基于云計算的三維市政設計框架研究與應用

何興富(重慶市勘測院,重慶 400020)

基于云計算的三維市政設計框架研究與應用

何興富?
(重慶市勘測院,重慶 400020)

摘 要:三維技術在市政規(guī)劃設計行業(yè)得到了較快的研究和應用,但CAD平臺本身對三維數(shù)據(jù)的承載量、分析效率和展示效果支持較弱,制約了三維技術的深入應用。本文引入成熟的三維地理信息技術,結合云計算和云存儲,構建了一個線上線下一體化設計框架。通過整合海量地理空間資源,充分利用云端計算能力,實現(xiàn)線上線下交互式設計和設計成果在線展示,研究成果在重慶多個開發(fā)園區(qū)開展了示范應用。

關鍵詞:市政規(guī)劃設計；云計算；云存儲；虛擬地理環(huán)境

1　引 言

三維地理信息技術的蓬勃發(fā)展,帶動了與之相關各個行業(yè)的大量研究。在市政設計行業(yè),以國外的Bentley MicroStation、AutoDesk Civil 3D,國內的緯地HintCAD、鴻業(yè)Roadleader(路立得)等為代表的市政設計軟件紛紛加入對三維設計模塊的支持[1～3]。路立得以脫離DWG圖形的獨立BIM信息為核心,實現(xiàn)了所見即所得、模擬、優(yōu)化以及不同專業(yè)間的協(xié)調功能; Civil 3D軟件可用于道路交通和景觀的一體化設計,它基于AutoCAD平臺,具有道路實時三維模擬功能。

但在另一方面,由于當前市政設計軟件基本上以傳統(tǒng)的CAD平臺為核心,在面對大量的三維模型數(shù)據(jù)時往往需要性能強大的計算機支持。以Civil 3D為例,其64位版本最低要求4 GB內存,推薦使用8 GB。在實際工作中,4GB內存基本上難以滿足超過2 km的道路模擬。并且,由于CAD平臺向來重繪圖、輕分析的特性,導致在空間分析方面難以滿足實際需要。

總體而言,三維技術應用于市政規(guī)劃設計是當前行業(yè)發(fā)展的趨勢。但新技術的應用同時也對計算機的硬件資源提出了更高的要求,尤其在處理長達上百公里的路網(wǎng)或高速公路項目中,使用普通的計算機往往難以滿足設計工作的需要。本文針對這一問題,以云計算為支撐,基于云盤的在線存儲與共享特性設計了一種線上線下相結合的三維市政規(guī)劃設計模式,并在重慶市各開發(fā)園區(qū)開展了大量的示范應用。

2　市政設計云計算架構設計

云計算是通過網(wǎng)格計算(Grid Computing)、效用計算(Utility Computing)、服務計算(Service Computing)等多種技術的綜合演化,來提高吞吐量和降低處理時間,同時縮小IT服務成本、提高軟件的可靠性、可用性和靈活性。

云計算平臺可根據(jù)用戶的要求開展資源整合工作,提供基礎地理空間數(shù)據(jù)服務、在線存儲與分享服務、在線計算服務等[4]。

市政設計云計算服務將整體架構層次自底向上分為基礎設施服務層(IaaS)、數(shù)據(jù)資源服務層(DaaS)、功能服務層(SaaS)及用戶應用層(包括在線存儲服務),如圖1所示。

圖1　市政設計云計算服務架構

(1)基礎設施服務層。負責提供基礎設施資源,并通過虛擬化工具把物理資源層的物理設備變成全局統(tǒng)一的虛擬資源池,供上層服務調用。

(2)數(shù)據(jù)資源服務層。包括為支撐市政規(guī)劃設計所需的各類空間數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù),同時基于在線存儲服務構建盤網(wǎng),為用戶提供個人數(shù)據(jù)存儲服務。

(3)功能服務層。負責提供空間和專題數(shù)據(jù)的發(fā)布、發(fā)現(xiàn),并為市政規(guī)劃提供專門的分析服務,如地形斷面分析、設計文件解析、市政設計成果自動建模、各項指標計算及網(wǎng)盤的數(shù)據(jù)操作服務。

