地震信息化共用服務平臺設計與實現

帥向華 董翔 席楠 李繼賡 李華玥

1)中國地震臺網中心，北京 100045 2)山東省地震局，濟南 250014

0 引言

我國是世界上多地震國家，地震災害嚴重是中國的基本國情(姜立新等，2011)。為此，國家在“九五”、“十五”、“十一五”期間投資建設了地震專業領域的以信息化技術為支撐的工程項目，各級地震部門在地震監測、震害防御和地震應急等領域開始向網絡化、數字化邁進(黃昆，2008)，使得我國的防震減災能力得到跨越性發展和提升。但是，隨著信息化工作的不斷深入，各項業務工作所涉及的系統越來越多，而各個業務系統之間互無聯系，獨立建設，造成了一定程度的資源浪費與低水平的重復建設等現象，同時，大量的獨立煙囪式系統也給系統運維帶來很大的壓力。隨著信息化革命的第三次浪潮“大數據時代”的到來，傳統的軟件架構已經無法應對日益增長的數據和計算量的需求，各種分布式處理技術應運而生。其中，云計算由于其大規模、高可靠性、高可擴展性、按需服務等特點被廣泛認可，并得到了大量應用(逄利華等，2014)。云GIS是在大數據平臺的基礎上，改變傳統GIS平臺的串行計算方式，其基于Hadoop分布式并行計算框架，采用并行計算、內存計算和二級分布式空間索引等技術，實現基于大數據GIS的計算能力(李三玉，2018)。大數據云GIS計算技術已經在多個行業應用，如利用大數據GIS進行出租房消防安全監管(徐剛等，2019)，利用大數據進行農業精準施肥等(荊旭全等，2018)。

根據國家應急管理信息化發展戰略規劃框架和中國地震局信息化頂層設計，全面貫徹落實“智慧地震”發展戰略，強化頂層設計，實現地震系統“數據資源化、業務云端化、服務智能化”總體目標，逐步解決“數據壁壘”、“信息孤島”、“業務煙囪”等問題，探索大數據時代地震事業發展的新業態。地震信息化工程首先以中國地震臺網中心為試點開展示范建設。中國地震臺網中心承擔全國地震監測、預報、預警、應急、信息化和網絡安全、科技信息服務等業務，其業務的復雜性也具有代表性。在本次信息化試點建設中，以數據資源為紐帶，信息化建設為手段，公共服務為目標，逐步打通各業務鏈條，推進集約化、標準化、規范化、信息化和智能化建設。項目在利舊的基礎上開展地震信息化的建設，在建設理念上實現從技術驅動向需求帶動轉變、從各自為政向協同發展轉變、從單純建設向建管并重轉變，主要從地震云計算和大數據平臺、數據資源平臺、全流程一體化監控平臺、速報預警平臺、信息服務體系進行設計和建設。其目標是實現地震基礎設施資源、地震數據資源、公共服務平臺資源的集中統一和共享共用，以及地震信息資源開放共享和普惠服務。

隨著信息化工作的不斷推進，信息系統數量不斷遞增，業務需求日趨復雜，迭代頻率越來越高。信息系統經過分層解耦、微服務化以后，服務數量會明顯增加，應用發布的頻率、運維部署發布的工作量與復雜度會成倍增加。

針對信息化項目大規模服務集中部署、上線發布的場景，傳統的軟件發布部署方式存在操作復雜、效率低下、成本高、風險大等問題，難以適應系統“分層解耦、開放共享、敏捷上線、無感過渡”的應用需求。面向信息化建設的需要，亟須構建支撐敏捷上線的應用發布服務，將應用的需求、開發、測試、部署和運維有機統一，實現敏捷上線、持續交付的無縫集成。地震信息化共用服務平臺的建設，就是為了解決以上問題而引入，將系統開發過程中需要用到的軟、硬件資源作為平臺服務統一提供，提高整個項目共用服務的部署和運維效率。

