基于云架構(gòu)的智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)研究

楊 凱，李子龍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和國(guó)內(nèi)外環(huán)境的急劇變化，我國(guó)港口面臨全新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，打造全面感知、廣泛互聯(lián)和智能應(yīng)用的智慧港口，成為我國(guó)港口轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑[1]。伴隨著我國(guó)港口由第三代港口(作為貿(mào)易和物流中心的港口)向第四代港口(港航之間聯(lián)盟與港際之間合作聯(lián)盟的信息化、柔性化港口)的全面升級(jí)，以及向第五代港口(綠色、低碳港口，物聯(lián)網(wǎng)智能港口)的初步探索，對(duì)港口服務(wù)供應(yīng)鏈上的各種時(shí)空信息進(jìn)行感知、傳遞、整合和分析成為智慧港口建設(shè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[2]。時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)是以某一特定時(shí)空基準(zhǔn)(一般為北斗時(shí)空基準(zhǔn))為基礎(chǔ)[3]，以全天候精確位置服務(wù)為核心，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，實(shí)時(shí)匯集各種時(shí)空信息而形成的地理信息共享服務(wù)平臺(tái)，對(duì)于加速智慧港口建設(shè)，促進(jìn)傳統(tǒng)港口轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

1 智慧港口時(shí)空地理信息需求

1.1 港口的時(shí)空特征

港口是交通運(yùn)輸重要樞紐和現(xiàn)代物流體系重要節(jié)點(diǎn)，具有以下時(shí)空特征：一是港口區(qū)域遼闊，地形復(fù)雜，既包含陸域范圍，又包含水域范圍，并且常常占據(jù)島、河口、島嶼等復(fù)雜地形位置，擁有較長(zhǎng)的海岸線或內(nèi)河岸線，是一個(gè)水陸交錯(cuò)、港城結(jié)合的復(fù)雜區(qū)域；二是港區(qū)內(nèi)企業(yè)眾多，客戶龐大，既有碼頭公司、運(yùn)輸公司、裝卸公司、倉(cāng)儲(chǔ)公司，也有貿(mào)易公司、物流公司和金融公司，多類型的企業(yè)在開展業(yè)務(wù)時(shí)對(duì)港口位置服務(wù)具有顯著需求；三是港口業(yè)務(wù)多樣，內(nèi)容各異，包括貨物裝卸作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)、轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)、拆箱理貨作業(yè)、配送作業(yè)、多式聯(lián)運(yùn)等業(yè)務(wù)；四是港口多種運(yùn)輸方式并存，交通組織具有挑戰(zhàn)，不僅有貨輪、客輪，也有鐵路、汽運(yùn)等，還有港區(qū)內(nèi)部的移動(dòng)機(jī)械、管廊管道、皮帶傳輸?shù)确绞健?/p>

基于以上港口時(shí)空特征分析，可以將港口對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的需求分為宏觀和微觀兩個(gè)層次。從宏觀角度，港口對(duì)時(shí)空信息的需求主要體現(xiàn)在港區(qū)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)、交通組織、客戶服務(wù)等方面，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)地、企、貨、人等要素產(chǎn)生的時(shí)空數(shù)據(jù)的分析決策；從微觀角度，主要體現(xiàn)在工程建設(shè)、生產(chǎn)作業(yè)、指揮調(diào)度、維護(hù)管理等方面，目標(biāo)是對(duì)數(shù)量、位置、規(guī)模、狀態(tài)等的精準(zhǔn)把控。二者統(tǒng)一起來，則是利用全港時(shí)空信息實(shí)現(xiàn)港口生產(chǎn)運(yùn)行的一體化管控，這也符合智慧港口建設(shè)目標(biāo)。

