智慧城市时空信息云平台建设研究

2018-08-29段志强沈凤娇黄冠宇闵梦然

地理空间信息 2018年8期

段志强，沈凤娇*，黄冠宇，闵梦然

（1.湖北省基础地理信息中心，湖北武汉 430070）

2013年发布《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国发[2013]7号）和《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》（国发[2013]32号）提出推动智慧城市建设，在有条件的城市开展智慧城市试点示范建设，提升公共服务信息化水平。2014年国家发展改革委等8部委联合发布《关于促进智慧城市健康发展指导意见》，提出智慧城市是物联网、云计算、大数据、空间地理信息等新一代技术的集成[1]。2016年，国家发展改革委、中央网信办联合印发《新型智慧城市建设部际协调工作组2016～2018年任务分工》，指出测绘地理信息部门的任务为指导各地区开展智慧城市时空基础设施建设及应用，其中，时空信息云平台是核心内容之一[2]。目前，全国多个试点城市正在开展智慧城市时空信息云平台建设。

智慧城市时空信息云平台是以北斗时空为基准，以位置服务为核心，通过大数据、物联网、云计算等新一代信息技术，实时汇集城市各种时空信息而形成的感知更透彻、互联更广泛、决策更智能、服务更灵活和更加安全可靠的地理信息服务平台，是智慧城市建设的重要空间信息基础设施。

1 建设需求

1）用户类型需求。时空信息云平台的用户主要有5类：①云服务消费者：也叫云租户，是使用时空信息云平台提供的各类时空信息云服务的用户，比如使用云盘资源、请求各种地图服务、云计算应用服务等。②云服务提供者：向云服务消费者提供各类时空信息云服务，如时空数据服务、不同行业的专题共享数据服务、典型的云计算应用服务等。③云服务运营者：负责时空信息云平台的运维监控等管理运行工作。④云应用开发者：可以依托时空信息云平台的各类服务接口进行业务应用的扩展开发，业务应用可以托管在该云平台上，或者由云租户来运行。⑤云设备提供者：是云平台建设所需的各类物理基础设施的提供者，包括服务器、存储、网络设备等，可以通过虚拟化平台形成基础设施虚拟资源池[3]。

2）数据需求。数据需求主要表现为以下几个方面：第一，由空间数据转变为时空数据，统一时空基准。时空基准是经济建设、国防建设和社会发展的重要基础设施，是时空大数据在时间和空间维度上的基本依据。时间基准中日期采用公历纪元，时间采用北京时间，统一时空基准；坐标基准统一到2000国家大地坐标系，高程基准统一到1985国家高程系统[2]。第二，丰富数据类型，构建时空信息“一张图”。在数据类型上，应包括动静态、二三维、地上下、室内外、现状及历史等多种类型的数据，其中应该还包括一些新型测绘数据，如360°全景数据、激光点云数据、倾斜摄影数据、室内地图数据等。数据组织上，通过全要素地理实体分类编码，打造时空信息“一张图”，真正实现多时相、多粒度、全空间世界连续抽象表达。第三，数据资源共享。不同行业部门通过数据资源共享，可以共同享用数据建设成果，避免重复建设。为此，需要进行不同行业共享数据的汇聚、融合、管理、共享服务，并建立长效的数据更新机制、服务滚动更新机制。第四，大数据存储挖掘。时空信息大数据具有种类繁多、数据规模大（TB 级）、更新迅速（特别是动态数据）的特点，因此，平台需要支持多种存储方式来应对结构化、非结构化及半结构化等不同的数据。对于不同类型的数据，还需要特别考虑数据访问时的效率，例如影像数据在调取时，对传输的效率要求就比较高。另外，要能够从大量的时空大数据中挖掘出有用的信息，支持辅助决策。

3）功能需求。功能需求上，需要建立从基础设施资源管理、时空大数据汇聚处理、时空大数据融合处理、时空大数据管理、时空信息服务到云平台的运维监控的一套软件功能体系。在平台架构上，需要从传统的架构转变为云架构，建立虚拟化资源池，提供分布式云计算框架，以支撑平台成果的云架构部署和云计算应用，提供按需弹性计算和宿主环境服务。并且能够提供IT接口、服务接口、功能接口等，支持行业典型应用系统的扩展开发。在应用方式上，不仅支持传统的桌面端，还需要支持移动端。

4）性能需求。对于时空信息数据库，其性能需求集中在系统稳定性、高效性、可扩展性等方面；对于时空信息云平台，其性能需求集中在响应时间、并发用户数、安全性、界面友好度等方面。

5）安全需求。由于时空信息云平台运行在云上，因此在信息安全方面具有更加迫切的需求，主要表现在物理安全、数据安全、应用安全、网络安全、管理安全等5个方面。物理安全需求是对于存放各种硬件设备的机房，应按照统一规范的安全标准进行建设和管理；数据安全基于数据全生命周期，从隐私保护、密钥分配及管理、灾难备份与恢复等方面，采用数据隔离、数据防护、数据备份等技术，根据时空信息云平台上时空大数据及应用项目业务数据的重要性，进行分级加密保护；在应用安全需求上，需要进行身份鉴别、访问控制、安全审计、软件容错、剩余信息保护等；在管理安全上，需要建立完备的安全管理规章制度，以预防和应对各类突发状况，保障信息安全维护工作得以长效贯彻执行。