1 平臺框架設計

1.1 平臺頂層設計

地震信息化工程劃分為資源層、服務層、應用層。共用服務平臺與信息化工程關系如圖1 所示。其中，共享服務環境位于服務層，負責對資源的抽象封裝及分類聚合，其中通用功能服務包括服務支撐環境、核心服務、共用服務等，實現資源向“云”匯聚，具備動態、彈性、按需分配的云服務能力，為應用層提供各類信息和服務支撐，是信息系統服務化技術特征實現的基礎。對下層的云管理平臺進行資源適配，實現多種基礎資源的融合與服務化，對上層業務應用提供包含服務運行環境、數據庫、中間件、GIS服務等在內的多樣化云服務以及包含地圖定制服務等在內的多種通用功能服務，支撐云應用的便捷化開發、自動化部署、智能化運維與彈性化調度。共用服務環境的業務服務部分內容，是在服務支撐環境、核心服務和共用服務所提供的云服務的基礎上，利用通用的云服務，有針對性地提供各業務的具體功能，該部分實現了云服務的具體業務邏輯，是直接面向上層應用系統的紐帶。本文內容僅涉及通用功能服務部分，如圖1 紅框所示。

圖1 共用服務平臺與信息化工程關系圖

圖2 共用服務平臺共享資源服務中心

圖3 共用服務資源中心架構

共享服務環境最終實現的目標，是通過建立一個共用的資源服務中心，實現軟件資源共享、空間數據共享、通用服務共享。如圖2 所示，匯聚各類基礎地圖數據和專業數據，實現數據的資源化，同時建立一系列的基礎服務、通用服務和專業服務接口，實現業務的云端化，通過利用平臺提供的共用服務支撐上層的業務應用，實現服務的智能化。

為了實現上述目標，設計共用服務資源中心，其框架如圖3 所示，包括基礎設施層、數據層、平臺支撐層、服務層和應用層及部分內容。通過該共用服務資源中心的建設可以實現應用與服務解耦、服務組件逐層解耦、模型與數據解耦、GIS引擎與服務解耦、GIS引擎與數據解耦，從而實現基礎服務資源的通用化，從而使上層應用能夠方便地調用基礎服務。

其中，基礎設施層提供共用服務平臺運行所需要的各類計算資源、存儲資源、網絡資源和安全設備資源；數據層通過多源異構混合存儲，實現基礎地圖數據、地震專題數據、地震調查數據、地震專題數據和防震減災數據的資源化管理；平臺支撐層整合了大數據GIS平臺、傳統GIS平臺和開源GIS平臺，提供統一的GIS服務；服務層在GIS服務的基礎上，根據具體業務流程，搭建統一的服務接口，實現基礎地圖服務、三維地圖服務、評估分析服務、報告產出服務、安全管理服務、地圖打印服務和專題模板服務等內容；應用層則在服務層提供面向用戶的接口應用，實現應用服務的資源共享。

1.2 平臺架構設計

本文介紹的地震信息化工程共用服務平臺，實現了共用服務資源中心設計的部分功能，其平臺框架如圖4 所示。包括服務支撐環境、應用支撐服務、平臺管理與服務API、通用功能服務等部分內容。

圖4 共用服務平臺構成

平臺所提供的功能基本涵蓋了地震業務系統所需要的所有基礎服務，將該部分內容作為共用服務平臺單獨建設與管理，可以降低分布式云應用的開發成本，實現應用的快速開發、交付和運維；通過提供一整套服務封裝接入的流程、標準和接口，方便第三方服務高效封裝接入，實現服務的統一管理。

1.2.1 服務支撐環境

服務支撐環境為各類服務化功能模塊提供運行所需的基礎環境，支撐服務的部署、運行、調用、組合與編排。具體功能如下：

(1)虛擬化適配

適配OpenStack云計算環境，提供物理區域、IaaS環境、可用分區和虛擬數據中心的管理，從而使平臺具有管理各類基礎設施層資源的能力。

(2)分布式集群管理

通過對虛擬化資源接口的適配，平臺可提供自動化部署、高可用架構、智能資源調度等功能，實現計算資源的高可用。

(3)服務生命周期管理

在虛擬化資源的基礎上，平臺提供系統基礎服務的生命周期管理功能，通過自動部署、配置、運行、監控等各類基礎服務，實現敏捷開發、持續發布、快速上線、資源隔離、服務綁定、實時監控與故障恢復等管理操作。

