基于微服務(wù)的內(nèi)河船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王永興

一、引言

為遏制船舶在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的非法排放污染物行為，依據(jù)《中華人民共和國(guó)防治船舶污染內(nèi)河水域環(huán)境管理規(guī)定》等法規(guī)，各省、市和地區(qū)相繼開(kāi)展了船舶污染物的接收轉(zhuǎn)運(yùn)處置機(jī)制、技術(shù)和管理等方面的研究[1-5]，并制定了相關(guān)制度。

船舶污染物轉(zhuǎn)移聯(lián)單制度雖然正在各地逐步建立，但目前仍以紙質(zhì)聯(lián)單為主，電子聯(lián)單等信息化監(jiān)管手段應(yīng)用有限，未實(shí)現(xiàn)多部門(mén)互聯(lián)互通監(jiān)管模式。2019年，交通運(yùn)輸部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于建立完善船舶水污染物轉(zhuǎn)移處置聯(lián)合監(jiān)管制度的指導(dǎo)意見(jiàn)》，明確指出“鼓勵(lì)各地建立船舶水污染物轉(zhuǎn)移處置監(jiān)管信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)‘電子單證’流轉(zhuǎn)”。因此利用先進(jìn)的信息化技術(shù)構(gòu)建船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)，是推進(jìn)落實(shí)船舶污染物聯(lián)合監(jiān)管制度和規(guī)定的關(guān)鍵。

2020年，為了全面推進(jìn)長(zhǎng)江干線船舶水污染物“零排放”治理模式，長(zhǎng)江航務(wù)管理局主導(dǎo)研發(fā)了“長(zhǎng)江干線船舶水污染物聯(lián)合監(jiān)管與服務(wù)信息系統(tǒng)”，向長(zhǎng)江沿線省市的船舶和污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)、處置單位提供統(tǒng)一便捷的線上服務(wù)，形成了數(shù)字監(jiān)管和多部門(mén)共建共治共享的新格局。船員通過(guò)APP即可實(shí)現(xiàn)一鍵預(yù)約船舶污染物的接收，極大提高了船員交付污染物的便利性和積極性。

廣西內(nèi)河航運(yùn)發(fā)達(dá)，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)綠色發(fā)展，廣西海事局、交通廳、環(huán)境保護(hù)廳等聯(lián)合發(fā)布了《廣西壯族自治區(qū)船舶污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)及處置聯(lián)單制度和聯(lián)合監(jiān)管制度》，對(duì)船舶污染物分類、船舶污染物接收轉(zhuǎn)運(yùn)處置流程和聯(lián)單以及各部門(mén)監(jiān)管職責(zé)等做出了規(guī)定。但廣西在船舶污染物監(jiān)管方面存在污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)和處置設(shè)施能力不足，環(huán)保意識(shí)較為薄弱等問(wèn)題，同時(shí)還缺乏有效的船舶污染物協(xié)同監(jiān)管手段。針對(duì)廣西船舶污染物聯(lián)合監(jiān)管需求和缺乏有效的信息化系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文借鑒長(zhǎng)江模式，遵循廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用架構(gòu)的統(tǒng)一規(guī)劃，基于微服務(wù)和微前端架構(gòu)，對(duì)船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)，以提升船舶污染物的監(jiān)管力度和污染物處理的服務(wù)水平。

二、船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）業(yè)務(wù)流程

根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)船舶污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)及處置聯(lián)單制度和聯(lián)合監(jiān)管制度》要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程。系統(tǒng)將利用微信小程序等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船舶污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)和處置全過(guò)程的“電子聯(lián)單”流轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)管、智能預(yù)警提醒和統(tǒng)計(jì)分析等功能，完成各部門(mén)對(duì)船舶污染物的協(xié)同閉環(huán)監(jiān)管。

