城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

包振虎，溫 偉，邢增招，吳若軒

(自然資源部海南基礎(chǔ)地理信息中心，?？?，570203)

1 引言

城市水務(wù)的管理既需要從宏觀上了解城市整體運行情況，實現(xiàn)對城市水務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；同時，也需要從微觀上進行“分包到戶”的監(jiān)督管理[1-2]，并指派巡檢員到分管區(qū)域巡查監(jiān)督，將巡檢情況匯總至平臺，以獲準進行執(zhí)法和其他水務(wù)管理維護行動，形成自下而上的全覆蓋城市監(jiān)管。城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)基于地理信息公共平臺提供的資源服務(wù)，在線調(diào)用矢量電子地圖、影像地圖、專題數(shù)據(jù)和POI查詢等數(shù)據(jù)服務(wù)[3-5]，同時接入水資源傳感器監(jiān)控信息，集成水務(wù)設(shè)施部件數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖、文、業(yè)務(wù)一體化和全方位的管理，提高城市水務(wù)微觀管理的執(zhí)法效率和水務(wù)設(shè)施管理能力。

2 需求分析

2.1 業(yè)務(wù)分析

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程分為城市水務(wù)綜合管理流程和執(zhí)法監(jiān)察兩個業(yè)務(wù)流程。

2.1.1 城市水務(wù)綜合管理業(yè)務(wù)流程

城市綜合管理業(yè)務(wù)流程包含數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)發(fā)布、圖形編輯、屬性錄入、地圖接入、地圖服務(wù)(疊加瀏覽、圖斑查詢、POI查詢等)、監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)接入，其業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 城市水務(wù)綜合管理業(yè)務(wù)流程

2.1.2 執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)流程

執(zhí)法監(jiān)察的業(yè)務(wù)流程包含手機端數(shù)據(jù)采集、巡檢數(shù)據(jù)上傳，巡檢數(shù)據(jù)管理、巡檢數(shù)據(jù)展示等幾個部分，其業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)流程

2.2 功能需求分析

主要業(yè)務(wù)功能需要包括以下幾個方面：

(1)手機端水務(wù)管理APP：提供巡檢員實時位置和水務(wù)管理事件數(shù)據(jù)采集和上傳功能。

(2)城市水務(wù)綜合管理：提供電子地圖、影像地圖、水務(wù)設(shè)施部件矢量數(shù)據(jù)的圖層管理，接入水務(wù)監(jiān)測設(shè)備信息，實現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和城市水務(wù)管理專題數(shù)據(jù)的在線瀏覽。

(3)執(zhí)法監(jiān)察管理：將巡檢員通過手機端APP上傳的實時位置和水務(wù)管理事件在門戶系統(tǒng)上以空間化和列表清單的形式實現(xiàn)信息的展示、查詢和管理。

(4)地圖應用：實現(xiàn)POI查詢、空間量算、地圖標注等基本操作。

(5)運維管理系統(tǒng)：實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效管理和配置，保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運行。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 總體技術(shù)路線

3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)

(1)提供基于OGC開放接口(WMS、WFS、WCS)標準的跨平臺、輕量級的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

(2)調(diào)用數(shù)字城市地理空間信息公共服務(wù)平臺發(fā)布的OGC標準服務(wù)或?qū)ν馓峁┑母黝怶eb Service服務(wù)。

(3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與應用分離，以數(shù)據(jù)訪問中間件為邊界，應用系統(tǒng)只關(guān)注用戶業(yè)務(wù)功能，數(shù)據(jù)系統(tǒng)關(guān)注數(shù)據(jù)的管理維護和數(shù)據(jù)庫的持續(xù)運行，兩者通過中間件銜接。

3.1.2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)工作依據(jù)本項目的建設(shè)要求與具體功能需求，確定技術(shù)路線如下：

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)功能使用SOA體系架構(gòu)和Web Service技術(shù)實現(xiàn)；

