智能市政基礎設施可擴展元數據和數據字典

李天逸

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

當今社會，城市化進程加速，智能城市建設正成為各國政府和企業關注的熱點。2020 年國家重點研發計劃項目以城市路網、市政管線、垃圾處理、城市水務、應急消防等重要領域為場景，構建城市重大市政設施智能運維與管控平臺建設與應用示范中以人為本的城市精細化管理市政設施智能運維系列標準。這些場景的基礎設施在建設和運營中需要處理大量數據，如位置信息、設備信息、性能指標等。同時這些數據來自于不同的自動化控制系統和傳感器，不同設備和系統之間的互操作性和復雜的數據交換，加之這些數據需要被管理和維護，以支持基礎設施的高效運營和決策。因此，如何有效管理和利用這些數據是智能城市建設中需要解決的問題之一。

元數據和數據字典是一種有效管理和維護數據的關鍵工具，用于描述數據的結構、意義和來源等關鍵信息。元數據可進行數據的解釋與管理，對保證數據質量有一定的幫助，準確可靠[1]；數據字典為增強數據的可理解性和互操作性提供了數據元素的定義和規范。在智能市政基礎設施中，元數據的擴展具有以下三個方面的優點。首先，擴展元數據有助于提升數據的可理解性和發現性；其次，擴展元數據有助于數據的集成和交互。另外，元數據的擴展也有助于數據的安全與隱私保護。

因此，本文研究智能城市基礎設施中可擴展的元數據和數據字典的設計與實現，以解決現有數據管理方案中存在的問題。

1 元數據和可擴展元數據核心概念

元數據是描述數據的數據，它提供了關于數據的信息，包括其含義、結構、特征和屬性等。元數據可以幫助理解和管理數據，并提供數據的上下文。

可擴展元數據是一種擴展了傳統元數據的概念。其強調元數據的靈活性和可擴展性，使其能夠適應數據和應用的不同需求。

可擴展元數據的核心概念包括以下五個方面。

元數據模型：定義了元數據的結構和組織方式。其確定了元數據的各個組成部分以及他們之間的關系。常見的元數據模型包括關系模型、層次模型和面向對象模型等。

元數據屬性：描述了數據和元數據的特征和屬性。可以包括數據類型、大小、格式、來源、所有權、訪問權限等信息。元數據屬性可以根據具體需求進行定義和擴展。

元數據標準：定義了元數據的一致性和規范性。元數據標準可以包括命名規則、命名空間、詞匯表、分類體系等，以確保元數據的一致性和互操作性。

元數據存儲和管理：指的是存儲和管理元數據的方法和技術。包括元數據存儲結構、元數據管理系統、元數據檢索和查詢等。

元數據應用：描述了如何使用元數據來支持數據管理和應用開發。元數據應用可以包括數據檢索、數據集成、數據分析、數據質量管理等。

2 可擴展元數據和數據字段的設計與實現

2.1 可擴展元數據和數據字段的結構

在設計可擴展元數據和數據字典結構時，需要考慮以下幾個方面。

元數據模型：元數據模型用于定義元數據的結構和內容。在設計元數據模型時，需要考慮數據元素、數據元素類型、數據元素集合和數據元素集合類型等核心概念，并定義他們之間的關系和屬性。

元數據存儲：元數據存儲用于存儲元數據，可以選擇關系數據庫、NoSQL 數據庫或文件系統等不同的存儲方式。在設計元數據存儲時，需要考慮存儲的效率、可靠性和可擴展性等因素。