圖1 船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

（1）船舶污染物接收。船主可通過(guò)手機(jī)端程序在電子航道圖上選擇污染物回收站（船）或者掃描其二維碼填報(bào)污染物種類和數(shù)量，雙方確認(rèn)后生成“污染物接收電子聯(lián)單”記錄，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)該船舶產(chǎn)生的污染物進(jìn)行跟蹤和監(jiān)管。

（2）船舶污染物轉(zhuǎn)運(yùn)。船舶污染物回收站（船）可在手機(jī)端程序上的列表中或掃描二維碼選擇相應(yīng)有資質(zhì)的運(yùn)輸單位或企業(yè)，匯總多船的同類污染物后生成“污染物轉(zhuǎn)運(yùn)處置電子聯(lián)單”。運(yùn)輸方完善負(fù)責(zé)人和運(yùn)送時(shí)間等信息，雙方確認(rèn)后更新“污染物轉(zhuǎn)運(yùn)處置電子聯(lián)單”。

（3）船舶污染物處置。運(yùn)輸方于手機(jī)端程序上的列表中或掃描二維碼選擇有資質(zhì)的污染物處置單位，完善交接人員、交接地點(diǎn)和時(shí)間等信息，經(jīng)雙方確認(rèn)后更新“污染物轉(zhuǎn)運(yùn)處置電子聯(lián)單”。

（4）電子預(yù)警與協(xié)同監(jiān)督。系統(tǒng)根據(jù)船舶噸位和配員情況建立運(yùn)輸船舶的污染物排放周期模型，并根據(jù)船舶運(yùn)營(yíng)情況和污染物接收記錄，對(duì)超周期未進(jìn)行污染物回收的船舶進(jìn)行預(yù)警。海事局可結(jié)合視頻和AIS記錄對(duì)船舶違規(guī)行為進(jìn)行取證，作為后期處罰依據(jù)。港航發(fā)展中心、住建廳和環(huán)保廳可通過(guò)系統(tǒng)從空間、時(shí)間和類型等多種維度查看全自治區(qū)船舶污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)和處置記錄以及各種違規(guī)及預(yù)警的統(tǒng)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)多部門(mén)協(xié)同監(jiān)管。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廣西船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)遵循廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的靈活性和可用性，以便集成到為民辦實(shí)事的統(tǒng)一平臺(tái)中?；谖⒎?wù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。廣西船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)集成在統(tǒng)一的數(shù)字港航一體化應(yīng)用架構(gòu)中，在其基礎(chǔ)平臺(tái)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層和應(yīng)用生態(tài)層中關(guān)聯(lián)的模塊分別如下：（1）基礎(chǔ)平臺(tái)層。涉及航道測(cè)量、視頻監(jiān)控、AIS基站和航標(biāo)RTU，獲取外場(chǎng)感知的航道和船舶信息。（2）業(yè)務(wù)服務(wù)層。在數(shù)據(jù)中臺(tái)涉及航道圖、視頻、船舶、污染物、單位和用戶等數(shù)據(jù)，主要由達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管控、數(shù)據(jù)搜索和數(shù)據(jù)挖掘等功能；在業(yè)務(wù)中臺(tái)涉及的微服務(wù)包括單點(diǎn)統(tǒng)一登錄、航道圖顯示、船舶監(jiān)控、污染物接收轉(zhuǎn)運(yùn)和處置電子聯(lián)單、單據(jù)加密、船舶污染物跟蹤、電子預(yù)警和違規(guī)取證、視頻監(jiān)控、目標(biāo)檢測(cè)和時(shí)空統(tǒng)計(jì)等，并通過(guò)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)服務(wù)編排、服務(wù)調(diào)用、資源權(quán)限和服務(wù)監(jiān)控管理。（3）應(yīng)用生態(tài)層。船舶污染物監(jiān)管應(yīng)用基于一張圖（地圖與電子航道圖融合）構(gòu)建，集成于數(shù)字港航一體化應(yīng)用生態(tài)圈，可與港航運(yùn)行檢測(cè)系統(tǒng)和港航公眾服務(wù)系統(tǒng)等無(wú)縫融合；可利用Web網(wǎng)站、數(shù)字港航APP和微信小程序進(jìn)行訪問(wèn)和交互，同時(shí)為第三方提供交互接口；可根據(jù)用戶權(quán)限為其他港航企事業(yè)單位提供被授權(quán)的微服務(wù)API訪問(wèn)能力。