(2)采用面向?qū)ο蟮臉?gòu)件設(shè)計思想，在需求分析抽象的基礎(chǔ)上，進行軟件功能構(gòu)件的設(shè)計規(guī)劃，力求“低耦合，高內(nèi)聚”，再根據(jù)應用與管理對象的不同，將軟件構(gòu)件靈活組裝搭建成不同的應用子系統(tǒng)；

(3)采用統(tǒng)一建模語言UML開展系統(tǒng)分析設(shè)計，系統(tǒng)使用J2EE技術(shù)架構(gòu)搭建。

3.2 總體技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)進行建設(shè)，采用異構(gòu)分布式的方式建設(shè)城市水務(wù)管理專題數(shù)據(jù)庫，在線調(diào)用數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)項目的建設(shè)成果和水務(wù)專題服務(wù)，為管理部門提供在線水務(wù)管理的統(tǒng)一門戶。城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)項目總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，可以劃分為四個層次：支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應用層。

圖3 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

3.2.1 支撐層

主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、計算機、存儲備份系統(tǒng)和各類基礎(chǔ)軟件如數(shù)據(jù)庫軟件、GIS軟件等。

3.2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和行業(yè)專題數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共享、交換和使用通過數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布與注冊接入實現(xiàn)。

3.2.3 服務(wù)層

主體依托框架建設(shè)項目地理空間信息公共平臺提供的在線地理信息服務(wù)，實現(xiàn)以二維地圖為主要表現(xiàn)形式的地理信息瀏覽。通過該方式，可以大量節(jié)省基礎(chǔ)地理信息要素數(shù)據(jù)采集、維護費用。行業(yè)專題數(shù)據(jù)通過服務(wù)器端的專題服務(wù)進行調(diào)用。

3.2.4 應用層

構(gòu)建手機端水務(wù)執(zhí)法監(jiān)察APP，提供巡檢員實時位置和水務(wù)管理事件數(shù)據(jù)采集和上傳功能；構(gòu)建城市智慧水務(wù)管理地理信息門戶網(wǎng)站，滿足在線城市水務(wù)綜合管理和執(zhí)法監(jiān)察管理的需求，在線接入和調(diào)用電子地圖、影像地圖、矢量以及影像注記服務(wù)、監(jiān)測傳感信息等服務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市水務(wù)管理數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的在線瀏覽。并能將巡檢員通過手機端APP上傳的實時位置和水務(wù)管理事件在門戶系統(tǒng)上以空間化和列表清單的形式展示。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

針對城市智慧水務(wù)數(shù)據(jù)的集成管理及顯示等需要，設(shè)計城市水務(wù)綜合管理系統(tǒng)的架構(gòu)、模塊劃分、功能構(gòu)成，具體包括巡檢員數(shù)據(jù)采集手機軟件、門戶網(wǎng)站和運維管理系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成

3.4 系統(tǒng)部署設(shè)計

綜合考慮系統(tǒng)的服務(wù)對象和提供的服務(wù)能力，采用如下部署模式，具體如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)部署設(shè)計

3.5 系統(tǒng)運行模式

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)以巡檢執(zhí)法數(shù)據(jù)、水務(wù)管理專題數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為核心，其中巡檢執(zhí)法數(shù)據(jù)通過手機端進行采集，并上傳至系統(tǒng)；水務(wù)管理專題數(shù)據(jù)包括水務(wù)設(shè)施部件數(shù)據(jù)等，通過矢量編輯、統(tǒng)一入庫管理實現(xiàn)統(tǒng)一對外提供服務(wù)；基礎(chǔ)地理信息要素數(shù)據(jù)通過地理空間框架建設(shè)項目地理空間信息公共平臺提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口實現(xiàn)調(diào)用。系統(tǒng)運行模式如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運行模式

