基于微服務架構的航道工程BIM綜合管理平臺技術研究

駱光磊，宋云濤

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430000;2.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011）

0 引言

隨著水運行業(yè)信息化建設的推進，針對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，可以快速地填報相關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、影響因素多，施工和運維過程中往往存在頻繁的需求變更，傳統(tǒng)的單體式架構系統(tǒng)需要對整個系統(tǒng)統(tǒng)一變更和部署才能完成一次更新，消耗開發(fā)人員和設計人員的大量精力和時間；另外，隨著航道工程智能化的發(fā)展，工程信息化系統(tǒng)有了更多要求和標準，使得整個航道工程管控系統(tǒng)規(guī)模日益增大，傳統(tǒng)的單體架構在應對這種復雜系統(tǒng)時，不可避免地會產生性能降低、拓展性變差和維護困難的問題[3]，限制了系統(tǒng)的實用性，最終導致系統(tǒng)難以推行。

為了適應當前航道工程項目的業(yè)務需求，信息化系統(tǒng)的架構升級成為了推進行業(yè)整體數(shù)字化、智能化的必要條件，另外，隨著當前工程建設領域對項目管控精細化要求的提升，BIM技術也成為了評判系統(tǒng)功能是否完善的重要標準。為此，以微服務架構搭建航道工程BIM綜合管理平臺，將整個系統(tǒng)切分為不同服務，引入BIM技術對航道工程進行建模，將工程中每個構件的設計、施工、運維階段信息全量仿真模擬[4]，在保證工程方案安全準確的同時，進一步提高項目的管理水平。

1 微服務架構

1.1 微服務架構思想

微服務架構（Micro Service Architecture，MSA）是相對于單體架構提出的一種軟件架構方式，將單一的應用程序劃分成為多個微小的服務，即微服務[5]，所有微服務注冊到服務中心并暴露相應的API接口，保證不同服務之間可以相互調用，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。微服務架構中，每個微服務在獨立的進程中運行，并且能夠獨立部署到生產環(huán)境中，實現(xiàn)了應用系統(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系統(tǒng)的容錯性和兼容性，整個系統(tǒng)可以不拘泥于單一編程語言的實現(xiàn)。

1.2 微服務框架

目前行業(yè)主流微服務框架有阿里巴巴研發(fā)的Dubbo框架和Pivotal團隊的Spring Cloud框架，兩者各有其側重點[6]。Dubbo專注于服務治理，提供了高性能和透明化的RPC遠程服務調用方案，但是要構建出一個完整的微服務應用，還需要開發(fā)者整合網關、服務注冊、負載均衡等基礎應用；而Spring Cloud側重于對整個系統(tǒng)架構的整合，將微服務架構各個關鍵點的成熟技術和框架整合到Spring Cloud框架中[7]，按照“約定優(yōu)先于配置”的原則，實現(xiàn)應用的快速搭建，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，采用了微服務框架Spring Cloud搭建航道BIM平臺。

2 航道工程BIM綜合管理平臺設計

航道工程BIM綜合管理平臺是指利用BIM建模技術，精細化管理航道工程在設計階段、施工階段、運維階段的各個環(huán)節(jié)，以信息化手段完成質量安全檢查、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)務進行分解，利用Spring Cloud微服務框架對各服務進行治理，實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速搭建，同時引入多種組件保證了平臺的易用性和穩(wěn)定性，最終形成了一套易開發(fā)、易部署、易維護的航道BIM平臺。

2.1 系統(tǒng)總體架構

鑒于航道BIM平臺多業(yè)務特點，基于微服務架構實現(xiàn)應用系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構圖如圖1。

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

系統(tǒng)從架構角度縱向切分為4個層級：表現(xiàn)層、基礎服務層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層，核心模塊為業(yè)務管理服務、流程管理服務、BIM模型服務、數(shù)據(jù)庫服務。

前端交互界面基于Vue.js框架實現(xiàn)與后臺的松散耦合，采用Nginx搭建網關實現(xiàn)轉發(fā)請求、過濾請求和負載均衡等功能；后端系統(tǒng)采用Spring Cloud技術將不同的業(yè)務分割成微服務，每個服務注冊到Zookeeper服務注冊中心，再通過Dubbo框架實現(xiàn)各個子服務之間的遠程調用；為避免各業(yè)務服務直接調用數(shù)據(jù)庫導致邏輯復雜和重復工作，基于MyBatis框架技術單獨建立數(shù)據(jù)庫服務，向外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，實現(xiàn)業(yè)務服務與數(shù)據(jù)庫的通信；BIM模型服務集成了SuperMap三維GIS平臺[8]，將BIM模型數(shù)據(jù)在PostgreSQL數(shù)據(jù)庫中建庫建表，利用數(shù)據(jù)關聯(lián)性打通了BIM模型與業(yè)務之間的數(shù)據(jù)隔離。

2.2 關鍵技術研究

面對不斷變化的工程需求時，為搭建穩(wěn)定高效的航道工程BIM綜合管理平臺，研究設計了如下技術方案。

1）服務注冊中心與遠程調用

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

采用Zookeeper作為服務注冊中心，所有微服務通過配置注冊中心的IP和端口號，注冊到Zookeeper上，以便其他服務通過注冊中心查找該服務。通過Dubbo管理不同服務之間的遠程調用，Dubbo監(jiān)控消費方的調用行為，在Zookeeper上查找相應的服務提供方并調用接口，實現(xiàn)兩個服務之間的遠程調用。

