面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計

周 海，李宏偉，杜澤欣，馬雷雷，連世偉

（信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450000）

城市各類管線是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、能源輸送等工作，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。管線管理信息系統(tǒng)在規(guī)劃、石化企業(yè)、自來水公司、消防、煤氣、天然氣等部門有著廣泛的應(yīng)用。建立城市管線管理系統(tǒng)，實現(xiàn)城市管線數(shù)字化管理，不僅是城市經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，也是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，更是抗震、防災(zāi)和應(yīng)對突發(fā)性重大事故的需要。

作為地理信息系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向之一，城市管網(wǎng)綜合管理GIS系統(tǒng)的理論和實踐研究已經(jīng)取得很大進展，但仍然存在諸多問題［1－3］：系統(tǒng)多為單機版或C／S架構(gòu)，通用性有限，無法實現(xiàn)跨平臺應(yīng)用和服務(wù)級別的共享；系統(tǒng)的功能雖然豐富，但是專業(yè)性和功能的可擴展性差；對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全性方面考慮較少。針對這些問題，本文基于SOA［4－6］架構(gòu)和Arc GIS Ser ver平臺，設(shè)計一種面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)，探討系統(tǒng)實現(xiàn)中使用的Silverlight富客戶端技術(shù)、Arc GIS Ser ver服務(wù)擴展技術(shù)及服務(wù)權(quán)限控制技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1．1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)調(diào)用層及用戶層5層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和管線數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫可以被業(yè)務(wù)應(yīng)用直接訪問，管線數(shù)據(jù)庫通過空間數(shù)據(jù)引擎（Arc SDE）中間件連接關(guān)系數(shù)據(jù)庫訪問空間數(shù)據(jù)。

服務(wù)層：包括Arc GIS Ser ver服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。Arc GIS Ser ver的服務(wù)發(fā)布是面向服務(wù)設(shè)計的關(guān)鍵，用戶可以直接發(fā)布Arc GIS Ser ver支持的地圖等類型的GIS服務(wù)，或是通過服務(wù)器端編程擴展Arc GIS Server服務(wù)。經(jīng)過封裝的服務(wù)對外公布接口以供調(diào)用，充分體現(xiàn)SOA封裝性好、松散耦合的特點［7］。在服務(wù)類型的選擇上，鑒于 REST［8］風(fēng)格服務(wù)易用性、靈活性和可供Arc GIS f or Silverlight API直接消費的特點，本文采用REST風(fēng)格服務(wù)（通過Arc GIS Server Rest API服務(wù)接口）。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)主要具有限定用戶權(quán)限管理功能，完成用戶驗證、令牌申請（通過訪問Arc GIS Ser ver的Token服務(wù)）等工作。服務(wù)以Web Ser vice服務(wù)的形式提供給用戶。

網(wǎng)絡(luò)層：即互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)。

服務(wù)調(diào)用層：即基于Silverlight的富客戶端，用戶可以通過安裝有Silverlight的瀏覽器登錄系統(tǒng)，完成各種業(yè)務(wù)操作和消費服務(wù)。在訪問業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)和管線服務(wù)時，參數(shù)的傳遞分別使用XML和JSON數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在實現(xiàn)系統(tǒng)功能時可能是對服務(wù)的直接調(diào)用，如地圖瀏覽；也可能是各種服務(wù)的組合，如爆管分析，需要地圖服務(wù)、查詢服務(wù)及爆管服務(wù)來共同完成。這種調(diào)用方式充分體現(xiàn)SOA高度的易集成性。