功能服務層是整體框架的業(yè)務邏輯處理層,其面向的不是終端用戶,而是以SOA架構的模式,面向業(yè)務軟件開發(fā)人員提供接口,以充分利用這些開放的數(shù)據(jù)資源和處理接口來定制客戶端系統(tǒng)。這一層主要包括三種功能服務:數(shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)服務、數(shù)據(jù)應用服務、市政設計服務等。

數(shù)據(jù)共享與發(fā)現(xiàn)服務以在線的方式,為市政設計用戶提供在線的數(shù)據(jù)資源發(fā)現(xiàn)與使用。用戶通過查詢目錄或搜索的模式,發(fā)現(xiàn)項目所需的地理空間、規(guī)劃設計及其他專題數(shù)據(jù)資源,在線瀏覽或通過WFS、WMS 等OGC服務引用到設計系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)應用服務以在線數(shù)據(jù)資源為依托,為設計工作提供服務接口,如在道路設計過程中最關注的橫、縱地形斷面信息。同時,這一服務還包括了對網(wǎng)盤進行操作的接口,如上傳數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)等接口,以實現(xiàn)用戶信息的在線存儲與應用。

市政設計服務為用戶提供需要大量計算和存儲的服務接口,如設計方案三維模擬、土石方計算、占地分析等,通過這部分接口,客戶可以將市政設計過程中計算量較大的工作交由云端來完成,并直接在云端進行三維展示,從而降低三維場景展示對計算機硬件資源的需求。

(4)應用服務層。負責為用戶提供各類空間數(shù)據(jù)的瀏覽和分析功能,并基于云盤,在用戶上傳市政設計方案后可對方案進行三維模擬、指標計算、成果分享、在線展示等可視化操作。

3　關鍵技術實現(xiàn)

3．1基于云計算的空間信息在線服務

將云計算應用于空間信息的在線服務已經(jīng)在各大GIS軟件提供商中得到了大量研究與實踐,目前,包括Esri公司的ArcGIS Online、SuperMap公司的Super MapSGS等應用系統(tǒng)中初步采用,服務效率良好[5,6]?？傮w而言,采用云計算技術,可以顯著降低當前地理信息服務項目的重復投入和維護成本,提升GIS應用搭建和部署的效率。

與傳統(tǒng)地理信息公共服務平臺所采用的技術類似,基于云計算的空間信息服務系統(tǒng)框架也可以劃分為四個層次:運行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層。如圖2所示。

圖2　空間信息服務體系

支撐層負責管理來自資源池的資源,構建虛擬節(jié)點以供上層服務使用;數(shù)據(jù)層主要負責在云計算基礎設施資源池上存儲和管理數(shù)據(jù)資源;服務層主要負責將空間信息服務組件按照Web服務標準進行封裝,并能通過工作流引擎進行業(yè)務流程建模;應用層負責對外提供服務,可以通過一站式的門戶直接使用系統(tǒng)提供的服務,也可以通過資源目錄和交換體系進行數(shù)據(jù)注冊、發(fā)布、交換和服務調用。

3．2云盤系統(tǒng)

云盤服務可以為用戶提供一個容量動態(tài)可擴展的網(wǎng)絡存儲空間,通過多終端接入,可方便快捷地上傳、下載和分享個人文件數(shù)據(jù)。當前,以Google網(wǎng)盤、百度網(wǎng)盤等為代表的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)盤就是云盤的典型代表。在開源社區(qū)中,以Seafile、ownCloud、miniyun等為代表的開源云盤也得到較多研究者的關注。

綜合考慮功能需求、成本及軟件成熟度等因素,本文基于較為成熟的ownCloud系統(tǒng)進行二次開發(fā)和應用部署。ownCloud采用PHP語言開發(fā),可運行在Windows、Linux環(huán)境下。本文選用Windows環(huán)境,結合MySQL、Apache等建設[7],架構如圖3所示。

