面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 海，李宏偉，杜澤欣，馬雷雷，連世偉

（信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450000）

城市各類管線是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、能源輸送等工作，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。管線管理信息系統(tǒng)在規(guī)劃、石化企業(yè)、自來(lái)水公司、消防、煤氣、天然氣等部門有著廣泛的應(yīng)用。建立城市管線管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市管線數(shù)字化管理，不僅是城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，也是城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，更是抗震、防災(zāi)和應(yīng)對(duì)突發(fā)性重大事故的需要。

作為地理信息系統(tǒng)的重要應(yīng)用方向之一，城市管網(wǎng)綜合管理GIS系統(tǒng)的理論和實(shí)踐研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但仍然存在諸多問(wèn)題［1－3］：系統(tǒng)多為單機(jī)版或C／S架構(gòu)，通用性有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用和服務(wù)級(jí)別的共享；系統(tǒng)的功能雖然豐富，但是專業(yè)性和功能的可擴(kuò)展性差；對(duì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全性方面考慮較少。針對(duì)這些問(wèn)題，本文基于SOA［4－6］架構(gòu)和Arc GIS Ser ver平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)，探討系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中使用的Silverlight富客戶端技術(shù)、Arc GIS Ser ver服務(wù)擴(kuò)展技術(shù)及服務(wù)權(quán)限控制技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)調(diào)用層及用戶層5層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和管線數(shù)據(jù)庫(kù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)可以被業(yè)務(wù)應(yīng)用直接訪問(wèn)，管線數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎（Arc SDE）中間件連接關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)空間數(shù)據(jù)。

服務(wù)層：包括Arc GIS Ser ver服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。Arc GIS Ser ver的服務(wù)發(fā)布是面向服務(wù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，用戶可以直接發(fā)布Arc GIS Ser ver支持的地圖等類型的GIS服務(wù)，或是通過(guò)服務(wù)器端編程擴(kuò)展Arc GIS Server服務(wù)。經(jīng)過(guò)封裝的服務(wù)對(duì)外公布接口以供調(diào)用，充分體現(xiàn)SOA封裝性好、松散耦合的特點(diǎn)［7］。在服務(wù)類型的選擇上，鑒于 REST［8］風(fēng)格服務(wù)易用性、靈活性和可供Arc GIS f or Silverlight API直接消費(fèi)的特點(diǎn)，本文采用REST風(fēng)格服務(wù)（通過(guò)Arc GIS Server Rest API服務(wù)接口）。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)主要具有限定用戶權(quán)限管理功能，完成用戶驗(yàn)證、令牌申請(qǐng)（通過(guò)訪問(wèn)Arc GIS Ser ver的Token服務(wù)）等工作。服務(wù)以Web Ser vice服務(wù)的形式提供給用戶。

網(wǎng)絡(luò)層：即互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)。

服務(wù)調(diào)用層：即基于Silverlight的富客戶端，用戶可以通過(guò)安裝有Silverlight的瀏覽器登錄系統(tǒng)，完成各種業(yè)務(wù)操作和消費(fèi)服務(wù)。在訪問(wèn)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)和管線服務(wù)時(shí)，參數(shù)的傳遞分別使用XML和JSON數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能時(shí)可能是對(duì)服務(wù)的直接調(diào)用，如地圖瀏覽；也可能是各種服務(wù)的組合，如爆管分析，需要地圖服務(wù)、查詢服務(wù)及爆管服務(wù)來(lái)共同完成。這種調(diào)用方式充分體現(xiàn)SOA高度的易集成性。