用戶層：即系統(tǒng)用戶。

1．2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計面向城市管線的各個管理部門和市政綜合管線數(shù)據(jù)的維護部門。根據(jù)管線數(shù)據(jù)特點和用戶需求，系統(tǒng)GIS功能概括起來主要有以下3個模塊：①基本操作模塊：提供城市基礎(chǔ)地圖和各專業(yè)部門管線圖的瀏覽、放大、縮小、漫游、查詢、定位等功能。②管線分析模塊：針對各管線提供不同的管線分析功能，如埋深分析、排污分析、壽命分析、爆管分析、連通性分析、斷面分析、緩沖區(qū)分析等［1－2］。③數(shù)據(jù)打包、在線制圖輸出模塊：數(shù)據(jù)打包是根據(jù)用戶選擇范圍和格式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到客戶端，在線制圖允許用戶根據(jù)選擇范圍和模板在服務(wù)器端生成的地圖，并以一定格式下載到客戶端。

2 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2．1 Arc GIS Server服務(wù)擴展技術(shù)

城市管線的地理系統(tǒng)信息服務(wù)內(nèi)容除了常規(guī)的地圖瀏覽、查詢定位、數(shù)據(jù)打包和在線制圖（可以通過地理處理服務(wù)發(fā)布）等常規(guī)GIS功能外，還包括一些專業(yè)分析功能，如爆管分析、開挖分析等，這些功能Arc GIS Server并沒有現(xiàn)成的模型和方法。系統(tǒng)需要對Arc GIS的服務(wù)進行擴展。

在Arc GIS 10．1中Arc GIS Ser ver不再支持DCOM方式的連接，無法通過本地方式的連接使用Arc Objects提供的更多功能。為了實現(xiàn)功能的擴充，可以使用SOE（Ser ver Object Extension）服務(wù)器對象擴展。一個SOE就是一個包含一組方法的類，這個類可以在SOC（Arc GIS 10．1 for Server進程，全稱ArcSOC．exe）中運行，并且可以被web應(yīng)用程序調(diào)用。Server Objects是粗粒度的AO組件，是一個可以執(zhí)行特定操作的高級對象，它隱藏了細(xì)粒度的Arc Object，可以利用SOE編程實現(xiàn)服務(wù)擴展。

Arc GIS在Visual Studio 2010中為開發(fā)者提供了SOE開發(fā)的模板，其主要繼承了IREST－Request Handler和IServer Object Extension兩個接口，IServer Object Extension里的方法主要負(fù)責(zé)獲取IServer Object Helper對象，IRESTRequest Handler里的方法主要用來獲取請求參數(shù)和返回SOE的資源列表。利用SOE編寫的程序生成的文件添加到Arc GIS Server后，將出現(xiàn)在Arc GIS Services Directory之內(nèi)，并將提供特性設(shè)置、基本類型等Arc－GIS APIs能夠理解的典型對象類型。在本系統(tǒng)中連通性分析和爆管分析等使用SOE開發(fā)。

2．2 服務(wù)權(quán)限控制技術(shù)

由于城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)面向用戶的角色不同，不同的角色允許訪問的服務(wù)也不同，如給水管線、電力管線、通信管線，對應(yīng)的角色自來水公司、電力公司和通信公司，所能訪問的地圖服務(wù)也就不同，本角色只能看到本部門自己的管線圖。用戶所能使用的功能可能也受到數(shù)據(jù)的限制，如電力部門并不涉及到爆管分析的功能。因此應(yīng)當(dāng)對GIS的各種服務(wù)進行權(quán)限控制。

Arc GIS Server有自己的安全策略，一般的安全模型為：用戶請求資源——身份驗證——角色映射——角色評估和授權(quán)。此外，Arc GIS Server還可以進行復(fù)雜的集成安全配置。

本系統(tǒng)考慮到城市管線管理系統(tǒng)的安全性要求及與其他系統(tǒng)集成的便利性，采用了用戶＋Token令牌的方式來進行服務(wù)的權(quán)限控制，用戶登錄到城市管線綜合管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)會根據(jù)用戶的角色申請到角色對應(yīng)的所有服務(wù)的令牌，當(dāng)用戶要訪問某服務(wù)時，出示令牌就可以訪問服務(wù)，用戶－角色－服務(wù)映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 用戶權(quán)限對應(yīng)關(guān)系圖

