基于云架构的智慧港口时空地理信息共享服务平台研究

杨 凯，李子龙

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

随着全球经济的迅猛发展和国内外环境的急剧变化，我国港口面临全新的机遇和挑战，打造全面感知、广泛互联和智能应用的智慧港口，成为我国港口转型升级的重要途径[1]。伴随着我国港口由第三代港口(作为贸易和物流中心的港口)向第四代港口(港航之间联盟与港际之间合作联盟的信息化、柔性化港口)的全面升级，以及向第五代港口(绿色、低碳港口，物联网智能港口)的初步探索，对港口服务供应链上的各种时空信息进行感知、传递、整合和分析成为智慧港口建设的基础和关键[2]。时空地理信息共享服务平台是以某一特定时空基准(一般为北斗时空基准)为基础[3]，以全天候精确位置服务为核心，通过大数据、物联网、云计算等新一代信息技术，实时汇集各种时空信息而形成的地理信息共享服务平台，对于加速智慧港口建设，促进传统港口转型升级具有重要意义。

1 智慧港口时空地理信息需求

1.1 港口的时空特征

港口是交通运输重要枢纽和现代物流体系重要节点，具有以下时空特征：一是港口区域辽阔，地形复杂，既包含陆域范围，又包含水域范围，并且常常占据岛、河口、岛屿等复杂地形位置，拥有较长的海岸线或内河岸线，是一个水陆交错、港城结合的复杂区域；二是港区内企业众多，客户庞大，既有码头公司、运输公司、装卸公司、仓储公司，也有贸易公司、物流公司和金融公司，多类型的企业在开展业务时对港口位置服务具有显著需求；三是港口业务多样，内容各异，包括货物装卸作业、运输作业、转运作业、仓储作业、拆箱理货作业、配送作业、多式联运等业务；四是港口多种运输方式并存，交通组织具有挑战，不仅有货轮、客轮，也有铁路、汽运等，还有港区内部的移动机械、管廊管道、皮带传输等方式。

基于以上港口时空特征分析，可以将港口对时空数据的需求分为宏观和微观两个层次。从宏观角度，港口对时空信息的需求主要体现在港区规划、动态运营、交通组织、客户服务等方面，目标是实现对地、企、货、人等要素产生的时空数据的分析决策；从微观角度，主要体现在工程建设、生产作业、指挥调度、维护管理等方面，目标是对数量、位置、规模、状态等的精准把控。二者统一起来，则是利用全港时空信息实现港口生产运行的一体化管控，这也符合智慧港口建设目标。

1.2 港口的时空地理信息服务需求

从时空角度看，港口内的全部要素可以归纳为点(位置)、线(路径)、面(范围)和时间四类基本要素。例如港口内的人员、车辆、船舶、货物、企业、设施等要素的静态位置与动态精确定位都是时空数据中的点；从门卡到堆场、从码头到仓库、从海运到陆运等集疏运体系路径的规划、追踪与监控都是时空数据中的线；陆域、海域范围，企业、码头、锚地范围，堆场堆放、船舶停泊范围等各级管理边界的精确掌控都是时空数据中的面；而多年积累的历史影像数据、集成融合多类传感器的实时监测数据、通过大数据分析预测未来发展趋势则具备时空数据中的时间特性。

从信息服务角度看，港口需要企业应用、公共服务、信息共享等方面的服务。如企业的船舶计划、场地计划、堆存信息、操作及调度、设备及能源管理等企业应用；基础地理信息、天气气象信息、公共物流信息、企业信息及位置等公共服务应用；虚拟堆场、货物位置、GPS位置信息及操作记录等信息共享服务。

在智慧港口评价指标体系中[4]，将时空地理信息共享平台与数据资源交换平台一起作为智慧港口“基础信息平台”的二级评价指标。在智慧港口建设中把上述港口要素进行有效的管理，离不开时空地理信息服务平台的支撑。

