单体系统的形式建设[2, 5, 7-9, 11],项目架构简单,前期开发成本低,运行在统一的服务环境中。但其存在可扩展性差、可靠性低、维护成本高、技术创新困难等问题,不适用于复杂系统的建设。为解决这些问题,面向服务的架构(service oriented architecture,SOA)被提出并得到广泛应用,一些减灾服务系统基于该架构建设而成[3-4, 10]。SOA架构是一种以服务为中心的体系结构,服务之间通过网络和接口调用,相互依赖并最终提供一系列的功能[12]。SOA架构提高了系统建设的灵活性和可扩展性。近年来,由阿里巴巴公司主要推广的中台理念开始流行。中台是相对于前台和后台而言的,是指将核心、公共、通用的数据、业务和技术封装为服务,达到可以复用的效果,快速实现前台提出的需求,避免重复建设。中台理念的实现需要搭建一个灵活快速应对变化的架构,往往通过微服务架构来实现。微服务架构是SOA架构的升华,其强调业务和功能彻底的组件化和服务化,将原有的多个业务系统拆分为多个可独立开发和运行的应用,最终形成高内聚、低耦合的系统架构。随着中台理念的提出和发展,微服务架构也得到越来越广泛的应用。

    已有研究分析了基于微服务架构的平台搭建方法[6, 13-15]。而中台理念多体现于大型互联网项目以及企业组织结构,使得项目更加便于扩展和维护,企业组织更有弹性和便于管理[16]

    一体化综合减灾智能服务系统功能复杂,需融合基于不同技术构建的智能化工具,而且需具备为突发灾害迅速构建新系统的能力。因此,本文提出结合中台理念和微服务架构设计减灾服务系统,不仅能满足针对新发生灾害的新系统建设及新功能的需求,还能缩短研发周期、提高业务系统开发效率、降低维护难度、节约升级成本,快速响应用户需求以及应对多用户高并发的场景,融合多种智能服务技术,使得防灾减灾服务更快捷、更高效、更实用。在国家重点研发计划项目“一体化综合减灾智能服务研究及应用”的支持下,设计并实现了微服务架构在减灾服务领域中的应用,为快速构建融合多种智能服务技术的减灾服务系统建设提供示范。

    • 中台架构可以理解为核心能力的复用平台,具有模块化、组件化、通用性的特点。如图 1所示,中台架构将前台稳定通用的业务、数据以及后台频繁变化或被前台直接使用的业务、数据等都提取到中台,可以包括业务中台、数据中台、技术中台、组织中台等,其目的在于解决在业务或者功能需求类似的情况下,系统重复开发、复用性低、开发效率低、无法快速迭代等问题,同时也提高了前台的响应力和后台的稳定性[17]。中台架构是一种系统建设的方法论,中台的落地往往借助微服务技术。

      图  1  中台架构概念图

      Figure 1.  Concept of Middle Platform Architecture

    • 微服务是指把单个应用按照业务从系统中分割出来,拆分成多个应用服务,每个应用服务可独立部署,服务与服务之间在轻量的通信机制基础上互相配合、互相协调形成完整的应用[18]。对比传统单体架构与微服务架构如图 2所示,可以发现传统架构中所有组件混合在一个进程中,存储在一个服务器上,当某个组件发生变化时,需要重新对所有组件进行编译、打包和上线,业务组件之间存在复杂的耦合关系。而微服务架构中,每个业务服务运行在单独的进程中,存储在独立的数据库中,可独立进行开发和维护,实现了单个服务高内聚、服务与服务之间低耦合的效果。

      图  2  传统单体架构与微服务架构对比图

      Figure 2.  Comparison Between Traditional Single Architecture and Micro-service

      系统微服务化后面临诸多挑战,如服务之间复杂的依赖关系、服务配置的管理、服务之间的负载均衡、服务的监控、服务的容错等,因此需要对服务进行治理。

      微服务的服务治理通常涉及以下几个方面:服务发现、服务配置、熔断、限流、负载均衡、服务调用链跟踪等。为有效解决微服务化后的服务治理问题,多种微服务框架被陆续提出。目前常用的微服务框架包括Dubbo、Spring Cloud、Service Mesh等。Dubbo是一个分布式服务治理框架,主要模块包括暴露服务的服务提供方、调用服务的服务消费方、服务注册与发现的注册中心、统计服务调用次数和调用时间的监控中心,以及服务的运行容器,并提供了集群容错和负载均衡的能力。Spring Cloud是一种专门针对微服务的框架,它将一系列组件进行了整合,包括服务发现注册、负载均衡、配置中心、断路器、数据监控、消息总线等。虽然Dubbo和Spring Cloud能在一定程度上解决微服务化后的服务治理问题,但Dubbo和Spring Cloud框架都需要对所有接入的服务引入组件并暴露相关服务,这增加了服务治理与服务之间的耦合度,当服务治理框架发生变化时,每个服务都需要升级。而William Morgan提出的Service Mesh的概念将服务治理与服务本身分开,采用边车模式,针对每个服务实例部署一个边车进程,负责该服务所有对外的网络通信。相对于Dubbo框架和Spring Cloud框架,该模式降低了服务治理与服务之间的耦合度,并且支持跨语言的服务调用[19-20]

