基于容器云PaaS平臺的住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞：容器云PaaS平臺；住建行業(yè)；業(yè)務(wù)融合；數(shù)據(jù)歸集；數(shù)據(jù)治理；信息系統(tǒng)；設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

前期省級住建行業(yè)信息化建設(shè)缺少頂層設(shè)計，已建的43個系統(tǒng)之間未能實現(xiàn)數(shù)據(jù)充分共享，難以實現(xiàn)“數(shù)據(jù)跑路代替群眾跑腿，促進經(jīng)濟韌性，完全釋放‘放管服’改革成果”的目標(biāo)。從住建領(lǐng)域的政府管理和企業(yè)管理雙重角度對住建監(jiān)管業(yè)務(wù)進行了充分的分析與思考，從全局角度結(jié)合“建筑業(yè)管理、住房管理、城鄉(xiāng)建設(shè)管理”業(yè)務(wù)，提出“全周期協(xié)同監(jiān)管”的全業(yè)務(wù)閉環(huán)管理思路。

為實現(xiàn)對已建43個業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的有效整合及其行業(yè)數(shù)據(jù)的有效利用，提出可落地的“住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)”建設(shè)方案。主要通過整合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行歸集、治理、匯總和展示，實現(xiàn)對全省范圍內(nèi)重點工程項目管理、在建項目動態(tài)視頻監(jiān)測、事故預(yù)警、突發(fā)事件和工地安全隱患等多項業(yè)務(wù)的融合，搭建信息化“總控平臺”，構(gòu)建“住建大腦”。以統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度為模式，實現(xiàn)住建領(lǐng)域“指揮實時化、監(jiān)控可視化、培訓(xùn)一體化”，全面提升城市精細化管理，優(yōu)化營商環(huán)境，聚焦建筑市場、深化改革成效、落實改革要求、數(shù)據(jù)賦能智慧工地。利用省級住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)保民生、提素養(yǎng)、強效能，以工程全生命周期的角度為政府及各級住建行業(yè)管理部門提供決策依據(jù)和指揮工具。

本文首先介紹了住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)路線、系統(tǒng)設(shè)計、基本功能邏輯實現(xiàn)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)安全和穩(wěn)定性設(shè)計，最后對技術(shù)特點與應(yīng)用價值、系統(tǒng)功能及其設(shè)計意義進行總結(jié)，并展望其未來發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 容器云

容器云PaaS 平臺運用容器引擎[1]、編排調(diào)度引擎[2]、DevOps[3]等云原生技術(shù)，搭建可提供橫向擴展、秒級伸縮、智能運維、適應(yīng)快速開發(fā)持續(xù)交付的PaaS級云平臺。容器云PaaS平臺提升了該系統(tǒng)在設(shè)計、開發(fā)、測試和運維等方面的效率，為系統(tǒng)運行提供穩(wěn)定的容器環(huán)境。

1.2 HDFS

HDFS是一個分布式文件系統(tǒng)[4]，具有高容錯性特點，并且設(shè)計用來部署在低廉的硬件上。HDFS為本系統(tǒng)提供高吞吐量來訪問應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了以流的形式訪問文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。

1.3 HBase

分布式數(shù)據(jù)庫HBase（Hadoop Database） [5]是一個高可靠性、高性能、面向列、可伸縮的分布式存儲系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用HBase技術(shù)在電子政務(wù)云服務(wù)器上搭建起大規(guī)模結(jié)構(gòu)化存儲集群。

1.4 分布式并行計算框架MapReduce

Hadoop MapReduce是Google提出的一個使用簡易的軟件框架[6]，基于該框架寫出來的應(yīng)用程序能夠運行在由上千臺商用機器組成的大型集群上，并以一種可靠容錯的方式并行處理上T級別的數(shù)據(jù)集。在本系統(tǒng)中，MapReduce極大地方便了編程人員在不會分布式并行編程的情況下，將程序運行在分布式系統(tǒng)上。