(4)服務工廠

實現服務調度管理、服務實例管理及第三方服務接入。

1.2.2 應用支撐服務

應用支撐服務提供基礎服務、大數據服務、數據庫服務、中間件服務、GIS服務等內容，提供服務運行、管理和集成所需的基本功能。具體內容如下：

(1)基礎服務

通過彈性主機服務實現基于負載的水平擴展和基于云主機規格的縱向擴展能力，通過負載均衡服務，提供通過軟件實現的負載均衡功能，提升網絡吞吐量和數據處理能力。

(2)大數據服務

大數據服務是一種針對海量(TB/PB級)數據的分布式處理服務，能夠幫助開發者輕松跨越大數據分布式計算環境搭建、運維的技術門檻和繁瑣工作，直接專注于數據分析、數據挖掘、智能分析等應用場景。系統包含了大數據處理的主流技術組件，如Zookeeper、HDFS、Yarn、MapReduce、Spark、Hive、Mahout等。

對象存儲服務提供海量、安全、高可靠的存儲服務，支持多種存儲后端，包括NFS、HDFS、Swift、Ceph等；同時支持HBase數據倉庫存儲和Storm等流式計算框架，滿足大數據計算的需求。實現從自動化部署運維、性能優化、資源隔離、資源調度、數據計算任務執行及跟蹤等全部管理能力。同時提供分布式、高可靠、可容錯的針對大規模流式數據處理的服務，實現從各種數據來源中連續捕獲和實時處理海量數據，為應用提供流式計算任務的分解、執行、管理、監控、優化等功能。

(3)數據庫服務

關系型數據庫作為結構化數據存儲的首選方式，以其完善的事務處理能力和ACID特性保證了數據操作的完整性和一致性，對于必須保證數據傳輸安全性的場景，首選傳統關系型數據庫作為結構化數據存儲。平臺提供PostgreSQL、MySql、KDB、Oracle、SqlServer等穩定可靠、可彈性伸縮的結構化數據庫服務，支持多租戶模式，支持單節點和高可用的部署架構，滿足共用服務的需求。

平臺提供非結構化數據庫服務，如MongoDB、Cassandra等，MongoDB是一種基于分布式文件存儲的高性能、可擴展、易部署、易使用的文檔型數據庫，Cassandra是一種高可靠、高性能、可擴展、實時讀寫、數據多版本的列式數據庫服務，用于支撐海量結構化、半結構化數據的存儲和實時訪問。服務提供了包含環境準備、彈性伸縮、便捷使用、管理監控等方面的管理功能。

內存數據庫服務是一種分布式、高性能、高可用的Key-Value緩存服務，平臺提供Redis、Memchached等內存數據庫，用于緩解對后端關系型數據庫的訪問壓力，增強業務的并發處理性能。同時，內存數據庫服務也提供了數據持久化功能，在保障高性能的同時兼顧用戶的數據安全。服務提供了數據管理、監控、備份、恢復、伸縮、容災等方面的全套解決方案，方便用戶對服務實例進行使用和維護。其支持單例模式的主從架構和集群模式的分布式架構2種形式。

(4)中間件服務

提供Tomcat、Apache、Nginx、uWSGI等Web容器中間件服務，基于RabbitMQ、ActiveMQ、Kafka、Flink、Flume等消息中間件服務，Kafka、Flink等數據總線服務，Solr、ElasticSearch等搜索引擎服務，滿足軟件和服務開發過程中所需要用到的中間件的需求。

(5)混合GIS服務

提供大數據GIS服務和傳統GIS服務的混合GIS服務，包括針對地理空間大數據進行快速瀏覽、分析和展示的大數據GIS服務，以及針對空間數據管理、空間分析和二、三維數據一體化展示的傳統GIS服務。

1.2.3 平臺管理與服務接口

平臺管理通過面向服務對象的一站式管理控制臺實現，提供開發指導、自動化申請資源和服務、自助式管理等功能。包括管理員控制臺、服務控制臺和開發者控制臺3種形式，提供便捷易用的安裝部署、系統優化、服務管理、運維監控等一站式管理功能。

