智慧城市時空信息云平臺建設研究

2018-08-29 06:16:28段志強沈鳳嬌黃冠宇閔夢然

地理空間信息 2018年8期

段志強，沈鳳嬌*，黃冠宇，閔夢然

（1.湖北省基礎地理信息中心，湖北武漢 430070）

2013年發布《國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》（國發[2013]7號）和《國務院關于促進信息消費擴大內需的若干意見》（國發[2013]32號）提出推動智慧城市建設，在有條件的城市開展智慧城市試點示范建設，提升公共服務信息化水平。2014年國家發展改革委等8部委聯合發布《關于促進智慧城市健康發展指導意見》，提出智慧城市是物聯網、云計算、大數據、空間地理信息等新一代技術的集成[1]。2016年，國家發展改革委、中央網信辦聯合印發《新型智慧城市建設部際協調工作組2016～2018年任務分工》，指出測繪地理信息部門的任務為指導各地區開展智慧城市時空基礎設施建設及應用，其中，時空信息云平臺是核心內容之一[2]。目前，全國多個試點城市正在開展智慧城市時空信息云平臺建設。

智慧城市時空信息云平臺是以北斗時空為基準，以位置服務為核心，通過大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術，實時匯集城市各種時空信息而形成的感知更透徹、互聯更廣泛、決策更智能、服務更靈活和更加安全可靠的地理信息服務平臺，是智慧城市建設的重要空間信息基礎設施。

1 建設需求

1）用戶類型需求。時空信息云平臺的用戶主要有5類：①云服務消費者：也叫云租戶，是使用時空信息云平臺提供的各類時空信息云服務的用戶，比如使用云盤資源、請求各種地圖服務、云計算應用服務等。②云服務提供者：向云服務消費者提供各類時空信息云服務，如時空數據服務、不同行業的專題共享數據服務、典型的云計算應用服務等。③云服務運營者：負責時空信息云平臺的運維監控等管理運行工作。④云應用開發者：可以依托時空信息云平臺的各類服務接口進行業務應用的擴展開發，業務應用可以托管在該云平臺上，或者由云租戶來運行。⑤云設備提供者：是云平臺建設所需的各類物理基礎設施的提供者，包括服務器、存儲、網絡設備等，可以通過虛擬化平臺形成基礎設施虛擬資源池[3]。

2）數據需求。數據需求主要表現為以下幾個方面：第一，由空間數據轉變為時空數據，統一時空基準。時空基準是經濟建設、國防建設和社會發展的重要基礎設施，是時空大數據在時間和空間維度上的基本依據。時間基準中日期采用公歷紀元，時間采用北京時間，統一時空基準；坐標基準統一到2000國家大地坐標系，高程基準統一到1985國家高程系統[2]。第二，豐富數據類型，構建時空信息“一張圖”。在數據類型上，應包括動靜態、二三維、地上下、室內外、現狀及歷史等多種類型的數據，其中應該還包括一些新型測繪數據，如360°全景數據、激光點云數據、傾斜攝影數據、室內地圖數據等。數據組織上，通過全要素地理實體分類編碼，打造時空信息“一張圖”，真正實現多時相、多粒度、全空間世界連續抽象表達。第三，數據資源共享。不同行業部門通過數據資源共享，可以共同享用數據建設成果，避免重復建設。為此，需要進行不同行業共享數據的匯聚、融合、管理、共享服務，并建立長效的數據更新機制、服務滾動更新機制。第四，大數據存儲挖掘。時空信息大數據具有種類繁多、數據規模大（TB 級）、更新迅速（特別是動態數據）的特點，因此，平臺需要支持多種存儲方式來應對結構化、非結構化及半結構化等不同的數據。對于不同類型的數據，還需要特別考慮數據訪問時的效率，例如影像數據在調取時，對傳輸的效率要求就比較高。另外，要能夠從大量的時空大數據中挖掘出有用的信息，支持輔助決策。

3）功能需求。功能需求上，需要建立從基礎設施資源管理、時空大數據匯聚處理、時空大數據融合處理、時空大數據管理、時空信息服務到云平臺的運維監控的一套軟件功能體系。在平臺架構上，需要從傳統的架構轉變為云架構，建立虛擬化資源池，提供分布式云計算框架，以支撐平臺成果的云架構部署和云計算應用，提供按需彈性計算和宿主環境服務。并且能夠提供IT接口、服務接口、功能接口等，支持行業典型應用系統的擴展開發。在應用方式上，不僅支持傳統的桌面端，還需要支持移動端。

4）性能需求。對于時空信息數據庫，其性能需求集中在系統穩定性、高效性、可擴展性等方面；對于時空信息云平臺，其性能需求集中在響應時間、并發用戶數、安全性、界面友好度等方面。

5）安全需求。由于時空信息云平臺運行在云上，因此在信息安全方面具有更加迫切的需求，主要表現在物理安全、數據安全、應用安全、網絡安全、管理安全等5個方面。物理安全需求是對于存放各種硬件設備的機房，應按照統一規范的安全標準進行建設和管理；數據安全基于數據全生命周期，從隱私保護、密鑰分配及管理、災難備份與恢復等方面，采用數據隔離、數據防護、數據備份等技術，根據時空信息云平臺上時空大數據及應用項目業務數據的重要性，進行分級加密保護；在應用安全需求上，需要進行身份鑒別、訪問控制、安全審計、軟件容錯、剩余信息保護等；在管理安全上，需要建立完備的安全管理規章制度，以預防和應對各類突發狀況，保障信息安全維護工作得以長效貫徹執行。

2 建設內容

時空信息云平臺的總體目標是打造一張時空信息全息圖：基于統一的時空基準，匯聚二三維、地上下、室內外、水上下、靜動態、歷史現在的全要素數據，以位置為紐帶關聯事物或事件的多時態、多主體、多層次、多粒度的一張圖。