2 建设内容

时空信息云平台的总体目标是打造一张时空信息全息图：基于统一的时空基准，汇聚二三维、地上下、室内外、水上下、静动态、历史现在的全要素数据，以位置为纽带关联事物或事件的多时态、多主体、多层次、多粒度的一张图。

按照总体目标，智慧城市时空信息云平台的建设内容可以概括为“1套保障体系、1个数据中心、1套时空信息数据库、1大平台（包括多个系统）、1套应用体系”，即：

1）1套保障体系：建设一套保障智慧城市时空信息云平台稳定运行的组织管理与运维体系，建成完善的平台标准规范体系，形成完善的智慧城市时空信息云平台管理机制。

2）1个数据中心解决方案：根据城市自身建设发展需要选择是否构建区域数据中心，选择性建设机房基础环境建设、中心网络系统建设以及机房监控体系建设等，形成时空数据中心解决方案。

3）1套时空信息数据库：基于北斗时空基准，完成时空数据标准化处理和广泛关联融合，构建开放的时空数据模型，形成时空数据标准化处理与融合解决方案；通过时空数据分类编目、归置、存储管理，构建时空数据库体系，形成时空数据库设计解决方案。

4）1大平台：研发设计时空信息云服务平台软件体系，形成从基础设施管理到数据汇聚、融合、管理、服务、运维的平台软件一体化解决方案。

5）一套应用体系：以平台服务和部门需求为牵引，以项目促应用，面向不同行业，联合有关部门建成一批业务化运行的时空信息应用服务系统，扩展平台应用范围。

3 总体架构

时空信息云平台总体架构自底而上，包括基础设施层、时空数据层、平台支撑层、应用层4个层次，同时建立支撑时空信息云平台相关的标准规范体系、组织管理和运维体系，总体架构如图1所示。

基础设施层：是整个云平台运行的基础，包括服务器、网络、存储等软硬件资源。依托虚拟化技术，建立基础设施资源虚拟池，为平台提供基础的运行环境支撑。

时空数据层：提供数据资源支撑，是时空信息云平台的重要源头。数据层管理的数据包括基础时空信息、政务基础信息（如人口、经济、法人）、物联网节点信息、实时传感器数据、行业共享信息、服务专题信息、元数据等，实现城市资源数据的有效组织。

平台支撑层：即时空信息云服务，它是连接数据层与应用层的桥梁。在平台层中，引入基于Docker容器和Kubernetes的容器集群管理[4]，实现自动化持续集成和Docker镜像构建[5]，提供负载均衡、服务发现、服务一致性协调、应用编排、性能监控、日志管理等管理服务，是微服务架构、轻量级应用部署和运维的理想平台，为新一代应用交付和开发运维一体化奠定基础。通过云设施服务、时空数据汇聚、数据融合处理、时空数据管理、时空信息服务、全景可视化、开发平台、运维管理及平台门户，构建云平台组件式软件体系。平台支撑层是时空信息云平台项目的建设重点，通过本层的建设，为后续应用服务提供强大的数据管理能力、信息分析能力、接口服务能力及IT管理能力。

应用层：面向政府、公众、企业等用户提供不同的应用支持。调用平台层所提供的数据服务和功能开发接口等，建立面向不同应用领域的应用模型。

保障体系：包括标准规范体系和组织管理与运维管理，为平台建设运营中的各个环节提供支持和保障。

4 功能实现

时空信息云平台软件功能组件主要包括云设施服务、时空数据汇聚软件、数据融合处理软件、时空数据管理系统、时空信息服务管理、全景可视化管理系统、开发平台、运维管理系统等。

云设施服务建立在虚拟化技术之上，在传统数据中心软硬件的基础之上将其计算、存储、网络等资源池化，提供对云设施资源的管理、空间云存储和空间云计算的支撑。

图1 时空信息云平台总体架构

时空数据汇聚软件负责为时空数据库提供各类接入的数据源，包括动态传感数据接入、基础地理空间数据规范化导入、电子政务数据汇聚、互联网数据接入等子系统。在一套标准的框架下，完成对智慧城市各类型、各部门数据的汇聚处理。

时空数据融合处理软件在一套标准的框架下，在基础地理信息数据的基础上，通过数据加载、抽取、转换等建立行业地理数据实体框架，并与行业数据建立数据字段映射关系、要素几何转换参数、数据检查参数等步骤完成数据融合流程，完成对智慧城市各类型、各部门数据的融合，形成一套融合处理的行业工具组件、接口规范和数据流转规范。

时空数据库管理系统是时空信息云平台的核心部件，提供对多维、动态、异构的多种时空数据的高效管理、查询检索与服务。针对不同类型数据的特性，设计采用不同的数据引擎作支撑，实现对基础地理信息数据（包括二维和三维空间数据）、典型传感器动态数据（包括视频数据、原位传感器以及GPS/北斗定位数据等）、政务基础数据等，进行数据的提取与入库操作，建立时空索引，实现各类数据库间的高效访问与跨库联合检索。

时空信息服务管理的主要目标是对各类服务提供注册、查询及统一高效的管理，并在此基础上实现服务的智能组装、提取分析，构建服务管理、服务组装、数据服务和信息服务。

全景可视化管理系统，提供各种基础地理信息数据、动态接入数据、资源业务、城市KPI数据集成，融合结果的展示服务，实现地上下、室内外、动静态的数据全维度可视化。

开发平台提供调用平台API和各类服务的开发门口，提供对平台二次开发的接口和帮助。

运维管理系统实现对时空信息云平台的用户、硬件及网络资源、数据库和服务等的集中监控、维护、统一管理、配置等。