1.3 智慧港口时空地理信息共享服务平台需求

“智慧港口”必须以立体时空数据为基础进行构建，全港统一的时空地理信息共享服务可提升智慧港口的发展质量和发展水平。智慧港口的时空地理信息共享服务平台具体需求有：(1)海陆一体、时空结合的地理信息数据资源；(2)二、三维相结合的电子地图与虚拟仿真；(3)基于云架构，按需调度的时空地理信息资源；(4)高精度、全天候、全方位的实时导航定位服务；(5)丰富的地图模板与快速便捷的在线制图服务；(6)严格的数据质量管控与时空数据安全保障；(7)丰富的可跨平台的地理信息业务和应用系统；(8)基于大数据技术的港口时空数据挖掘与可视化展现[5]。

2 基于云架构的时空地理信息共享服务平台

2.1 平台体系建设

基于云架构的智慧港口时空地理信息共享服务平台的建设应从标准体系、数据体系、服务体系和应用体系四个方面进行建设。

(1)标准体系。

标准体系主要是指构建以国家标准、行业标准、地方标准和港口工程技术规范为链条的成套的港口时空地理信息标准体系。包括：数据标准、制图标准、服务标准、资源标准和交换共享标准等内容。

(2)数据体系。

数据体系主要是指以“港口时空融合一张图”为核心，满足多种应用需求的港口时空数据资源。包括基础地形图数据、遥感影像数据、地名地址专题数据、港口规划专题数据、港口交通专题数据、海事专题数据等。这些数据可以通过数据处理、图层叠加和时空融合，形成服务于智慧港口的全要素水陆一体、动静结合的时空信息数据资源库[3]。

(3)服务体系[6]。

服务体系主要指平台应具备数据服务、地图服务、快速制图、权限控制、开发接口的全面服务能力。包括时空数据服务、GIS功能服务、云GIS服务、历史数据服务等的服务能力建设；以门户系统、运维管理系统、二次开发接口库、示范应用系统为基础的管理能力建设；以及服务访问监控、平台运行监控、异常处理机制等的运维能力建设。

(4)应用体系。

应用体系主要指面向港口规划建设、生产作业、管理控制、公共服务等领域的多种时空地理信息应用。

2.2 平台架构设计

基于云架构的智慧港口时空地理信息共享服务平台的技术架构如图1所示。

图1 智慧港口时空地理信息共享服务平台构架图Fig.1 Architecture of spatiotemporal geographic information sharing services platform of smart port

(1)设施层。

设施层主要包括云存储设施、数据库服务器集群、Web应用服务器集群及网络安全设施等，是整个平台运行的外部支撑条件。

(2)数据层。

数据层包括智慧港口建设中的电子地图、电子海图、遥感影像、三维模型、基础数据、专题数据等港口要素信息，并配备数据生产系统和数据管理系统，实现时空地理信息的生产、加工、存储等功能。

(3)服务层。

服务层是支撑智慧港口时空地理信息共享服务平台各种业务应用的核心环节。基于网络地图服务引擎开发建设功能服务系统、数据服务系统及服务管理系统，实现对各类时空信息服务的管理，并开发配套的服务接口及服务应用，支撑智慧港口时空地理信息共享服务平台功能实现。

(4)应用层。

应用层主要是针对各类港口用户的功能展现，支持移动端、电脑端、网络端的各类共享服务功能，包括智慧港口地理信息服务、在线地图应用、用户资源中心、地图应用案例等。

2.3 平台功能设计

(1)数据管理子系统。

包括GIS数据管理、GIS地图管理、元数据管理、数据质量管理及港口时空地理数据管理通用功能等。①GIS 数据管理：主要实现对数据的加工、入库、更新、管理和发布，对平台的所有数据进行一体化集成管理；②GIS 地图管理：主要实现利用地图制图模板实现快速的地图制图功能；③元数据管理：主要提供包括数据目录管理、数据字典管理等功能；④数据质量管理：主要提供包括拓扑检查、属性值域、属性为空、点是否在线上等检查，并生成相应的数据质量报告；⑤港口时空地理数据管理通用功能：港口空间数据处理、港口专题图制作、港航符号库管理、历史数据管理、数据版本管理等功能。

