基于三維GIS的數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)設計

郭 希，周驚濤，李 林，魏小涪，李生林

（1.中國人民解放軍成都軍區(qū)善后辦房管局，成都 610000；2.中國人民解放軍78479部隊，成都 610000；3.中國人民解放軍后勤工程學院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311）

基于三維GIS的數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)設計

郭 希1，周驚濤2，李 林2，魏小涪3，李生林3

（1.中國人民解放軍成都軍區(qū)善后辦房管局，成都 610000；2.中國人民解放軍78479部隊，成都 610000；3.中國人民解放軍后勤工程學院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311）

在數字營區(qū)營房信息化建設中，為了實現營房設備的直觀、可視化查詢和管理，設計了一種基于三維GIS（地理信息系統(tǒng)）的營房設備集成系統(tǒng)。首先提出系統(tǒng)總體目標要求，然后設計了系統(tǒng)總體架構，最后對功能結構進行了設計。

三維GIS；數字營區(qū)；營房設備；系統(tǒng)設計

0　引 言

營房設備管理工作是營房管理工作的重要部分，在營房設備管理工作中，由于營房設備種類和數量繁多（如電表、水表、閥門、開關及攝像頭等），使營房工作人員難以準確掌握營房設備的信息，特別是營房設備的安裝位置，給營房設備的查詢、設備的維修和更換等工作帶來不便。隨著數字營區(qū)建設的不斷推進，以地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）［2］為代表的營區(qū)可視化系統(tǒng)相繼出現，這些系統(tǒng)在營區(qū)規(guī)劃、模擬演練、宣傳匯報等方面發(fā)揮了一定作用，但卻很少與營房管理工作，特別是營房設備的管理相結合。將營房設備管理與營區(qū)三維GIS相結合，實現基于三維GIS的營房設備可視化管理，能使數量繁多的營房設備信息變得一目了然，從而實現營房設備管理快捷化、精確化。

1　數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)總體目標要求

2.1集成要求

2.1.1集成融合要求

標準化要求。數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)應按照統(tǒng)一的技術體制和標準規(guī)范要求進行集成，使系統(tǒng)能夠支持登錄、消息傳遞、報表輸出等；接收和使用標準數據接口、標準代碼等，在系統(tǒng)用戶、數字營區(qū)基礎數據、控制指令等方面實現有機融合。

集中管控要求。數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)能夠將各個子系統(tǒng)進行服務化改造，使其集成到綜合管理信息平臺下運行。

數據集成要求。數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)應統(tǒng)一依托營區(qū)綜合數據庫進行集成，使系統(tǒng)對外形成統(tǒng)一集成的數字營區(qū)系統(tǒng)，對內由不同的構件對公共數據庫和主題數據庫進行訪問。

2.1.2服務集成方式

數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)按照數字營區(qū)系統(tǒng)統(tǒng)一的集成策略與要求，依托Java EE企業(yè)級架構和SOA的思想。

數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)采用標準SOAP方式Web服務，首先用WSDL描述服務，為了方便其他系統(tǒng)調用服務，需要將服務在注冊中心（UDDI）進行注冊。UDDI對每一個注冊服務都有一個服務描述，提供了服務的調用方法和地址，系統(tǒng)通過UDDI服務目錄找到需要請求的服務，根據服務描述信息獲得所需服務的調用方法。這樣服務請求者與服務發(fā)布者就能直接進行數據交換了，服務發(fā)布者通過SOAP協(xié)議將結果返回給服務請求者。

Java EE平臺在整個SOA的實現過程中能夠全面支持Web服務規(guī)范，即Web Service for Java EE （JSR109），Java EE平臺是一個開源平臺并為用戶提供了一系列Web服務通用接口規(guī)范。在Java EE平臺架構中，Web容器是一種為應用服務器組提供運行環(huán)境的服務程序，通過Web容器EJB調用可以方便地實現客戶端與營房設備集成系統(tǒng)數據庫的數據交換。因此，依托Java EE企業(yè)級架構和SOA的思想來構建數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)，能夠構建一個靈活、可靠、高效的系統(tǒng)。

2.1.3主題服務融合要求

數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)集成框架采用了SOA架構的思想，SOA具有松耦合的特點，需對用戶登錄、權限管理、三維地理信息、設備查詢、硬件控制、實時數據采集、營區(qū)要素數字化等主題服務融合提供支持。主要從以下三個層面體現主題服務融合。

在服務層，通過基于SOAP方式的Web接口，在集成平臺上綜合各類主題服務，讓服務調用更加靈活便捷，服務復用更加充分。

在代碼層，以Java EE平臺各類通用接口為基礎，結合適當的應用開發(fā)框架，實現系統(tǒng)基本功能的開發(fā)，并對各功能模塊進行合理組裝融合。

在系統(tǒng)層，通過以太網提供的數據傳遞機制，系統(tǒng)會根據每個用戶請求，準確定位到相應的服務，通過服務調用各功能模塊，實現從應用服務到底層硬件設備模塊，再到應用服務的主題服務融合方式，使系統(tǒng)更加高效、靈活。