服務接口包括統一的REST風格的標準化管理與服務API。內容包括平臺管理類(例如平臺基礎環境、用戶、權限、監控、日志等管理)和服務類(例如服務定義、服務配置、服務部署，以及服務實例的日常管理和使用等)。提供面向應用開發的一站式視圖，打通應用生命周期的各個流程和環節，加速應用上線過程。用戶可以通過調用 API 對資源、應用和數據進行統一入口的管理，實現對各種應用與服務的自動部署、快速操作、靈活使用和及時監控。

1.2.4 通用功能服務

通用功能服務將各類具體的地震業務應用所需的共用功能進行抽象封裝，形成標準化服務，支撐上層服務和應用的快速開發實現，包括地圖定制服務、統一認證、統一定位、融合通信、智能語音和智能語義等。

2 關鍵技術

近幾年，隨著地震行業的快速發展，傳統的手動、部分自動化的發布部署方式存在操作復雜、效率低下、成本高、風險大等問題。通過混合云資源編排技術、一體化運維系統架構和混合GIS服務技術，做到軟件、硬件及數據資源高效利用與協作，構建云生態，支撐系統上云發布，為各類業務上云發布提供自動化流水線、制品倉庫、基礎組件、云資源適配、統計分析等服務，使得變更能夠高質量、快速上線，從而落實“智慧地震”發展戰略，實現“數據資源化、業務云端化、服務智能化”的總體目標。

2.1 混合云資源編排

系統的混合云架構是在不同云軟硬件資源、存儲資源虛擬化及混合云管理和云服務之間協同與運維的框架體系(薛磊等，2019)。資源編排分為計算資源編排和服務資源編排2個層次，計算資源編排主要是對各類服務器、存儲設備、網絡設備資源進行排列，以滿足服務的計算資源需求，服務資源編排則依賴于計算資源，通過排列各服務組件的依賴性，以滿足服務部署的需求。

在傳統的軟件架構中，資源編排的工作主要由系統管理員、數據庫管理員和系統開發人員分工協作手工完成。在實際的生產環境中，一個業務的開通往往需要不同領域的專業人員投入大量的時間，操作繁瑣且極易出錯。這不僅造成大量的運維開銷，也使得系統配置的變更也難以跟上需求的快速變更，導致各種運維和升級的困難。

平臺采用的混合云資源編排技術，其統一資源編排調度能力可實現跨云的資源+中間件+業務系統+應用服務的可視化編排調度和一鍵自動化快速交付。同時還集成了DevOps產品提供對代碼構建、代碼檢測、部署回滾、運行監控等操作的一站式交互服務。基于DevOps的理念設計，將開發和運維這2個領域合并，使團隊以更高效的方式進行合作，實現工作流程上的無縫對接，有效減少發布任務的人工投入，顯著提升了單位時間內的應用發布量，加快了應用的交付速度，提升業務價值(劉博涵等，2019)。該技術可以實現異地、異構全棧資源的管理調度和虛擬機/容器/物理機等資源的混合編排，支持可視化的組件操作流程與嵌套，實現復雜應用一鍵式部署，系統界面如圖5 所示。

圖5 地震信息化項目共用服務平臺服務資源編排組件

2.2 一體化運維架構

圖6 一體化運維系統架構

平臺將系統開發過程中復雜的資源申請、環境搭建、服務調用、運行監控等功能集中整合，將所有共用服務系統在單一平臺上進行統一管理。實現跨平臺、跨應用的作業自動化調度與管理，建立基于流程的跨應用之間作業依賴關系并實現自動化運行。技術架構如圖6 所示，其關鍵技術主要有以下內容：

(1)配置管理數據庫

將配置管理融合到云平臺的自動化管理中，負責全網資產全生命周期維護，解決數據不一致的問題，實現配置資源共享(相福民等，2017)。

(2)監控平臺

對被管硬件、操作系統、數據庫、中間件、網絡性能、應用性能等關鍵組件進行故障預警、實時性能監控，并對出現的問題及時告警，方便用戶及時查看及了解平臺的整體運行狀態。

(3)云自動化操作平臺

以指令、虛指令、API的方式解決復雜的、繁瑣的人為操作，釋放人力，同時依托自動化手段和規則模版完成系統自愈、故障預處理。

(4)流程管理平臺

IT基礎設施技術架構庫(ITIL)是一種運行維護管理方法論，可以有效地提高 IT資源 的利用率和服務質量，指導政府或企業高效、經濟地運營信息化設備和系統等 IT資源(周娜等，2014)。依托信息技術基礎架構庫服務管理流程設計，通過實施事件管理、問題管理、變更管理、服務臺、知識管理等，建立起以CMDB為核心、監控管理為驅動、流程管理為導向、自動化手段為輔助的自動化運維一體化平臺。通過配置統一管理流程，提供一個統一的、一致的流程來管理IT基礎架構中的各組件部分，確保所有配置項被正確的識別，并記錄配置當前和歷史狀態，維護系統復雜配置的完整性，從而提高生產環境的穩定性。

