王曉博，曲嘉旭，楊 杉，葉海納（中國聯(lián)通智能城市研究院，北京 100048）

0 引言

空間信息作為數(shù)字時代不可或缺的要素，是虛擬和現(xiàn)實世界融合的橋梁。5G技術(shù)所帶來的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃興起，對室內(nèi)外位置服務(wù)的需求也越來越旺盛。運營服務(wù)商作為智慧城市的建設(shè)者，可發(fā)揮既有資源優(yōu)勢，提升產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智慧城市領(lǐng)域業(yè)務(wù)能力［1］。隨著智慧城市的建設(shè)發(fā)展，使用群體對位置能力提出了更高的服務(wù)響應(yīng)要求，從而在生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程內(nèi)部形成高效、應(yīng)變的信息化應(yīng)用需求，面對動態(tài)多變的需求，行業(yè)內(nèi)通常采用的單體架構(gòu)逐步暴露出開發(fā)效率低、集成能力低、部署頻率低等問題。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)架構(gòu)等前沿技術(shù)的高速發(fā)展，位置服務(wù)能力建設(shè)迎來了云化改造、服務(wù)化建設(shè)的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。如何融合多種新技術(shù)，平臺能力的靈活開放等是綜合位置服務(wù)平臺建設(shè)需要重點考慮的問題［2-3］。文中提出了利用北斗、5G、偽衛(wèi)星等定位手段，解決多源位置數(shù)據(jù)融合，滿足高并發(fā)響應(yīng)需求，連接用戶、連接供應(yīng)商、連接服務(wù)構(gòu)建了基于微服務(wù)架構(gòu)的室內(nèi)外綜合位置服務(wù)平臺，同時平臺具備接口應(yīng)用的開放能力，其開放性應(yīng)包含功能的開放以及數(shù)據(jù)資源的開放性［4］，圍繞位置應(yīng)用需求，通過服務(wù)聚合的方式融合業(yè)務(wù)資源與基礎(chǔ)功能，形成位置服務(wù)（如區(qū)域熱點、電子圍欄分析等），為進一步基于位置服務(wù)快速搭建業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)支撐。

文章闡述了基于微服務(wù)的綜合位置服務(wù)平臺的設(shè)計方案，首先分析了平臺設(shè)計的結(jié)構(gòu)要求、業(yè)務(wù)流程、技術(shù)難點，之后給出了實現(xiàn)方式，包括數(shù)據(jù)融合方式和負載均衡方式，并展示了數(shù)據(jù)服務(wù)效果，最后對文章進行了小結(jié)。

1 綜合位置服務(wù)平臺設(shè)計

1.1 綜合位置服務(wù)平臺架構(gòu)設(shè)計

綜合位置服務(wù)平臺主要為各應(yīng)用系統(tǒng)提供安全、可監(jiān)管的綜合位置服務(wù)，滿足海量位置數(shù)據(jù)實時采集與存儲、位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、高并發(fā)訪問的需求等。平臺完整架構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)設(shè)施、邊緣位置服務(wù)平臺、空間信息服務(wù)云平臺和位置服務(wù)基礎(chǔ)功能應(yīng)用4部分組成［5］。

綜合位置服務(wù)平臺采用云邊融合架構(gòu)的方式來搭建，以PaaS的服務(wù)模式部署位置服務(wù)平臺，實現(xiàn)位置服務(wù)平臺的功能性服務(wù)，并以訪問接口API/SDK的方式提供給位置服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)使用；空間數(shù)據(jù)是位置服務(wù)不可缺少的部分，位置服務(wù)平臺所使用的各種空間數(shù)據(jù)以DaaS形式通過數(shù)據(jù)中心對外提供服務(wù)，包括數(shù)據(jù)可視化、多源空間數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)、基于位置的行業(yè)分析服務(wù)等［6］。綜合位置服務(wù)基于平臺中的位置業(yè)務(wù)中心模塊提供通用服務(wù)及位置業(yè)務(wù)服務(wù)，將所開發(fā)的各種基礎(chǔ)功能應(yīng)用程序以PaaS的形式發(fā)布到綜合位置服務(wù)系統(tǒng)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各個垂直行業(yè)領(lǐng)域按需提供智能化、不同定位精度的位置服務(wù)支撐，提升智慧城市基礎(chǔ)平臺能力。

1.2 綜合位置服務(wù)平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 綜合位置服務(wù)平臺體系結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)則

