城市智慧水务管理信息系统的设计与实现

包振虎，温 伟，邢增招，吴若轩

(自然资源部海南基础地理信息中心，海口，570203)

1 引言

城市水务的管理既需要从宏观上了解城市整体运行情况，实现对城市水务数据的统一管理；同时，也需要从微观上进行“分包到户”的监督管理[1-2]，并指派巡检员到分管区域巡查监督，将巡检情况汇总至平台，以获准进行执法和其他水务管理维护行动，形成自下而上的全覆盖城市监管。城市智慧水务管理信息系统基于地理信息公共平台提供的资源服务，在线调用矢量电子地图、影像地图、专题数据和POI查询等数据服务[3-5]，同时接入水资源传感器监控信息，集成水务设施部件数据，实现图、文、业务一体化和全方位的管理，提高城市水务微观管理的执法效率和水务设施管理能力。

2 需求分析

2.1 业务分析

城市智慧水务管理信息系统业务流程分为城市水务综合管理流程和执法监察两个业务流程。

2.1.1 城市水务综合管理业务流程

城市综合管理业务流程包含数据准备、数据处理、数据入库、数据发布、图形编辑、属性录入、地图接入、地图服务(叠加浏览、图斑查询、POI查询等)、监测传感数据接入，其业务流程如图1所示。

图1 城市水务综合管理业务流程

2.1.2 执法监察业务流程

执法监察的业务流程包含手机端数据采集、巡检数据上传，巡检数据管理、巡检数据展示等几个部分，其业务流程如图2所示。

图2 执法监察业务流程

2.2 功能需求分析

主要业务功能需要包括以下几个方面：

(1)手机端水务管理APP：提供巡检员实时位置和水务管理事件数据采集和上传功能。

(2)城市水务综合管理：提供电子地图、影像地图、水务设施部件矢量数据的图层管理，接入水务监测设备信息，实现基础地理数据和城市水务管理专题数据的在线浏览。

(3)执法监察管理：将巡检员通过手机端APP上传的实时位置和水务管理事件在门户系统上以空间化和列表清单的形式实现信息的展示、查询和管理。

(4)地图应用：实现POI查询、空间量算、地图标注等基本操作。

(5)运维管理系统：实现对系统数据的有效管理和配置，保障系统安全、稳定、高效地运行。

3 系统总体设计

3.1 总体技术路线

3.1.1 数据服务

(1)提供基于OGC开放接口(WMS、WFS、WCS)标准的跨平台、轻量级的数据共享服务。

(2)调用数字城市地理空间信息公共服务平台发布的OGC标准服务或对外提供的各类Web Service服务。

(3)实现数据与应用分离，以数据访问中间件为边界，应用系统只关注用户业务功能，数据系统关注数据的管理维护和数据库的持续运行，两者通过中间件衔接。

3.1.2 系统设计与开发

系统设计与开发工作依据本项目的建设要求与具体功能需求，确定技术路线如下：

(1)数据服务功能使用SOA体系架构和Web Service技术实现；

(2)采用面向对象的构件设计思想，在需求分析抽象的基础上，进行软件功能构件的设计规划，力求“低耦合，高内聚”，再根据应用与管理对象的不同，将软件构件灵活组装搭建成不同的应用子系统；

(3)采用统一建模语言UML开展系统分析设计，系统使用J2EE技术架构搭建。

3.2 总体技术架构

系统采用面向服务的结构进行建设，采用异构分布式的方式建设城市水务管理专题数据库，在线调用数字城市地理空间框架建设项目的建设成果和水务专题服务，为管理部门提供在线水务管理的统一门户。城市智慧水务管理信息系统项目总体技术架构如图3所示，可以划分为四个层次：支撑层、数据层、服务层和应用层。

图3 系统总体技术架构

3.2.1 支撑层

主要包括网络设施、计算机、存储备份系统和各类基础软件如数据库软件、GIS软件等。

3.2.2 数据层

数据层主要包括基础地理信息数据和行业专题数据，数据共享、交换和使用通过数据服务发布与注册接入实现。

3.2.3 服务层

主体依托框架建设项目地理空间信息公共平台提供的在线地理信息服务，实现以二维地图为主要表现形式的地理信息浏览。通过该方式，可以大量节省基础地理信息要素数据采集、维护费用。行业专题数据通过服务器端的专题服务进行调用。