圖3　基于ownCloud的云盤架構

ownCloud的安裝部署較為簡單,但為了支持與應用系統(tǒng)的銜接,實現(xiàn)線上線下一體化市政設計,本文以該云盤為基礎,通過調用其API,封裝了基于Web服務的文件操作接口,供市政設計軟件進行二次開發(fā)時調用。

3．3線上線下交互設計接口封裝

基于Web服務的交互接口是本文所述框架能夠得以順利運行的關鍵。云服務框架以接口的方式,通過網(wǎng)絡向外提供了三類接口:數(shù)據(jù)訪問接口、云盤操作接口和市政設計分析接口。通過這些接口,可以對現(xiàn)有的市政設計軟件進行二次開發(fā),以充分利用云服務框架提供的數(shù)據(jù)資源、存儲資源和運算資源。基于云計算的線上線下交互式設計模式如圖4所示。

圖4　線上線下交互設計模式

要支撐這一設計模式,本文對三類接口進行了Web服務封裝,主要接口如表1所示。

線上線下交互接口 表1

上述接口中,數(shù)據(jù)訪問接口遵循OGC相關標準,云盤操作和市政設計分析使用自定義的Web Service接口,并以XML文件進行交互,能夠廣泛適應各平臺對二次開發(fā)的需求。市政工程三維建模結果以兩種格式保存到網(wǎng)盤中,一種是依賴于三維平臺的格式,目前支持OSG/ IVE,另一種是自定義的純文本交換格式,分別對空間面和紋理等信息進行規(guī)定,可以在二次開發(fā)中進行解析和重建。

4　系統(tǒng)建設與示范應用

4．1云平臺建設

依據(jù)上述設計,本文依托重慶市智慧空間信息服務云計算平臺開發(fā)項目,初步建成了云平臺的原型,市政設計云作為該原型的一個組成部分,與空間信息服務、云盤等組成一個有機的系統(tǒng)。云平臺原型硬件包括3臺IBM X3690 X5服務器、3臺普通PC機、2臺 1 000 M交換機等。對服務器資源,使用EXSI進行虛擬化管理,形成統(tǒng)一的資源池,并虛擬出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)服務器、云存儲服務器、云計算服務器和門戶網(wǎng)站服務器;對普通PC機,部署域控服務器、vCenter服務器和View Connection服務器。系統(tǒng)邏輯結構如圖5所示。

圖5　云計算平臺邏輯結構

空間數(shù)據(jù)服務器使用4TB存儲空間,發(fā)布了重慶主城區(qū)3 000 km2的高精度大地形模型和主城區(qū)精細三維城市模型及主城控規(guī)、工程地質等專題信息,可以提供40個用戶的并發(fā)訪問量。

云存儲服務器可以提供12 TB存儲空間,部署了基于ownCloud進行二次開發(fā)形成的云盤系統(tǒng),實現(xiàn)用戶文件的云端存取,并支持對設計文件進行三維模擬等定制化操作。

云計算服務器可提供24個CPU運算資源和32GB內存資源,可滿足小規(guī)模計算需求,后文對其應用性能進行了量化。

上述數(shù)據(jù)服務、存儲服務和計算服務資源通過云門戶進行發(fā)布和管理,用戶連接到門戶網(wǎng)站后,可以直接依托這些數(shù)據(jù)和服務開展市政項目設計和成果優(yōu)化、展示工作。門戶界面如圖6所示。

圖6　三維地理信息門戶與云盤界面

4．2市政設計系統(tǒng)二次開發(fā)

在云端系統(tǒng)建設的基礎上,還需要對市政設計系統(tǒng)進行二次開發(fā),使之能使用云平臺提供的數(shù)據(jù)資源、存儲資源與運算資源。本文以國內較為流行的EI市政設計軟件為示范,基于AutoCAD進行二次開發(fā),增加對遠程數(shù)據(jù)調用的支持。并在市政設計模塊中開發(fā)了數(shù)據(jù)儲存、三維模擬等工具,在保存工程文件時,可以保存到云端。云端根據(jù)設計成果,自動進行三維建模與各類計算,并生成三維模型的服務鏈接和3ds模型文件。三維模型可以直接在門戶網(wǎng)站中進行三維展示,也可以通過二次開發(fā)的數(shù)據(jù)集成模塊在CAD場景中進行展示。如圖7所示。

