基于云架構的智慧港口時空地理信息共享服務平臺研究

楊 凱，李子龍

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

隨著全球經濟的迅猛發展和國內外環境的急劇變化，我國港口面臨全新的機遇和挑戰，打造全面感知、廣泛互聯和智能應用的智慧港口，成為我國港口轉型升級的重要途徑[1]。伴隨著我國港口由第三代港口(作為貿易和物流中心的港口)向第四代港口(港航之間聯盟與港際之間合作聯盟的信息化、柔性化港口)的全面升級，以及向第五代港口(綠色、低碳港口，物聯網智能港口)的初步探索，對港口服務供應鏈上的各種時空信息進行感知、傳遞、整合和分析成為智慧港口建設的基礎和關鍵[2]。時空地理信息共享服務平臺是以某一特定時空基準(一般為北斗時空基準)為基礎[3]，以全天候精確位置服務為核心，通過大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術，實時匯集各種時空信息而形成的地理信息共享服務平臺，對于加速智慧港口建設，促進傳統港口轉型升級具有重要意義。

1 智慧港口時空地理信息需求

1.1 港口的時空特征

港口是交通運輸重要樞紐和現代物流體系重要節點，具有以下時空特征：一是港口區域遼闊，地形復雜，既包含陸域范圍，又包含水域范圍，并且常常占據島、河口、島嶼等復雜地形位置，擁有較長的海岸線或內河岸線，是一個水陸交錯、港城結合的復雜區域；二是港區內企業眾多，客戶龐大，既有碼頭公司、運輸公司、裝卸公司、倉儲公司，也有貿易公司、物流公司和金融公司，多類型的企業在開展業務時對港口位置服務具有顯著需求；三是港口業務多樣，內容各異，包括貨物裝卸作業、運輸作業、轉運作業、倉儲作業、拆箱理貨作業、配送作業、多式聯運等業務；四是港口多種運輸方式并存，交通組織具有挑戰，不僅有貨輪、客輪，也有鐵路、汽運等，還有港區內部的移動機械、管廊管道、皮帶傳輸等方式。

基于以上港口時空特征分析，可以將港口對時空數據的需求分為宏觀和微觀兩個層次。從宏觀角度，港口對時空信息的需求主要體現在港區規劃、動態運營、交通組織、客戶服務等方面，目標是實現對地、企、貨、人等要素產生的時空數據的分析決策；從微觀角度，主要體現在工程建設、生產作業、指揮調度、維護管理等方面，目標是對數量、位置、規模、狀態等的精準把控。二者統一起來，則是利用全港時空信息實現港口生產運行的一體化管控，這也符合智慧港口建設目標。

1.2 港口的時空地理信息服務需求

從時空角度看，港口內的全部要素可以歸納為點(位置)、線(路徑)、面(范圍)和時間四類基本要素。例如港口內的人員、車輛、船舶、貨物、企業、設施等要素的靜態位置與動態精確定位都是時空數據中的點；從門卡到堆場、從碼頭到倉庫、從海運到陸運等集疏運體系路徑的規劃、追蹤與監控都是時空數據中的線；陸域、海域范圍，企業、碼頭、錨地范圍，堆場堆放、船舶停泊范圍等各級管理邊界的精確掌控都是時空數據中的面；而多年積累的歷史影像數據、集成融合多類傳感器的實時監測數據、通過大數據分析預測未來發展趨勢則具備時空數據中的時間特性。

從信息服務角度看，港口需要企業應用、公共服務、信息共享等方面的服務。如企業的船舶計劃、場地計劃、堆存信息、操作及調度、設備及能源管理等企業應用；基礎地理信息、天氣氣象信息、公共物流信息、企業信息及位置等公共服務應用；虛擬堆場、貨物位置、GPS位置信息及操作記錄等信息共享服務。

在智慧港口評價指標體系中[4]，將時空地理信息共享平臺與數據資源交換平臺一起作為智慧港口“基礎信息平臺”的二級評價指標。在智慧港口建設中把上述港口要素進行有效的管理，離不開時空地理信息服務平臺的支撐。

