陳 亮，郭洋洋，趙澤乾，劉 磊、王騰霄

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子技術(shù)研究所，北京 100081）

近年來，我國鐵路科技迅猛發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新逐漸成為推動鐵路發(fā)展的源動力。為了解決鐵路建設(shè)中各項工程的重大問題，跨學(xué)科或產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的科研項目無論在數(shù)量上還是在研發(fā)經(jīng)費上都呈逐年增多的趨勢。鐵路科研工作越來越多地顯現(xiàn)系統(tǒng)綜合性、復(fù)雜性和跨學(xué)科性的發(fā)展趨勢。因此，通過研究多學(xué)科、多專業(yè)、多人員交叉的復(fù)雜系統(tǒng)需求，開發(fā)一套鐵路科研協(xié)作平臺對提高鐵路科研項目的研發(fā)效率與質(zhì)量具有重要意義。

現(xiàn)階段的科研信息化平臺多以項目牽頭或項目甲方的需求為出發(fā)點進(jìn)行開發(fā)[1]，而考慮所有項目參與方需求的研究較少。同時，眾多信息化平臺中，采用傳統(tǒng)單體式結(jié)構(gòu)的較多，采用微服務(wù)架構(gòu)的較少[2]。

本文從微服務(wù)架構(gòu)與傳統(tǒng)單體式架構(gòu)對比分析出發(fā)，通過對鐵路科研協(xié)作進(jìn)行全面、立體、多層級的需求分析，設(shè)計平臺的總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)，為鐵路科研協(xié)作平臺的研究開發(fā)提供支撐。

1 傳統(tǒng)單體式架構(gòu)與微服務(wù)架構(gòu)方式對比

1.1 傳統(tǒng)單體式架構(gòu)

基于傳統(tǒng)單體式架構(gòu)的信息系統(tǒng)僅以實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能為目的，將所有功能集中在同一工程內(nèi)部，業(yè)務(wù)邏輯耦合緊密。在鐵路科研協(xié)作平臺中，鐵路的各個專業(yè)交叉多且功能眾多，單體式架構(gòu)的缺點較為明顯[3]，包括：（1）增加新的協(xié)作需求時，平臺不能及時擴展；（2）需求變更時，難以快速在原有復(fù)雜的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行更新；（3）可靠性較低，受到邏輯耦合緊密的影響，可能會由于一個模塊的影響導(dǎo)致整個平臺宕機；（4）新接手的成員對于原有復(fù)雜系統(tǒng)的理解、上手較慢，造成維護(hù)成本較高。綜上，在新的需求變更驅(qū)動下，一個小而簡單的應(yīng)用都會慢慢變得臃腫且龐大[4]。

1.2 微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是目前比較流行的軟件架構(gòu)風(fēng)格，是一種將軟件的應(yīng)用設(shè)計為可單獨部署的服務(wù)套件的特定軟件架構(gòu)方式。該架構(gòu)將復(fù)雜的單體應(yīng)用分解為小而專一、耦合度低、高度自治的服務(wù)。每個服務(wù)集中于各自的應(yīng)用業(yè)務(wù)確定邊界，可以進(jìn)行獨立的開發(fā)、測試以及部署，實現(xiàn)按需配置擴展[5]，便于后續(xù)的系統(tǒng)運營與維護(hù)。每個服務(wù)都運行于獨立進(jìn)程中，通過輕量級通信機制，可以避開開發(fā)語言的限制[6]，實現(xiàn)相互協(xié)同工作，完整系統(tǒng)功能。

鐵路科研協(xié)作平臺內(nèi)模塊眾多，應(yīng)基于微服務(wù)架構(gòu)方式，按照高內(nèi)聚、低耦合的思路進(jìn)行開發(fā)，否則越到后期維護(hù)以及二次開發(fā)時，成本代價越大，同時也給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定風(fēng)險。

2 平臺需求分析

鐵路科研協(xié)作平臺是鐵路科研項目綜合信息化的重要手段。從服務(wù)項目管理團(tuán)隊、科研團(tuán)隊的角度出發(fā)，建立接口豐富、功能便捷的平臺，將項目文檔、經(jīng)費、人才、知識、成果交流等隨項目一同產(chǎn)生及必需的數(shù)據(jù)統(tǒng)一錄入，避免科研信息孤島，實現(xiàn)項目立項、檢查、變更、驗收全過程協(xié)作的目的[7]。

鐵路科研協(xié)作平臺為科研管理績效考評和制定科學(xué)決策提供依據(jù)，促進(jìn)科研工作的開展和科技成果的轉(zhuǎn)化與推廣，滿足鐵路建設(shè)的科研協(xié)作需求。平臺功能需求主要包括門戶管理、項目管理、協(xié)作管理、經(jīng)費管理、人才管理、成果與知識管理、決策分析、移動辦公[8]。