圖7　CAD場景中的三維模型展示

4．3應用效果

本文的建設成果已經(jīng)在重慶市各大工業(yè)園區(qū)中得到了廣泛的應用,2014年完成項目數(shù)量超過40項,總設計道路市政設計項目范圍達到170 km2,市政道路長度超過435 km,場平面積超過19 000畝?；谠贫说挠嬎阈?顯著提升了三維模型構建的效率,結合重慶市三維數(shù)字城市建設成果,對市政道路的設計方案研究與評審提供了良好的支撐。本文以在重慶市保稅港I、J分區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化與場平土石方量概算工作為例,基于一臺高性能PC機和云端進行三維模擬和土石方量計算,性能對比如表2所示。

道路建模與場平土石方計算時間對比 表2

其中,道路長度為67 km,場平面積9 340畝。

另一方面,工作用的普通PC機受內存、硬盤效率等條件的限制,隨著道路長度的增加,進行三維建模的時間也急劇增長,而云平臺由于可動態(tài)調節(jié)硬件資源,受道路長度的影響較小,本文以一些典型的長度道路工程為例,對性能較好的PC機和云平臺原型的三維道路建模效率進行對比,如圖8所示。

圖8　高性能PC機和云平臺原型三維模擬效率對比圖

當?shù)缆烽L度較小時,由于云平臺是任務觸發(fā)機制,接收到任務才啟動服務進程(采用局域網(wǎng)千兆網(wǎng)絡,忽略數(shù)據(jù)傳輸時間),故高性能PC機本地模擬效率較高,但隨著道路長度的增加,本地模擬時間呈指數(shù)型增長,而云端模擬效率則基本呈線性增長,表明模擬效率受道路長度的影響較小。

5　結 論

近年,各大市政設計平臺基于CAD的三維模擬模塊開發(fā)了實時建模功用,以提升市政設計項目的效率和科學性。但受限于平臺及普通工作電腦的效率問題,三維模擬始終只能停留在小范圍層面,實際使用效果不理想,阻礙了三維技術在市政設計領域的推廣。

本文以云計算技術為基礎,配合三維地理信息技術,開發(fā)了云平臺和云存儲系統(tǒng),并在市政設計系統(tǒng)中進行二次開發(fā),實現(xiàn)與云平臺和云存儲的整合應用。試驗結果表明,使用云計算技術,不僅顯著提高了市政設計成果的三維模擬和土石方量計算效率,還可以促進市政設計成果的在線展示與共享,提升市政設計的公眾參與程度。基于三維地理信息技術,還可以在后期出效果圖、動畫展示等工作中節(jié)省大量的工作時間和成本,對三維市政設計的推廣具有積極的推動作用。

參考文獻

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Research and Application of 3D Municipal Design Framework Based on Cloud Computing

He Xingfu
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

Abstract:Three dimensional technology has a rapid research and application in municipal planning and design,but the CAD platform has weak on loading capacity,analysis efficiency and presentation effects for three-dimensional data, which become a restrict for wide application of 3D technology．This paper construct an online/ offline design framework for municipal design,based on three-dimensional geographic information technology,cloud computing and cloud storage．By integrating massive online geospatial resources,fully using of online computing capacity,this framework realizes interactive design of online/ offline,online presentation．At last,carried out a demonstration application in some development parks of Chongqing．

Key words:municipal planning and design;cloud computing;cloud storage;virtual geographic environments

文章編號:1672-8262(2015)05-39-05中圖分類號:P208．2

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—07—20

作者簡介:何興富(1982—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為三維地理信息系統(tǒng)技術研究與應用系統(tǒng)開發(fā)。

基金項目:重慶市應用開發(fā)計劃項目(cstc2014yykfB40004)