1.3 智慧港口時空地理信息共享服務平臺需求

“智慧港口”必須以立體時空數據為基礎進行構建，全港統一的時空地理信息共享服務可提升智慧港口的發展質量和發展水平。智慧港口的時空地理信息共享服務平臺具體需求有：(1)海陸一體、時空結合的地理信息數據資源；(2)二、三維相結合的電子地圖與虛擬仿真；(3)基于云架構，按需調度的時空地理信息資源；(4)高精度、全天候、全方位的實時導航定位服務；(5)豐富的地圖模板與快速便捷的在線制圖服務；(6)嚴格的數據質量管控與時空數據安全保障；(7)豐富的可跨平臺的地理信息業務和應用系統；(8)基于大數據技術的港口時空數據挖掘與可視化展現[5]。

2 基于云架構的時空地理信息共享服務平臺

2.1 平臺體系建設

基于云架構的智慧港口時空地理信息共享服務平臺的建設應從標準體系、數據體系、服務體系和應用體系四個方面進行建設。

(1)標準體系。

標準體系主要是指構建以國家標準、行業標準、地方標準和港口工程技術規范為鏈條的成套的港口時空地理信息標準體系。包括：數據標準、制圖標準、服務標準、資源標準和交換共享標準等內容。

(2)數據體系。

數據體系主要是指以“港口時空融合一張圖”為核心，滿足多種應用需求的港口時空數據資源。包括基礎地形圖數據、遙感影像數據、地名地址專題數據、港口規劃專題數據、港口交通專題數據、海事專題數據等。這些數據可以通過數據處理、圖層疊加和時空融合，形成服務于智慧港口的全要素水陸一體、動靜結合的時空信息數據資源庫[3]。

(3)服務體系[6]。

服務體系主要指平臺應具備數據服務、地圖服務、快速制圖、權限控制、開發接口的全面服務能力。包括時空數據服務、GIS功能服務、云GIS服務、歷史數據服務等的服務能力建設；以門戶系統、運維管理系統、二次開發接口庫、示范應用系統為基礎的管理能力建設；以及服務訪問監控、平臺運行監控、異常處理機制等的運維能力建設。

(4)應用體系。

應用體系主要指面向港口規劃建設、生產作業、管理控制、公共服務等領域的多種時空地理信息應用。

2.2 平臺架構設計

基于云架構的智慧港口時空地理信息共享服務平臺的技術架構如圖1所示。

圖1 智慧港口時空地理信息共享服務平臺構架圖Fig.1 Architecture of spatiotemporal geographic information sharing services platform of smart port

(1)設施層。

設施層主要包括云存儲設施、數據庫服務器集群、Web應用服務器集群及網絡安全設施等，是整個平臺運行的外部支撐條件。

(2)數據層。

數據層包括智慧港口建設中的電子地圖、電子海圖、遙感影像、三維模型、基礎數據、專題數據等港口要素信息，并配備數據生產系統和數據管理系統，實現時空地理信息的生產、加工、存儲等功能。

(3)服務層。

服務層是支撐智慧港口時空地理信息共享服務平臺各種業務應用的核心環節。基于網絡地圖服務引擎開發建設功能服務系統、數據服務系統及服務管理系統，實現對各類時空信息服務的管理，并開發配套的服務接口及服務應用，支撐智慧港口時空地理信息共享服務平臺功能實現。

(4)應用層。

應用層主要是針對各類港口用戶的功能展現，支持移動端、電腦端、網絡端的各類共享服務功能，包括智慧港口地理信息服務、在線地圖應用、用戶資源中心、地圖應用案例等。

2.3 平臺功能設計

(1)數據管理子系統。

包括GIS數據管理、GIS地圖管理、元數據管理、數據質量管理及港口時空地理數據管理通用功能等。①GIS 數據管理：主要實現對數據的加工、入庫、更新、管理和發布，對平臺的所有數據進行一體化集成管理；②GIS 地圖管理：主要實現利用地圖制圖模板實現快速的地圖制圖功能；③元數據管理：主要提供包括數據目錄管理、數據字典管理等功能；④數據質量管理：主要提供包括拓撲檢查、屬性值域、屬性為空、點是否在線上等檢查，并生成相應的數據質量報告；⑤港口時空地理數據管理通用功能：港口空間數據處理、港口專題圖制作、港航符號庫管理、歷史數據管理、數據版本管理等功能。