平臺組件化：采用全組件化結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個組件通過標準接口聯(lián)系在一起。平臺劃分為數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)開放展示、業(yè)務(wù)運營管理、數(shù)據(jù)存儲中心以及服務(wù)自動化運維管理五大子系統(tǒng)模塊。每個子系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域劃分為多個微服務(wù)組件，每個組件在功能上獨立開發(fā)并根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供標準數(shù)據(jù)輸出接口；并實現(xiàn)組件水平擴容，解決單點性能瓶頸問題。

平臺基礎(chǔ)技術(shù)體系：平臺基礎(chǔ)架構(gòu)使用遵循Spring cloud微服務(wù)的標準體系Spring-Cloud-Alibaba 2.1.0以及Spring Boot 2.0為基礎(chǔ)框架；使用Nacos服務(wù)統(tǒng)一配置中心、微服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)，更易于構(gòu)建云原生應(yīng)用的動態(tài)服務(wù)發(fā)現(xiàn)、配置管理和服務(wù)管理平臺。并使用Spring-Cloud-Alibaba-Sentinel面向分布式服務(wù)架構(gòu)的輕量級流量控制產(chǎn)品，以流量為切入點，從流量控制、熔斷降級、系統(tǒng)負載保護等多個維度來保護服務(wù)的穩(wěn)定性［5］。

圖1 綜合位置服務(wù)平臺架構(gòu)圖

標準化接口設(shè)計：所有模塊組件服務(wù)采用標準統(tǒng)一接口設(shè)計，所有組件之間使用Spring-Cloud-Gateway組件實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)服務(wù)出口API網(wǎng)關(guān)，并對各接口服務(wù)進行路由規(guī)則配置。并使用swagger-ui輸出標準化API文檔，方便數(shù)據(jù)開發(fā)與調(diào)試，保證適配多個組件對接時的開放性、穩(wěn)定性以及擴展性［6］。

分層架構(gòu)設(shè)計：單個組件應(yīng)用設(shè)計中采用橫向分層和縱向分割的架構(gòu)設(shè)計。平臺每個子系統(tǒng)橫向分割為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層以及表現(xiàn)層；每個新增子系統(tǒng)采用獨立模塊開發(fā)和部署，新增業(yè)務(wù)可以模塊插件形式加入原平臺，保證平臺功能的可擴展性。平臺縱向分割為各大子系統(tǒng)，并在子系統(tǒng)中詳細劃分為不同業(yè)務(wù)模塊，并抽象出可復(fù)用的業(yè)務(wù)邏輯以及系統(tǒng)核心模塊，提高平臺的可復(fù)用性。

開放性設(shè)計：面向用戶、供應(yīng)商、第三方服務(wù)開發(fā)者建立匯聚空間感知能力的平臺，平臺數(shù)據(jù)在保證安全前提下給予充分的開放性。數(shù)據(jù)接入方面根據(jù)不同設(shè)備情況開發(fā)數(shù)據(jù)聚合適配器，并通過定義解析規(guī)則對不同類型數(shù)據(jù)進行解析、存儲；數(shù)據(jù)輸出方面對數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)聚合形成統(tǒng)一標準化輸出接口；同時根據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域封裝平臺開發(fā)應(yīng)用工具包，方便其他技術(shù)團隊進行二次開發(fā)時能夠更好地復(fù)用。

運維方面平臺所有服務(wù)使用Docker容器化部署，簡化配置、隔離應(yīng)用、整合服務(wù)器，一個服務(wù)器可以用Docker部署多套業(yè)務(wù)，提高平臺服務(wù)隔離性。所有服務(wù)運行集群采用Kubernetes進行服務(wù)編排與管理；極小規(guī)模的運維團隊能完成超大集群的彈性伸縮，擁有極強的靈活性［7-8］。

1.2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計

平臺數(shù)據(jù)邏輯分為：數(shù)據(jù)出/入口、數(shù)據(jù)處理/操作、數(shù)據(jù)聚合存儲、數(shù)據(jù)標準輸出；平臺業(yè)務(wù)子系統(tǒng)主要分為三大系統(tǒng)：內(nèi)管平臺子系統(tǒng)、開發(fā)者開放平臺子系統(tǒng)、設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)；平臺支撐：服務(wù)自動化運維監(jiān)控中心。

