電信運營商企業級云GIS平臺的關鍵技術研究

馬學剛/Ma Xuegang

（中國移動通信集團河北有限公司 石家莊050035）

1 引言

GIS（geographic information system，地理信息系統）是用于采集、存儲、查詢、分析和顯示地理空間數據的計算機系統。其特點是將屬性數據與空間數據關聯，并可進行復雜的空間分析，為各類行業應用提供服務[1]。隨著國內電信運營商全業務運營帶來的IT 支撐要求逐漸提高，支撐系統建設中的GIS 需求日趨普遍，在可視化監控、故障定位與影響范圍評估、業務開通與資源勘查、投訴處理、場景保障、網絡質量分析與優化、代維管理等場景下都需要GIS 應用，網絡監控、資源管理、投訴管理、運維管理、經營分析等現有IT 系統中已廣泛應用各類GIS 產品。

本文對現有EGIS（enterprise-level geographic information system，企業級地理信息系統）平臺的應用現狀進行介紹，對EGIS平臺在電信行業應用中存在的問題進行分析和探討，并針對問題提出了基于云計算的EGIS平臺技術架構，并結合具體建設案例對云GIS平臺的關鍵技術進行闡述，為通信行業IT 支撐系統技術人員規劃云GIS平臺提供參考。

2 EGIS平臺在電信行業的應用

2.1 EGIS的基本框架

EGIS的整體架構分為基礎層、業務邏輯層和應用層，如圖1所示。基礎層為基本實現層，表示EGIS 可以采用的基本技術，如SOA、云計算、集中式、分布式、共享等方法；業務邏輯層是指基于基礎服務，與業務系統的集成方法； 應用層可以采用各種開發接口和開發工具，按照設計的模式建設，采用地圖儀表盤、COP 或地圖門戶等方式來展現應用。由于要與核心業務和流程整合，EGIS 首先必須具有選擇、組合和部署的高度靈活性和開放性； 必須具有對超大規模空間數據的管理能力，同時，能夠支持集中、分布或集中分布混合等不同的管理和部署模式。此外，EGIS 還必須全面支持面向服務的體系架構，具有構建、發布、提供符合工業標準的空間信息及分析處理功能服務能力；具有空間信息服務、GIS 功能服務以及服務聚合與再提供的能力。

另外，EGIS的主要目標是提供空間數據、軟件框架及工具，并通過整個企業范圍的部署來降低成本。EGIS 在各類信息共同參考項（地理空間位置）的基礎上，組織和共享數據、信息，為其核心業務中各流程環節提供服務，并在此基礎上，將信息進行組織、抽取、加工和發布，向機構組織或企業外部現有的和潛在的服務對象提供信息服務。

2.2 EGIS平臺支撐的業務場景

電信運營商的IT 支撐系統按功能域可劃分為OSS、BSS、MSS，EGIS平臺為各IT 支撐系統提供基礎GIS 數據、應用和服務。圖2 是一套典型的采用集中式部署EGIS平臺架構以及業務支撐應用場景。

如圖2所示，EGIS平臺架構分為基礎硬件層、數據層、服務層和應用接口層。基礎硬件層包括主機、數據庫、網絡、存儲等基礎硬件設施；數據層包括緩存切片的矢量地圖數據、衛星影像數據、標準地址庫、建筑物專題圖數據等；服務層分為地圖服務和功能服務；應用接口層分為平臺級接口和應用級接口，平臺級接口是基于OGC（open GIS consortium，開放地理空間信息聯盟）提出標準服務接口，應用級接口是平臺提供基于GIS的應用開發接口。

圖1 企業級GIS平臺架構

圖2 EGIS 系統架構和應用場景

EGIS平臺在OSS、BSS、MSS 這3 個IT 支撐管理域中的應用場景有以下幾方面。

（1）網絡規劃與分析

OSS 域的無線網絡規劃和優化。

（2）運維管理

OSS 域的綜合網絡監控、代維管理平臺，借助EGIS平臺提供基礎地圖服務，實現網絡監控可視化，代維巡檢可視化。

（3）客服管理

OSS 域中的網絡投訴系統借助EGIS平臺提供基礎地圖服務，實現網絡資源與客戶投訴地理信息關聯，已經實現網絡投訴可視化。

（4）經營分析

BSS 域的經營分析系統將GIS 與經營分析緊密結合起來，直觀地通過多種地圖分析手段以及展示方式，實現企業決策可視化。

（5）供應鏈管理

在MSS 域中，供應鏈開發與管理借助EGIS平臺提供路徑規劃服務能力，實現最短路徑規劃以及物流成本最優分析。

3 EGIS平臺面臨的挑戰

通過EGIS平臺，統一GIS 數據管理，提供統一的GIS 服務，實現“一副地圖，多處應用”的地圖可視化支撐能力，節省了企業IT 信息化支撐系統在地圖建設方面的投資。

