基于微服務的內河船舶污染物監管系統設計與實現

王永興

一、引言

為遏制船舶在運營過程中的非法排放污染物行為，依據《中華人民共和國防治船舶污染內河水域環境管理規定》等法規，各省、市和地區相繼開展了船舶污染物的接收轉運處置機制、技術和管理等方面的研究[1-5]，并制定了相關制度。

船舶污染物轉移聯單制度雖然正在各地逐步建立，但目前仍以紙質聯單為主，電子聯單等信息化監管手段應用有限，未實現多部門互聯互通監管模式。2019年，交通運輸部、生態環境部、住房和城鄉建設部聯合印發《關于建立完善船舶水污染物轉移處置聯合監管制度的指導意見》，明確指出“鼓勵各地建立船舶水污染物轉移處置監管信息系統，實現‘電子單證’流轉”。因此利用先進的信息化技術構建船舶污染物監管系統，是推進落實船舶污染物聯合監管制度和規定的關鍵。

2020年，為了全面推進長江干線船舶水污染物“零排放”治理模式，長江航務管理局主導研發了“長江干線船舶水污染物聯合監管與服務信息系統”，向長江沿線省市的船舶和污染物接收、轉運、處置單位提供統一便捷的線上服務，形成了數字監管和多部門共建共治共享的新格局。船員通過APP即可實現一鍵預約船舶污染物的接收，極大提高了船員交付污染物的便利性和積極性。

廣西內河航運發達，為了保護生態環境、促進綠色發展，廣西海事局、交通廳、環境保護廳等聯合發布了《廣西壯族自治區船舶污染物接收、轉運及處置聯單制度和聯合監管制度》，對船舶污染物分類、船舶污染物接收轉運處置流程和聯單以及各部門監管職責等做出了規定。但廣西在船舶污染物監管方面存在污染物接收、轉運和處置設施能力不足，環保意識較為薄弱等問題，同時還缺乏有效的船舶污染物協同監管手段。針對廣西船舶污染物聯合監管需求和缺乏有效的信息化系統的現狀，本文借鑒長江模式，遵循廣西數字港航一體化應用架構的統一規劃，基于微服務和微前端架構，對船舶污染物監管系統進行設計，并對其中關鍵技術進行研究實現，以提升船舶污染物的監管力度和污染物處理的服務水平。

二、船舶污染物監管系統架構設計

（一）業務流程

根據《廣西壯族自治區船舶污染物接收、轉運及處置聯單制度和聯合監管制度》要求，設計了如圖1所示的船舶污染物監管系統的業務流程。系統將利用微信小程序等技術手段實現船舶污染物接收、轉運和處置全過程的“電子聯單”流轉、實時監管、智能預警提醒和統計分析等功能，完成各部門對船舶污染物的協同閉環監管。

圖1 船舶污染物監管系統業務流程

（1）船舶污染物接收。船主可通過手機端程序在電子航道圖上選擇污染物回收站（船）或者掃描其二維碼填報污染物種類和數量，雙方確認后生成“污染物接收電子聯單”記錄，系統開始對該船舶產生的污染物進行跟蹤和監管。

（2）船舶污染物轉運。船舶污染物回收站（船）可在手機端程序上的列表中或掃描二維碼選擇相應有資質的運輸單位或企業，匯總多船的同類污染物后生成“污染物轉運處置電子聯單”。運輸方完善負責人和運送時間等信息，雙方確認后更新“污染物轉運處置電子聯單”。

（3）船舶污染物處置。運輸方于手機端程序上的列表中或掃描二維碼選擇有資質的污染物處置單位，完善交接人員、交接地點和時間等信息，經雙方確認后更新“污染物轉運處置電子聯單”。

（4）電子預警與協同監督。系統根據船舶噸位和配員情況建立運輸船舶的污染物排放周期模型，并根據船舶運營情況和污染物接收記錄，對超周期未進行污染物回收的船舶進行預警。海事局可結合視頻和AIS記錄對船舶違規行為進行取證，作為后期處罰依據。港航發展中心、住建廳和環保廳可通過系統從空間、時間和類型等多種維度查看全自治區船舶污染物接收、轉運和處置記錄以及各種違規及預警的統計信息，實現多部門協同監管。

（二）系統結構設計

廣西船舶污染物監管系統應遵循廣西數字港航一體化應用的頂層設計，確保系統的靈活性和可用性，以便集成到為民辦實事的統一平臺中。基于微服務進行系統架構設計，其總體結構如圖2所示。廣西船舶污染物監管系統集成在統一的數字港航一體化應用架構中，在其基礎平臺層、業務服務層和應用生態層中關聯的模塊分別如下：（1）基礎平臺層。涉及航道測量、視頻監控、AIS基站和航標RTU，獲取外場感知的航道和船舶信息。（2）業務服務層。在數據中臺涉及航道圖、視頻、船舶、污染物、單位和用戶等數據，主要由達夢數據庫存儲并能實現數據管控、數據搜索和數據挖掘等功能；在業務中臺涉及的微服務包括單點統一登錄、航道圖顯示、船舶監控、污染物接收轉運和處置電子聯單、單據加密、船舶污染物跟蹤、電子預警和違規取證、視頻監控、目標檢測和時空統計等，并通過業務網關實現服務編排、服務調用、資源權限和服務監控管理。（3）應用生態層。船舶污染物監管應用基于一張圖（地圖與電子航道圖融合）構建，集成于數字港航一體化應用生態圈，可與港航運行檢測系統和港航公眾服務系統等無縫融合；可利用Web網站、數字港航APP和微信小程序進行訪問和交互，同時為第三方提供交互接口；可根據用戶權限為其他港航企事業單位提供被授權的微服務API訪問能力。