元數據訪問：元數據訪問用于實現元數據的查詢和管理，可以通過API 或其他方式實現。在設計元數據訪問時，需要考慮API 的結構和功能，以及安全和權限控制等因素。

2.2 可擴展元數據和數據字段的設計原則

在設計可擴展元數據和數據字典時，需要遵循以下設計原則。

（1）當擴展元數據元素時，應該避免對現有元數據元素的名稱、定義或數據類型進行修改。

（2）擴展的元數據可以被視為實體定義，并包含擴展和現有元數據元素作為其組成部分[6]。

（3）對于現有的元數據元素，可以施加比原標準更為嚴格的約束或條件。

（4）元數據元素的域可以受到比原標準更為嚴格的限制[6]。

（5）可以限制原標準認可的域值的使用，例如：限定現有元數據元素的域值僅包含其中幾項而非原標準的值，可以要求用戶從這幾項中選擇一個。

（6）可以擴展代碼表中值的數目[6]。

（7）在擴展元數據標準之前，嚴禁擴展原標準不允許的內容。

（8）在進行元數據標準的擴展前，必須對元數據標準進行全面分析，包括元數據實體/ 元素的名稱、定義、數據類型、約束條件、值域和最大出現次數等屬性。如果滿足要求，可以采用現有的元數據實體/元素；否則，需要進行元數據標準的擴展[6]。

（9）確定元數據框架，在選擇可選子集時，需要對元數據標準中的所有可選子集進行分析，并根據具體應用選擇所需的元數據子集。如果參考標準中沒有滿足某項需求的子集，可以新建相應的元數據子集。

（10）應該使用標準的元數據管理技術和數據字典標準，以確保元數據的一致性和互操作性。

（11）應該使用清晰、簡明和易于理解的術語和定義，以確保元數據的可理解性和可用性。

（12）應該使用適當的安全措施，以確保元數據的安全性和機密性，并避免未經授權的訪問和修改。

2.3 可擴展元數據和數據字段的AP I 實現

為實現元數據的查詢和管理，可以設計相應的API 接口。

通過GET 請求可以獲取所有數據元素、數據元素類型、數據元素集合、數據元素集合類型。通過POST請求添加新的數據元素。通過PUT 請求修改現有的數據元素。通過DELETE 請求刪除現有的數據元素。

這些API 接口可以通過RESTful API 或GraphQL等方式實現，以滿足不同的需求。

總之，可擴展元數據和數據字典的設計與實現是智能市政基礎設施的重要組成部分。通過合理的元數據管理和數據字典標準，可以提高數據的可用性和可靠性，并為城市管理和服務提供支持。

3 案例分析

為驗證本文提出的智能市政基礎設施可擴展元數據和數據字典的設計與實現方法的有效性，選取城市路網、市政管線、垃圾處理、城市水務、應急消防等方面進行案例分析。圖1 所示為市政基礎設施元數據圖。

圖1 市政基礎設施元數據圖

智能市政基礎設施中包含多系統、多種類元數據和數據字典。表1 梳理了智能市政基礎設施中設計的元數據金額數據字典。

表1 元數據和數據字典案例表

以智能城市路網系統為例，選取基本信息類進行元數據擴展，表2 給出智能城市路網系統基本信息類擴展內容。

表2 智能城市路網系統基本信類擴展表

4 總結與展望

本文針對智能化城市管理中可擴展元數據和數據字典的設計與實現問題進行研究和探討，并以智能城市路網系統、智能市政管線系統、智能垃圾處理系統、智能城市水務系統、智能應急消防系統為案例，提出了具體的設計方案。

在智能化城市管理中，可擴展元數據和數據字典的應用和設計實現方案，能夠有效地提升城市管理的效率和服務質量，實現城市資源的合理利用和全面管理。然而，當前城市數據資源存在著數據來源、數據質量、數據管理和隱私保護等方面的問題，這給可擴展元數據和數據字典的設計和應用帶來挑戰。

未來，隨著城市數字化進程的不斷加速，智能化城市管理的需求和應用場景也會不斷增加和豐富。因此，在可擴展元數據和數據字典的設計和應用方面，還需要進一步深入研究和探索，開展更多的實踐和應用案例，為城市智能化管理提供更加完善和可靠的數據支持和技術保障。