2.1 平臺門戶

針對不同角色的人員，應(yīng)分配不同的門戶及其對應(yīng)的權(quán)限，具體角色包括：決策人員、科研管理人員、項目負(fù)責(zé)人、項目成員、項目需求人員、游客。平臺應(yīng)針對不同角色配備不同的權(quán)限，配置好的權(quán)限可以根據(jù)角色批量分配給用戶。

（1）決策人員：具有系統(tǒng)所有功能模塊的操作權(quán)限；

（2）科研管理人員：具有項目管理及發(fā)起協(xié)作權(quán)限；

（3）項目負(fù)責(zé)人：具有項目組內(nèi)分工、委任權(quán)限，并對委任工作進(jìn)行相應(yīng)評價；

（4）項目需求人員：提出實際需求、根據(jù)科研管理人員分配的權(quán)限，查看已完成項目的成果情況；

（5）游客：查看項目公告欄、公開通知等內(nèi)容。

2.2 項目管理

項目管理模塊的需求包括：

（1）立項：由項目牽頭單位發(fā)起立項申請，項目各參與方共同協(xié)作立項，項目團(tuán)隊成員可以查看立項申請進(jìn)度、審批情況等內(nèi)容；

（2）項目進(jìn)度控制：跟蹤科研計劃進(jìn)度，從內(nèi)容及經(jīng)費等方面對項目合同立項、中期檢查、驗收結(jié)題進(jìn)行協(xié)作控制；

（3）合同變更：合同變更的申報審核、補充協(xié)議的簽訂以及變更合同的瀏覽等功能。

2.3 協(xié)作管理

協(xié)作管理模塊的需求包括：

（1）撰文協(xié)作，多人協(xié)同編輯同一份文檔文件，并實現(xiàn)修訂、批注、評論等功能；

（2）實現(xiàn)團(tuán)隊內(nèi)部任務(wù)分解功能，負(fù)責(zé)人向團(tuán)隊進(jìn)行任務(wù)指派、任務(wù)評價功能；

（3）通過手機App 及短信方式，發(fā)送任務(wù)提醒功能；

（4）團(tuán)隊、個人的日歷日程共享功能；

（5）根據(jù)權(quán)限管理文檔、共享資料；

（6）項目協(xié)同進(jìn)度展示功能，采用如甘特圖等圖表方式。

2.4 經(jīng)費管理

經(jīng)費管理模塊的需求包括：

（1）項目經(jīng)費預(yù)算的申報及審批；

（2）配置不同級別項目的經(jīng)費模板，支持按照自定義預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)生成預(yù)算申請單；

（3）經(jīng)費計算器自動核算金額，根據(jù)不同預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)費內(nèi)各項預(yù)算；

（4）在項目執(zhí)行期，通過對比經(jīng)費的預(yù)算與實際使用情況，向用戶提供經(jīng)費使用情況預(yù)警。

2.5 人才管理

人才管理模塊的需求包括：

（1）科研人員履歷庫的建立，支持科研機構(gòu)及科研人員的注冊，對科研人員的職稱及履歷進(jìn)行管理；

（2）對科研信息庫中的專家整體情況以及某一具體科研人員的詳細(xì)信息進(jìn)行查看、編輯、審核、履歷管理，實現(xiàn)科研專家?guī)靸?、篩選與評價功能；

（3）科研機構(gòu)與科研團(tuán)隊信息庫的建立與管理。

2.6 成果與知識管理

成果與知識管理模塊的需求包括：（1）由科研團(tuán)隊或個人完成平臺內(nèi)成果申請?zhí)釄?；?）成果評審與鑒定，科研人員上傳材料提交至平臺，由相關(guān)科研管理部門組織專家進(jìn)行鑒定、評審流程，專家組根據(jù)驗收材料給出鑒定意見及結(jié)果；

（3）成果轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)展示，平臺可通過圖形、圖表的形式，將成果應(yīng)用從取得情況、應(yīng)用情況以及能夠帶來的經(jīng)濟(jì)效益等多維度進(jìn)行全方位展示。

2.7 決策分析

決策分析模塊的需求包括：

（1）能夠根據(jù)科研項目的不同單位、類型、來源進(jìn)行分析，也可以對項目任務(wù)、成果鑒定、獎勵、知識歸檔使用等進(jìn)行綜合分析；

（2）對科研機構(gòu)、科研人才的科研項目完成能力進(jìn)行綜合分析、評價；

（3）在對科研費用的預(yù)算和使用進(jìn)度實時跟蹤的基礎(chǔ)上，對科研項目進(jìn)行輔助決策。

2.8 移動辦公

（1）通過手機App 及時向用戶和群組推送系統(tǒng)通知等消息；

（2）用戶可通過手機App 訪問系統(tǒng)平臺，進(jìn)行上述各管理模塊的應(yīng)用。

3 平臺設(shè)計

結(jié)合平臺的需求分析，利用微服務(wù)架構(gòu)組件化、獨立部署、復(fù)雜度低、技術(shù)多元化、維護(hù)風(fēng)險低等優(yōu)勢，對科研協(xié)作平臺的總體架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)及功能架構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計。

