基于三維GIS的數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)，成都 610000；3.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311）

基于三維GIS的數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)，成都 610000；3.中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311）

在數(shù)字營區(qū)營房信息化建設(shè)中，為了實(shí)現(xiàn)營房設(shè)備的直觀、可視化查詢和管理，設(shè)計(jì)了一種基于三維GIS（地理信息系統(tǒng)）的營房設(shè)備集成系統(tǒng)。首先提出系統(tǒng)總體目標(biāo)要求，然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體架構(gòu)，最后對功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

三維GIS；數(shù)字營區(qū)；營房設(shè)備；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0　引 言

營房設(shè)備管理工作是營房管理工作的重要部分，在營房設(shè)備管理工作中，由于營房設(shè)備種類和數(shù)量繁多（如電表、水表、閥門、開關(guān)及攝像頭等），使?fàn)I房工作人員難以準(zhǔn)確掌握營房設(shè)備的信息，特別是營房設(shè)備的安裝位置，給營房設(shè)備的查詢、設(shè)備的維修和更換等工作帶來不便。隨著數(shù)字營區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，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(xiàn)，這些系統(tǒng)在營區(qū)規(guī)劃、模擬演練、宣傳匯報(bào)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(shè)備的管理相結(jié)合。將營房設(shè)備管理與營區(qū)三維GIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于三維GIS的營房設(shè)備可視化管理，能使數(shù)量繁多的營房設(shè)備信息變得一目了然，從而實(shí)現(xiàn)營房設(shè)備管理快捷化、精確化。

1　數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)總體目標(biāo)要求

2.1集成要求

2.1.1集成融合要求

標(biāo)準(zhǔn)化要求。數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)應(yīng)按照統(tǒng)一的技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行集成，使系統(tǒng)能夠支持登錄、消息傳遞、報(bào)表輸出等；接收和使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口、標(biāo)準(zhǔn)代碼等，在系統(tǒng)用戶、數(shù)字營區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、控制指令等方面實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合。

集中管控要求。數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)能夠?qū)⒏鱾€(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)化改造，使其集成到綜合管理信息平臺下運(yùn)行。

數(shù)據(jù)集成要求。數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一依托營區(qū)綜合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成，使系統(tǒng)對外形成統(tǒng)一集成的數(shù)字營區(qū)系統(tǒng)，對內(nèi)由不同的構(gòu)件對公共數(shù)據(jù)庫和主題數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。

2.1.2服務(wù)集成方式

數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)按照數(shù)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(gòu)和SOA的思想。

數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)SOAP方式Web服務(wù)，首先用WSDL描述服務(wù)，為了方便其他系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)，需要將服務(wù)在注冊中心（UDDI）進(jìn)行注冊。UDDI對每一個(gè)注冊服務(wù)都有一個(gè)服務(wù)描述，提供了服務(wù)的調(diào)用方法和地址，系統(tǒng)通過UDDI服務(wù)目錄找到需要請求的服務(wù)，根據(jù)服務(wù)描述信息獲得所需服務(wù)的調(diào)用方法。這樣服務(wù)請求者與服務(wù)發(fā)布者就能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了，服務(wù)發(fā)布者通過SOAP協(xié)議將結(jié)果返回給服務(wù)請求者。

Java EE平臺在整個(gè)SOA的實(shí)現(xiàn)過程中能夠全面支持Web服務(wù)規(guī)范，即Web Service for Java EE （JSR109），Java EE平臺是一個(gè)開源平臺并為用戶提供了一系列Web服務(wù)通用接口規(guī)范。在Java EE平臺架構(gòu)中，Web容器是一種為應(yīng)用服務(wù)器組提供運(yùn)行環(huán)境的服務(wù)程序，通過Web容器EJB調(diào)用可以方便地實(shí)現(xiàn)客戶端與營房設(shè)備集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換。因此，依托Java EE企業(yè)級架構(gòu)和SOA的思想來構(gòu)建數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)，能夠構(gòu)建一個(gè)靈活、可靠、高效的系統(tǒng)。