2.2系統(tǒng)總體目標

本系統(tǒng)是以軍隊某營區(qū)為實例進行設計的，為了實現在三維虛擬營區(qū)環(huán)境中對各類營房設備進行可視化管理和實時監(jiān)控，設計基于三維GIS的營房設備集成系統(tǒng)，系統(tǒng)要到達總體目標，主要體現在以下幾個方面。

（1）實現營區(qū)地形地貌、道路管線、坐落分棟及水系綠化等各類地理信息要素的三維可視化。營區(qū)的各類地理信息要素是營區(qū)的基本組成部分，包含著營區(qū)的各種地理特征，通過運用三維建模軟件對這些要素進行建模，結合三維平臺構建營區(qū)三維可視化系統(tǒng)，能夠給用戶提供一個逼真的營區(qū)三維可視化窗口。

（2）實現營房設備信息的可視化管理。營房設備信息的可視化是提高營房設備管理工作效率的重要手段，通過數據集成和三維地理信息系統(tǒng)以設備圖元方式將設備信息集成到營區(qū)三維可視化環(huán)境中，并提供設備的查詢、添加、修改、刪除等管理功能。

（3）實現營房設備在三維條件下的實時監(jiān)控。營房設備的實時監(jiān)控對于設備故障的分析和處理具有重要意義，通過將設備實時信息標注在營區(qū)三維可視化環(huán)境中的方式，實現設備的實時監(jiān)視，并結合遠程控制系統(tǒng)，實現從三維可視化環(huán)境中對設備的直接控制，從而達到全面監(jiān)控的目標。

3　數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)總體架構

3.1系統(tǒng)層次結構

數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)分為數據層、中間層、應用層，系統(tǒng)分層架構如圖1所示。

3.1.1數據層

數據層包括三維模型數據和屬性數據，三維模型數據是用于構建營區(qū)三維場景的數據，主要是以文件的形式存儲；屬性數據包括基本屬性數據和設備屬性數據。基本屬性數據是營區(qū)的建筑、道路、綠化、場地及水域等模型的屬性數據，設備屬性數據包括營區(qū)各類營房設備的靜態(tài)和動態(tài)數據信息，設備屬性數據是集成的重點，設備屬性數據需要從營區(qū)供水、供電、中央空調、環(huán)境監(jiān)測及安防等系統(tǒng)數據源中提取，并集成為統(tǒng)一的格式供中間層調用。

圖1　數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)分層架構

圖2　系統(tǒng)總體框架

3.1.2中間層

中間層主要包括三維GIS平臺和J2EE平臺，三維GIS平臺為開發(fā)三維GIS系統(tǒng)提供了一套完整的解決方案，利用三維GIS平臺提供的控件可進行模型的導入、三維服務的發(fā)布、三維數據的管理等操作，三維GIS平臺提供對外的開發(fā)接口API，用于與其他開發(fā)語言的結合。J2EE平臺提供了一個多層次分布式應用設計模式，應用邏輯根據功能被劃分為組件，J2EE組件是一個自我封閉的功能軟件單元，它通過相關的類、文件和與其他組件的通訊，被集成進J2EE應用，通過J2EE平臺提供的組件，實現與數據層的交互，并為應用提供接口。

3.1.3應用層

應用層主要利用中間層提供的大量控件接口，運用Java語言編寫程序來實現各種功能應用，提供的主要功能應用有漫游導航、飛行定位、空間分析、設備標注、設備查詢及圖層控制，等等。漫游導航是對營區(qū)景觀提供手動和自動瀏覽方式，飛行定位是提供一些重點區(qū)域的快速定位，空間分析是提供三維空間的距離測量、面積測量、水淹分析等，設備標注是提供三維環(huán)境中設備位置的標注，設備查詢是提供各類營房設備的查詢展示，包括快速查詢、組合查詢和模糊查詢，圖層控制是控制三維場景中各圖層要素的加載與否。

3.2系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)總體框架如圖2所示。從圖中可以看出，集成系統(tǒng)分為4個層次，即支撐層、數據層、系統(tǒng)層和功能層。

3.2.1支撐層

支撐層包括硬件支撐和軟件支撐，其中硬件支撐主要有數據庫服務器、應用服務器和營區(qū)局域網等，軟件支撐主要有Stamp三維GIS平臺，NetBeans軟件和Oracle數據庫等。