盡管EGIS平臺的應用效果明顯，跨越了基礎地理信息數據使用上的“鴻溝”，為移動通信企業業務發展注入了更多驅動力，但EGIS平臺在系統建設、數據更新、數據應用、新GIS 技術應用方面仍存在一些問題，主要體現在以下幾方面。

（1）“一方建設，多方使用”GIS 開發建設模式還需改進

當前的開發建設模式是：EGIS平臺提供統一的地圖服務接口，其他IT 支撐系統通過調用地圖服務接口，共享GIS 地圖服務，進行功能的二次開發。對于不具備硬件、軟件開發環境的部門，無法建設基于GIS 地圖的IT 支撐系統，無法共享GIS 地圖數據和服務。

（2）缺乏便捷、快速業務數據地圖呈現和展示工具

運營商的業務數據分散在各個部門，如果要在地圖中展示，首先要組織數據，然后在EGIS平臺中制作成數據圖層，并發布成地圖數據服務。這種業務數據制圖的效率低、周期長，無法滿足個性化快速制圖的場景需求。

（3）運營商的IT 支撐系統基于GIS 開發軟件應用存在同質性高、重復建設

普通用戶必須依賴業務系統使用GIS 功能和應用，無法滿足隨時隨地面向個人辦公的普適性GIS 應用需求。

（4）GIS 新技術、新架構在演進過程中面臨的挑戰

隨著地理空間信息產業的迅猛發展，GIS 熱點技術、全新平臺架構也層出不窮，如基于云計算架構的云GIS、移動GIS、三維GIS、一體化GIS 等。這些新技術雖然發展迅猛，但在電信行業中的應用還處于初級階段[2]。

鑒于上述情況，需要對傳統EGIS平臺的技術架構進行改造，滿足業務數據共享、快速制圖、GIS 應用共享以及面向日常辦公的GIS 普適化需求。

4 云GIS平臺架構和關鍵技術

4.1 云GIS

云計算正在迅速地成為一種通用型技術，它將深刻改變應用GIS的傳統方法和模式。所謂云GIS，就是將云計算的各種特征用于支撐地理空間信息的各要素，包括建模、存儲、處理等，從而改變用戶傳統的GIS應用方法和建設模式，以一種更加友好的方式，高效率、低成本地使用地理信息資源。對于廣大用戶來說，云GIS 意味著數據、軟件、開發方面的壁壘已被打破，所需GIS 資源變得唾手可得。用戶可在云中隨時獲取所需的GIS 資源，并且這種資源是可以計量和靈活擴展的，GIS的建設和運營模式都將面臨新的機遇和挑戰[3]。

云GIS的建設模式與云計算體系架構相同，主要有3 種建設模式： 公有云GIS、私有云GIS 和混合云GIS。其中，公有云GIS 是指由第三方提供給用戶使用GIS平臺，一般通過Internet 使用，可能是免費或成本低廉；私有云GIS 是指企業自建，供企業內部人員或分支機構使用，適合有眾多分支機構的大型企業或政府部門； 混合云GIS 是公有云GIS 和私有云GIS 之間的權衡模式。

總體來說，云GIS的價值不僅體現在靈活平臺架構以及最新的熱點技術上，更多體現在GIS 資源使用的低成本、業務的連續性、業務靈活性、業務創新能力以及良好的用戶體驗等5 個方面。對于電信運營商在進行IT 支撐系統規劃時，能夠提供更多的參考和依據，進而實現企業效益的繼續提升。

4.2 云GIS 架構的建設模式

云GIS平臺架構分為基礎設施層、資源池層、服務管理層、應用層，如圖3所示。按照云計算三層架構模型，基礎設施和資源池層屬于IaaS、服務管理層屬于PaaS、應用層屬于SaaS。

