基于WebGIS的机场安检运维管理系统

郝世昱 姚晓冬

（公安部第一研究所安检事业部 北京 102200）

基于WebGIS的机场安检运维管理系统

郝世昱 姚晓冬

（公安部第一研究所安检事业部 北京 102200）

随着机场各类安检设备的不断扩张，传统的排查运维方式消耗大量人力物力，且故障发生时，运维人员无法直观的得到故障发生的位置及详细信息，导致应对突发故障的能力较差。为了解决这个问题，研究开发了一个基于WebGIS技术的机场安检运维管理系统。该系统以电子地图的方式展示各个设备的位置，并实时标识设备的运行状态，同时支持各类运维信息的查询。突发故障发生时，系统将第一时间通知运维人员并提供路径规划的服务。系统支持PC、移动终端等多种接入方式，提高了设备运维的效率，进一步提升了安检系统的可靠性。

室内地图 设备运维 安检系统

1 引言

地理信息系统，由于其在可视化表达和解决空间位置等问题具有的强大优势，在公共安全业务中得到了广泛应用[1]。随着信息技术的不断发展，越来越多的机场部署了安全检查系统，而安全检查系统中的各种设备，如X射线机、金属门、服务器、工作站PC机、交换机、磁盘阵列等，分散在机场的各个位置，不同设备的工作机制、运行状况、使用频率和定检时间千差万别。随着机场的建设和设备规模的扩张，传统的排查和人工记录的方式已经无法满足实际的运维需求，同时，在出现突发故障时，运维人员无法快速响应，及时处置，造成了极大的隐患。WebGIS的出现很好的解决了这个问题，本文基于GeoServer和OpenLayers设计开发的设备运维管理系统，将设备通过电子地图的方式进行展示，构建了支持快速查询、定位、路径规划、专题状态可视化的运维平台，同时结合移动端的应用，形成了高效预警和保障机制，进一步提高了安全检查系统的可靠性。

在机场部署一个包含建筑物分布、设备和主要地标的地图应用，需要解决两大主要问题：①机场安检系统部署在独立的局域网中，与外网隔离，无法直接访问地图服务商发布的地图服务。因此，必须在局域网内构建一套完整的地图服务框架，同时自建地图图层。②大规模设备的实时状态刷新，需要充分考虑通信时延和地图刷新机制，保证故障在第一时间报警。

2 WebGIS平台选型

WebGIS的出现替代了传统的client/Server的模式，将原本部署在各客户端的地理信息系统功能集中转移至服务器，利用网络发布地图服务，有效的降低了开发和维护的成本，同时有利于各类终端共享地图数据，使地理信息系统获得了长足的发展。目前WebGIS技术已广泛应用于各类安防、指挥、预警系统中[2]，常见的系统开发模式主要分为两类：基于商业平台和开源平台。

2.1 商业GIS平台

目前商业GIS平台已经发展的相当成熟，功能非常强大[3]。主流的有国外ESRI公司的ArcIMS、ArcGIS Server、MapInfo公司的MapXtreme、Autodesk的MapGuide、Intergraph的GeoMediaWebMap等。国内近几年GIS领域也取得了很大的进步，高德、百度、腾讯等互联网公司都提供了支持2次开发的SDK，四维图新、超图、图聚等地图服务厂商也都提供了各类可定制的地图服务和开发工具。

国外GIS平台的特点是，完善丰富的产品线，稳定的产品性能和技术支持。但是由于价格高昂、架构复杂，不适用于中小规模系统的快速合成，而国内互联网公司提供的2次开发SDK多面向于直接加载其地图的需求，对局域网内自建的专用地图并不支持。而国内其它地图服务厂商多面向专业领域提供定制化服务，对于机场室内这种轻量级的地图应用往往并不适用。

2.2 开源GIS平台

目前面世的开源地理信息系统软件种类众多，产品涵盖了客户端地图组件、中间件、服务端平台、后台空间数据库等所有空间地理信息相关的功能模块。表给出了主流功能模块的介绍。

表 开源GIS产品

GeoServer是目前最流行的一款开源GIS服务器平台，遵循0GC标准，支持PostgreSQL、Shapefile、ArcSDE、Oracle、DB2、MySQL Spatial等多种大型数据库。用JAVA语言编写、标准的J2EE架构、基于Servlet和Struts框架、支持高效的Spring框架开发，允许用户方便的发布地图数据、对特征数据进行更新、删除、插入等操作。

GeoServer、OpenLayers和PostgreSQL空间数据库的组合是目前应用最为广泛的开源框架[4]，OpenLayers在客户端实现Ajax功能，保证了大数据访问量的流畅运行，PostgreSQL也可以提供高效的空间数据存储和访问。目前，这种框架已经广泛应用在消防、旅游、安防等领域，充分证实了该框架的可靠性和优越的性能。因此，本文采用了这种开源框架进行系统的开发。