2.1.3主題服務(wù)融合要求

數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)集成框架采用了SOA架構(gòu)的思想，SOA具有松耦合的特點(diǎn)，需對用戶登錄、權(quán)限管理、三維地理信息、設(shè)備查詢、硬件控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、營區(qū)要素?cái)?shù)字化等主題服務(wù)融合提供支持。主要從以下三個(gè)層面體現(xiàn)主題服務(wù)融合。

在服務(wù)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(wù)，讓服務(wù)調(diào)用更加靈活便捷，服務(wù)復(fù)用更加充分。

在代碼層，以Java EE平臺各類通用接口為基礎(chǔ)，結(jié)合適當(dāng)?shù)膽?yīng)用開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本功能的開發(fā)，并對各功能模塊進(jìn)行合理組裝融合。

在系統(tǒng)層，通過以太網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制，系統(tǒng)會根據(jù)每個(gè)用戶請求，準(zhǔn)確定位到相應(yīng)的服務(wù)，通過服務(wù)調(diào)用各功能模塊，實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用服務(wù)到底層硬件設(shè)備模塊，再到應(yīng)用服務(wù)的主題服務(wù)融合方式，使系統(tǒng)更加高效、靈活。

2.2系統(tǒng)總體目標(biāo)

本系統(tǒng)是以軍隊(duì)某營區(qū)為實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了實(shí)現(xiàn)在三維虛擬營區(qū)環(huán)境中對各類營房設(shè)備進(jìn)行可視化管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)基于三維GIS的營房設(shè)備集成系統(tǒng)，系統(tǒng)要到達(dá)總體目標(biāo)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）實(shí)現(xiàn)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(yùn)用三維建模軟件對這些要素進(jìn)行建模，結(jié)合三維平臺構(gòu)建營區(qū)三維可視化系統(tǒng)，能夠給用戶提供一個(gè)逼真的營區(qū)三維可視化窗口。

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

（3）實(shí)現(xiàn)營房設(shè)備在三維條件下的實(shí)時(shí)監(jiān)控。營房設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控對于設(shè)備故障的分析和處理具有重要意義，通過將設(shè)備實(shí)時(shí)信息標(biāo)注在營區(qū)三維可視化環(huán)境中的方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)視，并結(jié)合遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從三維可視化環(huán)境中對設(shè)備的直接控制，從而達(dá)到全面監(jiān)控的目標(biāo)。

3　數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.1系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、中間層、應(yīng)用層，系統(tǒng)分層架構(gòu)如圖1所示。

3.1.1數(shù)據(jù)層

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

圖1　數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)分層架構(gòu)

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(jìn)行模型的導(dǎo)入、三維服務(wù)的發(fā)布、三維數(shù)據(jù)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(jié)合。J2EE平臺提供了一個(gè)多層次分布式應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，應(yīng)用邏輯根據(jù)功能被劃分為組件，J2EE組件是一個(gè)自我封閉的功能軟件單元，它通過相關(guān)的類、文件和與其他組件的通訊，被集成進(jìn)J2EE應(yīng)用，通過J2EE平臺提供的組件，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)層的交互，并為應(yīng)用提供接口。

3.1.3應(yīng)用層

應(yīng)用層主要利用中間層提供的大量控件接口，運(yùn)用Java語言編寫程序來實(shí)現(xiàn)各種功能應(yīng)用，提供的主要功能應(yīng)用有漫游導(dǎo)航、飛行定位、空間分析、設(shè)備標(biāo)注、設(shè)備查詢及圖層控制，等等。漫游導(dǎo)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(diǎn)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(shè)備標(biāo)注是提供三維環(huán)境中設(shè)備位置的標(biāo)注，設(shè)備查詢是提供各類營房設(shè)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(gè)層次，即支撐層、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和營區(qū)局域網(wǎng)等，軟件支撐主要有Stamp三維GIS平臺，NetBeans軟件和Oracle數(shù)據(jù)庫等。

