基于微服務(wù)架構(gòu)的航道工程BIM綜合管理平臺(tái)技術(shù)研究

駱光磊，宋云濤

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000;2.長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 210011）

0 引言

隨著水運(yùn)行業(yè)信息化建設(shè)的推進(jìn)，針對(duì)航道工程的信息化管理系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，通過信息化手段，可以快速地填報(bào)相關(guān)信息和管控施工過程，提高了工程的管理水平[1-2]。然而，由于航道工程施工周期長(zhǎng)、影響因素多，施工和運(yùn)維過程中往往存在頻繁的需求變更，傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)系統(tǒng)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一變更和部署才能完成一次更新，消耗開發(fā)人員和設(shè)計(jì)人員的大量精力和時(shí)間；另外，隨著航道工程智能化的發(fā)展，工程信息化系統(tǒng)有了更多要求和標(biāo)準(zhǔn)，使得整個(gè)航道工程管控系統(tǒng)規(guī)模日益增大，傳統(tǒng)的單體架構(gòu)在應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生性能降低、拓展性變差和維護(hù)困難的問題[3]，限制了系統(tǒng)的實(shí)用性，最終導(dǎo)致系統(tǒng)難以推行。

為了適應(yīng)當(dāng)前航道工程項(xiàng)目的業(yè)務(wù)需求，信息化系統(tǒng)的架構(gòu)升級(jí)成為了推進(jìn)行業(yè)整體數(shù)字化、智能化的必要條件，另外，隨著當(dāng)前工程建設(shè)領(lǐng)域?qū)?xiàng)目管控精細(xì)化要求的提升，BIM技術(shù)也成為了評(píng)判系統(tǒng)功能是否完善的重要標(biāo)準(zhǔn)。為此，以微服務(wù)架構(gòu)搭建航道工程BIM綜合管理平臺(tái)，將整個(gè)系統(tǒng)切分為不同服務(wù)，引入BIM技術(shù)對(duì)航道工程進(jìn)行建模，將工程中每個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段信息全量仿真模擬[4]，在保證工程方案安全準(zhǔn)確的同時(shí)，進(jìn)一步提高項(xiàng)目的管理水平。

1 微服務(wù)架構(gòu)

1.1 微服務(wù)架構(gòu)思想

微服務(wù)架構(gòu)（Micro Service Architecture，MSA）是相對(duì)于單體架構(gòu)提出的一種軟件架構(gòu)方式，將單一的應(yīng)用程序劃分成為多個(gè)微小的服務(wù)，即微服務(wù)[5]，所有微服務(wù)注冊(cè)到服務(wù)中心并暴露相應(yīng)的API接口，保證不同服務(wù)之間可以相互調(diào)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。微服務(wù)架構(gòu)中，每個(gè)微服務(wù)在獨(dú)立的進(jìn)程中運(yùn)行，并且能夠獨(dú)立部署到生產(chǎn)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的并行開發(fā)，大大提高了代碼開發(fā)效率，且高度的解耦性保證了整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)性和兼容性，整個(gè)系統(tǒng)可以不拘泥于單一編程語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)。

1.2 微服務(wù)框架

目前行業(yè)主流微服務(wù)框架有阿里巴巴研發(fā)的Dubbo框架和Pivotal團(tuán)隊(duì)的Spring Cloud框架，兩者各有其側(cè)重點(diǎn)[6]。Dubbo專注于服務(wù)治理，提供了高性能和透明化的RPC遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用方案，但是要構(gòu)建出一個(gè)完整的微服務(wù)應(yīng)用，還需要開發(fā)者整合網(wǎng)關(guān)、服務(wù)注冊(cè)、負(fù)載均衡等基礎(chǔ)應(yīng)用；而Spring Cloud側(cè)重于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的整合，將微服務(wù)架構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的成熟技術(shù)和框架整合到Spring Cloud框架中[7]，按照“約定優(yōu)先于配置”的原則，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的快速搭建，減少了開發(fā)人員大量的配置工作。

總體上看，Spring Cloud框架在開發(fā)友好性上要優(yōu)于Dubbo框架，為提高系統(tǒng)的搭建效率和穩(wěn)定性，采用了微服務(wù)框架Spring Cloud搭建航道BIM平臺(tái)。

2 航道工程BIM綜合管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

航道工程BIM綜合管理平臺(tái)是指利用BIM建模技術(shù)，精細(xì)化管理航道工程在設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)維階段的各個(gè)環(huán)節(jié)，以信息化手段完成質(zhì)量安全檢查、流程審批、文件歸檔等繁瑣操作，提升工程管理的效率。通過將航道工程中主要業(yè)務(wù)進(jìn)行分解，利用Spring Cloud微服務(wù)框架對(duì)各服務(wù)進(jìn)行治理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速搭建，同時(shí)引入多種組件保證了平臺(tái)的易用性和穩(wěn)定性，最終形成了一套易開發(fā)、易部署、易維護(hù)的航道BIM平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

