基于時空大數據的智慧城市時空平臺建設研究
——以福州市時空信息公共服務平臺為例

● 文 |武威 陳長浩

智慧城市及相關技術正強勁而深刻地引領著經濟社會各個領域和行業的深刻變革，全面支撐了城市可持續、和諧運行，推動著城市政務、經濟和民生實現跨越式發展。

在國家全面推進智慧城市建設的背景下，福州市積極開展智慧城市建設。2001年，福州市成立了“數字福州”建設領導小組和專家委員會，福州市鼓樓區被福建省政府定為“數字福建”的示范區，標志著“數字福州”工程全面啟動。2010年11月，福州市將“智慧福州”建設納入《福州市國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，統籌規劃，扎實推進“智慧福州”建設；2016年7月，《福州市新型智慧城市標桿市頂層設計》通過專家評審。近年來，福州市倉山區、長樂市先后入選國家智慧城市試點名單，“智慧福州”建設正在穩步進行。

在如今的智慧城市建設階段，隨著科技不斷進步和應用需求快速變化，對空間基礎信息共享的數據實時性、多終端適應性、操作體驗性、應用自主性、管理可控性等方面均提出了新要求。福州作為國家首批智慧城市試點城市，為了有效支撐城市的建設和運行，需對城市地理空間框架進一步提升，與新型技術接軌迎接智慧城市新挑戰，因而適時提出了智慧城市時空信息公共服務平臺的建設。

一、時空數據存儲管理現狀

時空數據是大量不同時間、不同尺度的空間數據和非空間數據的積累，是建設智慧城市最重要的信息來源。但是，時空數據在生產、管理與應用上也面臨著存儲組織與分析處理難、集成應用難及數據全生命周期管理難等問題。

多種不同存儲方法造成管理不方便：本地（遠程）文件、關系數據庫等多種存儲方式混合使用，難以進行統一、自動化的管理，例如備份、安全、數據輸出、檢索等。

缺乏全面支持不同類型數據建模的數據存儲方法：結構化、非結構化數據往往分別以不同方式存儲。同時，不同空間數據庫和文件格式的語義、語法、能力千差萬別，增加了應用程序開發的難度。

海量數據難以進行集中管理：單機和單個關系數據庫的容量有限，不具有可伸縮性，難以單獨管理海量數據，而多個獨立數據庫或文件系統又缺乏整體性和無縫性，邏輯上不能集中。

高并發情況下，集中式數據的存取是瓶頸：集中式的存儲方法，在高并發情況下，容易造成應用性能的急劇下降。

缺乏海量異構時空數據快速處理和分析的框架：針對不同類型、語義的時空信息，尚缺乏一套全面的數據整合、清理、挖掘和分析模型，在計算算法架構層面，傳統并行計算方法復雜、擴展性差，缺乏一個高效、簡單的并行算法架構。

時空信息公共服務平臺的建設能通過信息共享、系統共生，來消除部門的信息孤島和利益壁壘，在智慧城市建設中起到核心支撐作用。

二、平臺建設總體架構

1.總體框架

平臺總體設計采用了經典云平臺的設計思路，采用面向服務的SOA架構。平臺共分為智慧應用層、服務支撐層、基礎支撐層、數據資源層和基礎設施層等五個層次；結合政策法規、標準規范、運營服務和安全保障等四大體系共同組成了智慧城市時空信息公共服務平臺的主體架構。總體技術框架如圖1所示。

智慧應用層包括智慧交通、網格化管理、車輛管理、流動人群分析、環境污染影響分析、樓宇經濟精細化管理主題、就業狀況分析等七大專題服務示范，通過這些智慧應用的建設，為政府、行業、企事業以及公眾提供不同的應用服務。

服務支撐層包括三類服務支撐系統，包括空間信息、動態信息和公共信息等三類服務支撐系統，三類服務支撐系統形成對福州市時空信息的管理、分發和應用，同時有效支撐智慧行業的應用。