用戶層：即系統(tǒng)用戶。

1．2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)面向城市管線的各個(gè)管理部門和市政綜合管線數(shù)據(jù)的維護(hù)部門。根據(jù)管線數(shù)據(jù)特點(diǎn)和用戶需求，系統(tǒng)GIS功能概括起來(lái)主要有以下3個(gè)模塊：①基本操作模塊：提供城市基礎(chǔ)地圖和各專業(yè)部門管線圖的瀏覽、放大、縮小、漫游、查詢、定位等功能。②管線分析模塊：針對(duì)各管線提供不同的管線分析功能，如埋深分析、排污分析、壽命分析、爆管分析、連通性分析、斷面分析、緩沖區(qū)分析等［1－2］。③數(shù)據(jù)打包、在線制圖輸出模塊：數(shù)據(jù)打包是根據(jù)用戶選擇范圍和格式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到客戶端，在線制圖允許用戶根據(jù)選擇范圍和模板在服務(wù)器端生成的地圖，并以一定格式下載到客戶端。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2．1 Arc GIS Server服務(wù)擴(kuò)展技術(shù)

城市管線的地理系統(tǒng)信息服務(wù)內(nèi)容除了常規(guī)的地圖瀏覽、查詢定位、數(shù)據(jù)打包和在線制圖（可以通過(guò)地理處理服務(wù)發(fā)布）等常規(guī)GIS功能外，還包括一些專業(yè)分析功能，如爆管分析、開(kāi)挖分析等，這些功能Arc GIS Server并沒(méi)有現(xiàn)成的模型和方法。系統(tǒng)需要對(duì)Arc GIS的服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展。

在Arc GIS 10．1中Arc GIS Ser ver不再支持DCOM方式的連接，無(wú)法通過(guò)本地方式的連接使用Arc Objects提供的更多功能。為了實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充，可以使用SOE（Ser ver Object Extension）服務(wù)器對(duì)象擴(kuò)展。一個(gè)SOE就是一個(gè)包含一組方法的類，這個(gè)類可以在SOC（Arc GIS 10．1 for Server進(jìn)程，全稱ArcSOC．exe）中運(yùn)行，并且可以被web應(yīng)用程序調(diào)用。Server Objects是粗粒度的AO組件，是一個(gè)可以執(zhí)行特定操作的高級(jí)對(duì)象，它隱藏了細(xì)粒度的Arc Object，可以利用SOE編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)擴(kuò)展。

Arc GIS在Visual Studio 2010中為開(kāi)發(fā)者提供了SOE開(kāi)發(fā)的模板，其主要繼承了IREST－Request Handler和IServer Object Extension兩個(gè)接口，IServer Object Extension里的方法主要負(fù)責(zé)獲取IServer Object Helper對(duì)象，IRESTRequest Handler里的方法主要用來(lái)獲取請(qǐng)求參數(shù)和返回SOE的資源列表。利用SOE編寫的程序生成的文件添加到Arc GIS Server后，將出現(xiàn)在Arc GIS Services Directory之內(nèi)，并將提供特性設(shè)置、基本類型等Arc－GIS APIs能夠理解的典型對(duì)象類型。在本系統(tǒng)中連通性分析和爆管分析等使用SOE開(kāi)發(fā)。

2．2 服務(wù)權(quán)限控制技術(shù)

由于城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)面向用戶的角色不同，不同的角色允許訪問(wèn)的服務(wù)也不同，如給水管線、電力管線、通信管線，對(duì)應(yīng)的角色自來(lái)水公司、電力公司和通信公司，所能訪問(wèn)的地圖服務(wù)也就不同，本角色只能看到本部門自己的管線圖。用戶所能使用的功能可能也受到數(shù)據(jù)的限制，如電力部門并不涉及到爆管分析的功能。因此應(yīng)當(dāng)對(duì)GIS的各種服務(wù)進(jìn)行權(quán)限控制。

Arc GIS Server有自己的安全策略，一般的安全模型為：用戶請(qǐng)求資源——身份驗(yàn)證——角色映射——角色評(píng)估和授權(quán)。此外，Arc GIS Server還可以進(jìn)行復(fù)雜的集成安全配置。