本系統(tǒng)中，為了方便在Arc GIS外部實現(xiàn)權(quán)限控制，在Arc GIS Ser ver創(chuàng)建了與角色一一對應(yīng)的用戶（記為用戶A），賦予不同的角色對應(yīng)的服務(wù)訪問權(quán)限。在Arc GIS Ser ver外，創(chuàng)建了單獨的業(yè)務(wù)用戶表B（記為用戶B），并建立它和Arc GIS Ser ver用戶A的映射關(guān)系，這樣用戶B登錄成功后獲取用戶A的用戶名和密碼，然后訪問Token服務(wù)得到對應(yīng)角色的令牌，最后攜帶令牌便可請求系統(tǒng)給對應(yīng)角色分配的服務(wù)。令牌實際上是一長串字符，訪問服務(wù)時出示令牌便可以實現(xiàn)服務(wù)的順利調(diào)用，Token方式實現(xiàn)權(quán)限控制的流程如圖3所示。

2．3 Silverlight富客戶端技術(shù)

圖3 Token方式實現(xiàn)權(quán)限控制的流程

RIA（Rich Internet Application）技術(shù)由 Macr o media于2001年提出，即“富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”，具有表現(xiàn)力強、內(nèi)容豐富、異步處理、交互性好等特點。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)程序的開發(fā)是基于頁面的、服務(wù)器端數(shù)據(jù)傳遞的模式，事件處理能力差，當(dāng)用戶與其交互時，其用戶體驗差，局部刷新等技術(shù)實現(xiàn)困難，這樣使得Web應(yīng)用程序難以使用、成本高，無法發(fā)揮作用［9］。在這樣的背景下RIA技術(shù)發(fā)展起來，它通過HTTP進行傳遞，并采用異步的方式與后端服務(wù)器進行通信。隨著眾多RIA產(chǎn)品的推出使得利用RIA開發(fā)的應(yīng)用越來越廣泛［9－10］。HTML5的推出雖對RIA技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)，但當(dāng)前RAI技術(shù)應(yīng)用的成功將使RIA今后相當(dāng)時間內(nèi)繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在主流的RIA技術(shù)包括：Silverlight，JavaScript，F(xiàn)lex 等。目 前，ESRI對 Arc GIS Server REST API接口對三種RIA形式的API都提供支持。Silverlight是微軟公司推出的一個跨平臺、跨瀏覽器的插件，它不但具有矢量圖形、動畫和視頻功能等良好的開發(fā)體驗，還將界面顯示和功能代碼分離，提供靈活的編程模型，并可以集成到現(xiàn)有Web應(yīng)用程序中［5］。Arc GIS Silverlight API是構(gòu)建在微軟Silverlight平臺之上，通過Arc GIS Ser ver Rest API消費Arc GIS Server服務(wù)的應(yīng)用程序編程接口，包含很多和地圖有關(guān)的類庫和Arc GIS Server REST API，可以很方便的消費Arc GIS Server的服務(wù)，并在瀏覽器中實現(xiàn)顯示和交互。如在Visual Studio2010下使用．Net編程，通過簡單的URL地址便可輕松消費各種服務(wù)。

在城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)中，無論是基礎(chǔ)地圖、管線圖還是管線分析結(jié)果都要求系統(tǒng)具有較好的可視化效果，而管線分析、數(shù)據(jù)打包制圖等功能則需要用戶和地圖的交互完成。Silverlight富客戶端技術(shù)的采用，可滿足城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3．1 實現(xiàn)過程

本系統(tǒng)作為洛陽市地下空間綜合管理系統(tǒng)的一部分，實驗數(shù)據(jù)為洛陽市高新區(qū)給水、電力、通信等管線數(shù)據(jù)和城市基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和管線數(shù)據(jù)庫均使用SQLSer ver2008管線數(shù)據(jù)庫通過Arc SDE導(dǎo)入管線數(shù)據(jù)建立。