基礎支撐平臺，是承接數據與應用的主要載體，既管理數據，又面向應用提供服務。基礎支撐平臺部署城市信息基礎支撐平臺相關內容的各種環境，包括引擎集、基礎支撐組件和應用服務組件。其中引擎集包括目錄服務引擎、數據交換引擎、表單引擎、三維引擎等；基礎組件包括接入網關超融合基礎架構、前置數據網關、統一認證及審計、數據仿真等；應用組件包括單點登錄服務、訪問控制服務、組織模型服務、日志服務等。

數據資源層即聚合城市時空信息，也是城市的數據資源池，包括空間信息數據庫、動態信息數據庫和公共信息數據庫的數據遷移、數據匯交、數據整合、數據管理以及相關數據服務，提供實時的城市時空信息服務。

基礎設施層即指基礎設施中心，主要由硬件集群、網絡集群、系統軟件以及操作系統（OS）等構成，為各項數據承載和應用服務提供基礎的軟硬件資源。

2.技術路線

本平臺技術路線采用基于SOA體系架構設計，根據城市信息資源規劃（IRP）理論分析系統需求、建立業務模型，利用城市感知網絡聚合城市各類時空信息，進行開放的流程設計和接口設計，依托城市信息基礎支撐平臺和城市信息服務支撐系統整合各類數據庫、服務和應用系統，遵循統一的標準規范實現城市信息和系統的互聯互通和高度共享，最終支撐政府、行業和公眾應用，服務于政府、服務于社會、服務于民生。

三、建設內容

按照總體建設目標，平臺建設內容可概述為“一個中心、三類信息、一個平臺、三類支撐、四大體系”。具體包括了設計一個計算機硬件支撐中心，聚合三類城市時空信息（空間信息/動態信息/公共信息），構建一個城市信息基礎支撐平臺，建設三類服務支撐系統（空間信息服務支撐系統、動態信息服務支撐系統和公共信息服務支撐系統），建立四大運行保障體系（政策法規體系、標準規范體系、安全管理體系和運營服務體系），分別解決政府信息資源的硬件支撐、信息來源、統一平臺、應用支撐和運營機制等方面的問題。

1.一個中心：搭建一個基礎設施中心

一個中心指搭建基礎設施中心，涵蓋支撐福州時空信息公共服務平臺所需的軟硬件資源，作為時空平臺數據交換、存儲和構建各種智能化、網絡化的應用服務系統的基礎。

2.三類信息：聚合三類城市時空信息

三類信息指聚合包括空間信息、動態信息和公共信息等三類城市時空信息，形成城市的大數據資源池，將全市各部門共享的各類時空信息數據進行規劃、匯聚、處理、建庫、管理、更新和共享，形成全市統一的城市時空信息數據。

時空信息數據建設主要由數據規劃、數據匯聚、數據處理、數據整合、數據管理、數據倉庫、數據更新、數據共享和數據支持等9部分組成。

3.一個平臺：構建一個城市信息基礎支撐平臺

一個平臺指城市信息基礎支撐平臺，通過該平臺的建設聚合城市的時空信息，整合現有基礎資源搭建統一的時空信息數據資源存儲和計算環境，集中實現城市時空信息的管理、分發、應用、共享和更新。

4.三類支撐：建設三類服務支撐系統

三類支撐指建設包括空間信息服務支撐分系統、動態信息服務支撐分系統和公共信息服務支撐分系統在內的三類服務支撐系統，其中空間信息服務支撐分系統提供基礎地理信息、地表部件信息、地下管線信息、地下空間信息等空間信息庫和相關信息管理系統的支撐；動態信息服務支撐分系統提供位置信息、視頻信息、傳感器信息等動態信息庫和相關信息管理系統的支撐；公共信息服務支撐分系統提供人口、法人、社會管理和經濟運行等信息的服務支撐。

5.四大體系：設立四大運行保障體系

四大體系指建立政策法規、標準規范、安全管理和運營服務等四大體系，為城市時空信息數據的采集更新、維護管理、共享應用等提供政策、組織和管理保障，形成長效運營管理體系，最終實現政府監管、有序建設和高效管理。