平臺整體架構(gòu)如圖2所示。

平臺設(shè)備：包括GNSS定位設(shè)備、UWB室內(nèi)定位設(shè)備等其他終端，主要收集設(shè)備當(dāng)前定位信息并使用安全協(xié)議傳輸?shù)狡脚_云服務(wù)［9］。

數(shù)據(jù)出入口：統(tǒng)一平臺所有對外出入口服務(wù)器，使用Nginx代理服務(wù)對數(shù)據(jù)出口統(tǒng)一管控，同時可實現(xiàn)負載均衡。

設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)：主要控制平臺數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)解算、數(shù)據(jù)聚合存儲以及數(shù)據(jù)標準化輸出模塊。

內(nèi)管平臺子系統(tǒng)：為運營人員提供平臺運營、設(shè)備及服務(wù)配置相關(guān)、開發(fā)者管理等相關(guān)運營工作，并提供系統(tǒng)工作臺展現(xiàn)基礎(chǔ)定位功能以及平臺相關(guān)統(tǒng)計功能。

開發(fā)者開放平臺子系統(tǒng)：認證開發(fā)者資質(zhì)信息，管理開發(fā)者設(shè)備、服務(wù)信息，并向開發(fā)者提供設(shè)備、服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)標準化接口等。

平臺分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

感知層：通過設(shè)備、人員等收集位置等信息。

網(wǎng)絡(luò)層：通過NIO處理高并發(fā)請求，建立設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信。

持久層：存儲、緩存設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)。以結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化形式分布式存儲。

圖2 平臺總體架構(gòu)設(shè)計圖

圖3 平臺分層結(jié)構(gòu)圖

業(yè)務(wù)邏輯層：策略解析、解算；并將異構(gòu)數(shù)據(jù)標準化輸出；在設(shè)備、服務(wù)基礎(chǔ)上根據(jù)業(yè)務(wù)需求搭建各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

應(yīng)用層：建立滿足業(yè)務(wù)需要的應(yīng)用系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

開發(fā)者作為整個能力開發(fā)平臺業(yè)務(wù)流程閉環(huán)的中心要素如圖4所示。開發(fā)者通過開放平臺申請入駐為個人、企業(yè)開發(fā)者，認證完成后，開發(fā)者可申請服務(wù)使用以及購買設(shè)備；將設(shè)備及服務(wù)配置到對應(yīng)的開發(fā)者應(yīng)用中，應(yīng)用即可根據(jù)標準認證流程獲取設(shè)備數(shù)據(jù)以及調(diào)用服務(wù)接口。平臺運營管理人員通過內(nèi)管平臺管理平臺中開發(fā)者信息、設(shè)備信息、服務(wù)信息等功能；可輔助開發(fā)者對應(yīng)用進行管理以及調(diào)試等。所有終端設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上傳到數(shù)據(jù)解析中心進行數(shù)據(jù)清洗、解析、分析等，將不同類型的設(shè)備數(shù)據(jù)以標準化方式存儲到分布式數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存儲以通用型標準API網(wǎng)管輸出，通過API開放性接口向開發(fā)者提供設(shè)備數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.4 綜合位置服務(wù)平臺功能設(shè)計

圖4 平臺整體業(yè)務(wù)流程圖

根據(jù)運營要求主要參與角色包含第三方開發(fā)者、供應(yīng)商、開發(fā)者管理員、服務(wù)管理員、平臺運營、平臺管理員等多種角色。可根據(jù)業(yè)務(wù)需求新增或靈活劃分平臺管理權(quán)限。

主要功能模塊劃分為：開放平臺、開發(fā)者管理、解決方案管理、服務(wù)管理、設(shè)備管理、設(shè)備型號管理、工作臺、系統(tǒng)管理八大功能模塊，如圖5所示。

開放平臺：為第三方開發(fā)者提供應(yīng)用管理、所屬設(shè)備管理、應(yīng)用控制臺等功能。并為開發(fā)者提供設(shè)備、服務(wù)API數(shù)據(jù)接口；為第三方服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 平臺功能結(jié)構(gòu)及流程圖

開發(fā)者管理：平臺管理所有開發(fā)者信息，并考慮后期開發(fā)者主動入駐平臺。對資質(zhì)認證通過的開發(fā)根據(jù)購買信息配置開發(fā)者設(shè)備以及服務(wù)信息。

解決方案管理：發(fā)布成熟行業(yè)解決方案，為開發(fā)者提供行業(yè)難題解決路徑，并輔助開發(fā)者完成設(shè)備、服務(wù)對接等。

服務(wù)管理：管理平臺所有能提供的非設(shè)備相關(guān)增值服務(wù)，并提供相關(guān)服務(wù)接入技術(shù)文檔以及API接口文檔等。

