智慧城市時空信息云平臺建設(shè)研究

段志強，沈鳳嬌*，黃冠宇，閔夢然

（1.湖北省基礎(chǔ)地理信息中心，湖北 武漢 430070）

2013年發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》（國發(fā)[2013]7號）和《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)信息消費擴大內(nèi)需的若干意見》（國發(fā)[2013]32號）提出推動智慧城市建設(shè)，在有條件的城市開展智慧城市試點示范建設(shè)，提升公共服務(wù)信息化水平。2014年國家發(fā)展改革委等8部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展指導(dǎo)意見》，提出智慧城市是物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息等新一代技術(shù)的集成[1]。2016年，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)《新型智慧城市建設(shè)部際協(xié)調(diào)工作組2016～2018年任務(wù)分工》，指出測繪地理信息部門的任務(wù)為指導(dǎo)各地區(qū)開展智慧城市時空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及應(yīng)用，其中，時空信息云平臺是核心內(nèi)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(shè)。

智慧城市時空信息云平臺是以北斗時空為基準(zhǔn)，以位置服務(wù)為核心，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)，實時匯集城市各種時空信息而形成的感知更透徹、互聯(lián)更廣泛、決策更智能、服務(wù)更靈活和更加安全可靠的地理信息服務(wù)平臺，是智慧城市建設(shè)的重要空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。

1 建設(shè)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(wù)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(wù)的用戶，比如使用云盤資源、請求各種地圖服務(wù)、云計算應(yīng)用服務(wù)等。②云服務(wù)提供者：向云服務(wù)消費者提供各類時空信息云服務(wù)，如時空數(shù)據(jù)服務(wù)、不同行業(yè)的專題共享數(shù)據(jù)服務(wù)、典型的云計算應(yīng)用服務(wù)等。③云服務(wù)運營者：負(fù)責(zé)時空信息云平臺的運維監(jiān)控等管理運行工作。④云應(yīng)用開發(fā)者：可以依托時空信息云平臺的各類服務(wù)接口進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用的擴展開發(fā)，業(yè)務(wù)應(yīng)用可以托管在該云平臺上，或者由云租戶來運行。⑤云設(shè)備提供者：是云平臺建設(shè)所需的各類物理基礎(chǔ)設(shè)施的提供者，包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，可以通過虛擬化平臺形成基礎(chǔ)設(shè)施虛擬資源池[3]。

2）數(shù)據(jù)需求。數(shù)據(jù)需求主要表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，由空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r空數(shù)據(jù)，統(tǒng)一時空基準(zhǔn)。時空基準(zhǔn)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是時空大數(shù)據(jù)在時間和空間維度上的基本依據(jù)。時間基準(zhǔn)中日期采用公歷紀(jì)元，時間采用北京時間，統(tǒng)一時空基準(zhǔn)；坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一到2000國家大地坐標(biāo)系，高程基準(zhǔn)統(tǒng)一到1985國家高程系統(tǒng)[2]。第二，豐富數(shù)據(jù)類型，構(gòu)建時空信息“一張圖”。在數(shù)據(jù)類型上，應(yīng)包括動靜態(tài)、二三維、地上下、室內(nèi)外、現(xiàn)狀及歷史等多種類型的數(shù)據(jù)，其中應(yīng)該還包括一些新型測繪數(shù)據(jù)，如360°全景數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)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(xiàn)多時相、多粒度、全空間世界連續(xù)抽象表達(dá)。第三，數(shù)據(jù)資源共享。不同行業(yè)部門通過數(shù)據(jù)資源共享，可以共同享用數(shù)據(jù)建設(shè)成果，避免重復(fù)建設(shè)。為此，需要進(jìn)行不同行業(yè)共享數(shù)據(jù)的匯聚、融合、管理、共享服務(wù)，并建立長效的數(shù)據(jù)更新機制、服務(wù)滾動更新機制。第四，大數(shù)據(jù)存儲挖掘。時空信息大數(shù)據(jù)具有種類繁多、數(shù)據(jù)規(guī)模大（TB 級）、更新迅速（特別是動態(tài)數(shù)據(jù)）的特點，因此，平臺需要支持多種存儲方式來應(yīng)對結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化及半結(jié)構(gòu)化等不同的數(shù)據(jù)。對于不同類型的數(shù)據(jù)，還需要特別考慮數(shù)據(jù)訪問時的效率，例如影像數(shù)據(jù)在調(diào)取時，對傳輸?shù)男室缶捅容^高。另外，要能夠從大量的時空大數(shù)據(jù)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(chǔ)設(shè)施資源管理、時空大數(shù)據(jù)匯聚處理、時空大數(shù)據(jù)融合處理、時空大數(shù)據(jù)管理、時空信息服務(wù)到云平臺的運維監(jiān)控的一套軟件功能體系。在平臺架構(gòu)上，需要從傳統(tǒng)的架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵萍軜?gòu)，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(gòu)部署和云計算應(yīng)用，提供按需彈性計算和宿主環(huán)境服務(wù)。并且能夠提供IT接口、服務(wù)接口、功能接口等，支持行業(yè)典型應(yīng)用系統(tǒng)的擴展開發(fā)。在應(yīng)用方式上，不僅支持傳統(tǒng)的桌面端，還需要支持移動端。

