基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的智慧城市時(shí)空平臺(tái)建設(shè)研究
——以福州市時(shí)空信息公共服務(wù)平臺(tái)為例

● 文 |武威 陳長(zhǎng)浩

智慧城市及相關(guān)技術(shù)正強(qiáng)勁而深刻地引領(lǐng)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)的深刻變革，全面支撐了城市可持續(xù)、和諧運(yùn)行，推動(dòng)著城市政務(wù)、經(jīng)濟(jì)和民生實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

在國(guó)家全面推進(jìn)智慧城市建設(shè)的背景下，福州市積極開(kāi)展智慧城市建設(shè)。2001年，福州市成立了“數(shù)字福州”建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組和專家委員會(huì)，福州市鼓樓區(qū)被福建省政府定為“數(shù)字福建”的示范區(qū)，標(biāo)志著“數(shù)字福州”工程全面啟動(dòng)。2010年11月，福州市將“智慧福州”建設(shè)納入《福州市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，統(tǒng)籌規(guī)劃，扎實(shí)推進(jìn)“智慧福州”建設(shè)；2016年7月，《福州市新型智慧城市標(biāo)桿市頂層設(shè)計(jì)》通過(guò)專家評(píng)審。近年來(lái)，福州市倉(cāng)山區(qū)、長(zhǎng)樂(lè)市先后入選國(guó)家智慧城市試點(diǎn)名單，“智慧福州”建設(shè)正在穩(wěn)步進(jìn)行。

在如今的智慧城市建設(shè)階段，隨著科技不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求快速變化，對(duì)空間基礎(chǔ)信息共享的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、多終端適應(yīng)性、操作體驗(yàn)性、應(yīng)用自主性、管理可控性等方面均提出了新要求。福州作為國(guó)家首批智慧城市試點(diǎn)城市，為了有效支撐城市的建設(shè)和運(yùn)行，需對(duì)城市地理空間框架進(jìn)一步提升，與新型技術(shù)接軌迎接智慧城市新挑戰(zhàn)，因而適時(shí)提出了智慧城市時(shí)空信息公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)。

一、時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理現(xiàn)狀

時(shí)空數(shù)據(jù)是大量不同時(shí)間、不同尺度的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的積累，是建設(shè)智慧城市最重要的信息來(lái)源。但是，時(shí)空數(shù)據(jù)在生產(chǎn)、管理與應(yīng)用上也面臨著存儲(chǔ)組織與分析處理難、集成應(yīng)用難及數(shù)據(jù)全生命周期管理難等問(wèn)題。

多種不同存儲(chǔ)方法造成管理不方便：本地（遠(yuǎn)程）文件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等多種存儲(chǔ)方式混合使用，難以進(jìn)行統(tǒng)一、自動(dòng)化的管理，例如備份、安全、數(shù)據(jù)輸出、檢索等。

缺乏全面支持不同類型數(shù)據(jù)建模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法：結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)往往分別以不同方式存儲(chǔ)。同時(shí)，不同空間數(shù)據(jù)庫(kù)和文件格式的語(yǔ)義、語(yǔ)法、能力千差萬(wàn)別，增加了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難度。

海量數(shù)據(jù)難以進(jìn)行集中管理：?jiǎn)螜C(jī)和單個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的容量有限，不具有可伸縮性，難以單獨(dú)管理海量數(shù)據(jù)，而多個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)或文件系統(tǒng)又缺乏整體性和無(wú)縫性，邏輯上不能集中。

高并發(fā)情況下，集中式數(shù)據(jù)的存取是瓶頸：集中式的存儲(chǔ)方法，在高并發(fā)情況下，容易造成應(yīng)用性能的急劇下降。

缺乏海量異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)快速處理和分析的框架：針對(duì)不同類型、語(yǔ)義的時(shí)空信息，尚缺乏一套全面的數(shù)據(jù)整合、清理、挖掘和分析模型，在計(jì)算算法架構(gòu)層面，傳統(tǒng)并行計(jì)算方法復(fù)雜、擴(kuò)展性差，缺乏一個(gè)高效、簡(jiǎn)單的并行算法架構(gòu)。

時(shí)空信息公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)能通過(guò)信息共享、系統(tǒng)共生，來(lái)消除部門(mén)的信息孤島和利益壁壘，在智慧城市建設(shè)中起到核心支撐作用。