四、關鍵技術研究

1.超融合架構技術

超融合系統是傳統的虛擬化技術的改進增強版。超融合架構（Hyper Converged Infrastructure）是一種新型的虛擬化體系架構。這種架構的產生主要是為了解決傳統的虛擬化平臺系統性能差、不能線性擴展的問題。超融合架構繼承了傳統虛擬化架構硬件資源靈活分配、部署靈活的優點，同時規避了傳統虛擬化性能差、對存儲依賴高等缺點，結合了分布式文件系統、混合存儲模式等特點，將計算資源、存儲、網絡以及虛擬化層都進行了分布式改造，融合在一個物理設備中，通過類似堆疊的方式，進行容量和計算能力的線性擴展，使得部署和后期維護更加簡單。

2.微服務架構技術

微服務架構是一種新型的軟件架構，指開發一個單個小型的但有業務功能的服務，每個服務都有自己的處理和輕量通信機制，可以部署在單個或多個服務器上。

3.蜂窩式數據管理技術

針對不同維度的海量數據進行了明確領域邊界劃分，按照業務需求，劃分為更細小的業務邏輯和數據庫進行封裝，并提供一定的存儲冗余換取信息服務的低耦合度和更高的性能，再加上統一的組合管理、接口標準和服務發布，形成技術層面的“蜂窩式”體系架構。

為了滿足不同業務需求，并對其提供個性化服務，每個維度的外在訪問對象（包括但不限于：政府、企業、公眾、終端、行業、應用系統等）的相關數據都被抽取并集中保存在一個個的獨立“業務容器”中，相互邏輯隔離，形成單獨小房間，稱之為“蜂窩式”存儲。而針對某一特定的專題數據，也通過這一方式，將源數據、元數據和結果數據進行獨立包裝。不同分管的數據源的數據相互隔離，傳輸通道也相互隔離。

蜂窩式數據管理這種獨特的“業務邏輯和數據封裝”的方式，面向海量數據應用場景會帶來顯而易見的益處：比如高安全性、功能高內聚、模塊松耦合、易于分布開發、部署和維護，構成的信息系統具有高彈性、易于擴展等特點，特別適合于數據封裝與訪問。

4.海量異構多源數據處理技術

利用DataOCT?機制進行多源異構數據的處理，DataOCT?是不同于常規插件式數據適配器，在DataOCT?彈性框架下，不限制開發語言和框架環境，真正做到開放性；采用增強的高速二進制傳輸協議，每秒鐘解碼超過880萬個數據報文，滿足城市海量數據傳輸需求；數據庫的分布式混合存儲海量數據，提供了數據的高可靠性和服務的高可用性；面向行業應用的蜂窩數據組織管理方式，提供了百億級別的數據的秒級檢索性能。

5.多線索單一場景可視化技術

基于單一場景的多圖層融合數據可視化模式，在同一個場景內并行展現城市時空系統中同時發生的事件，詮釋和展現了動靜態一體化、地上地下一體化、二三維一體化以及多行業專題。通過二維-三維-圖表-專題的跨系統的多屏聯動方式，多維度同步觀察城市的運行狀況，可以從城市的宏觀直接追溯到微觀數據細節。

6.多三維引擎支持

支持多種三維引擎的集成，包括CityMaker、SkyLine、Stamp等主流三維引擎。

五、結論

本文以福州時空公共服務信息平臺為案例，探討了智慧城市背景下城市時空信息的管理、共享及其建設方式，探索了時空數據的組織、管理、挖掘等技術。本項目的建設，能夠提供橫向覆蓋福州全市域的城市信息數據資源池，并建成縱向市/區/街道辦/社區四級管理的城市信息基礎支撐平臺，實現數據匯交、存儲、處理、應用、分析、共享、安全和更新等城市資源管理和服務的數據集成環境，滿足各個部門在數據共享、地圖共享、服務共享、應用共享等不同層次的共享需求，并全面支撐各行業的應用。

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