使用時，在服務消費方創(chuàng)建遠程服務調用類，并將服務提供者的接口用@Reference注解標注，Dubbo自動將與消費方接口同名的遠程接口注入到此類中，在本服務其他模塊中調用該接口便可實現(xiàn)不同服務之間的遠程調用。

2）緩存方案

航道BIM平臺中各階段的業(yè)務數(shù)據(jù)龐雜，為了提升數(shù)據(jù)查詢效率，本平臺引入Redis緩存機制對數(shù)據(jù)進行快速查詢。Redis是一種NoSql數(shù)據(jù)庫，以鍵值對方式存儲數(shù)據(jù)，利用Redis將已經查詢過的數(shù)據(jù)存儲在內存中，下次查詢首先在內存中查詢數(shù)據(jù)，如果命中內存，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)庫的地址和端口等配置信息：在SpringCloud的啟動類中添加@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，此時該方法每次查詢時都會先在Redis緩存中查找相關數(shù)據(jù)。

3）網關設計與負載均衡

不同微服務通常有不同的網絡地址或不同端口，為了向服務調用方提供統(tǒng)一且穩(wěn)定的服務入口，需要進行網關設計，在服務調用方和微服務之間加入網關，可實現(xiàn)無感知的調用服務，便于后期微服務的擴展和維護。

本平臺采用Nginx技術搭建API網關，利用Nginx的反向代理功能，將后端微服務暴露的網絡地址或API接口進行代理，實現(xiàn)統(tǒng)一的接口調用。Nginx的另一個重要功能是實現(xiàn)負載均衡，當同一個微服務部署到多個服務器時，可以通過負載均衡策略分發(fā)調用請求，避免某臺服務器荷載過大而產生阻塞現(xiàn)象。在Nginx服務器啟動前，修改配置文件，將需要代理的后端微服務添加到Nginx的代理服務server中，前端便可通過指定域名或url路徑調用微服務接口。

3 航道工程BIM綜合管理平臺實現(xiàn)

基于以上技術和框架，以長江航道綜合整治項目為實施對象，搭建了長江航道BIM綜合管理平臺，該平臺以微服務的方式實現(xiàn)了工作業(yè)務填報、工作流程審批、BIM模型交互等主要功能，涵蓋了工程設計階段、施工階段和運維階段的各類業(yè)務，可以滿足航道項目管理的多數(shù)場景，為航道工程管理提供高效手段。

3.1 服務接口實現(xiàn)

服務接口是實現(xiàn)平臺功能的最小單元，每個接口承載一種業(yè)務需求，復雜的業(yè)務邏輯在接口內部實現(xiàn)，接口調用方只需關注接口的輸入輸出。為適應航道項目各種業(yè)務需求，開發(fā)了數(shù)目眾多的服務接口，按接口類型分為4類：業(yè)務功能接口、工作流程接口、BIM模型接口和基礎服務接口，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 平臺功能實現(xiàn)

1）業(yè)務管理功能

業(yè)務管理提供對各種業(yè)務數(shù)據(jù)的增刪改查、導入導出等功能，以及復雜業(yè)務的自動匯總、計算等邏輯功能。業(yè)務管理服務集成了工程各類基礎數(shù)據(jù)、進度管理、質量管控、計量支付、安全管理、運行數(shù)據(jù)監(jiān)控等多種航道項目常用功能，業(yè)務人員通過進入相應模塊進行業(yè)務快速填報，提升項目運行效率。

2）流程管理功能

流程管理是工程項目中的重要環(huán)節(jié)，施工完成情況、質量審批、工程支付、設計圖紙審批等眾多業(yè)務都需要按照流程逐步進行，本平臺通過流程管理服務控制所有業(yè)務流程進度，按照流程設計、業(yè)務填報、觸發(fā)流程、流程審批的順序，完成業(yè)務數(shù)據(jù)的流程控制。

3）BIM管理功能

BIM管理功能是平臺對整個項目可視化的模塊，可以使用戶從多角度掌握模型狀態(tài)、進行碰撞檢查等工作；另外，通過將BIM模塊與業(yè)務服務關聯(lián)，用戶可以通過每個構件查詢其關聯(lián)的業(yè)務信息和業(yè)務狀態(tài)，并方便地對構件關聯(lián)的業(yè)務進行填報和流程審批工作，為用戶提供一種管理項目的新維度。BIM管理功能典型界面見圖2。

圖2 BIM平臺典型界面Fig.2 Typical interface of BIM platform

4 結語

為解決傳統(tǒng)單體系統(tǒng)架構模塊復雜、可拓展性差等問題，研究設計了航道工程系統(tǒng)相關的系統(tǒng)架構及關鍵技術，將BIM技術引入系統(tǒng)，搭建基于微服務架構的航道工程BIM綜合管理平臺，該平臺實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速開發(fā)、快速部署、快速拓展，可根據(jù)實際工程需求不斷接入新服務模塊，為航道工程全生命周期管理提供高效手段。