(5)綜合呈現

集運行、維護、登陸、操作、審計等功能于一身的一體化平臺，規范并簡化管理員的日常運維管理工作，提高運維效率和水平，實現運維操作的自動化、標準化、合規化。

(6)服務接口

將平臺能力作為REST服務接口開發，供上層應用調用(王非等，2013)。包含服務實例相關的公共API，如實例的生命周期管理、規格升級、監控與告警管理、日志管理、配置管理、規格管理等。另外，每種服務還提供一些與服務內容相關的API，如關系數據庫服務的賬號管理、數據庫管理、備份管理及數據庫參數管理等。

2.3 混合云GIS服務

地震業務應用GIS的場景較多，而且從20世紀90年代地震系統已開始使用GIS，因此存在較多基于GIS的業務系統。為兼顧原有GIS業務系統，同時，保證新建業務系統的功能和性能，本項目在GIS支撐系統的設計上采用混合GIS服務架構，將大數據GIS服務和傳統GIS服務集中整合，進行管理與服務。大數據GIS服務主要針對數據分析量巨大且實時性要求高的相關應用服務，采用“大數據策略”，通過對空間大數據的分布式存儲與計算，滿足大數據GIS應用的服務效率，特別是涉及多圖層疊加分析、地震模型評估分析等重型計算的計算效率，其適用領域為有海量計算需求和效率需求的場景；傳統GIS服務針對常規性的數據與應用服務，其適用領域為兼容傳統GIS的現有應用及彌補大數據GIS處理工具不足的場景。所有的應用服務通過統一的服務平臺，對外提供服務。其架構如圖7、圖8 所示。

圖7 混合GIS云服務架構

圖8 面向GIS的地震業務新架構

(1)大數據GIS服務

空間大數據的體量大、數據類型多、結構復雜、分析能力要求高，已經屬于海量數據的存儲與管理的范疇，而傳統的空間數據庫引擎主要是將空間數據加入到關系數據庫管理系統(RDBMS)中進行管理，這種模式已經很難處理超過TB級空間數據的存儲和空間數據調閱和分析的需要。此外，面對紛繁復雜的數據分析應用場景，傳統GIS平臺無法快速響應、滿足領導的決策支持需求。為了提升分析挖掘的性能，保障決策支持的時效性，迫切需要提高系統處理能力。

通過構建高性能云GIS引擎，采用并行計算、內存計算、多級緩存、動態調度等技術，實現GIS算法的并行化計算，提供滿足云環境下超大規模空間地理信息數據的快速入云發布、瀏覽、查詢和分析服務。其服務包括基礎的空間分析功能服務和專題空間分析服務，提供疊加分析、緩沖分析、鄰近分析、空間關系分析等基本空間分析功能，為救災路線分析、居民疏散分析等業務應用提供基礎。

(2)傳統GIS服務

傳統GIS服務提供空間基礎信息服務，包括空間分析、3D、網絡分析、數據互操作、地理統計等擴展模塊功能，提供資源管理、信息服務、共享協同等方面的服務接口。通過傳統GIS服務平臺，可以利舊地將原有基于GIS的業務系統平滑遷移到云服務平臺中。同時，由于目前大數據GIS服務處于起步階段，而傳統GIS服務已經發展得非常成熟，可以利用其豐富的地理處理工具和積累，彌補目前大數據GIS平臺相關處理工具的不足，達到優勢互補的目的。

(3)GIS服務接口與地圖定制

通過混合云GIS平臺的標準OGC服務，可滿足專業級二次開發需求(范協裕等，2012)。平臺可通過定制擴展開發能力，提供數據服務、功能服務、API接口服務和在線工具集，支持用戶自定義開發，提供豐富應用和可視化模板，滿足輕量級、個性化的在線應用快速構建服務。