    • 一体化综合减灾智能服务系统利用多源数据,融合人工智能、大数据、云计算、公共安全、知识图谱、快速定位、物联网等智能技术,在灾前、灾中、灾后各个阶段为管理人员、救援人员、公众等不同用户提供应急减灾服务,做到信息共享和协调联动,支撑应急减灾。

      一体化综合减灾智能服务系统对系统性能具有以下需求:考虑到灾害事件的突发性、减灾应急信息的复杂性和需求的多变性,系统需具备强可扩展性,能够在现有系统的基础上完成突发灾害受灾地区系统的建立,并根据救灾的实际需求扩展新数据的汇入和新功能的增加;需具有高开发效率,能够在短时间内完成系统的建设、数据汇聚和功能扩展;独立性强,新系统、新功能的建设不能对已有系统造成影响;技术兼容性高,多种智能服务工具可能采用不同的技术栈和程序语言开发,系统需能兼容这些智能服务工具;综合服务系统涉及多个子系统,核心功能和数据需具备复用的能力。

    • 表 1从系统的耦合性、扩展性、独立性、容错性和兼容的系统语言几个方面对微服务架构与传统单体架构进行对比,并结合一体化综合减灾智能服务系统的功能和性能需求,分析微服务架构在平台构建中的优势。相对于传统的单体框架,微服务框架具有支持多种语言、低耦合性、高扩展性、高独立性、高容错性、高开发效率的特点。基于微服务架构设计一体化综合减灾智能服务系统,不仅能满足多样的业务需求,还能缩短研发周期、提高业务系统开发效率,能够降低维护难度、节约升级成本,快速响应用户需求以及应对多用户高并发的场景,融合多种智能服务技术,使得防灾减灾服务更快捷、更高效、更实用。

      表 1  微服务架构在一体化综合减灾智能服务系统建设中的优势

      Table 1.  Advantages of Micro-service Architecture in Construction of Comprehensive Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System

      对比内容 普通单体架构 微服务架构 在一体化综合减灾平台构建中的优势
      耦合性 使得各个模块更加容易开发、理解和维护
      扩展性 支持快速完成新系统和新功能的开发
      独立性 提高部署效率,降低模块的升级成本
      容错性 单个模块出现故障不会导致整个系统不可用
      系统语言 单一语言 多种语言 可集成基于不同语言开发的应急减灾工具
    • 基于中台理念,并结合一体化综合减灾智能服务的业务需求,本文设计了一套功能丰富、便于扩展和迁移的一体化综合减灾智能服务系统架构,如图 3所示,系统自底而上分为基础设施层、微服务层、中台层和应用系统层。其中,基础设施层包括网络、存储、云计算等基础设施,为系统的整体运行提供支撑。微服务层为拆分到最小颗粒的系统功能,如地名地址匹配、投影转化、缓冲区分析、火灾蔓延模型等。中台层将系统的核心功能和基础数据进行提取和沉淀,形成场景化的功能模块,具有模块化、组件化和通用性的特点。中台层的模块功能通过微服务的相互调用、相互配合实现,如室内外一体化定位模块,由基于无线网(WiFi)/蓝牙(iBeacon)的室内导航定位、全球导航卫星系统/惯性导航系统(global navigation satellite system/inertial navigation system,GNSS/INS)组合导航、定位数据存储等微服务组合实现。

      图  3  基于中台理念的一体化综合减灾智能服务系统架构

      Figure 3.  Architecture of Comprehensive Integrated Disaster Reduction Intelligent Service System Based on Middle Platform Concept

      一体化综合减灾智能服务系统共涉及数据中台、地图中台和应急减灾服务中台等3个中台。数据中台为核心数据和数据管理、服务工具的沉淀,包括数据仓库、数据服务和数据资产管理模块。其中,数据仓库是面向主题的多个结构化和非结构化数据库的集成,存储了应急减灾所需的核心数据,如基础地理数据、社会经济统计数据、历史灾情数据等;数据服务模块为数据的发布和使用提供支撑,如数据发布、数据计算、数据可视化和数据统计;数据资产管理模块为数据的管理提供支撑,包括元数据、数据资产分析、数据资产应用等。

      地图中台为系统提供通用的地图功能,包括地图匹配、地图显示、地图查询、空间分析、自适应制图等。其中,地图显示模块提供矢量、栅格、三维等多种形式地图的加载和显示功能;地图查询模块包括地图空间查询、属性查询等功能;应急自适应制图模块包括需求导向的制图知识规则库、数据驱动的动态专题符号库以及数据驱动的应急自适应制图功能,模块提供专业制图模板、自定义模板和丰富的制图符号,实现各类专题要素、统计要素服务集成,用户可根据需求快速成图、出图。

