基于微服務(wù)架構(gòu)的三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

汪璐，王前，司馬俊杰，張棟

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

0 引言

現(xiàn)有三峽通航調(diào)度系統(tǒng)于2014年建成投運(yùn)，系統(tǒng)涵蓋了申報(bào)、安檢、到錨等七大主要功能，實(shí)現(xiàn)了兩壩船閘及升船機(jī)“一次申報(bào)、統(tǒng)一計(jì)劃、統(tǒng)一調(diào)度、分壩實(shí)施”的無縫調(diào)度指揮，切實(shí)提高了船舶過閘效率，保障了通航安全。隨著近年來三峽通航形勢(shì)的變化，三峽通航管理部門、過壩船舶以及社會(huì)各界對(duì)通航調(diào)度提出了更高的要求，為切實(shí)推動(dòng)三峽通航高質(zhì)量發(fā)展，順應(yīng)通航發(fā)展新形勢(shì)，提升船方過壩體驗(yàn)、提高過壩效率，三峽通航管理部門在現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)上，著手三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)研究工作[1]。

三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)涉及多方面內(nèi)容，如系統(tǒng)主要功能模塊的需求、核心功能的模型與算法、信息采集方式等，是一個(gè)系統(tǒng)性工程，本文主要研究系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)。

1 微服務(wù)架構(gòu)概況

微服務(wù)架構(gòu)是一項(xiàng)在云中部署應(yīng)用和服務(wù)的新技術(shù)，基本思想在于考慮圍繞業(yè)務(wù)領(lǐng)域組件來創(chuàng)建應(yīng)用，這些應(yīng)用可獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)、管理和加速。在分散的組件中使用微服務(wù)云架構(gòu)和平臺(tái)，可使部署、管理和服務(wù)功能交付變得更簡單。

微服務(wù)架構(gòu)的關(guān)鍵在于該服務(wù)可以在自己的程序中運(yùn)行。基于此可將服務(wù)公開與微服務(wù)架構(gòu)（在現(xiàn)有系統(tǒng)中分布一個(gè)API）區(qū)分開來。在服務(wù)公開中，許多服務(wù)都可以被內(nèi)部獨(dú)立進(jìn)程所限制。如果其中任何一個(gè)服務(wù)需要增加某種功能，就必須縮小進(jìn)程范圍。在微服務(wù)架構(gòu)中，只需在特定的某種服務(wù)中增加所需功能，而不影響整體進(jìn)程的架構(gòu)[2]。

因此，在三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)中采用微服務(wù)架構(gòu)，有利于在同一個(gè)綜合性系統(tǒng)中充分實(shí)現(xiàn)三峽通航調(diào)度組織、安全監(jiān)管、信息服務(wù)等功能，同時(shí)有利于在通航管理規(guī)定、業(yè)務(wù)流程變更時(shí)對(duì)系統(tǒng)的某項(xiàng)功能進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造，符合遠(yuǎn)期三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展需求。

2 三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)框架的構(gòu)建

三峽智能通航調(diào)度系統(tǒng)在遵循三峽通航管理局現(xiàn)有規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)（應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)中心）的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象、水文、通航環(huán)境實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)三峽調(diào)度水域自動(dòng)化、智能化通航調(diào)度組織與安全監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、船舶申報(bào)、智能計(jì)劃、船舶安檢、錨泊管理、計(jì)劃執(zhí)行、船舶進(jìn)程管理及預(yù)警、信號(hào)控制、疑似問題船舶甄別與處理、統(tǒng)計(jì)分析、信息服務(wù)及管理、信息集中動(dòng)態(tài)展示、綜合查詢、日志及接口管理等功能，完成船舶過壩申報(bào)、到錨排序、“三位一體”智能化調(diào)度方案生成、自動(dòng)錨泊、遠(yuǎn)程智能安檢、通航調(diào)度信息發(fā)布、自動(dòng)化發(fā)航、計(jì)劃執(zhí)行與計(jì)劃調(diào)整等一系列業(yè)務(wù)處理。三峽智能通航調(diào)度系統(tǒng)通過構(gòu)建規(guī)范的整體流程，確定了先計(jì)劃后安檢的模式，實(shí)現(xiàn)了船舶申報(bào)后可預(yù)期并細(xì)化了聯(lián)控調(diào)度的組織工作。

在確定船舶過壩整體流程的基礎(chǔ)上，在三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)中構(gòu)建以下基本功能模塊。

（1）通航業(yè)務(wù)模塊

該模塊主要用于與船舶過壩直接相關(guān)的功能的實(shí)現(xiàn)，包括船舶申報(bào)、錨泊、安檢、計(jì)劃、過閘等，由通航業(yè)務(wù)服務(wù)對(duì)象使用。