4.2.1 基礎設施層

位于云GIS 架構服務模型的最底端，它將IT 基礎設施（主機、存儲、內存、操作系統等）通過虛擬化技術進行基礎硬件資源池化，為上層資源池層提供高度擴展和按需變化的基礎硬件能力，具體如圖4所示。

4.2.2 資源池層

資源池層包括2 種池化的資源： 硬件資源和GIS實例資源。池化后的資源具備高擴展性、按需變化以及多處共享的IT 能力。

圖3 云GIS 架構與關鍵技術

圖4 基礎設施層（IaaS）

（1）硬件資源池

私有云GIS平臺的硬件資源池位于企業內部，IT基礎設施構建在企業內部的物理服務器和網絡硬件上，企業對硬件資源池中的所有基礎設施要素都擁有完整的控制權。硬件資源池提供給用戶的服務是對所有設施的利用，包括處理、存儲、網絡和其他的基本計算資源。企業用戶能夠在硬件資源池中部署和運行任意軟件，包括操作系統和應用程序。

（2）GIS 實例資源池

GIS 實例資源池借助于主流的虛擬化技術，將底層池化的硬件資源（主機、存儲等）同GIS 軟件資源一起封裝成不同能力的資源池，經過池化的GIS 實例節點之間是松耦合關系，且是無狀態的，這樣就可以實現對GIS 實例節點的自動化管理。池化的GIS 實例節點是實現GIS 服務度量和彈性調整的基礎，如圖5所示。

圖5 GIS 實例資源池

4.2.3 服務管理層

服務管理層主要是通過私有云GIS平臺管理套件，實現對基礎設施層、GIS 資源池化以及GIS 資源實例的智能管理，以自服務的方式提供GIS 資源服務，另外，還包括服務監控、服務度量、服務彈性調整以及相關認證、授權、服務審批等管理功能。

4.2.4 應用層

應用層包括一個自服務門戶以及多種業務模式的輕量級客戶“端”，實現“云+端”的應用模式；依托云GIS平臺，用戶構建共享的GIS 應用。自服務門戶主要實現不同用戶和部門可借助自服務門戶中搭建特定的GIS環境，在線創建、瀏覽、使用和共享地圖信息，還可以上傳業務數據發布成專屬地圖服務，在部門之間共享。

4.3 云GIS的關鍵技術

構建企業級云GIS平臺的關鍵技術主要有支持云計算的GIS 服務模型架構、GIS 后臺管理接口、GIS 服務度量、GIS 服務彈性調整。

4.3.1 云GIS 服務模型——Site-GIS Server

如圖6所示，該服務模型中每一個GIS Server 節點都是平等的，即使某一個GIS Server 節點意外地宕掉，也不會導致整個地圖服務停止運行；當需要增加一個GIS Server 節點時，以Plug-in 方式插入一個節點，為服務提高負載能力，即該服務模型是多節點GIS Server。該服務模型的特點如圖6所示。

（1）Site 為服務模型架構單位

一個Site中包括多個GIS Server，只有添加到Site站點的GIS Server 才符合Siteful的GIS Server 節點，否則就是孤立節點，不屬于云GIS 服務模型架構。Site站點中的GIS Server 所需的配置信息，均保存到Site配置文件中，如服務信息、服務依賴的數據信息、目錄信息、所屬集群信息以及相關日志信息等。

一個具體的應用GIS 環境中只能有一個Site 站點，因此，Site 為云GIS 服務模型的基本單位。

（2）Cluster 為GIS 服務的邏輯單位

一個Site 站點內可包括多個GIS Server 集群，對于一個特定的集群就是具體服務的邏輯容器，可承載Map Service、GP Service 等GIS 服務。如要發布某城市基礎地形的地圖服務，就需要選擇由哪一個集群承載這個服務。

一個集群不是只能承載某一個服務或某一類服務，每個集群可以為不同類型、多個服務提供容器。

（3）GIS Server 為實際處理物理單位

每一個安裝GIS Server的機器為一個GIS Server 節點，機器可以是物理機也可以是虛擬機，但每個機器內只能有一個GIS Server 節點。在一個集群內可以存在多個GIS Server 節點，這些GIS Server 節點負載均衡上層的邏輯功能，并且根據不同類型服務，配置多種負載均衡算法，如密集I/O 型、長事物型、高CPU 型。