      应急减灾服务中台集合了多种应急减灾服务模块,主要包括智能预案、智能用户管理、减灾数据自动整合、灾害损失评估模型、灾害预测模型、智能推送、三维建模与可视化、室内外一体化定位等。这些模块为应急减灾提供综合、智能化的支撑。例如,智能预案根据灾害类型、级别、空间位置、地理环境、社会经济环境等信息自动生成对应的应急预案,并支撑多客户端的实时协同会商,实现救援路线规划、应急避难场所选择、救援方案制定等多专家在线评估;减灾数据自动整合模块提供多源减灾相关数据的整合方法,包括基于语义的整合和基于位置的整合两种方式,并基于知识图谱将数据进行知识化集成,使业务应用层快速获取和利用有效信息;室内外一体化定位模块综合了室内、室外高精度定位方法以及应急自适应快速组网定位等方法,支持用户自身定位并获取灾害现场人员、车辆、物资等的位置及相关信息;三维建模与可视化模块包括灾害场景自适应建模和灾害场景增强表达功能,该模块不仅可以实现灾害人员、车辆位置等信息的可视化,还可以模拟人员逃生过程、加强灾害场景真实感表达甚至重建灾害现场三维场景等;灾害预测模型和灾害损失评估模块分别提供了灾前和灾后两个阶段多种典型灾害预测和损失评估模型;智能推送模块基于知识图谱实现对应急管理人员、救援人员和公众等不同用户的个性化信息推荐。这些模块相互配合以实现一体化的综合智能减灾。

      应用系统层为具体的减灾系统或子系统,根据应急减灾的不同阶段和不同用户的具体需求,由不同的中台模块组合实现。以灾害预测预警系统和救援现场信息上报系统为例,前者主要在灾害发生前对可能发生的灾害进行预测,其用户为政府和专业机构的管理人员。因此,该系统主要依托数据中台、地图中台以及应急减灾服务中台的减灾数据自动整合、三维建模与可视化、灾害预测模型、智能预案、智能推送等模块实现对潜在灾害的预测、灾害场景的模拟、预案制定以及信息的推送。而救援现场信息上报系统的主要功能为支撑现场救援人员上报现场灾情、人员伤亡等信息,因此综合了室内外一体化定位、信息上报、智能推送、智能用户管理等模块。

    • 一体化综合减灾智能服务系统的具体功能均以微服务的形式实现,如地名地址空间化匹配、火灾蔓延模型、基于WiFi/iBeacon的室内导航定位等,如图 3所示。这些服务相互调用、相互配合形成业务中台的业务功能。

      本文基于Service Mesh实现微服务的统一管理和精确治理。Service Mesh针对每个业务服务实例部署一个通信代理,负责该服务所有对外的网络通信,包括服务的发现与被发现。这种结构设计实现了每个服务独立开发、独立存储的进程,并使减灾智能服务治理不再与业务代码融合在一起,与上层业务解耦,对业务代码无侵入。此外,该框架不仅仅对J2EE架构进行支持,而且还整合了第三方的C++、DotNet、PHP、Python等异构语言服务,支持基于多种语言开发微服务。同时,在减灾智能服务里实现了服务熔断、服务限流微服务治理功能,保障了系统的稳定性。

    • 本文基于上述框架设计了西藏自治区突发事件地理信息服务平台。通常建设此类系统的方式包括重新开始建立系统,或将其他系统进行迁移改建。传统方式开发的系统耦合性高、可扩展性低,迁移改建需要进行很大改动,难以在时间上和功能上满足业务需求。本文基于中台理念和微服务架构建设西藏自治区突发事件地理信息服务平台,该系统为一体化综合减灾智能服务系统的实例化,主要功能依托一体化综合减灾智能服务系统的数据中台、地图中台和应急减灾服务中台实现,系统采用微服务架构,具体功能均以微服务的形式存在。系统界面如图 4所示。

      图  4  西藏自治区突发事件地理信息服务平台

      Figure 4.  Geographic Information Service Platform for Emergencies in Tibet Autonomous Region

      具体地,数据中台为系统提供了基础数据及数据资产管理、数据服务功能。地图中台支撑系统实现基础地图浏览、行政区划导航、地名查询、路线规划、各种地图量算和查询工具、全区地名和兴趣点(point of interest,POI)查询等基础地图功能,以及城市三维模型地图浏览、重要目标三维模型等三维模型浏览功能。同时,应急减灾服务中台为系统提供了一系列的应急分析模型,包括地质灾害风险预测、救援路径分析、应急避难选址分析、危险域分析、洪水淹没分析等分析模型,为应急处置决策提供辅助工具。

      此外,本文还建设了手机端的便携式应急测绘服务系统,提供基础地图浏览、综合信息查询、应急专题信息服务等功能。

    • 本文通过分析微服务框架的特点及一体化综合减灾智能服务系统的需求,总结了微服务架构应用于一体化综合减灾智能服务系统的优势;基于中台理念和微服务思想设计一体化综合减灾智能服务系统,实现了业务架构和技术架构的设计。基于上述框架,本文实现了西藏自治区突发事件地理信息服务平台的建设,可为减灾系统的构建提供参考。

参考文献 (20)

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