4）性能需求。對于時空信息數(shù)據(jù)庫，其性能需求集中在系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)時間、并發(fā)用戶數(shù)、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(xiàn)在物理安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的機房，應(yīng)按照統(tǒng)一規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)和管理；數(shù)據(jù)安全基于數(shù)據(jù)全生命周期，從隱私保護(hù)、密鑰分配及管理、災(zāi)難備份與恢復(fù)等方面，采用數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)防護(hù)、數(shù)據(jù)備份等技術(shù)，根據(jù)時空信息云平臺上時空大數(shù)據(jù)及應(yīng)用項目業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的重要性，進(jìn)行分級加密保護(hù)；在應(yīng)用安全需求上，需要進(jìn)行身份鑒別、訪問控制、安全審計、軟件容錯、剩余信息保護(hù)等；在管理安全上，需要建立完備的安全管理規(guī)章制度，以預(yù)防和應(yīng)對各類突發(fā)狀況，保障信息安全維護(hù)工作得以長效貫徹執(zhí)行。

2 建設(shè)內(nèi)容

時空信息云平臺的總體目標(biāo)是打造一張時空信息全息圖：基于統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，匯聚二三維、地上下、室內(nèi)外、水上下、靜動態(tài)、歷史現(xiàn)在的全要素數(shù)據(jù)，以位置為紐帶關(guān)聯(lián)事物或事件的多時態(tài)、多主體、多層次、多粒度的一張圖。

按照總體目標(biāo)，智慧城市時空信息云平臺的建設(shè)內(nèi)容可以概括為“1套保障體系、1個數(shù)據(jù)中心、1套時空信息數(shù)據(jù)庫、1大平臺（包括多個系統(tǒng)）、1套應(yīng)用體系”，即：

1）1套保障體系：建設(shè)一套保障智慧城市時空信息云平臺穩(wěn)定運行的組織管理與運維體系，建成完善的平臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(shù)據(jù)中心解決方案：根據(jù)城市自身建設(shè)發(fā)展需要選擇是否構(gòu)建區(qū)域數(shù)據(jù)中心，選擇性建設(shè)機房基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)、中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)以及機房監(jiān)控體系建設(shè)等，形成時空數(shù)據(jù)中心解決方案。

3）1套時空信息數(shù)據(jù)庫：基于北斗時空基準(zhǔn)，完成時空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和廣泛關(guān)聯(lián)融合，構(gòu)建開放的時空數(shù)據(jù)模型，形成時空數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理與融合解決方案；通過時空數(shù)據(jù)分類編目、歸置、存儲管理，構(gòu)建時空數(shù)據(jù)庫體系，形成時空數(shù)據(jù)庫設(shè)計解決方案。

4）1大平臺：研發(fā)設(shè)計時空信息云服務(wù)平臺軟件體系，形成從基礎(chǔ)設(shè)施管理到數(shù)據(jù)匯聚、融合、管理、服務(wù)、運維的平臺軟件一體化解決方案。

5）一套應(yīng)用體系：以平臺服務(wù)和部門需求為牽引，以項目促應(yīng)用，面向不同行業(yè)，聯(lián)合有關(guān)部門建成一批業(yè)務(wù)化運行的時空信息應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，擴展平臺應(yīng)用范圍。

3 總體架構(gòu)

時空信息云平臺總體架構(gòu)自底而上，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、時空數(shù)據(jù)層、平臺支撐層、應(yīng)用層4個層次，同時建立支撐時空信息云平臺相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、組織管理和運維體系，總體架構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施層：是整個云平臺運行的基礎(chǔ)，包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲等軟硬件資源。依托虛擬化技術(shù)，建立基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬池，為平臺提供基礎(chǔ)的運行環(huán)境支撐。

時空數(shù)據(jù)層：提供數(shù)據(jù)資源支撐，是時空信息云平臺的重要源頭。數(shù)據(jù)層管理的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)時空信息、政務(wù)基礎(chǔ)信息（如人口、經(jīng)濟(jì)、法人）、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信息、實時傳感器數(shù)據(jù)、行業(yè)共享信息、服務(wù)專題信息、元數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)城市資源數(shù)據(jù)的有效組織。