(2)在線服務子系統。

包括GIS數據服務、GIS目錄服務和GIS通用功能服務等功能。①GIS 數據服務：主要提供符合OGC(Open Geospatial Consortium，開放地理信息聯盟)規范的Web 地圖服務(Web MapService，WMS)、Web 要素服務( Web FeatureService，WFS)、Web 覆蓋服務( Web Coverage Service，WCS) 、切片地圖Web服務( Web Map Tile Service，WMTS) 等接口，以及提供圖片引擎接口、地圖編輯服務接口、數據庫訪問接口；②GIS 目錄服務：主要提供GIS 服務目錄接口以及GIS 數據目錄接口；③GIS 通用功能服務：主要提供地圖定位以及地圖查詢兩大通用服務，包括地圖要素搜索和定位、港區定位、路線定位，以及區域查詢、周邊查詢、屬性查詢、全文檢索等。

(3)二次開發接口。

平臺應提供REST(Representational State Transfer, 表述性狀態傳遞)和SOAP(Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協議)兩種方式的Web Service服務，可與現有應用系統接口進行參數傳遞對接，并可進行服務調用和服務集成，擴展業務應用能力。同時，應提供可進行二次開發的Web地圖API接口和手機地圖API接口。

(4)Web地圖應用。

Web地圖應能支持疊加多種類型的地圖服務，如支持ArcGIS Online資源、ArcGIS for Server發布的地圖服務、影像服務、幾何服務、地理處理服務、要素服務、網絡服務等，也支持OGC的WMS、WFS、WCS、KML等，還支持“天地圖”地圖服務等。同時，Web地圖應用要求包括以下功能：空間數據展示、客戶端Mashup、圖形繪制、符號渲染、查詢檢索、地理處理、在線編輯、時態感知、動態地圖服務、影像處理、地圖打印輸出。

(5)服務管理子系統。

實現服務管理、權限控制、服務監控、服務統計、日志管理等功能。通過對平臺資源、服務、用戶的管理來保證平臺的安全與穩定運行，并對信息資源訪問、業務功能調用、系統管理等活動進行記錄。

3 港口時空地理信息共享服務平臺應用案例

表1 時空地理信息數據庫詳表Tab.1 Spatiotemporal geographic information database

表2 時空地理信息共享服務平臺應用情況表Tab.2 Application of smart port spatiotemporal geographic information sharing services platform

本文以北方某港口為例，介紹港口時空地理信息共享服務平臺的建設與應用情況。該港口是探索智慧港口建設較早的港口之一。2015年，該港已建立起覆蓋全港范圍的基礎地形、市政設施、規劃建設、科技設備、安全監管等專題地理信息數據庫，并在能源管理、電力管理、安全應急管理等多個領域得到了應用。2017年，該港開展了智慧港口地理信息共享服務平臺的頂層設計和時空數據資源整合工作，其時空地理信息共享服務平臺的建設目標是實現“一張圖”和“一個平臺”，即建設“港口時空融合一張圖”和“智慧港口時空信息共享服務平臺”，實現全港內部各單位、各業務之間時空信息數據的全面共享[6]。截止目前，該港基本形成了比較完整的港口時空信息數據庫，初步構建了影像數據、基礎數據、專題數據、業務數據等多個圖層疊加的“港口時空融合一張圖”，其時空地理信息數據庫的主要數據內容如表1所示。

同時，該港正在開展時空地理信息共享服務平臺的規劃建設，部分功能已成功應用于規劃建設、市政設施、科技設備、安全監管等多個領域[7]，如表2所示。

4 結語

當前，智慧港口建設正處于關鍵時期，迫切需要先進技術手段為突破口的建設管理方案。本文針對港口時空要素管理需求，提出了基于云架構的智慧港口地理信息共享服務平臺建設方案，解決了多源、異構、海量港口時空信息管理和服務難題。該平臺在中國北方某港口的應用實踐表明，該方案可以有效提升港口服務效能，實現了港口要素的智慧應用、精細管理和開放服務，探索了一條嶄新的智慧港口建設之路。未來基于云架構的智慧港口地理信息共享服務平臺建設將在物聯網與GIS的融合應用、BIM與GIS融合應用、GIS與大數據技術應用和AR技術應用等方面繼續進行探索。