圖2 船舶污染物監管系統總體結構

三、船舶污染物監管系統技術架構

廣西船舶污染物監管系統主要包括應用生態層和業務服務層，應用生態層主要利用基于HTML5、VUE等核心技術的微前端架構，業務服務層則主要利用基于Nacos、Spring Boot和Spring Cloud等核心技術的微服務架構，圖3顯示了整個系統的技術架構。

（一）微服務架構

微服務架構包括網關、服務注冊中心、用戶認證服務中心、微服務模塊、數據庫和搜索引擎等。網關包括基于Nginx的流量網關以及基于Spring Cloud Gateway實現的微服務業務網關，Gateway是整個微服務API請求的入口，實現用戶的驗證登錄和權限控制，并與Nginx和Sentinel配合實現限流、熔斷和負載均衡等功能。

各微服務模塊包括用戶統一登錄服務、船舶信息服務、污染物信息服務、電子航道圖服務、電子聯單服務等基于Spring Boot實現，它們在服務注冊中心注冊服務實例并獲取動態配置與服務列表。服務注冊中心基于Nacos實現，負責服務注冊、發現、配置和管理，其整合Spring Boot Admin實現各個微服務運行狀態的監控。

圖3 船舶污染物監管系統技術架構

用戶認證服務中心基于OAuth 2.0實現，當從網關接收到用戶登錄請求后，其從用戶統一登錄微服務獲取用戶信息進行驗證，生成JWT（Json Web Token）令牌返回給用戶，令牌攜帶用戶信息和有效時間；當用戶再次發送請求時攜帶JWT令牌，Gateway網關直接從JWT獲取用戶信息進行鑒權，實現高效的安全認證。

在數據中臺，船舶污染物監管相關數據主要存儲在達夢數據庫中，結合高速緩存內存數據庫Redis滿足實時的高并發需求。同時，利用Logstash從數據庫采集數據存入分布式的ElasticSearch索引庫，利用其高效的全文搜索引擎滿足時空統計等微服務對大范圍歷史數據進行快速準確查詢和時空分析的需求。

（二）微前端架構

廣西數字港航一體化應用生態圈主要基于基座模式的微前端架構開發。微前端類似微服務架構，將前端應用由單一的單體應用轉變為多個小型前端應用的聚合，各個前端應用可獨立開發和部署，然后由一個主應用基座進行管理并作為系統的統一入口。廣西船舶污染物監管系統作為一個主要業務模塊，遵循統一的微前端框架約定方案，主要利用H5和Vue進行開發，分別形成基于小程序和Web的微應用系統嵌入基座并由基座路由加載。

（三）系統特點

系統采用微服務和微前端架構，具有很強的靈活性和可擴展性，不僅方便系統的開發和部署，而且當檢測到某些微服務的訪問壓力比較大時可以動態增加微服務的實例數量，進行動態擴容。例如：當Gateway網關微服務的訪問壓力較大時，可增加Gateway的實例數量，新增的實例會自動注冊到Nacos服務中心，并由Nacos根據相應的策略動態調用，實現系統的按需擴容，極大地方便了系統的維護。

四、船舶污染物監管系統實現

（一）小程序

船舶污染物監管小程序主要面向現場用戶，包括營運船舶、污染物回收船舶（站點）、轉運車輛以及污染物處置單位人員。小程序包含在廣西港航一體化應用APP基座中，也可通過微信小程序入口調用，圖4顯示了小程序的系統界面。船舶用戶可方便地通過APP或者微信小程序直接進行污染物接收申請，同時可得到及時預警提醒并進行統計查詢。污染物接收單位、轉運單位和處置單位工作人員同樣可以通過APP或小程序方便地對污染物轉運和處置過程進行確認和跟蹤，形成最終電子聯單，圖5為船舶污染物轉運和處置過程的小程序界面。

圖4 船舶污染物監管小程序系統界面

圖5 船舶污染物轉運和處置過程小程序系統界面

（二）Web監管系統

船舶污染物Web監管系統主要面向海事、港航發展中心、環衛以及船舶公司等管理用戶，提供協同監管工作臺。圖6為其系統界面，系統主要實現包括船舶污染物接收、轉運、處置的數據監控與電子聯單管理，統計分析數據大屏，預警違規處理，通知公告以及車船、單位和用戶管理等功能，在統一平臺實現各管理方的協同監管。

五、結語

圖6 船舶污染物W eb監管系統界面

依據廣西數字港航一體化應用的頂層設計，基于微服務和微前端架構，綜合利用電子航道圖、視頻檢測和時空分析等技術，設計了廣西船舶污染物監管系統。其將在廣西全面推廣，以提升廣西內河船舶污染物監管能力和服務水平。隨著船舶污染物監管系統應用的不斷推進，將會產生更多的管理或服務的需求。基于微服務的架構可以很好地適應系統的持續演化，其松耦合和高彈性的特性，使之能夠以較小的代價不斷集成以微服務形式出現的新業務功能。此外，其基于集群部署的強大可擴展能力也能夠很好地適應用戶規模的不斷擴大，持續為廣西船舶污染防治做出貢獻。