基于微服務(wù)的空天協(xié)同目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王泓淼 張潔 雷建勝

摘? 要： 目前我國海域監(jiān)管手段單一，缺乏早期預(yù)警識別和連續(xù)跟蹤監(jiān)視能力，嚴(yán)重制約我國海洋強國戰(zhàn)略的深入實施。本系統(tǒng)基于衛(wèi)星、航空平臺、通信終端產(chǎn)品等現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)，采用微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建天空基協(xié)同廣域目標(biāo)識別與監(jiān)視平臺，對我國管轄海域內(nèi)海上移動目標(biāo)、海域利用活動和島礁變化等典型目標(biāo)識別與監(jiān)視需求，構(gòu)建“天、空、地”一體化監(jiān)視體系，形成具有大范圍早期預(yù)警和連續(xù)跟蹤能力的海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 微服務(wù);天空基;海上目標(biāo)識別

【Abstract】： At present， China's maritime monitoring means are single， lack of early warning identification and continuous tracking and monitoring ability， which seriously restricts the in-depth implementation of China's maritime power strategy.This system based on the existing hardware， such as satellite， aerial platform and communication terminal products. Using microservice technical architecture building space target recognition and monitoring platform together， for the typical target identification and monitoring requirements in the sea areas under China's jurisdiction， such as moving targets at sea， utilization activities in sea areas and changes of islands and reefs， build an integrated "sky， air and ground" surveillance system， form a maritime target identification and surveillance system with large-scale early warning and continuous tracking capabilities.

【Key words】： Microservice; Space-sky; Maritime target identification

0? 引言

目前我國管轄的大部分海域尚未全面監(jiān)控，只能通過執(zhí)法船巡航、衛(wèi)星遙感等手段予以事后應(yīng)對，監(jiān)管手段單一，時效性差，缺乏早期預(yù)警識別和連續(xù)跟蹤監(jiān)視能力，嚴(yán)重制約我國海洋強國戰(zhàn)略的深入實施。本系統(tǒng)基于天基衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用基礎(chǔ)、航空平臺基礎(chǔ)、通信終端產(chǎn)品等現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)，構(gòu)建天空基廣域監(jiān)視平臺感知體系，對我國管轄海域內(nèi)海上移動目標(biāo)（船只等）、海域利用活動（圍填海、海上石油平臺等構(gòu)筑物用海）和島礁變化等典型目標(biāo)識別與監(jiān)視需求，構(gòu)建“天、空、地”一體化監(jiān)視體系，形成具有大范圍早期預(yù)警和連續(xù)跟蹤能力的海上目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)。

本系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求復(fù)雜，可靠性要求較高，如果采用單體應(yīng)用系統(tǒng)在業(yè)務(wù)需求變更時工作較為復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)無法持續(xù)工作，為滿足項目敏捷開發(fā)、持續(xù)交付、高可靠、易維護等需求，系統(tǒng)采用Spring Cloud微服務(wù)架構(gòu)，將系統(tǒng)分解為多個服務(wù)組件，通過Spring Boot構(gòu)建服務(wù)組件，服務(wù)之間采用REST API方式完成服務(wù)調(diào)用與數(shù)據(jù)交互（JSON格式），在響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面較傳統(tǒng)模式有明顯提升。

1? 微服務(wù)設(shè)計思想

傳統(tǒng)應(yīng)用采用單體式架構(gòu)，在異構(gòu)平臺互操作、接口統(tǒng)一描述等方面存在的局限，會導(dǎo)致集成系統(tǒng)缺乏可擴展性、異構(gòu)平臺間的互操作性差等不足，隨著SOA、微服務(wù)及分布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)體系的發(fā)展，基于SOA等技術(shù)體系的軟件設(shè)計架構(gòu)成為主流，但整體架構(gòu)不支持異構(gòu)，無法有效利用資源。由于本系統(tǒng)業(yè)務(wù)復(fù)雜性較高，涉及與中心多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)、現(xiàn)場指控系統(tǒng)和多個外部支持系統(tǒng)之間的交互，傳統(tǒng)模式下會導(dǎo)致服務(wù)部署與維護異常復(fù)雜，一個問題可能會引起整個應(yīng)用的崩潰，而且隨著復(fù)雜度的增加，代碼耦合度越來越高，牽一發(fā)而動全身，后期代碼很難修改和重構(gòu)，導(dǎo)致系統(tǒng)的擴展性較差。在本系統(tǒng)設(shè)計之初綜合考慮以上問題，提出了基于微服務(wù)技術(shù)的軟件架構(gòu)設(shè)計，將應(yīng)用拆分為多個高內(nèi)聚、低耦合的小型服務(wù)，每個小服務(wù)運行在獨立進程，由不同的團隊開發(fā)和維護，服務(wù)間采用輕量級通信機制，獨立自動部署，形成一種動態(tài)、可擴展的架構(gòu)，實現(xiàn)跨平臺、跨系統(tǒng)、跨語言的應(yīng)用系統(tǒng)的集成[1-2]。微服務(wù)的松耦合、去中心化等特性，有利于服務(wù)的擴展和便捷運行維護，可以實現(xiàn)自動部署，某個服務(wù)的更新和部署不會影響其他的服務(wù)，此外，微服務(wù)采用的都是輕量級的協(xié)議（如REST）和數(shù)據(jù)格式（如JSON），非常易于擴展，極大提升了系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和維護性[3]。

2? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

海上目標(biāo)識別與監(jiān)視以面向早期大范圍預(yù)警、海上目標(biāo)識別和多基協(xié)同連續(xù)跟蹤的業(yè)務(wù)服務(wù)為目標(biāo)，借助大數(shù)據(jù)的分布式存儲、分布式處理、并行計算技術(shù)，針對實時態(tài)勢等大數(shù)據(jù)的特點和具體使用情況，采用微服務(wù)架構(gòu)，支撐“天、空、地”多元異構(gòu)感知數(shù)據(jù)接入處理能力、并發(fā)寫入能力、存儲與管理能力、高效查詢能力、并行分析計算能力以及對外服務(wù)能力等需求，支撐海量海洋感知數(shù)據(jù)存儲、支持態(tài)勢業(yè)務(wù)系統(tǒng)長時間動態(tài)運行、支持數(shù)據(jù)并行的計算、分析、挖掘、支持對歷史數(shù)據(jù)快速查詢訪問、支持歷史態(tài)勢數(shù)據(jù)快速回放[4-5]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)功能復(fù)雜，涉及到與多個外部系統(tǒng)的交互，從整個業(yè)務(wù)流程及后期部署維護靈活性等方面進行充分考慮，該系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計方面采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計理念，將系統(tǒng)劃分為功能相對獨立的多個服務(wù)，從封裝形式、接口設(shè)計、靈活性、擴展性等方面提供了技術(shù)方法。

本系統(tǒng)遵循模塊化分層設(shè)計思想，采用BS與CS混合的架構(gòu)設(shè)計，基于 Docker 服務(wù)集群對微服務(wù)進行部署，便于服務(wù)的擴展和伸縮[6-7]。系統(tǒng)各后端服務(wù)模塊均采用Springboot的Java技術(shù)框架，使用Netflix完成服務(wù)組件注冊管理，API網(wǎng)關(guān)封裝了系統(tǒng)內(nèi)部微服務(wù)架構(gòu)，為每個服務(wù)調(diào)用者提供一個定制的API，統(tǒng)一完成身份驗證、監(jiān)控、負載均衡、緩存等處理，通過服務(wù)調(diào)用限流、熔斷機制、負載均衡等措施，各個服務(wù)都可以單獨開發(fā)、部署，最終通過服務(wù)之間組合與調(diào)用對外完成系統(tǒng)功能。各服務(wù)之間采用JS對象標(biāo)記（JavaScript Object Notation，JSON）封裝的符合表述性狀態(tài)傳遞（Representational State Transfer，REST）的接口設(shè)計風(fēng)格，為第三方應(yīng)用提供統(tǒng)一的調(diào)用服務(wù)。通過對服務(wù)模塊的最大限度的拆分，體現(xiàn)了微服務(wù)化的設(shè)計理念，大幅提高系統(tǒng)部署靈活性、可擴展性和可維護性，保證系統(tǒng)的健壯性[8-10]。

接口層通過Nignx和NodeJS應(yīng)用來實現(xiàn)負載均衡和接口控制，從而實現(xiàn)在線升級過程中應(yīng)用服務(wù)的自動切換，應(yīng)急條件下的系統(tǒng)備份。消息中間件支持大規(guī)模連接和分布式集群，完整支持MQTTV3.1版本協(xié)議規(guī)范，并擴展支持WebSocket、Stomp、CoAP、MQTT-SN或私有TCP協(xié)議，具有出色的軟實時、低延時、分布式等特性。

3? 系統(tǒng)組成

空天協(xié)同目標(biāo)識別與監(jiān)視系統(tǒng)包括天空基地面處理系統(tǒng)和空基現(xiàn)場指揮與數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)兩部分，具體內(nèi)容如下：