1.5 Node.js 和Vue.js 前端頁面開發(fā)技術(shù)

NLoidneu.xjs和可m以ac在OS多，這種使操得作開系發(fā)統(tǒng)者上能運夠行輕，包松括地在Wi不n?同平臺上進行開發(fā)和部署。此外，由于Node.js非常適合處理高并發(fā)請求，特別適合構(gòu)建實時、數(shù)據(jù)密集型的Web應(yīng)用程序。而Vue.js是一個輕量級的框架，其虛擬DOM和響應(yīng)式系統(tǒng)使得Vue在處理頻繁的用戶交互和動態(tài)數(shù)據(jù)時表現(xiàn)出色；其次，Vue采用組件化的開發(fā)方式，可以用來構(gòu)建復(fù)雜的用戶界面，同時提高了代碼的可維護性和可擴展性；再次，Vue可通過盡可能簡單地API實現(xiàn)響應(yīng)的數(shù)據(jù)綁定和組合的視圖組件，從而加速開發(fā)過程。在本系統(tǒng)中，從網(wǎng)絡(luò)讀取、訪問數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)時，Node.js會在響應(yīng)返回時恢復(fù)操作，而不是阻塞線程并浪費CPU循環(huán)等待。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)是在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全體系的前提下，采用B/S多層結(jié)構(gòu)，基于面向各類業(yè)務(wù)過程管理的，按照使用人員、應(yīng)用系統(tǒng)、技術(shù)支撐、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等關(guān)系分為5個層次，如圖1所示。包括用戶服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)資源層和基礎(chǔ)設(shè)施層。其中，用戶服務(wù)層主要是整合現(xiàn)有系統(tǒng)及數(shù)據(jù)，為各處室的管理人員提供統(tǒng)一的服務(wù)入口和業(yè)務(wù)管理應(yīng)用模塊，包括審批、項目管理、監(jiān)督檢查等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層基于技術(shù)支撐平臺和數(shù)據(jù)支撐平臺，根據(jù)實際業(yè)務(wù)需要，搭建應(yīng)用系統(tǒng)，業(yè)務(wù)應(yīng)用涵蓋項目建設(shè)管理的全生命周期管理；應(yīng)用支撐層是在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，集成整合信息管理、門戶技術(shù)、業(yè)務(wù)定制技術(shù)等多種技術(shù)手段；數(shù)據(jù)資源層建設(shè)數(shù)據(jù)綜合管理數(shù)據(jù)庫，整理歷史數(shù)據(jù)，為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持；基礎(chǔ)設(shè)施層提供網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集傳輸功能，為系統(tǒng)提供各類網(wǎng)絡(luò)通信保障和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換通道，具有采集和上傳數(shù)據(jù)功能，如施工信息、監(jiān)理信息等。

2.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

從總體架構(gòu)看，本系統(tǒng)提供以下功能：

1） 數(shù)據(jù)資源展示功能：掌握全省住建行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對住建行業(yè)已建36個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行匯聚、治理、分析，形成工程、房屋、企業(yè)、人員和城管等五大主題庫，并在系統(tǒng)中綜合展示這些數(shù)據(jù)。

2） 核心業(yè)務(wù)綜合展示功能：在系統(tǒng)中分板塊展示建筑市場管理、房地產(chǎn)市場管理和城市管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并能夠在地圖上進行可視化展示。各業(yè)務(wù)板塊可涉及多個專題，主要以圖表等方式展示主題中所包含核心數(shù)據(jù)的綜合分析結(jié)果和預(yù)警信息。建筑市場管理專題：對企業(yè)信息、企業(yè)信用和業(yè)務(wù)進行預(yù)警，展示企業(yè)發(fā)生的不規(guī)范行為以及各市企業(yè)在工程中的違法違規(guī)分析。房地產(chǎn)市場管理專題：對商品房住宅價格環(huán)比增長情況低于或高于5%以及合同簽訂日期早于預(yù)售許可進行預(yù)警，掌握住宅價格市場浮動情況。城市管理專題：展示燃氣、橋梁、供水、排水、熱力、照明、綜合管廊等市政基礎(chǔ)設(shè)施的升級改造和生命線安全建設(shè)情況。

3） 數(shù)字預(yù)警功能：按照既定規(guī)則，通過對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行采集、匯總、分析、對比，對產(chǎn)生異常的數(shù)據(jù)進行數(shù)字預(yù)警，從而進行輔助決策分析（例如：證照過期、企業(yè)綜合評分過低、項目超期未按時竣工等）。數(shù)字預(yù)警覆蓋了工程、企業(yè)和人員等多個維度。