系統(tǒng)管線服務(wù)采用Arc GIS Ser ver10．1發(fā)布，主要包含地圖服務(wù)、地理處理服務(wù)及擴展服務(wù)。管線地圖服務(wù)為最基本的服務(wù)，其包含地圖瀏覽、查詢等功能；地理處理服務(wù)用來發(fā)布管線制圖和數(shù)據(jù)打包等服務(wù)；擴展服務(wù)使用C＃在Visual Studio2010下進行SOE擴展編程，然后添加到地圖服務(wù)中，Arc GIS Server發(fā)布的服務(wù)見圖4（a），服務(wù)擴展見圖4（b）。

圖4 Arc GIS Server服務(wù)及擴展服務(wù)

系統(tǒng)客戶端功能利用Arc GIS API f or Sliverlight3．1在Visual St udio2010下使用C＃編程，調(diào)用管線服務(wù)結(jié)合客戶端編程實現(xiàn)。某些功能需調(diào)用多個管線服務(wù)才能完成，表1列出部分功能所調(diào)用到的服務(wù)。

表1 部分系統(tǒng)功能訪問的服務(wù)

系統(tǒng)權(quán)限主要是對服務(wù)權(quán)限實現(xiàn)控制。首先在Arc GIS Server中創(chuàng)建一一對應(yīng)的用戶和角色，并給服務(wù)分配角色（見圖5）；然后在Silverlight客戶端編程中調(diào)用Web Service訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫驗證用戶，取得Arc GIS Server內(nèi)部用戶并申請Token服務(wù)獲得令牌；最后在訪問服務(wù)時出示令牌便獲得許可。

圖5 Arc GIS Server用戶表及服務(wù)角色分配

本系統(tǒng)作為城市空間綜合管理系統(tǒng)的一個模塊嵌入到該系統(tǒng)中。系統(tǒng)的UI界面使用Silverlight搭建（見圖6（a）、圖6（b）），主界面左側(cè)為功能菜單，通過點擊以加載對應(yīng)的工具條，用戶通過工具條及地圖與系統(tǒng)交互完成操作。

3．2 功能展示

本系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的各功能，以下對系統(tǒng)的部分功能進行展示和介紹（見圖6）。

地圖瀏覽：如圖6（a）所示，地圖瀏覽允許用戶查看城市基礎(chǔ)地圖、管線地圖。后臺地圖瀏覽通過在Silverlight中使用瓦片地圖服務(wù)及動態(tài)地圖服務(wù)來實現(xiàn)。界面左下角為“通用工具條”，提供了放大、縮小、漫游、全圖及客戶端地圖打印（客戶端完成）等功能。使用系統(tǒng)其他功能時均可使用此工具條。

查詢定位：如圖6（b）所示，查詢定位界面提供了模糊查詢和依街道查詢兩個工具，輸入并點擊查詢后將返回候選列表，點擊列表中的記錄便可高亮定位到相應(yīng)要素。后臺查詢主要使用Quer y服務(wù)。

爆管分析：如圖6 c所示，該功能通過服務(wù)擴展開發(fā)實現(xiàn)，擴展主要通過ITraceFlowSolver GEN接口實現(xiàn)，用戶在圖上輸入管線上爆管點，系統(tǒng)將分析得出爆管后應(yīng)當(dāng)關(guān)閉的閥門以及下游影響的范圍。在后臺，由于爆管分析不僅要得出爆管后影響的下游管線還要得出緩沖區(qū)內(nèi)可能受影響的居民區(qū)，因此不僅使用到爆管分析服務(wù)，還用到Geometry及Query服務(wù)，最后采用Silverlight可視化呈現(xiàn)。

緩沖區(qū)分析：如圖6（d）所示，該功能可以用于道路擴建分析，選擇道路并輸入距離，可以得到道路兩側(cè)受影響的居民區(qū)。后臺實現(xiàn)時使用Geo metr y服務(wù)建立緩沖區(qū)，在使用Quer y服務(wù)獲得緩沖區(qū)內(nèi)的要素。

