基于时空大数据的 智慧城市时空平台建设研究

　　智慧城市及相关技术正强劲而 深刻地引领着经济社会各个领域和 行业的深刻变革，全面支撑了城市 可持续、和谐运行，推动着城市政务、经济和民生实现跨越式发展。 在国家全面推进智慧城市建设 的背景下，福州市积极开展智慧城 市建设。2001 年，福州市成立了“数字福州”建设领导小组和专家委员 会，福州市鼓楼区被福建省政府定 为“数字福建”的示范区，标志着 “数字福州”工程全面启动。2010年 11 月，福州市将“智慧福州” 建设纳入《福州市国民经济和社会 发展第十二个五年规划纲要》，统 筹规划，扎实推进“智慧福州”建设； 2016 年 7 月，《福州市新型智慧城 市标杆市顶层设计》通过专家评审。 近年来，福州市仓山区、长乐市先 后入选国家智慧城市试点名单，“智 慧福州”建设正在稳步进行。
　　在如今的智慧城市建设阶段， 随着科技不断进步和应用需求快速 变化，对空间基础信息共享的数据 实时性、多终端适应性、操作体验性、应用自主性、管理可控性等方 面均提出了新要求。福州作为国家 首批智慧城市试点城市，为了有效 支撑城市的建设和运行，需对城市 地理空间框架进一步提升，与新型 技术接轨迎接智慧城市新挑战，因 而适时提出了智慧城市时空信息公 共服务平台的建设。
　　一、时空数据存储管理现状
　　时空数据是大量不同时间、不 同尺度的空间数据和非空间数据的 积累，是建设智慧城市最重要的信息来源。但是，时空数据在生产、 管理与应用上也面临着存储组织与 分析处理难、集成应用难及数据全 生命周期管理难等问题。
　　多种不同存储方法造成管理不 方便：本地（远程）文件、关系数 据库等多种存储方式混合使用，难 以进行统一、自动化的管理，例如 备份、安全、数据输出、检索等。
　　缺乏全面支持不同类型数据 建模的数据存储方法：结构化、非 结构化数据往往分别以不同方式存 储。同时，不同空间数据库和文件 格式的语义、语法、能力千差万别， 增加了应用程序开发的难度。
　　海量数据难以进行集中管理： 单机和单个关系数据库的容量有 限，不具有可伸缩性，难以单独管 理海量数据，而多个独立数据库或 文件系统又缺乏整体性和无缝性， 逻辑上不能集中。
　　高并发情况下，集中式数据的 存取是瓶颈：集中式的存储方法， 在高并发情况下，容易造成应用性 能的急剧下降。
　　缺乏海量异构时空数据快速处 理和分析的框架：针对不同类型、 语义的时空信息，尚缺乏一套全面 的数据整合、清理、挖掘和分析模 型，在计算算法架构层面，传统并 行计算方法复杂、扩展性差，缺乏 一个高效、简单的并行算法架构。
　　时空信息公共服务平台的建设 能通过信息共享、系统共生，来消 除部门的信息孤岛和利益壁垒，在 智慧城市建设中起到核心支撑作用。
　　二、平台建设总体架构
　　1．总体框架
　　平台总体设计采用了经典云 平台的设计思路，采用面向服务的 SOA 架构。平台共分为智慧应用层、 服务支撑层、基础支撑层、数据资 源层和基础设施层等五个层次；结 合政策法规、标准规范、运营服务 和安全保障等四大体系共同组成了 智慧城市时空信息公共服务平台的主体架构。总体技术框架如图 1 所示。 智慧应用层包括智慧交通、网
　　格化管理、车辆管理、流动人群分 析、环境污染影响分析、楼宇经济 精细化管理主题、就业状况分析等 七大专题服务示范，通过这些智慧 应用的建设，为政府、行业、企事 业以及公众提供不同的应用服务。
　　服务支撑层包括三类服务支撑 系统，包括空间信息、动态信息和 公共信息等三类服务支撑系统，三类服务支撑系统形成对福州市时空 信息的管理、分发和应用，同时有 效支撑智慧行业的应用。