設(shè)備管理：管理供應(yīng)商提供設(shè)備信息，能靈活配置設(shè)備相關(guān)參數(shù)等。

設(shè)備型號管理：管理設(shè)備供應(yīng)商以及供應(yīng)商型號；并為所有型號配置設(shè)備參數(shù)、采集策略、解析策略等信息。

工作臺：提供在地圖上查詢設(shè)備實時信息，顯示設(shè)備歷史軌跡播放信息。統(tǒng)計設(shè)備數(shù)據(jù)、開發(fā)者信息、API服務(wù)信息等平臺整體信息［8］。

系統(tǒng)管理：管理平臺用戶、角色、日志等系統(tǒng)配置信息；同時在工作臺中能查看系統(tǒng)所有設(shè)備信息以及配置信息，同時能根據(jù)不同設(shè)備使用配套相關(guān)服務(wù)。

1.5 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計

平臺物理層分為：表面感知層、協(xié)議安全傳輸層、解析處理分布式服務(wù)層、存儲分布式存儲層、平臺應(yīng)用層（包括內(nèi)管平臺、開發(fā)者平臺）等，如圖6所示。

平臺整體軟硬件包括：

a）感知設(shè)備：包括GNSS定位設(shè)備、UWB室內(nèi)定位設(shè)備等其他終端，主要收集設(shè)備當(dāng)前定位信息并使用安全協(xié)議傳輸?shù)狡脚_云服務(wù)。

b）網(wǎng)絡(luò)安全傳輸：系統(tǒng)對接外部數(shù)據(jù)需要通過安全協(xié)議傳輸，并通過平臺云服務(wù)防火墻認證，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。

c）平臺云服務(wù)：使用多臺機器部署系統(tǒng)云服務(wù)平臺；劃分為數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)展示等。系統(tǒng)組件使用內(nèi)網(wǎng)通信。

d）平臺運營：內(nèi)管平臺使用者通過PC網(wǎng)頁對平臺設(shè)備、服務(wù)信息進行配置，并管理平臺中其他運營數(shù)據(jù)。

e）開發(fā)者：第三方開發(fā)者通過平臺認證得到所屬設(shè)備數(shù)據(jù)權(quán)限，并通過開發(fā)者數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)訪問數(shù)據(jù)開發(fā)定制化應(yīng)用。同時開發(fā)者可在平臺中展現(xiàn)平臺基礎(chǔ)服務(wù)。

f）開放平臺數(shù)據(jù)接入：可接入第三方平臺數(shù)據(jù)信息。

1.6 綜合位置服務(wù)平臺設(shè)計技術(shù)難點

1.6.1 多源位置數(shù)據(jù)融合

終端位置信息包括定位信息和屬性，由于終端本身多樣化，需要對這些位置信息進行分類或分級處理，更需要對多源位置信息進行融合處理。多源位置信息融合處理需要對位置數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將各種不同的位置數(shù)據(jù)進行綜合、提取、格式轉(zhuǎn)換等操作，并按照統(tǒng)一的協(xié)議標準進行加工處理和存儲，形成統(tǒng)一的、規(guī)范的、可利用的綜合信息［10］。

圖6 平臺部署圖

1.6.2 高并發(fā)請求的快速響應(yīng)

綜合位置服務(wù)平臺，開放接入多家廠商UWB、藍牙、慣導(dǎo)等定位技術(shù)及基站設(shè)備，提供位置解算、融合定位切換、路徑規(guī)劃、軌跡復(fù)現(xiàn)、電子圍欄等基礎(chǔ)服務(wù)，為客戶提供全面的包括軟件服務(wù)（API、SDK、應(yīng)用）、硬件設(shè)備、解決方案等多種形態(tài)的服務(wù)能力，服務(wù)受眾包括普通客戶、第三方開發(fā)者以及設(shè)備廠商等人員。位置服務(wù)調(diào)用頻次以及相關(guān)數(shù)據(jù)是海量的，每天面臨幾萬、十萬、甚至百萬次的查詢請求。平臺會面臨業(yè)務(wù)中心核心服務(wù)能力要滿足用戶的高并發(fā)請求，并能夠快速地響應(yīng)用戶的請求。為了更好地滿足用戶體驗，實現(xiàn)更加智能的位置服務(wù)，更加高效的數(shù)據(jù)查詢，采用基于高并發(fā)請求的快速響應(yīng)技術(shù)為平臺設(shè)計中的一個難點［11］。