在線制圖：如圖6（e）所示，用戶輸入圖名、范圍、紙張大小及制圖格式（PDF、JPG等）等參數(shù)，服務(wù)器返回文件。后臺使用Arc GIS Server發(fā)布的制圖Geoprocessing服務(wù)。該功能強于“通用工具條”中的客戶端制圖。

圖6 系統(tǒng)部分功能

數(shù)據(jù)打包：如圖6（f）所示，用戶選擇要輸出的圖層、范圍及輸出格式（GDB、Shap File等），服務(wù)器端將返回符合要求的管線數(shù)據(jù)包，供用戶下載。后臺采用Arc GIS Ser ver發(fā)布的數(shù)據(jù)打包處理地理服務(wù)結(jié)合SOE擴展來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文研究B／S架構(gòu)下，面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，為包括城市管網(wǎng)在內(nèi)的web端GIS系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種良好的解決思路。面向服務(wù)的設(shè)計增強了系統(tǒng)的靈活性、可復(fù)用性和易集成性。Arc GIS Ser ver作為基于Web的企業(yè)級GIS解決方案，用戶可以快速發(fā)布多種GIS服務(wù)并搭建基于Web服務(wù)的GIS應(yīng)用。Arc GIS Server服務(wù)擴展SOE的服務(wù)器端編程技術(shù)擴展了Arc GIS Ser ver現(xiàn)有的服務(wù)，使得Arc－GIS能夠發(fā)布滿足專業(yè)用戶的復(fù)雜服務(wù)。Silverlight可簡單快捷地在瀏覽器中實現(xiàn)地圖顯示等GIS功能，并實現(xiàn)良好的交互性，而使用Arc GIS API f or Silverlight使得客戶端編程非常方便。GIS服務(wù)無論是功能還是地圖數(shù)據(jù)都同用戶密切相關(guān)，本文提出了Arc GIS Ser ver服務(wù)權(quán)限管理的技術(shù)，使GIS服務(wù)同用戶角色掛鉤，實現(xiàn)對服務(wù)權(quán)限的控制。組合服務(wù)并結(jié)合客戶端編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能的方式體現(xiàn)了系統(tǒng)面向服務(wù)設(shè)計的優(yōu)勢。今后，要在增強系統(tǒng)功能易用性、實現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的負(fù)載均衡、系統(tǒng)企業(yè)級安全策略、系統(tǒng)集成安全等方面開展進一步研究。

［1］ 董紹環(huán)．城市地下綜合管線管理信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)［D］．青島：中國石油大學(xué)，2011．

［2］ 柳宇剛．城市地下綜合管線信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］．濟南：山東大學(xué)，2013．

［3］ 蘇麗然．地下管線信息管理系統(tǒng)方案設(shè)計［D］．上海：復(fù)旦大學(xué)，2012．

［4］ 李德仁．面向服務(wù)的數(shù)字城市共享平臺框架的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2008，33（9）：881－885．

［5］ 易敏．面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的空間信息服務(wù)研究［D］．上海：華東師范大學(xué)，2008．

［6］ 陳珂，張獻州，楊曦，等．面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化移動勘測辦公系 統(tǒng) 設(shè) 計 與 實 現(xiàn) ［J］．測 繪 工 程，2014，39（4）：145－148．

［7］ 張新成．基于Silverlight的 Web GIS開發(fā)研究［D］．昆明：云南大學(xué)，2010．

［8］ 毛峰．基于REST面向資源的地理信息服務(wù)設(shè)計［J］．計算機工程，2011，37（8）：238－240．

［9］ 賈靜．基于Rest和RIA技術(shù)的城市地下綜合管線信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］．南昌：江西理工大學(xué)，2013．

［10］袁懷月，侯澄宇．基于Arc GIS Flex API的工廠基礎(chǔ)地理信息共享服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計［J］．測繪工程，2011，20（2）：61－65．