　　基础支撑平台，是承接数据与 应用的主要载体，既管理数据，又 面向应用提供服务。基础支撑平台 部署城市信息基础支撑平台相关内 容的各种环境，包括引擎集、基础 支撑组件和应用服务组件。其中引 擎集包括目录服务引擎、数据交换 引擎、表单引擎、三维引擎等；基 础组件包括接入网关超融合基础架 构、前置数据网关、统一认证及审 计、数据仿真等；应用组件包括单 点登录服务、访问控制服务、组织 模型服务、日志服务等。
　　数据资源层即聚合城市时空信 息，也是城市的数据资源池，包括 空间信息数据库、动态信息数据库 和公共信息数据库的数据迁移、数 据汇交、数据整合、数据管理以及 相关数据服务，提供实时的城市时 空信息服务。
　　基础设施层即指基础设施中 心，主要由硬件集群、网络集群、 系统软件以及操作系统（OS）等构 成，为各项数据承载和应用服务提 供基础的软硬件资源。

                               
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　　图 1  时空信息公共服务平台总体框架
　　2．技术路线
　　本平台技术路线采用基于 SOA 体系架构设计，根据城市信息资源 规划（IRP）理论分析系统需求、 建立业务模型，利用城市感知网络 聚合城市各类时空信息，进行开放 的流程设计和接口设计，依托城市 信息基础支撑平台和城市信息服务支撑系统整合各类数据库、服务和 应用系统，遵循统一的标准规范实 现城市信息和系统的互联互通和高 度共享，最终支撑政府、行业和公 众应用，服务于政府、服务于社会、 服务于民生。
　　三、建设内容
　　按照总体建设目标，平台建设 内容可概述为“一个中心、三类信 息、一个平台、三类支撑、四大体 系”。具体包括了设计一个计算机 硬件支撑中心，聚合三类城市时空 信息（空间信息 / 动态信息 / 公共 信息），构建一个城市信息基础支 撑平台，建设三类服务支撑系统（空 间信息服务支撑系统、动态信息服 务支撑系统和公共信息服务支撑系 统），建立四大运行保障体系（政 策法规体系、标准规范体系、安全 管理体系和运营服务体系），分别 解决政府信息资源的硬件支撑、信 息来源、统一平台、应用支撑和运 营机制等方面的问题。
　　1．一个中心：搭建一个基 础设施中心
　　一个中心指搭建基础设施中 心，涵盖支撑福州时空信息公共服 务平台所需的软硬件资源，作为时 空平台数据交换、存储和构建各种 智能化、网络化的应用服务系统的 基础。
　　2．三类信息：聚合三类城 市时空信息
　　三类信息指聚合包括空间信息、动态信息和公共信息等三类城 市时空信息，形成城市的大数据资 源池，将全市各部门共享的各类时 空信息数据进行规划、汇聚、处理、 建库、管理、更新和共享，形成全 市统一的城市时空信息数据。
　　时空信息数据建设主要由数据 规划、数据汇聚、数据处理、数据 整合、数据管理、数据仓库、数据 更新、数据共享和数据支持等 9 部 分组成。
　　3． 一个平台：构建一个城 市信息基础支撑平台
　　一个平台指城市信息基础支撑 平台，通过该平台的建设聚合城市 的时空信息，整合现有基础资源搭 建统一的时空信息数据资源存储和 计算环境，集中实现城市时空信息 的管理、分发、应用、共享和更新。
　　4．三类支撑：建设三类服 务支撑系统
　　三类支撑指建设包括空间信 息服务支撑分系统、动态信息服务 支撑分系统和公共信息服务支撑分 系统在内的三类服务支撑系统，其 中空间信息服务支撑分系统提供基 础地理信息、地表部件信息、地下 管线信息、地下空间信息等空间信 息库和相关信息管理系统的支撑； 动态信息服务支撑分系统提供位置 信息、视频信息、传感器信息等动 态信息库和相关信息管理系统的支 撑；公共信息服务支撑分系统提供 人口、法人、社会管理和经济运行 等信息的服务支撑。
　　5．四大体系：设立四大运 行保障体系