2 綜合位置服務(wù)平臺實現(xiàn)

2.1 綜合位置服務(wù)平臺數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)

平臺支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，與平臺進行數(shù)據(jù)共享。開發(fā)智能適配子系統(tǒng)接入現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)、定位引擎數(shù)據(jù)等異構(gòu)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析、去噪、融合存儲等。制定位置服務(wù)平臺外部、內(nèi)部IO標準協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以Restful、SDK集成包形式認證授權(quán)響應(yīng)用戶，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主動收集、被動上傳JSON結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等。平臺為直連設(shè)備提供可配置化采集策略，適配被動數(shù)據(jù)收集以及主動推送數(shù)據(jù)，同時支持命令下發(fā)策略在線實時配置以及調(diào)整；同時平臺支持邊緣計算設(shè)備數(shù)據(jù)提取以及收集非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)靈活配置［12］。

2.2 綜合位置服務(wù)平臺負載均衡實現(xiàn)

綜合位置服務(wù)平臺為實現(xiàn)高并發(fā)處理以及快速響應(yīng)，在設(shè)計實現(xiàn)中采用微服務(wù)分布式架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)進行模塊切分，對單服務(wù)子系統(tǒng)進行分布式部署；水平拆分和垂直拆分數(shù)據(jù)、應(yīng)用提升系統(tǒng)負載能力，解決對應(yīng)系統(tǒng)瓶頸問題。設(shè)計堆內(nèi)、堆外、分布式等不同系統(tǒng)層級數(shù)據(jù)緩存，提升平臺訪問效率。大量使用異步化提升平臺整體吞吐量和靈活性，并對不同線程池進行系統(tǒng)監(jiān)控、運維和降級處理等。開放平臺數(shù)據(jù)共享可自動降級，讀服務(wù)降級、寫服務(wù)降級等API接口控制方式，保證核心服務(wù)高可用。物理層面平臺設(shè)計進程隔離、集群隔離、讀寫隔離、動靜隔離等提供平臺整體吞吐量。硬件提供可伸縮、高可用分布式處理和服務(wù)計算能力，能做到彈性資源分配和訪問控制，提供中間件運行環(huán)境，屏蔽底層資源復(fù)雜性等［13］。

2.3 綜合位置服務(wù)平臺數(shù)據(jù)服務(wù)

綜合位置服務(wù)平臺架構(gòu)設(shè)計具備開放性特征，采用基于REST-ful服務(wù)的技術(shù)，以JSON格式數(shù)據(jù)對外提供服務(wù)。它可以使用HTTP的全部特點，對各類有帶寬限制的終端設(shè)備都能夠非常好地支持，適合構(gòu)建包括移動端在內(nèi)的各種端應(yīng)用服務(wù)［14-15］。結(jié)合垂直領(lǐng)域服務(wù)的要求，展開綜合位置服務(wù)平臺建設(shè)，平臺部署于公有云，如圖7所示。

產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各垂直領(lǐng)域應(yīng)用所需要的位置服務(wù)由綜合位置服務(wù)平臺提供，通過請求—響應(yīng)的模式從綜合位置服務(wù)平臺獲取綜合位置服務(wù)的查詢結(jié)果、統(tǒng)計分析以及權(quán)限信息等。

圖7 綜合位置服務(wù)平臺

3 結(jié)束語

文章闡述了室內(nèi)外高精度綜合位置服務(wù)平臺的設(shè)計方案，綜合位置服務(wù)平臺為用戶提供位置解算、電子圍欄、路徑導(dǎo)航、多源數(shù)據(jù)融合分析等服務(wù)，平臺繼承了海量綜合位置數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)與服務(wù)上有力地支撐產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智慧城市各領(lǐng)域綜合性高精度位置服務(wù)建設(shè)的要求，采用最佳的融合定位技術(shù)方法和微服務(wù)設(shè)計理念，服務(wù)于智慧港口、智慧礦井、生態(tài)監(jiān)測等，以提升生產(chǎn)流程的自動化水平、提高精細化管理水平，助力各垂直領(lǐng)域更好地信息化建設(shè)，為北斗民用推廣、北斗港口、北斗礦井、北斗生態(tài)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用起到了重要推動作用。