在通用功能服務中，提供標準化底圖服務、符號定制服務、專題模板定制服務、按比例尺規則定制服務、按行政區劃規則定制服務、按幅面規則定制服務、地圖數據資源管理服務和打印輸出服務，滿足共用服務平臺對于地理數據的統一調用和標準化輸出需求。

3 系統應用

3.1 平臺建設部署

3.1.1 系統部署

地震信息化項目共用服務平臺以中國地震臺網中心為試點，目前共使用1臺物理機和18臺虛擬機進行部署。所有共用服務平臺管控的18臺虛擬機均在虛擬組織“共用服務”中進行統一管理，其架構如圖9 所示。通過對接適配H3C的云平臺接口，搭建異構的虛擬化管理服務系統，通過混合云資源編排技術實現各類服務和資源的自動化創建和配置，通過一體化運維系統實現系統服務的全生命周期管理，通過混合GIS服務系統實現大數據GIS和傳統GIS應用功能的統一調用。

圖9 系統部署架構

3.1.2 功能實現

通過平臺的部署，實現了共用服務平臺的資源申請、審批管理、系統概覽、項目管理、應用藍圖管理、組件管理、系統配置和告警信息監控等功能。用戶可以根據上層應用的需求，在共用服務平臺申請相關的基礎服務，系統可從資源分配、服務部署、開發配置、運行監控等全流程進行管理與配置，使得上層應用可以擺脫繁瑣低水平的基礎服務配置和運維過程，而專注于具體業務功能的實現，從而提高系統整體的資源利用率，降低維護成本，系統界面如圖10 所示。

3.2 業務應用案例

3.2.1 地震風險評估綜合地情數據服務平臺

利用共用服務平臺提供的非結構化數據庫服務、負載均衡服務、彈性主機服務和Web應用中間件服務，建立了面向全國的地震風險評估綜合地情數據服務平臺，通過平臺所提供的基礎服務能力，建立了穩定可靠、可橫向擴展承擔海量并發訪問的數據服務平臺，對綜合地情數據進行集中維護與數據共享，系統架構如圖11 所示。

圖11 地震風險評估展示平臺架構

通過建立綜合地情數據服務接口，可供全國各省利用該服務建設適合本省的系統或與現有系統進行整合。地震風險評估綜合地情數據展示平臺界面如圖12 所示。

圖12 地震風險評估綜合地情數據展示平臺界面

3.2.2 地震災害快速評估與輔助決策平臺

利用共用服務平臺提供的混合GIS服務，實現地震應急時災情評估與輔助決策平臺，通過大數據平臺的GIS服務接口，建立復雜的地震評估模型，在地震應急時可以在大數據GIS平臺進行并發計算，并可在傳統GIS平臺上進行地震應急產品的快速產出。平臺高性能云GIS并行計算框架如圖13 所示。

圖13 高性能云GIS并行計算框架

圖14 地震災害快速評估與輔助決策平臺界面

通過平臺提供的系統接口，可以和應急信息的綜合展示與發布平臺進行對接，滿足快速地震應急的需要。在實際測試中，基于云平臺的系統模型計算7級左右地震需要10min，而單機版應急指揮技術系統采用相同的計算模型計算相同地震需要16min，效率提高約60%，系統界面與產出成果如圖14 所示。

4 結語

本文詳細論述了地震信息化共用服務平臺的設計、關鍵技術、系統實現和上層應用案例。利用混合云資源編排技術，實現共用服務的資源自動部署與服務交付，解決了復雜的云平臺中資源分配、服務部署等復雜的系統配置與部署依賴問題；利用一體化運維系統架構，實現服務申請、應用開發、系統監控和全流程控制，解決了云平臺復雜系統下應用的管理與監控問題；利用混合GIS技術，實現了大數據GIS與傳統GIS架構服務的整合，充分利用2種平臺的優勢，提高整體的服務能力。最后，在共用服務平臺提供的服務基礎上，建立了地震風險評估綜合地情數據服務平臺和地震災害快速評估與輔助決策平臺的應用，驗證了系統的服務能力，為上層應用的豐富提供了典型的示范。