二、平臺(tái)建設(shè)總體架構(gòu)

1.總體框架

平臺(tái)總體設(shè)計(jì)采用了經(jīng)典云平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)。平臺(tái)共分為智慧應(yīng)用層、服務(wù)支撐層、基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)資源層和基礎(chǔ)設(shè)施層等五個(gè)層次；結(jié)合政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)營(yíng)服務(wù)和安全保障等四大體系共同組成了智慧城市時(shí)空信息公共服務(wù)平臺(tái)的主體架構(gòu)?？傮w技術(shù)框架如圖1所示。

智慧應(yīng)用層包括智慧交通、網(wǎng)格化管理、車輛管理、流動(dòng)人群分析、環(huán)境污染影響分析、樓宇經(jīng)濟(jì)精細(xì)化管理主題、就業(yè)狀況分析等七大專題服務(wù)示范，通過(guò)這些智慧應(yīng)用的建設(shè)，為政府、行業(yè)、企事業(yè)以及公眾提供不同的應(yīng)用服務(wù)。

服務(wù)支撐層包括三類服務(wù)支撐系統(tǒng)，包括空間信息、動(dòng)態(tài)信息和公共信息等三類服務(wù)支撐系統(tǒng)，三類服務(wù)支撐系統(tǒng)形成對(duì)福州市時(shí)空信息的管理、分發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)有效支撐智慧行業(yè)的應(yīng)用。

基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，是承接數(shù)據(jù)與應(yīng)用的主要載體，既管理數(shù)據(jù)，又面向應(yīng)用提供服務(wù)?；A(chǔ)支撐平臺(tái)部署城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)相關(guān)內(nèi)容的各種環(huán)境，包括引擎集、基礎(chǔ)支撐組件和應(yīng)用服務(wù)組件。其中引擎集包括目錄服務(wù)引擎、數(shù)據(jù)交換引擎、表單引擎、三維引擎等；基礎(chǔ)組件包括接入網(wǎng)關(guān)超融合基礎(chǔ)架構(gòu)、前置數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、統(tǒng)一認(rèn)證及審計(jì)、數(shù)據(jù)仿真等；應(yīng)用組件包括單點(diǎn)登錄服務(wù)、訪問(wèn)控制服務(wù)、組織模型服務(wù)、日志服務(wù)等。

數(shù)據(jù)資源層即聚合城市時(shí)空信息，也是城市的數(shù)據(jù)資源池，包括空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)和公共信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)遷移、數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)管理以及相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)，提供實(shí)時(shí)的城市時(shí)空信息服務(wù)。

基礎(chǔ)設(shè)施層即指基礎(chǔ)設(shè)施中心，主要由硬件集群、網(wǎng)絡(luò)集群、系統(tǒng)軟件以及操作系統(tǒng)（OS）等構(gòu)成，為各項(xiàng)數(shù)據(jù)承載和應(yīng)用服務(wù)提供基礎(chǔ)的軟硬件資源。

2.技術(shù)路線

本平臺(tái)技術(shù)路線采用基于SOA體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)城市信息資源規(guī)劃（IRP）理論分析系統(tǒng)需求、建立業(yè)務(wù)模型，利用城市感知網(wǎng)絡(luò)聚合城市各類時(shí)空信息，進(jìn)行開(kāi)放的流程設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)，依托城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)和城市信息服務(wù)支撐系統(tǒng)整合各類數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)現(xiàn)城市信息和系統(tǒng)的互聯(lián)互通和高度共享，最終支撐政府、行業(yè)和公眾應(yīng)用，服務(wù)于政府、服務(wù)于社會(huì)、服務(wù)于民生。

三、建設(shè)內(nèi)容

按照總體建設(shè)目標(biāo)，平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容可概述為“一個(gè)中心、三類信息、一個(gè)平臺(tái)、三類支撐、四大體系”。具體包括了設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)硬件支撐中心，聚合三類城市時(shí)空信息（空間信息/動(dòng)態(tài)信息/公共信息），構(gòu)建一個(gè)城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，建設(shè)三類服務(wù)支撐系統(tǒng)（空間信息服務(wù)支撐系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)信息服務(wù)支撐系統(tǒng)和公共信息服務(wù)支撐系統(tǒng)），建立四大運(yùn)行保障體系（政策法規(guī)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全管理體系和運(yùn)營(yíng)服務(wù)體系），分別解決政府信息資源的硬件支撐、信息來(lái)源、統(tǒng)一平臺(tái)、應(yīng)用支撐和運(yùn)營(yíng)機(jī)制等方面的問(wèn)題。