3 系统实现

3.1 系统架构

监控工作站除地图显示之外，还需要实现故障监控和报警等业务。系统在综合考虑通信时延和地图刷新机制的基础上采用B/S和C/S的混合架构进行实现。地图的发布和访问采用B/S的WebGIS模式，包括数据、服务和页面显示3层。监控工作站的监控业务采用C/S的模式实现，通过加载浏览器控件并访问HTML页面的方式访问地图服务。同时，其他移动设备如手机、平板电脑等也可以通过访问HTML页面的方式浏览设备地图。系统的工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程图

数据层是指基于PostgreSQL构建的空间数据库，与一般数据库的区别是，它专门用来存储空间和属性数据，支持复杂的空间数据模型和大数据量访问。

在地图业务中，服务层是应用的核心部分。服务层又被分为Web服务器和GIS服务器，Web服务器是GIS服务器和客户端通信的纽带，负责发布HTML、JSP页面、执行JSP网页及组件。Web服务器识别页面的GIS请求，并转发给GIS服务器，业务处理后，再将结果返回客户端。同时，Web服务器还提供缓存机制，可有效加速响应的过程，对于缩放平移等简单的操作，可直接在缓存中处理并返回客户端。本文采用Apache的Tomcat作为Web服务器。GIS服务器的功能则主要是根据请求查询空间数据，合成地图图层，完成实体组件的解析和生成，同时还包含投影变换、空间数据分析等高级功能。

显示层即客户端浏览器，终端设备可通过服务层的HTML页面访问地图服务，监控工作站通过加载浏览器控件的方式访问地图服务，经多种浏览器的效率比对，最终采用了Chorme浏览器。OpenLayers则负责在客户端加载电子地图、叠加关键图层、兴趣点等功能，将设备状态等信息在客户端叠加到地图页面上，可有效减轻服务器压力、提高访问效率[5]。移动终端设备可通过预装载浏览器直接访问设备地图，也可以通过浏览器控件的方式进行程序访问。

3.2 地图制图

为了方便数据的组织和访问，GIS数据可根据空间数据的专业属性和逻辑关系进行分层，各层间可以类似于图片进行叠置。本文根据项目的实际需要，以设备为地图的关键要素，尽可能忽略干扰元素，将地图分为底图、道路、主要地标和设备4层，并根据其特征进行数据库设计。

3.2.1 生成shapefile文件

底图图层提供了一个可叠加其他图层的框架，通常会抽象出相对稳定不易发生变化的元素放在底图。

底图一般分为矢量和栅格两种，栅格图层借助于位图丰富的信息，能够更加真实的反映现场情况，增强真实感，卫星云图和航拍图都是常见的栅格底图。本文的应用是面向机场的室内空间，通常具有固定的装修风格，地面图像往往没有显著的变化，出于效率的考虑，本文采用矢量图作为底图。

首先，将dwg格式的建筑物CAD图纸导入到ArcMap中，然后，筛选出希望保留的要素，如墙面、隔离区等。进而对各个区域进行颜色编辑，即形成了底图图层。然后在底图的基础上，编辑道路、主要地标和设备图层。由于考虑到设备较多，且被缩放到同一个页面下显示的情况，采用与设备尺寸成比例的矢量矩形来表征安检设备，以不同的颜色来标识设备状态。待所有的元素编辑完成后，调用ArcMap中的格式转换工具，生成.shp格式的地图文件。

3.2.2 导入空间数据库

PostgreSQL自带的PostGIS提供了方便的将shapefile导入到PostgreSQL 的功能[6]。

首先，使用shp2pgsql生成shapefile的sql脚本，在命令行界面，输入转换指令“C：Program FilesPostgreSQL8.3inshp2pgsql" -W "GBK" D：DeviceMap.shp > D：DeviceMap.sql”，然后，将SQL文件的编码格式修改为ASCII，最后，在PostgreSQL的管理工具中运行之前生成的sql脚本，即可将数据写到数据库中。

3.3 地图发布

在发布地图之前，需要配置Geoserver服务器。首先，将Geoserver的war包放置在tomcat的webapps文件夹下，然后，启动tomcat。具体的配置步骤如下：

（1）启动Geoserver，在浏览器中输入http：//localhost：8080/geoserver，登陆服务器后，新建名称空间。

（2）点击数据库，配置和postgreSQL的数据库连接，同时为每个图层配置样式表。

（3）配置FeatureTypes，为各图层配置相应的引用类型，生成经纬度范围后，即实现了WMS图层的发布。

3.4 专题图层

OpenLayers封装了地图的常见操作，在客户端使用这个框架，可有效减少与服务器交互的次数，加速响应时间。本文通过OpenLayers的Control类分别添加了平移、旋转、缩放、楼层切换、比例尺、全屏等控件，使常用的基本操作在本地即可完成，避免了频繁访问服务器。