按照總體目標，智慧城市時空信息云平臺的建設內容可以概括為“1套保障體系、1個數據中心、1套時空信息數據庫、1大平臺（包括多個系統）、1套應用體系”，即：

1）1套保障體系：建設一套保障智慧城市時空信息云平臺穩定運行的組織管理與運維體系，建成完善的平臺標準規范體系，形成完善的智慧城市時空信息云平臺管理機制。

2）1個數據中心解決方案：根據城市自身建設發展需要選擇是否構建區域數據中心，選擇性建設機房基礎環境建設、中心網絡系統建設以及機房監控體系建設等，形成時空數據中心解決方案。

3）1套時空信息數據庫：基于北斗時空基準，完成時空數據標準化處理和廣泛關聯融合，構建開放的時空數據模型，形成時空數據標準化處理與融合解決方案；通過時空數據分類編目、歸置、存儲管理，構建時空數據庫體系，形成時空數據庫設計解決方案。

4）1大平臺：研發設計時空信息云服務平臺軟件體系，形成從基礎設施管理到數據匯聚、融合、管理、服務、運維的平臺軟件一體化解決方案。

5）一套應用體系：以平臺服務和部門需求為牽引，以項目促應用，面向不同行業，聯合有關部門建成一批業務化運行的時空信息應用服務系統，擴展平臺應用范圍。

3 總體架構

時空信息云平臺總體架構自底而上，包括基礎設施層、時空數據層、平臺支撐層、應用層4個層次，同時建立支撐時空信息云平臺相關的標準規范體系、組織管理和運維體系，總體架構如圖1所示。

基礎設施層：是整個云平臺運行的基礎，包括服務器、網絡、存儲等軟硬件資源。依托虛擬化技術，建立基礎設施資源虛擬池，為平臺提供基礎的運行環境支撐。

時空數據層：提供數據資源支撐，是時空信息云平臺的重要源頭。數據層管理的數據包括基礎時空信息、政務基礎信息（如人口、經濟、法人）、物聯網節點信息、實時傳感器數據、行業共享信息、服務專題信息、元數據等，實現城市資源數據的有效組織。

平臺支撐層：即時空信息云服務，它是連接數據層與應用層的橋梁。在平臺層中，引入基于Docker容器和Kubernetes的容器集群管理[4]，實現自動化持續集成和Docker鏡像構建[5]，提供負載均衡、服務發現、服務一致性協調、應用編排、性能監控、日志管理等管理服務，是微服務架構、輕量級應用部署和運維的理想平臺，為新一代應用交付和開發運維一體化奠定基礎。通過云設施服務、時空數據匯聚、數據融合處理、時空數據管理、時空信息服務、全景可視化、開發平臺、運維管理及平臺門戶，構建云平臺組件式軟件體系。平臺支撐層是時空信息云平臺項目的建設重點，通過本層的建設，為后續應用服務提供強大的數據管理能力、信息分析能力、接口服務能力及IT管理能力。

應用層：面向政府、公眾、企業等用戶提供不同的應用支持。調用平臺層所提供的數據服務和功能開發接口等，建立面向不同應用領域的應用模型。

保障體系：包括標準規范體系和組織管理與運維管理，為平臺建設運營中的各個環節提供支持和保障。

4 功能實現

時空信息云平臺軟件功能組件主要包括云設施服務、時空數據匯聚軟件、數據融合處理軟件、時空數據管理系統、時空信息服務管理、全景可視化管理系統、開發平臺、運維管理系統等。

云設施服務建立在虛擬化技術之上，在傳統數據中心軟硬件的基礎之上將其計算、存儲、網絡等資源池化，提供對云設施資源的管理、空間云存儲和空間云計算的支撐。

圖1 時空信息云平臺總體架構

時空數據匯聚軟件負責為時空數據庫提供各類接入的數據源，包括動態傳感數據接入、基礎地理空間數據規范化導入、電子政務數據匯聚、互聯網數據接入等子系統。在一套標準的框架下，完成對智慧城市各類型、各部門數據的匯聚處理。

時空數據融合處理軟件在一套標準的框架下，在基礎地理信息數據的基礎上，通過數據加載、抽取、轉換等建立行業地理數據實體框架，并與行業數據建立數據字段映射關系、要素幾何轉換參數、數據檢查參數等步驟完成數據融合流程，完成對智慧城市各類型、各部門數據的融合，形成一套融合處理的行業工具組件、接口規范和數據流轉規范。

時空數據庫管理系統是時空信息云平臺的核心部件，提供對多維、動態、異構的多種時空數據的高效管理、查詢檢索與服務。針對不同類型數據的特性，設計采用不同的數據引擎作支撐，實現對基礎地理信息數據（包括二維和三維空間數據）、典型傳感器動態數據（包括視頻數據、原位傳感器以及GPS/北斗定位數據等）、政務基礎數據等，進行數據的提取與入庫操作，建立時空索引，實現各類數據庫間的高效訪問與跨庫聯合檢索。

時空信息服務管理的主要目標是對各類服務提供注冊、查詢及統一高效的管理，并在此基礎上實現服務的智能組裝、提取分析，構建服務管理、服務組裝、數據服務和信息服務。

全景可視化管理系統，提供各種基礎地理信息數據、動態接入數據、資源業務、城市KPI數據集成，融合結果的展示服務，實現地上下、室內外、動靜態的數據全維度可視化。

開發平臺提供調用平臺API和各類服務的開發門口，提供對平臺二次開發的接口和幫助。

運維管理系統實現對時空信息云平臺的用戶、硬件及網絡資源、數據庫和服務等的集中監控、維護、統一管理、配置等。

5 結語