1.2 港口的時(shí)空地理信息服務(wù)需求

從時(shí)空角度看，港口內(nèi)的全部要素可以歸納為點(diǎn)(位置)、線(路徑)、面(范圍)和時(shí)間四類基本要素。例如港口內(nèi)的人員、車輛、船舶、貨物、企業(yè)、設(shè)施等要素的靜態(tài)位置與動(dòng)態(tài)精確定位都是時(shí)空數(shù)據(jù)中的點(diǎn)；從門卡到堆場(chǎng)、從碼頭到倉(cāng)庫(kù)、從海運(yùn)到陸運(yùn)等集疏運(yùn)體系路徑的規(guī)劃、追蹤與監(jiān)控都是時(shí)空數(shù)據(jù)中的線；陸域、海域范圍，企業(yè)、碼頭、錨地范圍，堆場(chǎng)堆放、船舶停泊范圍等各級(jí)管理邊界的精確掌控都是時(shí)空數(shù)據(jù)中的面；而多年積累的歷史影像數(shù)據(jù)、集成融合多類傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、通過大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)則具備時(shí)空數(shù)據(jù)中的時(shí)間特性。

從信息服務(wù)角度看，港口需要企業(yè)應(yīng)用、公共服務(wù)、信息共享等方面的服務(wù)。如企業(yè)的船舶計(jì)劃、場(chǎng)地計(jì)劃、堆存信息、操作及調(diào)度、設(shè)備及能源管理等企業(yè)應(yīng)用；基礎(chǔ)地理信息、天氣氣象信息、公共物流信息、企業(yè)信息及位置等公共服務(wù)應(yīng)用；虛擬堆場(chǎng)、貨物位置、GPS位置信息及操作記錄等信息共享服務(wù)。

在智慧港口評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中[4]，將時(shí)空地理信息共享平臺(tái)與數(shù)據(jù)資源交換平臺(tái)一起作為智慧港口“基礎(chǔ)信息平臺(tái)”的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在智慧港口建設(shè)中把上述港口要素進(jìn)行有效的管理，離不開時(shí)空地理信息服務(wù)平臺(tái)的支撐。

1.3 智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)需求

“智慧港口”必須以立體時(shí)空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，全港統(tǒng)一的時(shí)空地理信息共享服務(wù)可提升智慧港口的發(fā)展質(zhì)量和發(fā)展水平。智慧港口的時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)具體需求有：(1)海陸一體、時(shí)空結(jié)合的地理信息數(shù)據(jù)資源；(2)二、三維相結(jié)合的電子地圖與虛擬仿真；(3)基于云架構(gòu)，按需調(diào)度的時(shí)空地理信息資源；(4)高精度、全天候、全方位的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)；(5)豐富的地圖模板與快速便捷的在線制圖服務(wù)；(6)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量管控與時(shí)空數(shù)據(jù)安全保障；(7)豐富的可跨平臺(tái)的地理信息業(yè)務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)；(8)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的港口時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘與可視化展現(xiàn)[5]。

2 基于云架構(gòu)的時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)

2.1 平臺(tái)體系建設(shè)

基于云架構(gòu)的智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)體系、服務(wù)體系和應(yīng)用體系四個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)。

(1)標(biāo)準(zhǔn)體系。

標(biāo)準(zhǔn)體系主要是指構(gòu)建以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和港口工程技術(shù)規(guī)范為鏈條的成套的港口時(shí)空地理信息標(biāo)準(zhǔn)體系。包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、資源標(biāo)準(zhǔn)和交換共享標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

(2)數(shù)據(jù)體系。

數(shù)據(jù)體系主要是指以“港口時(shí)空融合一張圖”為核心，滿足多種應(yīng)用需求的港口時(shí)空數(shù)據(jù)資源。包括基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、地名地址專題數(shù)據(jù)、港口規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、港口交通專題數(shù)據(jù)、海事專題數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)處理、圖層疊加和時(shí)空融合，形成服務(wù)于智慧港口的全要素水陸一體、動(dòng)靜結(jié)合的時(shí)空信息數(shù)據(jù)資源庫(kù)[3]。

(3)服務(wù)體系[6]。

服務(wù)體系主要指平臺(tái)應(yīng)具備數(shù)據(jù)服務(wù)、地圖服務(wù)、快速制圖、權(quán)限控制、開發(fā)接口的全面服務(wù)能力。包括時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)、GIS功能服務(wù)、云GIS服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)等的服務(wù)能力建設(shè)；以門戶系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)、二次開發(fā)接口庫(kù)、示范應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ)的管理能力建設(shè)；以及服務(wù)訪問監(jiān)控、平臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控、異常處理機(jī)制等的運(yùn)維能力建設(shè)。