1.一個(gè)中心：搭建一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施中心

一個(gè)中心指搭建基礎(chǔ)設(shè)施中心，涵蓋支撐福州時(shí)空信息公共服務(wù)平臺(tái)所需的軟硬件資源，作為時(shí)空平臺(tái)數(shù)據(jù)交換、存儲(chǔ)和構(gòu)建各種智能化、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.三類信息：聚合三類城市時(shí)空信息

三類信息指聚合包括空間信息、動(dòng)態(tài)信息和公共信息等三類城市時(shí)空信息，形成城市的大數(shù)據(jù)資源池，將全市各部門(mén)共享的各類時(shí)空信息數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃、匯聚、處理、建庫(kù)、管理、更新和共享，形成全市統(tǒng)一的城市時(shí)空信息數(shù)據(jù)。

時(shí)空信息數(shù)據(jù)建設(shè)主要由數(shù)據(jù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)支持等9部分組成。

3.一個(gè)平臺(tái)：構(gòu)建一個(gè)城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)

一個(gè)平臺(tái)指城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)的建設(shè)聚合城市的時(shí)空信息，整合現(xiàn)有基礎(chǔ)資源搭建統(tǒng)一的時(shí)空信息數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)和計(jì)算環(huán)境，集中實(shí)現(xiàn)城市時(shí)空信息的管理、分發(fā)、應(yīng)用、共享和更新。

4.三類支撐：建設(shè)三類服務(wù)支撐系統(tǒng)

三類支撐指建設(shè)包括空間信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)和公共信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)在內(nèi)的三類服務(wù)支撐系統(tǒng)，其中空間信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)提供基礎(chǔ)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(kù)和相關(guān)信息管理系統(tǒng)的支撐；動(dòng)態(tài)信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)提供位置信息、視頻信息、傳感器信息等動(dòng)態(tài)信息庫(kù)和相關(guān)信息管理系統(tǒng)的支撐；公共信息服務(wù)支撐分系統(tǒng)提供人口、法人、社會(huì)管理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等信息的服務(wù)支撐。

5.四大體系：設(shè)立四大運(yùn)行保障體系

四大體系指建立政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全管理和運(yùn)營(yíng)服務(wù)等四大體系，為城市時(shí)空信息數(shù)據(jù)的采集更新、維護(hù)管理、共享應(yīng)用等提供政策、組織和管理保障，形成長(zhǎng)效運(yùn)營(yíng)管理體系，最終實(shí)現(xiàn)政府監(jiān)管、有序建設(shè)和高效管理。

四、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.超融合架構(gòu)技術(shù)

超融合系統(tǒng)是傳統(tǒng)的虛擬化技術(shù)的改進(jìn)增強(qiáng)版。超融合架構(gòu)（Hyper Converged Infrastructure）是一種新型的虛擬化體系架構(gòu)。這種架構(gòu)的產(chǎn)生主要是為了解決傳統(tǒng)的虛擬化平臺(tái)系統(tǒng)性能差、不能線性擴(kuò)展的問(wèn)題。超融合架構(gòu)繼承了傳統(tǒng)虛擬化架構(gòu)硬件資源靈活分配、部署靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)規(guī)避了傳統(tǒng)虛擬化性能差、對(duì)存儲(chǔ)依賴高等缺點(diǎn)，結(jié)合了分布式文件系統(tǒng)、混合存儲(chǔ)模式等特點(diǎn)，將計(jì)算資源、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及虛擬化層都進(jìn)行了分布式改造，融合在一個(gè)物理設(shè)備中，通過(guò)類似堆疊的方式，進(jìn)行容量和計(jì)算能力的線性擴(kuò)展，使得部署和后期維護(hù)更加簡(jiǎn)單。

2.微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)