（2）通航管理模塊

該模塊為保障船舶過壩秩序、統(tǒng)計(jì)船舶過壩效益等工作而設(shè)立，主要由通航管理部門來使用。具體功能包括：對(duì)船舶航行實(shí)際情況偏離業(yè)務(wù)流程的船舶進(jìn)行提醒、糾正；對(duì)疑似違法、違規(guī)、違章以及不誠信的船舶進(jìn)行篩選、認(rèn)定及處理；對(duì)通航調(diào)度組織產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、應(yīng)用、展示；展示樞紐運(yùn)行實(shí)際情況。

（3）服務(wù)需求模塊

該模塊聚焦于為實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度業(yè)務(wù)，在智能調(diào)度系統(tǒng)之外需增加的服務(wù)需求，主要分為信息采集需求和信息處理和服務(wù)需求等，主要用于為通航業(yè)務(wù)模塊和通航管理模塊的功能實(shí)現(xiàn)提供支撐。

（4）其他系統(tǒng)運(yùn)行模塊

該類模塊是指數(shù)字化的系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，為保障系統(tǒng)正常有序運(yùn)行而設(shè)的模塊，如用戶管理、日志記錄等，為系統(tǒng)通用模塊。

三峽調(diào)度系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，各模塊之間基本相互獨(dú)立，松耦合，各模塊、系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)都通過數(shù)據(jù)交換平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，除像申報(bào)、到錨等直接關(guān)聯(lián)內(nèi)外網(wǎng)的業(yè)務(wù)處理可以進(jìn)行模塊間通信外，其余業(yè)務(wù)都通過數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)框架圖

3 三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)通過對(duì)船舶過閘全過程的梳理，理順過程中各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系，圍繞業(yè)務(wù)領(lǐng)域組件來創(chuàng)建應(yīng)用，這些應(yīng)用可獨(dú)立地進(jìn)行開發(fā)、管理和加速。在分散的組件中使用微服務(wù)云架構(gòu)和平臺(tái)，使部署、管理和服務(wù)功能交付變得更簡單，通過將應(yīng)用和服務(wù)分解成更小的、松散耦合的組件，使其更容易升級(jí)和擴(kuò)展，并采用成熟的三層應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、用戶展示相分離，利于系統(tǒng)橫向縱向擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能動(dòng)態(tài)提升、資源動(dòng)態(tài)擴(kuò)展等?；谖⒎?wù)架構(gòu)的三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)的三層應(yīng)用具體如下。

（1）展示層

根據(jù)不同業(yè)務(wù)特性選擇不同的技術(shù)路線，對(duì)于一線操作人員，提供基于江圖可視化的人機(jī)交互操作界面和數(shù)據(jù)集中展示的表格化UI界面；對(duì)于管理者，提供自定義的二維統(tǒng)計(jì)途徑，獲取多維度數(shù)據(jù)信息；對(duì)于指揮中心集中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容，則采用業(yè)界常用的BI可視化工具，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一站式大屏展示[3]。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層

基于微服務(wù)架構(gòu)的理念，三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)核心業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行拆分，將原來大而全的單進(jìn)程架構(gòu)按照業(yè)務(wù)模塊拆分成可獨(dú)立部署的應(yīng)用程序，以達(dá)到平滑系統(tǒng)更新、升級(jí)，方便負(fù)載擴(kuò)展的目的。

考慮到三峽通航智能調(diào)度全流程自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有區(qū)域聯(lián)動(dòng)控制計(jì)劃、安檢計(jì)劃、過壩計(jì)劃“三合一”，形成“一根主線”+“多個(gè)業(yè)務(wù)分支”的模式?！耙桓骶€”即過閘滾動(dòng)計(jì)劃，“多個(gè)業(yè)務(wù)分支”即滾動(dòng)預(yù)計(jì)劃、安檢計(jì)劃、錨地指泊、過閘安檢、過壩計(jì)劃、調(diào)度發(fā)航及閘次運(yùn)行。因此，根據(jù)各業(yè)務(wù)流程環(huán)節(jié)的特性，采用多任務(wù)調(diào)度中心的形式，拆分核心業(yè)務(wù)層，通過消息隊(duì)列組件確保各環(huán)節(jié)能自動(dòng)銜接流轉(zhuǎn)。主要包括一個(gè)任務(wù)控制中心和多個(gè)業(yè)務(wù)處理中心，即多任務(wù)調(diào)度控制中心和業(yè)務(wù)服務(wù)處理中心、調(diào)度規(guī)則中心、調(diào)度數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、數(shù)據(jù)分析中心、監(jiān)控告警中心等多個(gè)業(yè)務(wù)處理中心。業(yè)務(wù)邏輯層的任務(wù)控制中心和業(yè)務(wù)處理中心架構(gòu)如圖2所示。