(4)應(yīng)用體系。

應(yīng)用體系主要指面向港口規(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)作業(yè)、管理控制、公共服務(wù)等領(lǐng)域的多種時(shí)空地理信息應(yīng)用。

2.2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云架構(gòu)的智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)構(gòu)架圖Fig.1 Architecture of spatiotemporal geographic information sharing services platform of smart port

(1)設(shè)施層。

設(shè)施層主要包括云存儲(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器集群、Web應(yīng)用服務(wù)器集群及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施等，是整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的外部支撐條件。

(2)數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層包括智慧港口建設(shè)中的電子地圖、電子海圖、遙感影像、三維模型、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等港口要素信息，并配備數(shù)據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空地理信息的生產(chǎn)、加工、存儲(chǔ)等功能。

(3)服務(wù)層。

服務(wù)層是支撐智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。基于網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)引擎開發(fā)建設(shè)功能服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)及服務(wù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類時(shí)空信息服務(wù)的管理，并開發(fā)配套的服務(wù)接口及服務(wù)應(yīng)用，支撐智慧港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)。

(4)應(yīng)用層。

應(yīng)用層主要是針對(duì)各類港口用戶的功能展現(xiàn)，支持移動(dòng)端、電腦端、網(wǎng)絡(luò)端的各類共享服務(wù)功能，包括智慧港口地理信息服務(wù)、在線地圖應(yīng)用、用戶資源中心、地圖應(yīng)用案例等。

2.3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

包括GIS數(shù)據(jù)管理、GIS地圖管理、元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理及港口時(shí)空地理數(shù)據(jù)管理通用功能等。①GIS 數(shù)據(jù)管理：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加工、入庫(kù)、更新、管理和發(fā)布，對(duì)平臺(tái)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化集成管理；②GIS 地圖管理：主要實(shí)現(xiàn)利用地圖制圖模板實(shí)現(xiàn)快速的地圖制圖功能；③元數(shù)據(jù)管理：主要提供包括數(shù)據(jù)目錄管理、數(shù)據(jù)字典管理等功能；④數(shù)據(jù)質(zhì)量管理：主要提供包括拓?fù)錂z查、屬性值域、屬性為空、點(diǎn)是否在線上等檢查，并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量報(bào)告；⑤港口時(shí)空地理數(shù)據(jù)管理通用功能：港口空間數(shù)據(jù)處理、港口專題圖制作、港航符號(hào)庫(kù)管理、歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)版本管理等功能。

(2)在線服務(wù)子系統(tǒng)。

包括GIS數(shù)據(jù)服務(wù)、GIS目錄服務(wù)和GIS通用功能服務(wù)等功能。①GIS 數(shù)據(jù)服務(wù)：主要提供符合OGC(Open Geospatial Consortium，開放地理信息聯(lián)盟)規(guī)范的Web 地圖服務(wù)(Web MapService，WMS)、Web 要素服務(wù)( Web FeatureService，WFS)、Web 覆蓋服務(wù)( Web Coverage Service，WCS) 、切片地圖Web服務(wù)( Web Map Tile Service，WMTS) 等接口，以及提供圖片引擎接口、地圖編輯服務(wù)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問接口；②GIS 目錄服務(wù)：主要提供GIS 服務(wù)目錄接口以及GIS 數(shù)據(jù)目錄接口；③GIS 通用功能服務(wù)：主要提供地圖定位以及地圖查詢兩大通用服務(wù)，包括地圖要素搜索和定位、港區(qū)定位、路線定位，以及區(qū)域查詢、周邊查詢、屬性查詢、全文檢索等。