平臺支撐層：即時空信息云服務(wù)，它是連接數(shù)據(jù)層與應(yīng)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(xiàn)自動化持續(xù)集成和Docker鏡像構(gòu)建[5]，提供負(fù)載均衡、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)一致性協(xié)調(diào)、應(yīng)用編排、性能監(jiān)控、日志管理等管理服務(wù)，是微服務(wù)架構(gòu)、輕量級應(yīng)用部署和運維的理想平臺，為新一代應(yīng)用交付和開發(fā)運維一體化奠定基礎(chǔ)。通過云設(shè)施服務(wù)、時空數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)融合處理、時空數(shù)據(jù)管理、時空信息服務(wù)、全景可視化、開發(fā)平臺、運維管理及平臺門戶，構(gòu)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(shè)重點，通過本層的建設(shè)，為后續(xù)應(yīng)用服務(wù)提供強大的數(shù)據(jù)管理能力、信息分析能力、接口服務(wù)能力及IT管理能力。

應(yīng)用層：面向政府、公眾、企業(yè)等用戶提供不同的應(yīng)用支持。調(diào)用平臺層所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能開發(fā)接口等，建立面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用模型。

保障體系：包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和組織管理與運維管理，為平臺建設(shè)運營中的各個環(huán)節(jié)提供支持和保障。

4 功能實現(xiàn)

時空信息云平臺軟件功能組件主要包括云設(shè)施服務(wù)、時空數(shù)據(jù)匯聚軟件、數(shù)據(jù)融合處理軟件、時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、時空信息服務(wù)管理、全景可視化管理系統(tǒng)、開發(fā)平臺、運維管理系統(tǒng)等。

云設(shè)施服務(wù)建立在虛擬化技術(shù)之上，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟硬件的基礎(chǔ)之上將其計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源池化，提供對云設(shè)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(gòu)

時空數(shù)據(jù)匯聚軟件負(fù)責(zé)為時空數(shù)據(jù)庫提供各類接入的數(shù)據(jù)源，包括動態(tài)傳感數(shù)據(jù)接入、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)規(guī)范化導(dǎo)入、電子政務(wù)數(shù)據(jù)匯聚、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入等子系統(tǒng)。在一套標(biāo)準(zhǔn)的框架下，完成對智慧城市各類型、各部門數(shù)據(jù)的匯聚處理。

時空數(shù)據(jù)融合處理軟件在一套標(biāo)準(zhǔn)的框架下，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)加載、抽取、轉(zhuǎn)換等建立行業(yè)地理數(shù)據(jù)實體框架，并與行業(yè)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)字段映射關(guān)系、要素幾何轉(zhuǎn)換參數(shù)、數(shù)據(jù)檢查參數(shù)等步驟完成數(shù)據(jù)融合流程，完成對智慧城市各類型、各部門數(shù)據(jù)的融合，形成一套融合處理的行業(yè)工具組件、接口規(guī)范和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)范。

時空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是時空信息云平臺的核心部件，提供對多維、動態(tài)、異構(gòu)的多種時空數(shù)據(jù)的高效管理、查詢檢索與服務(wù)。針對不同類型數(shù)據(jù)的特性，設(shè)計采用不同的數(shù)據(jù)引擎作支撐，實現(xiàn)對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（包括二維和三維空間數(shù)據(jù)）、典型傳感器動態(tài)數(shù)據(jù)（包括視頻數(shù)據(jù)、原位傳感器以及GPS/北斗定位數(shù)據(jù)等）、政務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取與入庫操作，建立時空索引，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)庫間的高效訪問與跨庫聯(lián)合檢索。

時空信息服務(wù)管理的主要目標(biāo)是對各類服務(wù)提供注冊、查詢及統(tǒng)一高效的管理，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)服務(wù)的智能組裝、提取分析，構(gòu)建服務(wù)管理、服務(wù)組裝、數(shù)據(jù)服務(wù)和信息服務(wù)。

全景可視化管理系統(tǒng)，提供各種基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、動態(tài)接入數(shù)據(jù)、資源業(yè)務(wù)、城市KPI數(shù)據(jù)集成，融合結(jié)果的展示服務(wù)，實現(xiàn)地上下、室內(nèi)外、動靜態(tài)的數(shù)據(jù)全維度可視化。

開發(fā)平臺提供調(diào)用平臺API和各類服務(wù)的開發(fā)門口，提供對平臺二次開發(fā)的接口和幫助。

運維管理系統(tǒng)實現(xiàn)對時空信息云平臺的用戶、硬件及網(wǎng)絡(luò)資源、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)等的集中監(jiān)控、維護(hù)、統(tǒng)一管理、配置等。

5 結(jié) 語

智慧城市時空信息云平臺建設(shè)是一項基礎(chǔ)、龐大的系統(tǒng)工程，是智慧城市建設(shè)的必要條件，先進(jìn)的頂層設(shè)計、健全的標(biāo)準(zhǔn)體系、統(tǒng)一的規(guī)劃和領(lǐng)導(dǎo)是項目成功的先決條件。要真正實現(xiàn)“智慧”，還應(yīng)該包含更多內(nèi)容，例如動態(tài)感知、共享協(xié)同、大數(shù)據(jù)的挖掘分析、智慧應(yīng)用、智能決策、信息安全等，這些將是下一步研究的方向。