(2)在线服务子系统。

包括GIS数据服务、GIS目录服务和GIS通用功能服务等功能。①GIS 数据服务：主要提供符合OGC(Open Geospatial Consortium，开放地理信息联盟)规范的Web 地图服务(Web MapService，WMS)、Web 要素服务( Web FeatureService，WFS)、Web 覆盖服务( Web Coverage Service，WCS) 、切片地图Web服务( Web Map Tile Service，WMTS) 等接口，以及提供图片引擎接口、地图编辑服务接口、数据库访问接口；②GIS 目录服务：主要提供GIS 服务目录接口以及GIS 数据目录接口；③GIS 通用功能服务：主要提供地图定位以及地图查询两大通用服务，包括地图要素搜索和定位、港区定位、路线定位，以及区域查询、周边查询、属性查询、全文检索等。

(3)二次开发接口。

平台应提供REST(Representational State Transfer, 表述性状态传递)和SOAP(Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议)两种方式的Web Service服务，可与现有应用系统接口进行参数传递对接，并可进行服务调用和服务集成，扩展业务应用能力。同时，应提供可进行二次开发的Web地图API接口和手机地图API接口。

(4)Web地图应用。

Web地图应能支持叠加多种类型的地图服务，如支持ArcGIS Online资源、ArcGIS for Server发布的地图服务、影像服务、几何服务、地理处理服务、要素服务、网络服务等，也支持OGC的WMS、WFS、WCS、KML等，还支持“天地图”地图服务等。同时，Web地图应用要求包括以下功能：空间数据展示、客户端Mashup、图形绘制、符号渲染、查询检索、地理处理、在线编辑、时态感知、动态地图服务、影像处理、地图打印输出。

(5)服务管理子系统。

实现服务管理、权限控制、服务监控、服务统计、日志管理等功能。通过对平台资源、服务、用户的管理来保证平台的安全与稳定运行，并对信息资源访问、业务功能调用、系统管理等活动进行记录。

3 港口时空地理信息共享服务平台应用案例

表1 时空地理信息数据库详表Tab.1 Spatiotemporal geographic information database

表2 时空地理信息共享服务平台应用情况表Tab.2 Application of smart port spatiotemporal geographic information sharing services platform

本文以北方某港口为例，介绍港口时空地理信息共享服务平台的建设与应用情况。该港口是探索智慧港口建设较早的港口之一。2015年，该港已建立起覆盖全港范围的基础地形、市政设施、规划建设、科技设备、安全监管等专题地理信息数据库，并在能源管理、电力管理、安全应急管理等多个领域得到了应用。2017年，该港开展了智慧港口地理信息共享服务平台的顶层设计和时空数据资源整合工作，其时空地理信息共享服务平台的建设目标是实现“一张图”和“一个平台”，即建设“港口时空融合一张图”和“智慧港口时空信息共享服务平台”，实现全港内部各单位、各业务之间时空信息数据的全面共享[6]。截止目前，该港基本形成了比较完整的港口时空信息数据库，初步构建了影像数据、基础数据、专题数据、业务数据等多个图层叠加的“港口时空融合一张图”，其时空地理信息数据库的主要数据内容如表1所示。

同时，该港正在开展时空地理信息共享服务平台的规划建设，部分功能已成功应用于规划建设、市政设施、科技设备、安全监管等多个领域[7]，如表2所示。

4 结语

当前，智慧港口建设正处于关键时期，迫切需要先进技术手段为突破口的建设管理方案。本文针对港口时空要素管理需求，提出了基于云架构的智慧港口地理信息共享服务平台建设方案，解决了多源、异构、海量港口时空信息管理和服务难题。该平台在中国北方某港口的应用实践表明，该方案可以有效提升港口服务效能，实现了港口要素的智慧应用、精细管理和开放服务，探索了一条崭新的智慧港口建设之路。未来基于云架构的智慧港口地理信息共享服务平台建设将在物联网与GIS的融合应用、BIM与GIS融合应用、GIS与大数据技术应用和AR技术应用等方面继续进行探索。