天空基地面處理系統(tǒng)部署在指揮中心，采用B/S架構(gòu)設(shè)計，綜合分析天基和空基覆蓋能力，通過多星協(xié)同推演特定時間、特定地點的衛(wèi)星覆蓋情況以及航空平臺所在地區(qū)航空遙感能力覆蓋情況等，形成空天協(xié)同數(shù)據(jù)資源任務(wù)規(guī)劃最優(yōu)方案，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星與航空平臺數(shù)據(jù)獲取任務(wù)的全面規(guī)劃和實時監(jiān)視。同時，結(jié)合固定目標(biāo)識別算法，實現(xiàn)基于可見光、合成孔徑雷達、紅外的海上固定目標(biāo)（島礁、大陸岸線、海域開發(fā)利用）的識別與提取，對天空基獲取的實時數(shù)據(jù)進行處理、高效存儲、檢索等管理，實現(xiàn)對海域開發(fā)利用活動和島礁變化的監(jiān)測，將識別出的固定目標(biāo)與權(quán)屬信息對比，生成監(jiān)測結(jié)果，對超出警戒范圍情況生成預(yù)警信息，提供給綜合業(yè)務(wù)管理平臺進行決策，所有成果數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)布于二三維GIS平臺進行可視化展示。

空基現(xiàn)場指揮與數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)部署于空基作業(yè)現(xiàn)場，采用C/S架構(gòu)設(shè)計，主要功能包括數(shù)據(jù)傳輸鏈路監(jiān)控、載荷監(jiān)控、實時視頻播放與處理、數(shù)據(jù)處理與管理、航跡規(guī)劃等無人機指揮測控系統(tǒng)通用性功能，實現(xiàn)對現(xiàn)場任務(wù)執(zhí)行前、中、后三個階段的全程監(jiān)管以及天基、空基遙感數(shù)據(jù)的融合處理，結(jié)合移動目標(biāo)識別算法，對船只的非法捕撈、非法測繪、非法闖入、異常停泊等行為進行實時監(jiān)視，結(jié)合AIS等外部支援?dāng)?shù)據(jù)，對動態(tài)目標(biāo)進行分析，對入侵的非法船只生成預(yù)警信息，提供給綜合業(yè)務(wù)管理平臺進行用戶決策。

4? 結(jié)論

隨著微服務(wù)架構(gòu)和 Docker 容器技術(shù)的持續(xù)火熱，很多公司的系統(tǒng)架構(gòu)走向微服務(wù)化已經(jīng)成為趨勢，本文通過分析傳統(tǒng)單體式架構(gòu)的不足，結(jié)合系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點，提出了基于微服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，對天空基目標(biāo)識別與監(jiān)視平臺體系架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)功能組成進行介紹，通過將微服務(wù)架構(gòu)引入平臺設(shè)計，實現(xiàn)了平臺中各個服務(wù)的低耦合、易擴展、可伸縮，為平臺的升級和維護提供了便利，極大提升了系統(tǒng)各項性能指標(biāo)，為管轄海域內(nèi)海上目標(biāo)識別與監(jiān)視實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行提供了堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]歐陽榮彬， 王倩宜， 龍新征. 基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)框架設(shè)計[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2016， （S1）： 143-147.

[2]杜圣東， 楊燕， 滕飛. 交通大數(shù)據(jù)： 一種基于微服務(wù)的敏捷處理架構(gòu)設(shè)計[J]. 大數(shù)據(jù)， 2017， 3（3）： 53-67.

[3]洪華軍， 吳建波， 冷文浩. 一種基于微服務(wù)架構(gòu)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機與數(shù)字工程， 2018， 46（1）： 149： 154.

[4]黃超， 唐子蛟. 基于云計算技術(shù)的智慧校園平臺建設(shè)研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 27-30.

[5]尹航， 楊歡， 崔海斌， 等. 基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的虛擬化云平臺建設(shè)方法研究[J]. 軟件， 2018， 39（4）： 201-207.

[6]高禮， 高昕. Docker 技術(shù)在軟件開發(fā)過程中的應(yīng)用研究[J]. 軟件， 2016， 37（3）： 110-113.

[7]馬越， 黃剛. 基于Docker 的應(yīng)用軟件虛擬化研究[J]. 軟件， 2015， 36（3）： 10-14.

[8]王方旭. 基于Spring Cloud 實現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)微服務(wù)化的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2018（4）： 60-61.

[9]黃沛. 基于RESTful架構(gòu)的科技信息共享接口系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 170-172.

[10]王二偉， 姚文斌. 一種基于REST 的物聯(lián)網(wǎng)資源模型和分布策略[J]. 軟件， 2015， 36（12）： 128-131.