4） 指揮調(diào)度體系功能：建立覆蓋省、市、縣三級指揮調(diào)度體系。在指揮調(diào)度系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)異常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)或事件時，提供站內(nèi)消息、短信和視頻調(diào)度三種調(diào)度方式，以達到閉環(huán)處置管理的目標(biāo)。住建行業(yè)系統(tǒng)預(yù)警事件處置流程如圖2所示。

2.3 整體系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計過程中，結(jié)合配置平臺的功能，將整個系統(tǒng)分為兩個部分：可配置部分和不可配置部分?？膳渲貌糠钟糜谕ㄟ^預(yù)定制模板制作生成統(tǒng)計分析圖表、業(yè)務(wù)審批表單及流程（如數(shù)據(jù)資源共享審批）等；不可配置部分通過應(yīng)用級代碼編制具象化的、特有的業(yè)務(wù)應(yīng)用，如不同管理部門之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)預(yù)警、基于GIS 地圖的業(yè)務(wù)展示等。

對于可配置部分，主要進行配置設(shè)計，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)遵循配置平臺的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)；對于不可配置部分，則按照普通軟件開發(fā)的流程進行設(shè)計。整個處理過程如圖3所示。

對于可配置部分，基本不需要進行編碼。在概要設(shè)計過程中，僅需列出配置的主要過程和配置的主要框架；在詳細設(shè)計過程中，需要說明具體的配置條件、配置過程和配置結(jié)果。

2.4 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集匯總，將數(shù)據(jù)存入住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)中，并通過大屏監(jiān)控實時展示，如圖4所示。

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是系統(tǒng)成功運行的基礎(chǔ)，其設(shè)計目的要反映出各實體之間存在的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計不僅要符合前期調(diào)研的用戶實際需求，同時需要符合數(shù)據(jù)庫的基本邏輯結(jié)構(gòu)，還要為系統(tǒng)的后續(xù)擴展留有余地，方便運行維護。本系統(tǒng)表結(jié)構(gòu)主要包括工程項目基本信息表、項目招標(biāo)投標(biāo)信息表、施工圖審查信息表、合同備案信息表、施工許可信息表以及竣工驗收備案表等。

以工程項目基本信息表為例，表內(nèi)存儲25項信息，包括項目編號（PrjNum） 、項目名稱（PrjName） 、項目分類（PrjTypeNum） 、信息所屬環(huán)節(jié)（PhaseName） 、立項文號（PrjApprovalNum） 、招標(biāo)方式（TenderTypeNum） 、施工圖審查合格書編號（CensorNum） 、施工許可證編號（BuilderLicenceNum） 、建設(shè)規(guī)模（PrjSize） 、金額（萬元）（ContractMoney） 和竣工驗收備案編號（PrjFinish? Num） 等，主鍵是項目編號PrjNum。表中具體字段和結(jié)構(gòu)如表1所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)開發(fā)前，要先創(chuàng)建和連接數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的連接通過MyBatis框架直接在相關(guān)配置文件和資源文件中配置好，如圖4所示。

3.2 用戶模塊

統(tǒng)一身份認證平臺具有完整的單點登錄體系，可安全地在應(yīng)用系統(tǒng)之間傳遞和共享用戶身份認證憑證。用戶無須重復(fù)輸入憑證來確認身份，不僅提升了用戶體驗，還降低了安全風(fēng)險和管理成本。單點登錄服務(wù)模塊為用戶提供多個系統(tǒng)消息的統(tǒng)一接收、提醒和展示功能。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示頁面模塊

系統(tǒng)展示頁面主要包括首頁、智慧工地、數(shù)據(jù)資源、風(fēng)險預(yù)警和數(shù)據(jù)分析五大模塊。通過住建數(shù)據(jù)資源中心，對工程、房屋、企業(yè)、人員和城管的數(shù)據(jù)實現(xiàn)全覆蓋，提供“全、準(zhǔn)、新”的權(quán)威數(shù)據(jù)支撐，建立用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新的管理機制。系統(tǒng)以地圖為中心，集中展示工程建設(shè)、建筑市場管理、房產(chǎn)管理和城市管理四大業(yè)務(wù)板塊。其中，工程建設(shè)板塊包括房屋建筑工程、市政基礎(chǔ)建設(shè)工程、裝修工程三大類工程的立項規(guī)劃、工程建設(shè)許可、施工許可、竣工驗收四個階段的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；房產(chǎn)管理板塊包括商品房、保障性住房等房產(chǎn)的銷售許可、網(wǎng)簽、公積金監(jiān)管等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；建筑市場管理模塊包括企業(yè)、人員的執(zhí)業(yè)資格、培訓(xùn)、業(yè)績、信用等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；城市管理板塊包括市政設(shè)施、房屋建筑、城市部件等業(yè)務(wù)的管理數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)。如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