3.2.2數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括各類設(shè)備數(shù)據(jù)源、綜合數(shù)據(jù)庫和三維模型數(shù)據(jù)，其中設(shè)備數(shù)據(jù)源主要是營區(qū)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，如供水管理系統(tǒng)、供電管理系統(tǒng)、中央空調(diào)管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及安防系統(tǒng)；綜合數(shù)據(jù)庫主要包括三維虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)屬性信息、設(shè)備屬性信息和圖元信息；三維模型數(shù)據(jù)是用于構(gòu)建三維虛擬環(huán)境的數(shù)據(jù)，主要以文件形式存儲。

3.2.3系統(tǒng)層

系統(tǒng)層包括數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)、三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)，它們共同組成了基于三維GIS的設(shè)備集成系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)主要完成從各個(gè)分散異構(gòu)數(shù)據(jù)源到綜合數(shù)據(jù)庫的設(shè)備信息整合集成，將設(shè)備信息通過中間件整合為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，供三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)調(diào)用；數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)主要用于綜合數(shù)據(jù)庫的管理維護(hù)；三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)主要完成從綜合數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)到三維平臺進(jìn)行展示，提供設(shè)備的信息查詢、定位、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)等功能。

3.2.4功能層

功能層包括數(shù)據(jù)集成管理、綜合數(shù)據(jù)維護(hù)、設(shè)備標(biāo)注、設(shè)備查詢、圖層控制及空間分析等功能，具體功能的設(shè)計(jì)將在下文進(jìn)行詳細(xì)說明。

4　數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1總體功能結(jié)構(gòu)

數(shù)字營區(qū)設(shè)備信息集成系統(tǒng)可劃分為3個(gè)子系統(tǒng)，分別是數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)和三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)，系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　總體功能結(jié)構(gòu)

4.2數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)的功能包括數(shù)據(jù)源封裝、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)同步，如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)整合集成子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)源的封裝：獲取數(shù)據(jù)源中待集成設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定的規(guī)則處理設(shè)備數(shù)據(jù)后，交給集成器。

數(shù)據(jù)集成：將各個(gè)封裝器傳過來的數(shù)據(jù)即成為合成為一個(gè)整體，交給同步器。

數(shù)據(jù)同步：接收集成器傳入數(shù)據(jù)并用這些數(shù)據(jù)對設(shè)備屬性庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

4.3數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理維護(hù)子系統(tǒng)主要是對綜合數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，功能包括元數(shù)據(jù)管理、三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、用戶管理、圖元信息管理及數(shù)據(jù)備份。

三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：對三維虛擬環(huán)境中的建筑、道路、綠化及水系等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

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

圖元信息管理：對圖元信息進(jìn)行維護(hù)，包括圖元標(biāo)識的上傳、圖元信息的修改和刪除。

數(shù)據(jù)備份：對綜合數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)備份，并提供數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。

4.4三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)

三維集成應(yīng)用子系統(tǒng)主要用于普通用戶進(jìn)行三維場景的瀏覽和設(shè)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(shè)備標(biāo)注、設(shè)備查詢與設(shè)備監(jiān)控。

漫游：三維場景的瀏覽，包括手動漫游和按設(shè)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(diǎn)。

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(shè)備圖層的加載與否。

設(shè)備標(biāo)注：根據(jù)設(shè)備的實(shí)際安裝位置，在三維虛擬環(huán)境中對應(yīng)位置將設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注，并將標(biāo)注點(diǎn)的坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫，用于設(shè)備的查詢定位。

設(shè)備查詢：包括快捷查詢、組合查詢和模糊查詢?？旖莶樵兪菍⒃O(shè)備分類列出，快速點(diǎn)擊即可在三維場景中展示設(shè)備信息；組合查詢是通過多個(gè)查詢條件的組合進(jìn)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(jìn)行分詞處理并列出相關(guān)設(shè)備的信息。

設(shè)備監(jiān)控：在三維場景中對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并能夠?qū)﹂_關(guān)、閥門、泵等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

5　結(jié) 語

基于三維GIS的數(shù)字營區(qū)營房設(shè)備集成系統(tǒng)將三維地理信息系統(tǒng)與營房設(shè)備管理工作相結(jié)合，可以說是將三維GIS應(yīng)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(jìn)一步應(yīng)用研究提供了一個(gè)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。

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2016-07-20