鑒于航道BIM平臺(tái)多業(yè)務(wù)特點(diǎn)，基于微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

系統(tǒng)從架構(gòu)角度縱向切分為4個(gè)層級(jí)：表現(xiàn)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，核心模塊為業(yè)務(wù)管理服務(wù)、流程管理服務(wù)、BIM模型服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

前端交互界面基于Vue.js框架實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)的松散耦合，采用Nginx搭建網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求、過濾請(qǐng)求和負(fù)載均衡等功能；后端系統(tǒng)采用Spring Cloud技術(shù)將不同的業(yè)務(wù)分割成微服務(wù)，每個(gè)服務(wù)注冊(cè)到Zookeeper服務(wù)注冊(cè)中心，再通過Dubbo框架實(shí)現(xiàn)各個(gè)子服務(wù)之間的遠(yuǎn)程調(diào)用；為避免各業(yè)務(wù)服務(wù)直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)致邏輯復(fù)雜和重復(fù)工作，基于MyBatis框架技術(shù)單獨(dú)建立數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，向外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的通信；BIM模型服務(wù)集成了SuperMap三維GIS平臺(tái)[8]，將BIM模型數(shù)據(jù)在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中建庫(kù)建表，利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性打通了BIM模型與業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)隔離。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

面對(duì)不斷變化的工程需求時(shí)，為搭建穩(wěn)定高效的航道工程BIM綜合管理平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)了如下技術(shù)方案。

1）服務(wù)注冊(cè)中心與遠(yuǎn)程調(diào)用

不同微服務(wù)之間雖然是高度解耦的，但是業(yè)務(wù)中不可避免地會(huì)存在數(shù)據(jù)傳遞或相互調(diào)用的需求，因此不同服務(wù)之間需要建立通信機(jī)制。本平臺(tái)采用Zookeeper和Dubbo作為服務(wù)間不同接口遠(yuǎn)程調(diào)用的橋梁。

采用Zookeeper作為服務(wù)注冊(cè)中心，所有微服務(wù)通過配置注冊(cè)中心的IP和端口號(hào)，注冊(cè)到Zookeeper上，以便其他服務(wù)通過注冊(cè)中心查找該服務(wù)。通過Dubbo管理不同服務(wù)之間的遠(yuǎn)程調(diào)用，Dubbo監(jiān)控消費(fèi)方的調(diào)用行為，在Zookeeper上查找相應(yīng)的服務(wù)提供方并調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)服務(wù)之間的遠(yuǎn)程調(diào)用。

使用時(shí)，在服務(wù)消費(fèi)方創(chuàng)建遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用類，并將服務(wù)提供者的接口用@Reference注解標(biāo)注，Dubbo自動(dòng)將與消費(fèi)方接口同名的遠(yuǎn)程接口注入到此類中，在本服務(wù)其他模塊中調(diào)用該接口便可實(shí)現(xiàn)不同服務(wù)之間的遠(yuǎn)程調(diào)用。

2）緩存方案

航道BIM平臺(tái)中各階段的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)龐雜，為了提升數(shù)據(jù)查詢效率，本平臺(tái)引入Redis緩存機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢。Redis是一種NoSql數(shù)據(jù)庫(kù)，以鍵值對(duì)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Redis將已經(jīng)查詢過的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，下次查詢首先在內(nèi)存中查詢數(shù)據(jù)，如果命中內(nèi)存，則直接獲取數(shù)據(jù)，避免了磁盤數(shù)據(jù)的讀取，顯著提升系統(tǒng)速度。

在Spring Cloud框架中整合Redis，首先在Maven中引入Redis依賴，并配置Redis數(shù)據(jù)庫(kù)的地址和端口等配置信息：在SpringCloud的啟動(dòng)類中添加@EnableCaching注解開啟緩存，在查詢接口中添加@Cacheable注解讓該方法擁有Redis緩存，此時(shí)該方法每次查詢時(shí)都會(huì)先在Redis緩存中查找相關(guān)數(shù)據(jù)。

3）網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與負(fù)載均衡

不同微服務(wù)通常有不同的網(wǎng)絡(luò)地址或不同端口，為了向服務(wù)調(diào)用方提供統(tǒng)一且穩(wěn)定的服務(wù)入口，需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，在服務(wù)調(diào)用方和微服務(wù)之間加入網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)感知的調(diào)用服務(wù)，便于后期微服務(wù)的擴(kuò)展和維護(hù)。