本項目的功能性測試與信息安全性測試委托中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所軟件測評實驗室完成，性能測試由項目開發(fā)單位自行完成。本項目的系統(tǒng)測試環(huán)境依托新疆電子政務(wù)外網(wǎng)中心完成，共包括6 臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與3臺應(yīng)用服務(wù)器，系統(tǒng)測試環(huán)境服務(wù)器端與正式運行環(huán)境的硬、軟件配置完全一致。系統(tǒng)采用黑盒測試方法。

功能性測試方面對功能完備性、功能正確性、功能適合性三項進行測試，共完成兩輪：對98個測試項進行首輪測試共發(fā)現(xiàn)4個缺陷。經(jīng)軟件開發(fā)單位整改，再次進行回歸測試，本輪測試未發(fā)現(xiàn)異常，且第一輪測試的4個缺陷均已解決。

信息安全性測試方面對抗抵賴性、可核查性、真實性三項進行測試，共完成1輪測試，對4個測試項進行測試，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

系統(tǒng)性能測試方面對系統(tǒng)響應(yīng)時間、并發(fā)性、容錯性進行測試，完成1 輪測試，均已達到項目招標(biāo)要求。

5 系統(tǒng)安全設(shè)計

系統(tǒng)建設(shè)過程中，從用戶登錄安全、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)存儲安全、數(shù)據(jù)權(quán)限、建立JSP頁面防篡改機制等角度充分考慮數(shù)據(jù)安全性，采用身份認證技術(shù)、單點登錄以及授權(quán)對各種應(yīng)用安全進行增強配置服務(wù)，以保障信息系統(tǒng)在應(yīng)用層的安全[7]。根據(jù)用戶身份和現(xiàn)實工作中的角色和職責(zé)，確定訪問應(yīng)用資源的權(quán)限，并對用戶接入網(wǎng)絡(luò)的控制和信息資源訪問權(quán)限進行綁定。

5.1 身份鑒別安全

本系統(tǒng)所用密碼設(shè)備采用USBKey+PIN碼的方式登錄；系統(tǒng)管理員對各應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、服務(wù)器虛擬機進行運維管理時，必須通過國密堡壘機統(tǒng)一運維管理。國密堡壘機使用具備商用密碼產(chǎn)品認證證書的智能密碼鑰匙完成身份鑒別，可降低其他應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、服務(wù)器虛擬機的身份鑒別風(fēng)險。

5.2 訪問控制數(shù)據(jù)完整性

通過數(shù)據(jù)庫加解密系統(tǒng)，對指揮調(diào)度系統(tǒng)訪問控制策略、數(shù)據(jù)庫表訪問控制信息等使用SM3算法進行單向散列函數(shù)構(gòu)造消息認證碼（HMAC） ，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性。

5.3 重要數(shù)據(jù)存儲機密性

部署數(shù)據(jù)庫加解密系統(tǒng)，通過SM4加密算法對指揮調(diào)度系統(tǒng)中重要數(shù)據(jù)字段進行加密，保障重要數(shù)據(jù)存儲機密性。重要數(shù)據(jù)包括用戶名、口令等鑒別信息，重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、個人敏感信息等。

5.4 重要數(shù)據(jù)存儲完整性

部署數(shù)據(jù)庫加解密系統(tǒng)，使用數(shù)據(jù)庫加解密系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)實現(xiàn)HMAC-SM3算法進行完整性保護。

5.5 數(shù)據(jù)傳輸機密性和完整性

用戶PC端部署國密SSL VPN客戶端，用戶登錄系統(tǒng)前須通過SSL VPN建立安全傳輸通道。傳輸通道使用SM4算法完成機密性保護，使用SM3算法實現(xiàn)完整性保護。移動端App集成軟件密碼模塊，具備SSL VPN安全接入功能，App啟動時自動完成安全接入并建立安全傳輸通道。傳輸通道使用SM4算法完成機密性保護，使用SM3算法實現(xiàn)完整性保護。