圖2 三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯層架構(gòu)圖

采用dubbo微服務(wù)架構(gòu)，還支持服務(wù)治理、負(fù)載均衡等功能。這樣不僅可提高系統(tǒng)的可用性，還能動(dòng)態(tài)提升系統(tǒng)應(yīng)用層的性能。如業(yè)務(wù)處理中心的自動(dòng)計(jì)劃編排入庫業(yè)務(wù)非常繁忙，占用較多的CPU和內(nèi)存資源，可另外加一臺(tái)機(jī)器，單獨(dú)再部署一個(gè)自動(dòng)計(jì)劃編排服務(wù)，使得整個(gè)系統(tǒng)有自動(dòng)計(jì)劃編排服務(wù)在同時(shí)工作，平衡負(fù)載[4]。

根據(jù)該系統(tǒng)構(gòu)架，業(yè)務(wù)邏輯層通過調(diào)度數(shù)據(jù)中心接收各項(xiàng)船舶及調(diào)度相關(guān)信息，結(jié)合其他方式采集的相關(guān)信息，通過調(diào)度規(guī)則中心和業(yè)務(wù)處理中心進(jìn)行處理，通過科學(xué)的計(jì)劃編制算法來實(shí)現(xiàn)“三合一”滾動(dòng)計(jì)劃的編制工作。

（3）數(shù)據(jù)層

隨著調(diào)度業(yè)務(wù)的不斷變化，單純的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)已不能滿足業(yè)務(wù)需求，隨著非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的引入，數(shù)據(jù)層需要考慮數(shù)據(jù)庫瓶頸。大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)查詢表連接邏輯充斥整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫垂直拆分成功的關(guān)鍵就是如何重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層各模塊相互耦合的問題。

4 三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)的整體表現(xiàn)

基于微服務(wù)架構(gòu)的智能調(diào)度系統(tǒng)的具體表現(xiàn)包括：

（1）計(jì)劃編制全智能：系統(tǒng)根據(jù)通航環(huán)境、建筑物運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)管理規(guī)則的應(yīng)用，自動(dòng)編制閘次框架，并將待閘船舶納入框架內(nèi)，形成完整的計(jì)劃內(nèi)容，涵蓋聯(lián)動(dòng)控制預(yù)計(jì)劃、安檢計(jì)劃、過壩計(jì)劃等方面，并根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況智能滾動(dòng)。

（2）調(diào)度監(jiān)管全智能：通過智能發(fā)布調(diào)度（航行）指令實(shí)現(xiàn)智能指揮（進(jìn)出閘指揮、通行信號(hào)揭示）、智能發(fā)航、智能錨泊等服務(wù)，并跟蹤各項(xiàng)進(jìn)程中的船舶航行情況，實(shí)現(xiàn)助航、監(jiān)管等服務(wù)。

（3）通航調(diào)度范圍全線條：實(shí)現(xiàn)船舶過壩申報(bào)水域范圍無限延伸，取消區(qū)域限制。

（4）聯(lián)動(dòng)控制和安全管控全鏈條：實(shí)現(xiàn)“船舶從港口出港申報(bào)→聯(lián)動(dòng)控制沿途海事管控→過閘安檢→調(diào)度發(fā)航→過閘指揮”的全程聯(lián)動(dòng)，有效銜接。

（5）通航環(huán)境和通航建筑物運(yùn)行信息全感知：通過圖像識(shí)別、傳感器應(yīng)用和對(duì)接其他管理部門信息實(shí)現(xiàn)水文氣象、外圍港口數(shù)據(jù)、船流動(dòng)態(tài)、船閘工況、航道通航、應(yīng)急救援等信息的全方位感知。

（6）通航數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計(jì)全覆蓋：建立調(diào)度數(shù)據(jù)分中心，實(shí)現(xiàn)通航管理集中采集，生成的所有動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

（7）通航動(dòng)態(tài)管理全適時(shí)：通過數(shù)據(jù)分析中心，適時(shí)研判通航要素，集中展示轄區(qū)運(yùn)行態(tài)勢(shì)。

5 結(jié)語

三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)在滿足計(jì)劃編制全智能、調(diào)度監(jiān)管全智能、通航調(diào)度范圍全線條、聯(lián)動(dòng)控制和安全管控全鏈條、通航環(huán)境和通航建筑物運(yùn)行信息全感知、通航數(shù)據(jù)管理及統(tǒng)計(jì)全覆蓋、通航動(dòng)態(tài)管理全適時(shí)等智能化功能需求的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)開發(fā)角度考慮，新開發(fā)設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)要不斷適應(yīng)通航形勢(shì)的變化和用戶的需求變化，保證有更新升級(jí)空間。本文研究采用微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行三峽通航智能調(diào)度系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各功能模塊在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以“插拔”，功能模塊間除必要業(yè)務(wù)聯(lián)系和邏輯關(guān)系外，基本處于一種松耦合狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)交換集中在調(diào)度數(shù)據(jù)分中心內(nèi)，對(duì)外數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一由調(diào)度數(shù)據(jù)分中心執(zhí)行，適應(yīng)當(dāng)前通航管理部門對(duì)智能調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)需求。