微服務(wù)架構(gòu)是一種新型的軟件架構(gòu)，指開(kāi)發(fā)一個(gè)單個(gè)小型的但有業(yè)務(wù)功能的服務(wù)，每個(gè)服務(wù)都有自己的處理和輕量通信機(jī)制，可以部署在單個(gè)或多個(gè)服務(wù)器上。

3.蜂窩式數(shù)據(jù)管理技術(shù)

針對(duì)不同維度的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了明確領(lǐng)域邊界劃分，按照業(yè)務(wù)需求，劃分為更細(xì)小的業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行封裝，并提供一定的存儲(chǔ)冗余換取信息服務(wù)的低耦合度和更高的性能，再加上統(tǒng)一的組合管理、接口標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)發(fā)布，形成技術(shù)層面的“蜂窩式”體系架構(gòu)。

為了滿足不同業(yè)務(wù)需求，并對(duì)其提供個(gè)性化服務(wù)，每個(gè)維度的外在訪問(wèn)對(duì)象（包括但不限于：政府、企業(yè)、公眾、終端、行業(yè)、應(yīng)用系統(tǒng)等）的相關(guān)數(shù)據(jù)都被抽取并集中保存在一個(gè)個(gè)的獨(dú)立“業(yè)務(wù)容器”中，相互邏輯隔離，形成單獨(dú)小房間，稱之為“蜂窩式”存儲(chǔ)。而針對(duì)某一特定的專題數(shù)據(jù)，也通過(guò)這一方式，將源數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立包裝。不同分管的數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)相互隔離，傳輸通道也相互隔離。

蜂窩式數(shù)據(jù)管理這種獨(dú)特的“業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)封裝”的方式，面向海量數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)顯而易見(jiàn)的益處：比如高安全性、功能高內(nèi)聚、模塊松耦合、易于分布開(kāi)發(fā)、部署和維護(hù)，構(gòu)成的信息系統(tǒng)具有高彈性、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，特別適合于數(shù)據(jù)封裝與訪問(wèn)。

4.海量異構(gòu)多源數(shù)據(jù)處理技術(shù)

利用DataOCT?機(jī)制進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理，DataOCT?是不同于常規(guī)插件式數(shù)據(jù)適配器，在DataOCT?彈性框架下，不限制開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和框架環(huán)境，真正做到開(kāi)放性；采用增強(qiáng)的高速二進(jìn)制傳輸協(xié)議，每秒鐘解碼超過(guò)880萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文，滿足城市海量數(shù)據(jù)傳輸需求；數(shù)據(jù)庫(kù)的分布式混合存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，提供了數(shù)據(jù)的高可靠性和服務(wù)的高可用性；面向行業(yè)應(yīng)用的蜂窩數(shù)據(jù)組織管理方式，提供了百億級(jí)別的數(shù)據(jù)的秒級(jí)檢索性能。

5.多線索單一場(chǎng)景可視化技術(shù)

基于單一場(chǎng)景的多圖層融合數(shù)據(jù)可視化模式，在同一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)并行展現(xiàn)城市時(shí)空系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生的事件，詮釋和展現(xiàn)了動(dòng)靜態(tài)一體化、地上地下一體化、二三維一體化以及多行業(yè)專題。通過(guò)二維-三維-圖表-專題的跨系統(tǒng)的多屏聯(lián)動(dòng)方式，多維度同步觀察城市的運(yùn)行狀況，可以從城市的宏觀直接追溯到微觀數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

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(jié)論

本文以福州時(shí)空公共服務(wù)信息平臺(tái)為案例，探討了智慧城市背景下城市時(shí)空信息的管理、共享及其建設(shè)方式，探索了時(shí)空數(shù)據(jù)的組織、管理、挖掘等技術(shù)。本項(xiàng)目的建設(shè)，能夠提供橫向覆蓋福州全市域的城市信息數(shù)據(jù)資源池，并建成縱向市/區(qū)/街道辦/社區(qū)四級(jí)管理的城市信息基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯交、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用、分析、共享、安全和更新等城市資源管理和服務(wù)的數(shù)據(jù)集成環(huán)境，滿足各個(gè)部門(mén)在數(shù)據(jù)共享、地圖共享、服務(wù)共享、應(yīng)用共享等不同層次的共享需求，并全面支撐各行業(yè)的應(yīng)用。

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