圖2 船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

三、船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

廣西船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)主要包括應(yīng)用生態(tài)層和業(yè)務(wù)服務(wù)層，應(yīng)用生態(tài)層主要利用基于HTML5、VUE等核心技術(shù)的微前端架構(gòu)，業(yè)務(wù)服務(wù)層則主要利用基于Nacos、Spring Boot和Spring Cloud等核心技術(shù)的微服務(wù)架構(gòu)，圖3顯示了整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)。

（一）微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)包括網(wǎng)關(guān)、服務(wù)注冊(cè)中心、用戶認(rèn)證服務(wù)中心、微服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和搜索引擎等。網(wǎng)關(guān)包括基于Nginx的流量網(wǎng)關(guān)以及基于Spring Cloud Gateway實(shí)現(xiàn)的微服務(wù)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，Gateway是整個(gè)微服務(wù)API請(qǐng)求的入口，實(shí)現(xiàn)用戶的驗(yàn)證登錄和權(quán)限控制，并與Nginx和Sentinel配合實(shí)現(xiàn)限流、熔斷和負(fù)載均衡等功能。

各微服務(wù)模塊包括用戶統(tǒng)一登錄服務(wù)、船舶信息服務(wù)、污染物信息服務(wù)、電子航道圖服務(wù)、電子聯(lián)單服務(wù)等基于Spring Boot實(shí)現(xiàn)，它們?cè)诜?wù)注冊(cè)中心注冊(cè)服務(wù)實(shí)例并獲取動(dòng)態(tài)配置與服務(wù)列表。服務(wù)注冊(cè)中心基于Nacos實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)、配置和管理，其整合Spring Boot Admin實(shí)現(xiàn)各個(gè)微服務(wù)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

圖3 船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

用戶認(rèn)證服務(wù)中心基于OAuth 2.0實(shí)現(xiàn)，當(dāng)從網(wǎng)關(guān)接收到用戶登錄請(qǐng)求后，其從用戶統(tǒng)一登錄微服務(wù)獲取用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證，生成JWT（Json Web Token）令牌返回給用戶，令牌攜帶用戶信息和有效時(shí)間；當(dāng)用戶再次發(fā)送請(qǐng)求時(shí)攜帶JWT令牌，Gateway網(wǎng)關(guān)直接從JWT獲取用戶信息進(jìn)行鑒權(quán)，實(shí)現(xiàn)高效的安全認(rèn)證。

在數(shù)據(jù)中臺(tái)，船舶污染物監(jiān)管相關(guān)數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)在達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，結(jié)合高速緩存內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis滿足實(shí)時(shí)的高并發(fā)需求。同時(shí)，利用Logstash從數(shù)據(jù)庫(kù)采集數(shù)據(jù)存入分布式的ElasticSearch索引庫(kù)，利用其高效的全文搜索引擎滿足時(shí)空統(tǒng)計(jì)等微服務(wù)對(duì)大范圍歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確查詢和時(shí)空分析的需求。

（二）微前端架構(gòu)

廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用生態(tài)圈主要基于基座模式的微前端架構(gòu)開(kāi)發(fā)。微前端類似微服務(wù)架構(gòu)，將前端應(yīng)用由單一的單體應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)小型前端應(yīng)用的聚合，各個(gè)前端應(yīng)用可獨(dú)立開(kāi)發(fā)和部署，然后由一個(gè)主應(yīng)用基座進(jìn)行管理并作為系統(tǒng)的統(tǒng)一入口。廣西船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)作為一個(gè)主要業(yè)務(wù)模塊，遵循統(tǒng)一的微前端框架約定方案，主要利用H5和Vue進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別形成基于小程序和Web的微應(yīng)用系統(tǒng)嵌入基座并由基座路由加載。