(3)二次開發(fā)接口。

平臺(tái)應(yīng)提供REST(Representational State Transfer, 表述性狀態(tài)傳遞)和SOAP(Simple Object Access Protocol，簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議)兩種方式的Web Service服務(wù)，可與現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)接口進(jìn)行參數(shù)傳遞對(duì)接，并可進(jìn)行服務(wù)調(diào)用和服務(wù)集成，擴(kuò)展業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。同時(shí)，應(yīng)提供可進(jìn)行二次開發(fā)的Web地圖API接口和手機(jī)地圖API接口。

(4)Web地圖應(yīng)用。

Web地圖應(yīng)能支持疊加多種類型的地圖服務(wù)，如支持ArcGIS Online資源、ArcGIS for Server發(fā)布的地圖服務(wù)、影像服務(wù)、幾何服務(wù)、地理處理服務(wù)、要素服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，也支持OGC的WMS、WFS、WCS、KML等，還支持“天地圖”地圖服務(wù)等。同時(shí)，Web地圖應(yīng)用要求包括以下功能：空間數(shù)據(jù)展示、客戶端Mashup、圖形繪制、符號(hào)渲染、查詢檢索、地理處理、在線編輯、時(shí)態(tài)感知、動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)、影像處理、地圖打印輸出。

(5)服務(wù)管理子系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)服務(wù)管理、權(quán)限控制、服務(wù)監(jiān)控、服務(wù)統(tǒng)計(jì)、日志管理等功能。通過對(duì)平臺(tái)資源、服務(wù)、用戶的管理來保證平臺(tái)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，并對(duì)信息資源訪問、業(yè)務(wù)功能調(diào)用、系統(tǒng)管理等活動(dòng)進(jìn)行記錄。

3 港口時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用案例

表1 時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)詳表Tab.1 Spatiotemporal geographic information database

表2 時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)應(yīng)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(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用情況。該港口是探索智慧港口建設(shè)較早的港口之一。2015年，該港已建立起覆蓋全港范圍的基礎(chǔ)地形、市政設(shè)施、規(guī)劃建設(shè)、科技設(shè)備、安全監(jiān)管等專題地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并在能源管理、電力管理、安全應(yīng)急管理等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。2017年，該港開展了智慧港口地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)和時(shí)空數(shù)據(jù)資源整合工作，其時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“一張圖”和“一個(gè)平臺(tái)”，即建設(shè)“港口時(shí)空融合一張圖”和“智慧港口時(shí)空信息共享服務(wù)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)全港內(nèi)部各單位、各業(yè)務(wù)之間時(shí)空信息數(shù)據(jù)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(shí)空信息數(shù)據(jù)庫(kù)，初步構(gòu)建了影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多個(gè)圖層疊加的“港口時(shí)空融合一張圖”，其時(shí)空地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容如表1所示。

同時(shí)，該港正在開展時(shí)空地理信息共享服務(wù)平臺(tái)的規(guī)劃建設(shè)，部分功能已成功應(yīng)用于規(guī)劃建設(shè)、市政設(shè)施、科技設(shè)備、安全監(jiān)管等多個(gè)領(lǐng)域[7]，如表2所示。

4 結(jié)語

當(dāng)前，智慧港口建設(shè)正處于關(guān)鍵時(shí)期，迫切需要先進(jìn)技術(shù)手段為突破口的建設(shè)管理方案。本文針對(duì)港口時(shí)空要素管理需求，提出了基于云架構(gòu)的智慧港口地理信息共享服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方案，解決了多源、異構(gòu)、海量港口時(shí)空信息管理和服務(wù)難題。該平臺(tái)在中國(guó)北方某港口的應(yīng)用實(shí)踐表明，該方案可以有效提升港口服務(wù)效能，實(shí)現(xiàn)了港口要素的智慧應(yīng)用、精細(xì)管理和開放服務(wù)，探索了一條嶄新的智慧港口建設(shè)之路。未來基于云架構(gòu)的智慧港口地理信息共享服務(wù)平臺(tái)建設(shè)將在物聯(lián)網(wǎng)與GIS的融合應(yīng)用、BIM與GIS融合應(yīng)用、GIS與大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用和AR技術(shù)應(yīng)用等方面繼續(xù)進(jìn)行探索。