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)基于數(shù)字城市地理信息公共平臺所提供的各類數(shù)據(jù)服務(wù)，整合城市水務(wù)管理專題數(shù)據(jù)特點的情況下，開發(fā)建設(shè)了城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)的前臺門戶網(wǎng)站(圖7-圖8)、手機巡檢APP(圖9-圖10)。為城市水污染源在線監(jiān)管、城市供排水管理等提供了多樣化的手段，進而提高了城市水務(wù)管理效率。

圖7 城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)前臺門戶網(wǎng)站

圖8 巡查監(jiān)控

圖 9 實時位置采集界面

圖10 巡檢內(nèi)容采集界面

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 地理編碼和地址匹配技術(shù)

地理編碼和地址匹配是建立空間信息與非空間信息之間聯(lián)系的最重要最實用的手段。地理編碼是一個將街區(qū)地址轉(zhuǎn)換為帶有空間位置信息的過程。地址匹配是將文字性的描述地址與其空間的地理位置坐標建立起對應關(guān)系的過程。地址匹配服務(wù)按照特定的步驟為地址查找匹配對象。首先要將地址標準化；然后服務(wù)器搜索地址匹配參考數(shù)據(jù)，查找潛在的位置；根據(jù)與地址的接近程度為每個候選位置指定分值，最后用分值最高的候選位置來匹配這個地址。

5.2 海量地圖瓦片存儲和管理技術(shù)

地圖瓦片是WebGIS應用中一種重要的數(shù)據(jù)，它的主要特點如下：數(shù)據(jù)離散、存儲占用空間大、管理和更新不變等特點。因此，對海量地圖瓦片的存儲和管理，有一定的技術(shù)難度。因為對海量瓦片的管理既要考慮存儲、更新、備份、管理的便捷性又要考慮在大并發(fā)訪問時的高效性。

5.3 數(shù)據(jù)緩存技術(shù)

數(shù)據(jù)緩存，就是對系統(tǒng)中訪問頻繁、不經(jīng)常變動的熱點數(shù)據(jù)進行的一種優(yōu)化處理的技術(shù)。數(shù)據(jù)緩存的形態(tài)主要分為內(nèi)存緩存和磁盤緩存兩種。數(shù)據(jù)緩存的建立，能有效降低數(shù)據(jù)庫并發(fā)訪問的壓力，提升系統(tǒng)的并發(fā)能力和響應速度，提高用戶的查詢?yōu)g覽體驗。

在WebGIS應用中，需要做緩存處理的數(shù)據(jù)主要有：地圖切片、地名數(shù)據(jù)和其他元數(shù)據(jù)等。在實際應用中，可能會出現(xiàn)多種緩存技術(shù)并用的情況。以地圖瓦片為例，對于那些熱點數(shù)據(jù)經(jīng)常會放置在內(nèi)存中。而內(nèi)存緩存有限，如果想把所有的熱點數(shù)據(jù)都做緩存優(yōu)化處理，這時需要配合一定的磁盤緩存處理。

5.4 跨平臺地圖可視化保真技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)與本地地理信息應用不同，由于客戶端所依賴的運行條件的差異，地圖應用環(huán)境存在較大的不確定性。為達到統(tǒng)一的圖形顯示效果，必須解決地圖表達的跨平臺可視化保真問題，即無論客戶端運行平臺如何變化，應保證地圖顯示的一致性和不失真。本項目采用基于Bezier曲線的繪圖機理，利用其良好的多平臺支持特性，通過構(gòu)建基于Bezier曲線的地圖基元模型，實現(xiàn)了跨平臺的地圖可視化。

6 小結(jié)

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)為城市水污染、城市供排水等問題在線監(jiān)管提供了多樣化的手段，實現(xiàn)基于“一張圖”的監(jiān)測全面實時化、管理業(yè)務(wù)協(xié)同化、決策科學化管理，構(gòu)建了一個“建、集、管、用、維”的智慧水務(wù)體系[6]。