5.6 頁面防篡改

本系統(tǒng)通過使用HTTPS協(xié)議、數(shù)字簽名、內(nèi)容安全策略（CSP） 和Web應(yīng)用防火墻（WAF） 等技術(shù)手段來保護頁面內(nèi)容的完整性，同時運用外掛輪詢技術(shù)、核心內(nèi)嵌技術(shù)、事件觸發(fā)技術(shù)，防止惡意篡改或未經(jīng)授權(quán)的修改。利用中間件的JSP預(yù)編譯機制，對JSP網(wǎng)頁進行預(yù)編譯成不可篡改的Class文件，并放入只讀保護區(qū)。通過Servlet配置技術(shù)實現(xiàn)訪問URL與JSP Class之間的映射，從而在保證正常訪問的情況下有效防止惡意用戶對頁面的篡改[8]。

6 系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計

6.1 均衡負載

數(shù)據(jù)中心是各個應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的核心，數(shù)據(jù)量和信息流量都相對較大。單服務(wù)器僅能滿足少量用戶使用的需求，因此多服務(wù)器均衡負載是必須考慮的問題。

6.2 緩存技術(shù)

使用Redis緩存技術(shù)，減少數(shù)據(jù)庫的訪問次數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和并發(fā)處理能力。

6.3 數(shù)據(jù)庫優(yōu)化

使用數(shù)據(jù)庫連接池、優(yōu)化SQL查詢、使用索引等方法，提高數(shù)據(jù)庫的讀寫性能和并發(fā)能力。

6.4 異步處理

將耗時的操作異步化，通過消息隊列或任務(wù)隊列來解耦合處理，提高系統(tǒng)的并發(fā)性能和可擴展性。

6.5 并發(fā)控制

使用鎖、事務(wù)或樂觀并發(fā)控制等機制處理并發(fā)訪問數(shù)據(jù)的一致性和沖突問題，保證數(shù)據(jù)的正確性。

7 技術(shù)特點與應(yīng)用價值

容器云技術(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用部署和交付，屏蔽應(yīng)用部署過程中針對不同環(huán)境需要的環(huán)境配置、安裝步驟等復(fù)雜過程，將原先部署、配置的運維工作提前到開發(fā)交付階段，在制作鏡像階段解決運維上線中出現(xiàn)的問題。容器可運行在多種云平臺環(huán)境中，有效避免廠商綁定，實現(xiàn)對政府部門已有異構(gòu)基礎(chǔ)資源的統(tǒng)一化管理，這種統(tǒng)一管理應(yīng)用的模式屏蔽環(huán)境差異性，降低系統(tǒng)運維難度。此外，容器是基于操作系統(tǒng)的輕量級虛擬化技術(shù)，與傳統(tǒng)的虛擬技術(shù)相比，多個容器可以共享操作系統(tǒng)的內(nèi)核進程和內(nèi)核資源，從而有效節(jié)省操作系統(tǒng)級資源開銷，通過提升容器密度更好地利用資源。

8 結(jié)論

通過設(shè)計和實現(xiàn)住建行業(yè)指揮調(diào)度系統(tǒng)，建設(shè)數(shù)據(jù)資源中心，實現(xiàn)對省級住建管理部門的工程、房屋、企業(yè)、人員以及城市基礎(chǔ)設(shè)施等管理對象的數(shù)據(jù)全覆蓋和全生命周期管理，為省級住建管理部門提供“全、準(zhǔn)、新”的權(quán)威數(shù)據(jù)支撐，建立用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新的管理機制。

基于全生命周期的住建業(yè)務(wù)設(shè)計理念，對原有省級住建領(lǐng)域相關(guān)的信息系統(tǒng)進行整合，構(gòu)建全局性、一體化的住建業(yè)務(wù)管理平臺，將監(jiān)管職責(zé)從業(yè)務(wù)辦理工作中解放出來，推進數(shù)字政府建設(shè)。該系統(tǒng)可在全國的省、市住建行政主管部門進行應(yīng)用和推廣。