圖6 Site-GIS Server模型

（4）GIS Instance 實例為處理容器

GIS Instance 為GIS Server的處理實例。默認情況下，一個GIS Server（GIS 節點）在運行飽和下產生2 個進程，這2 個進程就是處理具體事物的實例進程。

4.3.2 GIS 后臺管理接口

GIS 后臺管理接口就是一套提供操作和管理后臺的API（application programming interface，應用程序編程接口），對于建設云架構的GIS 應用環境至關重要。通過GIS 后臺管理接口，可完全控制并操作后臺GIS Server 運行情況：動態創建、刪除GIS Server，調整某個GIS Server的實例數，動態遷移Site 站點，合并多個GIS Server 集群，統計某個GIS 服務訪問量，監控某個GIS 服務的處理時間。

因此，GIS 后臺管理接口讓GIS Server 完美地支持云計算架構，體現了主流云計算的“服務可度量、服務彈性調整”的重要特征。

4.3.3 GIS 服務度量

通過GIS 后臺管理接口可提供某些GIS 服務度量數據，這些度量數據分為2 類。

（1）宏觀度量信息

如Site中集群書、某個集群服務邏輯單元中的GIS Server 數、每個GIS Server的最大實例數。

（2）微觀度量信息

如當前時刻服務的訪問量、該訪問量占用的處理時間、服務實例數實時使用情況等。

因此，GIS 服務度量數據是GIS 服務智能彈性調整的基礎。

4.3.4 GIS 服務彈性調整

傳統的GIS 應用中，隨著用戶訪問、使用頻率的增加，超負荷并發量的請求將導致GIS 服務器處理性能上的瓶頸。通常的解決辦法是添加物理服務器或更換為高性能的服務器，然后在新的服務器環境中部署GIS Server，這些都是耗時、耗力且無法保證GIS 服務7×24 h的運行。當并發的用戶請求量降低時，又會造成嚴重的硬件資源浪費。

在云GIS 架構下，通過對GIS 后臺管理接口提供服務度量信息，可以實現智能的彈性資源調整。調整分為2 個級別：GIS Server 機器級別和Server Instance實例級別。

當并發負載開始增加時，首先檢查現有GIS Servers 機器的物理處理能力是否飽和，如果不飽和，則增加現有GIS Server 機器中的Server Instance 實例數，使其達到飽和狀態；隨著并發量的繼續增加，現有的GIS Server 機器開始達到飽和，此時增強新的GIS Server 機器（物理機或虛擬機），并將新的GIS Server平滑加入到GIS 服務邏輯單位——集群中。如果并發量繼續增加，則可平滑增加新的GIS Server 服務器，直到滿足用戶需要。如果物理硬件資源充足，則可以無限地并發擴展。

當并發負載逐步下降時，現有GIS Server 出現亞飽和，此時減少某臺GIS Server 機器上的實例，隨著訪問量下降到一定程度，現有環境GIS Server 出現不飽和，則可以將某臺GIS Server 平滑地移除。這樣不斷地動態調整，在低并發時使用少量的GIS Server 機器，實現最合理地利用資源。

在實際生產過程中，上述2 種過程是交替、平滑地發生在云端，對于用戶來說是黑箱。

5 結束語

隨著GIS 在通信行業的深度應用，GIS的使用越來越廣泛，幾乎滲透到電信企業業務發展的各個方面。本文介紹了如何構建企業級云GIS，包括平臺架構和涉及的關鍵技術，供電信運營企業結合自身的業務發展和企業戰略部署要求，在構建企業級云GIS平臺時借鑒和參考。同時，除了在企業內部使用GIS 外，電信運營企業還可以依托云GIS 提供的服務，為其他集團政企客戶提供相關GIS 服務和產品，從而對企業產品、市場和客戶的發展提供新的服務基礎。

1 張國，葛迪，李衡.電信運營商企業級GIS平臺建設的關鍵問題研究.郵電設計技術，2013，4（85）

2 孫志，李凌，劉師哲.GIS 技術在OSS/BSS中的應用，電信科學，2014，6（45）

3 ArcGIS_Cloud.http://www.esrichina.com.cn/softwareproduct/technology/ArcGIS_Cloud/,2014