本平臺(tái)采用Nginx技術(shù)搭建API網(wǎng)關(guān)，利用Nginx的反向代理功能，將后端微服務(wù)暴露的網(wǎng)絡(luò)地址或API接口進(jìn)行代理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口調(diào)用。Nginx的另一個(gè)重要功能是實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，當(dāng)同一個(gè)微服務(wù)部署到多個(gè)服務(wù)器時(shí)，可以通過負(fù)載均衡策略分發(fā)調(diào)用請(qǐng)求，避免某臺(tái)服務(wù)器荷載過大而產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。在Nginx服務(wù)器啟動(dòng)前，修改配置文件，將需要代理的后端微服務(wù)添加到Nginx的代理服務(wù)server中，前端便可通過指定域名或url路徑調(diào)用微服務(wù)接口。

3 航道工程BIM綜合管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

基于以上技術(shù)和框架，以長(zhǎng)江航道綜合整治項(xiàng)目為實(shí)施對(duì)象，搭建了長(zhǎng)江航道BIM綜合管理平臺(tái)，該平臺(tái)以微服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)了工作業(yè)務(wù)填報(bào)、工作流程審批、BIM模型交互等主要功能，涵蓋了工程設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段的各類業(yè)務(wù)，可以滿足航道項(xiàng)目管理的多數(shù)場(chǎng)景，為航道工程管理提供高效手段。

3.1 服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)

服務(wù)接口是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的最小單元，每個(gè)接口承載一種業(yè)務(wù)需求，復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯在接口內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，接口調(diào)用方只需關(guān)注接口的輸入輸出。為適應(yīng)航道項(xiàng)目各種業(yè)務(wù)需求，開發(fā)了數(shù)目眾多的服務(wù)接口，按接口類型分為4類：業(yè)務(wù)功能接口、工作流程接口、BIM模型接口和基礎(chǔ)服務(wù)接口，各系統(tǒng)主要模塊接口定義格式見表1。

表1 系統(tǒng)主要模塊接口定義Table 1 Interface definition of main modules of the system

3.2 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

1）業(yè)務(wù)管理功能

業(yè)務(wù)管理提供對(duì)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的增刪改查、導(dǎo)入導(dǎo)出等功能，以及復(fù)雜業(yè)務(wù)的自動(dòng)匯總、計(jì)算等邏輯功能。業(yè)務(wù)管理服務(wù)集成了工程各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、進(jìn)度管理、質(zhì)量管控、計(jì)量支付、安全管理、運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控等多種航道項(xiàng)目常用功能，業(yè)務(wù)人員通過進(jìn)入相應(yīng)模塊進(jìn)行業(yè)務(wù)快速填報(bào)，提升項(xiàng)目運(yùn)行效率。

2）流程管理功能

流程管理是工程項(xiàng)目中的重要環(huán)節(jié)，施工完成情況、質(zhì)量審批、工程支付、設(shè)計(jì)圖紙審批等眾多業(yè)務(wù)都需要按照流程逐步進(jìn)行，本平臺(tái)通過流程管理服務(wù)控制所有業(yè)務(wù)流程進(jìn)度，按照流程設(shè)計(jì)、業(yè)務(wù)填報(bào)、觸發(fā)流程、流程審批的順序，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的流程控制。

3）BIM管理功能

BIM管理功能是平臺(tái)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目可視化的模塊，可以使用戶從多角度掌握模型狀態(tài)、進(jìn)行碰撞檢查等工作；另外，通過將BIM模塊與業(yè)務(wù)服務(wù)關(guān)聯(lián)，用戶可以通過每個(gè)構(gòu)件查詢其關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)信息和業(yè)務(wù)狀態(tài)，并方便地對(duì)構(gòu)件關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)進(jìn)行填報(bào)和流程審批工作，為用戶提供一種管理項(xiàng)目的新維度。BIM管理功能典型界面見圖2。

圖2 BIM平臺(tái)典型界面Fig.2 Typical interface of BIM platform

4 結(jié)語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)單體系統(tǒng)架構(gòu)模塊復(fù)雜、可拓展性差等問題，研究設(shè)計(jì)了航道工程系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，將BIM技術(shù)引入系統(tǒng)，搭建基于微服務(wù)架構(gòu)的航道工程BIM綜合管理平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速開發(fā)、快速部署、快速拓展，可根據(jù)實(shí)際工程需求不斷接入新服務(wù)模塊，為航道工程全生命周期管理提供高效手段。