3.2.4 应用层

构建手机端水务执法监察APP，提供巡检员实时位置和水务管理事件数据采集和上传功能；构建城市智慧水务管理地理信息门户网站，满足在线城市水务综合管理和执法监察管理的需求，在线接入和调用电子地图、影像地图、矢量以及影像注记服务、监测传感信息等服务数据，实现城市水务管理数据与基础地理信息数据的在线浏览。并能将巡检员通过手机端APP上传的实时位置和水务管理事件在门户系统上以空间化和列表清单的形式展示。

3.3 系统功能设计

针对城市智慧水务数据的集成管理及显示等需要，设计城市水务综合管理系统的架构、模块划分、功能构成，具体包括巡检员数据采集手机软件、门户网站和运维管理系统三大子系统。系统构成如图4所示。

图4 系统构成

3.4 系统部署设计

综合考虑系统的服务对象和提供的服务能力，采用如下部署模式，具体如图5所示。

图5 系统部署设计

3.5 系统运行模式

城市智慧水务管理信息系统以巡检执法数据、水务管理专题数据及基础地理信息数据为核心，其中巡检执法数据通过手机端进行采集，并上传至系统；水务管理专题数据包括水务设施部件数据等，通过矢量编辑、统一入库管理实现统一对外提供服务；基础地理信息要素数据通过地理空间框架建设项目地理空间信息公共平台提供的数据服务接口实现调用。系统运行模式如图6所示。

图6 系统运行模式

4 系统实现

系统基于数字城市地理信息公共平台所提供的各类数据服务，整合城市水务管理专题数据特点的情况下，开发建设了城市智慧水务管理信息系统的前台门户网站(图7-图8)、手机巡检APP(图9-图10)。为城市水污染源在线监管、城市供排水管理等提供了多样化的手段，进而提高了城市水务管理效率。

图7 城市智慧水务管理信息系统前台门户网站

图8 巡查监控

图 9 实时位置采集界面

图10 巡检内容采集界面

5 关键技术

5.1 地理编码和地址匹配技术

地理编码和地址匹配是建立空间信息与非空间信息之间联系的最重要最实用的手段。地理编码是一个将街区地址转换为带有空间位置信息的过程。地址匹配是将文字性的描述地址与其空间的地理位置坐标建立起对应关系的过程。地址匹配服务按照特定的步骤为地址查找匹配对象。首先要将地址标准化；然后服务器搜索地址匹配参考数据，查找潜在的位置；根据与地址的接近程度为每个候选位置指定分值，最后用分值最高的候选位置来匹配这个地址。

5.2 海量地图瓦片存储和管理技术

地图瓦片是WebGIS应用中一种重要的数据，它的主要特点如下：数据离散、存储占用空间大、管理和更新不变等特点。因此，对海量地图瓦片的存储和管理，有一定的技术难度。因为对海量瓦片的管理既要考虑存储、更新、备份、管理的便捷性又要考虑在大并发访问时的高效性。

5.3 数据缓存技术

数据缓存，就是对系统中访问频繁、不经常变动的热点数据进行的一种优化处理的技术。数据缓存的形态主要分为内存缓存和磁盘缓存两种。数据缓存的建立，能有效降低数据库并发访问的压力，提升系统的并发能力和响应速度，提高用户的查询浏览体验。

在WebGIS应用中，需要做缓存处理的数据主要有：地图切片、地名数据和其他元数据等。在实际应用中，可能会出现多种缓存技术并用的情况。以地图瓦片为例，对于那些热点数据经常会放置在内存中。而内存缓存有限，如果想把所有的热点数据都做缓存优化处理，这时需要配合一定的磁盘缓存处理。

5.4 跨平台地图可视化保真技术

网络地理信息服务与本地地理信息应用不同，由于客户端所依赖的运行条件的差异，地图应用环境存在较大的不确定性。为达到统一的图形显示效果，必须解决地图表达的跨平台可视化保真问题，即无论客户端运行平台如何变化，应保证地图显示的一致性和不失真。本项目采用基于Bezier曲线的绘图机理，利用其良好的多平台支持特性，通过构建基于Bezier曲线的地图基元模型，实现了跨平台的地图可视化。

6 小结

城市智慧水务管理信息系统的建设为城市水污染、城市供排水等问题在线监管提供了多样化的手段，实现基于“一张图”的监测全面实时化、管理业务协同化、决策科学化管理，构建了一个“建、集、管、用、维”的智慧水务体系[6]。