（三）系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用微服務(wù)和微前端架構(gòu)，具有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，不僅方便系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和部署，而且當(dāng)檢測(cè)到某些微服務(wù)的訪問(wèn)壓力比較大時(shí)可以動(dòng)態(tài)增加微服務(wù)的實(shí)例數(shù)量，進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)容。例如：當(dāng)Gateway網(wǎng)關(guān)微服務(wù)的訪問(wèn)壓力較大時(shí)，可增加Gateway的實(shí)例數(shù)量，新增的實(shí)例會(huì)自動(dòng)注冊(cè)到Nacos服務(wù)中心，并由Nacos根據(jù)相應(yīng)的策略動(dòng)態(tài)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按需擴(kuò)容，極大地方便了系統(tǒng)的維護(hù)。

四、船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）小程序

船舶污染物監(jiān)管小程序主要面向現(xiàn)場(chǎng)用戶，包括營(yíng)運(yùn)船舶、污染物回收船舶（站點(diǎn)）、轉(zhuǎn)運(yùn)車輛以及污染物處置單位人員。小程序包含在廣西港航一體化應(yīng)用APP基座中，也可通過(guò)微信小程序入口調(diào)用，圖4顯示了小程序的系統(tǒng)界面。船舶用戶可方便地通過(guò)APP或者微信小程序直接進(jìn)行污染物接收申請(qǐng)，同時(shí)可得到及時(shí)預(yù)警提醒并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢。污染物接收單位、轉(zhuǎn)運(yùn)單位和處置單位工作人員同樣可以通過(guò)APP或小程序方便地對(duì)污染物轉(zhuǎn)運(yùn)和處置過(guò)程進(jìn)行確認(rèn)和跟蹤，形成最終電子聯(lián)單，圖5為船舶污染物轉(zhuǎn)運(yùn)和處置過(guò)程的小程序界面。

圖4 船舶污染物監(jiān)管小程序系統(tǒng)界面

圖5 船舶污染物轉(zhuǎn)運(yùn)和處置過(guò)程小程序系統(tǒng)界面

（二）Web監(jiān)管系統(tǒng)

船舶污染物Web監(jiān)管系統(tǒng)主要面向海事、港航發(fā)展中心、環(huán)衛(wèi)以及船舶公司等管理用戶，提供協(xié)同監(jiān)管工作臺(tái)。圖6為其系統(tǒng)界面，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)包括船舶污染物接收、轉(zhuǎn)運(yùn)、處置的數(shù)據(jù)監(jiān)控與電子聯(lián)單管理，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)大屏，預(yù)警違規(guī)處理，通知公告以及車船、單位和用戶管理等功能，在統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各管理方的協(xié)同監(jiān)管。

五、結(jié)語(yǔ)

圖6 船舶污染物W eb監(jiān)管系統(tǒng)界面

依據(jù)廣西數(shù)字港航一體化應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)，基于微服務(wù)和微前端架構(gòu)，綜合利用電子航道圖、視頻檢測(cè)和時(shí)空分析等技術(shù)，設(shè)計(jì)了廣西船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)。其將在廣西全面推廣，以提升廣西內(nèi)河船舶污染物監(jiān)管能力和服務(wù)水平。隨著船舶污染物監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，將會(huì)產(chǎn)生更多的管理或服務(wù)的需求。基于微服務(wù)的架構(gòu)可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)的持續(xù)演化，其松耦合和高彈性的特性，使之能夠以較小的代價(jià)不斷集成以微服務(wù)形式出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)功能。此外，其基于集群部署的強(qiáng)大可擴(kuò)展能力也能夠很好地適應(yīng)用戶規(guī)模的不斷擴(kuò)大，持續(xù)為廣西船舶污染防治做出貢獻(xiàn)。