OpenLayers提供了丰富的绘制专题图层的方法，如点密度、分层渲染图等，监控工作站针对各类设备信息，可提供多种展示方式。

安检设备在地图上用矢量矩形进行表征，当设备状态发生变化时，本文采用更换填充颜色的方式来提示用户，设备状态根据实际运行情况被划分为关机、空闲、忙、一般故障、紧急故障5种，采用高饱和度且与底图对比强烈的颜色来达到醒目提示的目的，相应的提示颜色分别为黑、绿、黄、紫、红。OpenLayers通过在页面上重绘矢量矩形的方式进行状态刷新。

设备的故障采集代理程序将运行情况上传到设备服务器中，监控工作站通过查询该数据获取设备的状态变化，并反馈给OpenLayers，这个过程需要借助于C#与Javascript的互操作，具体的实现方法是首先将C#程序设置为com可访问，Javascript通过window.external调用C#的方法，即由ObjectForScripting属性设置的类的实例中所包含的公共方法，而C#则通过webBrowser类的Document属性中的InvokeScript方法调用当前网页的Javascript方法。

设备故障状态的专题图效果如图2所示。

图2 部分地图效果

3.5 路径规划

计算两点在路网中的最短路径，有很多经典算法和实现，最常用的有Dijkstra[7]和A*算法，原理都是从起点开始计算到各点的最短路径，逐个比较取最短值，相比之下A*算法效率较高。传统的实现都是首先将路网数据存储为图的数据结构，在需要计算时，读取并执行相应的算法。而GIS应用的特殊性在于数据库中已经存储了道路和空间数据，如果能直接利用GIS的空间数据就能避免空间和时间的2次投入。

PostGIS自带的拓展插件PgRouting提供了路径分析的实现，只需在PostGIS中添加PgRouting的扩展，并为每条路段添加相应的权重和交叉节点。相应的，OpenLayers需要在前端增加查询和显示路径数据的接口函数。

当接收到前端的查询请求后，PostGIS将路径规划的结果保存在GIS数据库中供前端查询。OpenLayers在地图上以添加Layer的方式来显示路径，在设置起终点和路径的样式后，为每个中间结点生成一个坐标点，并用Join的方法进行连接，最终得到最短路径的Layer并显示在前端。

最短路径的实现可以有效的支持故障的快速处理，经测试发现，PostGIS提供的路径规划方法能够高效的响应查询请求，满足业务需求。而路径权重的设置则基于对机场的实际勘察，除实际空间距离之外还考虑了拥挤程度和受限区域的影响。

4 结论

本文基于开源WebGIS框架搭建的机场安检运维管理系统，以地理信息系统为载体，将机场各设备的信息有机地收集起来，进行直观高效的信息发布，形成了新型的运维机制。目前该系统已经正常运行并稳定、安全的实现报警、故障显示、自动定位、路径规划等任务，大大减轻了运维的工作量，提高了安检系统的可靠性。

本文提供了一种快速构建轻量级室内电子地图的方法，由于全部采用开源框架进行集成，避免了商业引擎高额的投入，有利于项目的快速推广，具有很强的可扩展性，可方便地进行系统移植、升级和改造。

[1]贺日兴,孙丕龙. 公安行业警用地理信息平台建设思路及进展[J]. 地理信息世界,2011(6):7-11.

[2]黄超. WebGIS技术在消防远程监控系统中的应用[D]. 成都:成都理工大学,2009:2-3.

[3]张慧明. ArcIMS与GeoServer的应用设计比较研究[D]. 北京:北京建筑工程学院,2010:5-8.

[4]陈德鑫. 基于OpenLayers客户端的网络地图实现技术框架[J].现代测绘,2010(3):48-49.

[5]蒋佩伶,苗放,张峻骁. 基于GeoServer和OpenLayers的WebGIS实现[J]. 甘肃科技,2009(22):33-34.

[6]梁启靓. 基于Geoserver的开源WebGIS开发与应用[D]. 西安:长安大学,2010:30-32.

[7]焦元. 警用GIS中动态时间最短路径的研究与应用[D]. 武汉:湖北工业大学,2009:38-45.

TP391.41

A

2095-7939（2017）05-0125-04

10.14060/j.issn.2095-7939.2017.05.026

2017-05-09

郝世昱（1989-），女，河北邯郸人，公安部第一研究所助理工程师，主要从事计算机应用技术研究。

（责任编辑：于 萍）