3.2.2數據層

數據層主要包括各類設備數據源、綜合數據庫和三維模型數據，其中設備數據源主要是營區(qū)各系統(tǒng)的數據庫，如供水管理系統(tǒng)、供電管理系統(tǒng)、中央空調管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及安防系統(tǒng)；綜合數據庫主要包括三維虛擬環(huán)境的基礎屬性信息、設備屬性信息和圖元信息；三維模型數據是用于構建三維虛擬環(huán)境的數據，主要以文件形式存儲。

3.2.3系統(tǒng)層

系統(tǒng)層包括數據整合集成子系統(tǒng)、數據管理維護子系統(tǒng)、三維集成應用子系統(tǒng)，它們共同組成了基于三維GIS的設備集成系統(tǒng)。其中數據整合集成子系統(tǒng)主要完成從各個分散異構數據源到綜合數據庫的設備信息整合集成，將設備信息通過中間件整合為統(tǒng)一的數據格式，供三維集成應用子系統(tǒng)調用；數據管理維護子系統(tǒng)主要用于綜合數據庫的管理維護；三維集成應用子系統(tǒng)主要完成從綜合數據庫中提取數據到三維平臺進行展示，提供設備的信息查詢、定位、監(jiān)控、統(tǒng)計等功能。

3.2.4功能層

功能層包括數據集成管理、綜合數據維護、設備標注、設備查詢、圖層控制及空間分析等功能，具體功能的設計將在下文進行詳細說明。

4　數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)功能設計

4.1總體功能結構

數字營區(qū)設備信息集成系統(tǒng)可劃分為3個子系統(tǒng)，分別是數據管理維護子系統(tǒng)、數據整合集成子系統(tǒng)和三維集成應用子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體功能結構如圖3所示。

圖3　總體功能結構

4.2數據整合集成子系統(tǒng)

數據整合集成子系統(tǒng)的功能包括數據源封裝、數據集成和數據同步，如圖4所示。

圖4　數據整合集成子系統(tǒng)結構

數據源的封裝：獲取數據源中待集成設備的數據，然后根據設定的規(guī)則處理設備數據后，交給集成器。

數據集成：將各個封裝器傳過來的數據即成為合成為一個整體，交給同步器。

數據同步：接收集成器傳入數據并用這些數據對設備屬性庫中數據進行更新。

4.3數據管理維護子系統(tǒng)

數據管理維護子系統(tǒng)主要是對綜合數據庫數據進行管理，功能包括元數據管理、三維基礎數據管理、用戶管理、圖元信息管理及數據備份。

三維基礎數據管理：對三維虛擬環(huán)境中的建筑、道路、綠化及水系等基礎數據進行維護。

用戶管理：分為用戶的權限管理和用戶信息的管理，包括用戶權限和用戶信息的添加、修改、刪除，用戶權限的分配，用戶組的配置等。

圖元信息管理：對圖元信息進行維護，包括圖元標識的上傳、圖元信息的修改和刪除。

數據備份：對綜合數據庫數據進行定時備份，并提供數據恢復功能。

4.4三維集成應用子系統(tǒng)

三維集成應用子系統(tǒng)主要用于普通用戶進行三維場景的瀏覽和設備信息的可視化管理，功能包括漫游、飛行定位、空間分析、圖層控制、設備標注、設備查詢與設備監(jiān)控。

漫游：三維場景的瀏覽，包括手動漫游和按設定路線自動漫游。

飛行定位：三維場景自動定位到用戶指定的地點。

空間分析：主要包括距離測量、高度測量、面積測量、水淹分析。

圖層控制：控制三維場景中建筑、道路、綠化、水系以及各類設備圖層的加載與否。

設備標注：根據設備的實際安裝位置，在三維虛擬環(huán)境中對應位置將設備進行標注，并將標注點的坐標存入數據庫，用于設備的查詢定位。

設備查詢：包括快捷查詢、組合查詢和模糊查詢。快捷查詢是將設備分類列出，快速點擊即可在三維場景中展示設備信息；組合查詢是通過多個查詢條件的組合進行查詢；模糊查詢是類似于搜索引擎的查詢方式，輸入任意條件，系統(tǒng)會進行分詞處理并列出相關設備的信息。

設備監(jiān)控：在三維場景中對設備進行實時監(jiān)視，并能夠對開關、閥門、泵等設備進行遠程控制。

5　結 語

基于三維GIS的數字營區(qū)營房設備集成系統(tǒng)將三維地理信息系統(tǒng)與營房設備管理工作相結合，可以說是將三維GIS應用于營房管理工作的初步嘗試，為三維GIS在營房管理工作中的進一步應用研究提供了一個思路。下一步將繼續(xù)研究基于三維地理信息系統(tǒng)的營區(qū)各類管理和保障工作的可視化。

主要參考文獻

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2016-07-20