3.1 微服務(wù)劃分

根據(jù)平臺建設(shè)的實際情況，將微服務(wù)分為共享微服務(wù)和定制微服務(wù)2 類。共享微服務(wù)又分為基礎(chǔ)微服務(wù)和業(yè)務(wù)微服務(wù)。定制微服務(wù)是共享微服務(wù)在無法滿足實際業(yè)務(wù)需求情況下的擴展。平臺的部分微服務(wù)劃分如表1 所示。

表1 平臺部分微服務(wù)劃分列表

平臺由實現(xiàn)不同功能的微服務(wù)組成，將各類微服務(wù)都定義成獨立的服務(wù)接口，相比于原來單體結(jié)構(gòu)難以維護(hù)的情況，現(xiàn)在每個微服務(wù)只關(guān)注單一的業(yè)務(wù)功能。

3.2 平臺總體架構(gòu)

鐵路科研協(xié)作平臺是鐵路信息化的重要組成部分。該平臺從服務(wù)于科研立項單位、科研牽頭單位、項目管理團(tuán)隊的角度出發(fā)，將科研項目、經(jīng)費、人才、知識、成果等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一錄入，建立科研項目檔案，實現(xiàn)科研項目從立項、檢查、變更、驗收，到項目知識成果轉(zhuǎn)化等的項目全生命周期服務(wù)。同時，平臺引入科研項目所需的外部的人、財、物等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)科研協(xié)作的完整閉環(huán)。平臺的總體架構(gòu)如圖1 所示。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

平臺采用前后端完全分離的微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，使用Spring Cloud 作為微服務(wù)應(yīng)用框架，基于Spring Boot 進(jìn)行開發(fā)，為PC 端及移動端提供接口服務(wù)。平臺前端使用Vue.js 主流MVVM（Model-View-ViewModel）模式框架，實現(xiàn)頁面的展示[9]，如圖2所示。

（1）資源層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)長時間的存儲，主要包含Oracle 數(shù)據(jù)庫、Redis 分布式緩存、文件存儲等。

（2）平臺服務(wù)層：通過開發(fā)對應(yīng)的服務(wù)實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)的應(yīng)用，服務(wù)分為項目管理所需的服務(wù)和用于保證數(shù)據(jù)及通信基礎(chǔ)[10]的為平臺提供支撐的服務(wù)。

（3）中間件：Web 對每個服務(wù)的訪問，都通過API 網(wǎng)關(guān)層傳遞數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。平臺采用API Zuul 網(wǎng)關(guān)完成所有服務(wù)接口的統(tǒng)一，采用Shiro+JWT 方式完成身份認(rèn)證的權(quán)限管理功能，使用Nginx 集群[11]、網(wǎng)關(guān)集群Zuul 以及Ribbon 負(fù)載均衡等中間件提供穩(wěn)定的集群網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[12-14]。

（4）展示層：平臺前端采用MVVM 模式實現(xiàn)頁面展示，使用提供視圖和視圖模型雙向數(shù)據(jù)綁定的基礎(chǔ)架構(gòu)，將前端視圖與后端數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與視圖解耦的目的。

3.4 功能架構(gòu)

平臺由基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)構(gòu)成，每個微服務(wù)都是一個獨立組件，可根據(jù)實際業(yè)務(wù)情況進(jìn)行服務(wù)配置，構(gòu)成特定的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)應(yīng)用。當(dāng)實際業(yè)務(wù)與基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)不一致時，通過業(yè)務(wù)定制微服務(wù)的方式，進(jìn)行個性化定制開發(fā)，來滿足實際需要。平臺功能架構(gòu)如圖3 所示。

4 結(jié)束語

科研協(xié)作在現(xiàn)代鐵路科研工作中發(fā)揮著越來越重要的作用，是鐵路科研工作的發(fā)展趨勢。本文通過比較傳統(tǒng)單體架構(gòu)與微服務(wù)架構(gòu)的特點，采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計搭建了鐵路科研協(xié)作平臺。該平臺可以靈活應(yīng)對科研協(xié)作工作的復(fù)雜性，快速開發(fā)應(yīng)用以滿足科研工作中的新需求，更好地推進(jìn)不同學(xué)科、不同分工的科研人員及組織間的相互配合與協(xié)作，為高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量完成鐵路科研工作奠定基礎(chǔ)。