　　四大体系指建立政策法规、标 准规范、安全管理和运营服务等四 大体系，为城市时空信息数据的采 集更新、维护管理、共享应用等提 供政策、组织和管理保障，形成长 效运营管理体系，最终实现政府监 管、有序建设和高效管理。
　　四、关键技术研究
　　1．超融合架构技术
　　超融合系统是传统的虚拟化 技术的改进增强版。超融合架构（Hyper  Converged  Infrastructure） 是一种新型的虚拟化体系架构。这 种架构的产生主要是为了解决传统 的虚拟化平台系统性能差、不能线 性扩展的问题。超融合架构继承 了传统虚拟化架构硬件资源灵活分 配、部署灵活的优点，同时规避了 传统虚拟化性能差、对存储依赖高 等缺点，结合了分布式文件系统、 混合存储模式等特点，将计算资源、 存储、网络以及虚拟化层都进行了 分布式改造，融合在一个物理设备 中，通过类似堆叠的方式，进行容 量和计算能力的线性扩展，使得部 署和后期维护更加简单。
　　2．微服务架构技术
　　微服务架构是一种新型的软件 架构，指开发一个单个小型的但有 业务功能的服务，每个服务都有自 己的处理和轻量通信机制，可以部 署在单个或多个服务器上。
　　3．蜂窝式数据管理技术
　　针对不同维度的海量数据进行 了明确领域边界划分，按照业务需 求，划分为更细小的业务逻辑和数 据库进行封装，并提供一定的存储 冗余换取信息服务的低耦合度和更 高的性能，再加上统一的组合管理、 接口标准和服务发布，形成技术层 面的“蜂窝式”体系架构。
　　为了满足不同业务需求，并对 其提供个性化服务，每个维度的外 在访问对象（包括但不限于：政府、 企业、公众、终端、行业、应用系 统等）的相关数据都被抽取并集中 保存在一个个的独立“业务容器” 中，相互逻辑隔离，形成单独小房 间，称之为“蜂窝式”存储。而针 对某一特定的专题数据，也通过这 一方式，将源数据、元数据和结果 数据进行独立包装。不同分管的数 据源的数据相互隔离，传输通道也 相互隔离。
　　蜂窝式数据管理这种独特的 “业务逻辑和数据封装”的方式， 面向海量数据应用场景会带来显而 易见的益处：比如高安全性、功能 高内聚、模块松耦合、易于分布开 发、部署和维护，构成的信息系统 具有高弹性、易于扩展等特点，特 别适合于数据封装与访问。
　　4．海量异构多源数据处理 技术
　　利 用 DataOCT ™ 机 制 进 行 多 源异构数据的处理，DataOCT ™是 不同于常规插件式数据适配 器，开发语言和框架环境，真正做到开 放性；采用增强的高速二进制传输 协议，每秒钟解码超过 880 万个数 据报文，满足城市海量数据传输需 求；数据库的分布式混合存储海量 数据，提供了数据的高可靠性和服 务的高可用性；面向行业应用的蜂 窝数据组织管理方式，提供了百亿 级别的数据的秒级检索性能。
　　5．多线索单一场景可视化 技术
　　基于单一场景的多图层融合数 据可视化模式，在同一个场景内并 行展现城市时空系统中同时发生的 事件，诠释和展现了动静态一体化、 地上地下一体化、二三维一体化以 及多行业专题。通过二维 - 三维 - 图表 - 专题的跨系统的多屏联动方 式，多维度同步观察城市的运行状 况，可以从城市的宏观直接追溯到 微观数据细节。
　　6．多三维引擎支持
　　支持多种三维引擎的集成，包 括 CityMaker、SkyLine、Stamp 等主 流三维引擎。
　　五、结论
　　本文以福州时空公共服务信息 平台为案例，探讨了智慧城市背景 下城市时空信息的管理、共享及其 建设方式，探索了时空数据的组织、 管理、挖掘等技术。本项目的建设， 能够提供横向覆盖福州全市域的城 市信息数据资源池，并建成纵向市/ 区 / 街道办 / 社区四级管理的城市存储、处理、应用、分析、共享、 安全和更新等城市资源管理和服务 的数据集成环境，满足各个部门在 数据共享、地图共享、服务共享、 应用共享等不同层次的共享需求， 并全面支撑各行业的应用。