本系統(tǒng)考慮到城市管線管理系統(tǒng)的安全性要求及與其他系統(tǒng)集成的便利性，采用了用戶＋Token令牌的方式來(lái)進(jìn)行服務(wù)的權(quán)限控制，用戶登錄到城市管線綜合管理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的角色申請(qǐng)到角色對(duì)應(yīng)的所有服務(wù)的令牌，當(dāng)用戶要訪問(wèn)某服務(wù)時(shí)，出示令牌就可以訪問(wèn)服務(wù)，用戶－角色－服務(wù)映射關(guān)系如圖2所示。

圖2 用戶權(quán)限對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

本系統(tǒng)中，為了方便在Arc GIS外部實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制，在Arc GIS Ser ver創(chuàng)建了與角色一一對(duì)應(yīng)的用戶（記為用戶A），賦予不同的角色對(duì)應(yīng)的服務(wù)訪問(wèn)權(quán)限。在Arc GIS Ser ver外，創(chuàng)建了單獨(dú)的業(yè)務(wù)用戶表B（記為用戶B），并建立它和Arc GIS Ser ver用戶A的映射關(guān)系，這樣用戶B登錄成功后獲取用戶A的用戶名和密碼，然后訪問(wèn)Token服務(wù)得到對(duì)應(yīng)角色的令牌，最后攜帶令牌便可請(qǐng)求系統(tǒng)給對(duì)應(yīng)角色分配的服務(wù)。令牌實(shí)際上是一長(zhǎng)串字符，訪問(wèn)服務(wù)時(shí)出示令牌便可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)的順利調(diào)用，Token方式實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制的流程如圖3所示。

2．3 Silverlight富客戶端技術(shù)

圖3 Token方式實(shí)現(xiàn)權(quán)限控制的流程

RIA（Rich Internet Application）技術(shù)由 Macr o media于2001年提出，即“富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用”，具有表現(xiàn)力強(qiáng)、內(nèi)容豐富、異步處理、交互性好等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)程序的開(kāi)發(fā)是基于頁(yè)面的、服務(wù)器端數(shù)據(jù)傳遞的模式，事件處理能力差，當(dāng)用戶與其交互時(shí)，其用戶體驗(yàn)差，局部刷新等技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難，這樣使得Web應(yīng)用程序難以使用、成本高，無(wú)法發(fā)揮作用［9］。在這樣的背景下RIA技術(shù)發(fā)展起來(lái)，它通過(guò)HTTP進(jìn)行傳遞，并采用異步的方式與后端服務(wù)器進(jìn)行通信。隨著眾多RIA產(chǎn)品的推出使得利用RIA開(kāi)發(fā)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［9－10］。HTML5的推出雖對(duì)RIA技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)，但當(dāng)前RAI技術(shù)應(yīng)用的成功將使RIA今后相當(dāng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在主流的RIA技術(shù)包括：Silverlight，JavaScript，F(xiàn)lex 等。目 前，ESRI對(duì) Arc GIS Server REST API接口對(duì)三種RIA形式的API都提供支持。Silverlight是微軟公司推出的一個(gè)跨平臺(tái)、跨瀏覽器的插件，它不但具有矢量圖形、動(dòng)畫和視頻功能等良好的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)，還將界面顯示和功能代碼分離，提供靈活的編程模型，并可以集成到現(xiàn)有Web應(yīng)用程序中［5］。Arc GIS Silverlight API是構(gòu)建在微軟Silverlight平臺(tái)之上，通過(guò)Arc GIS Ser ver Rest API消費(fèi)Arc GIS Server服務(wù)的應(yīng)用程序編程接口，包含很多和地圖有關(guān)的類庫(kù)和Arc GIS Server REST API，可以很方便的消費(fèi)Arc GIS Server的服務(wù)，并在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)顯示和交互。如在Visual Studio2010下使用．Net編程，通過(guò)簡(jiǎn)單的URL地址便可輕松消費(fèi)各種服務(wù)。

在城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)中，無(wú)論是基礎(chǔ)地圖、管線圖還是管線分析結(jié)果都要求系統(tǒng)具有較好的可視化效果，而管線分析、數(shù)據(jù)打包制圖等功能則需要用戶和地圖的交互完成。Silverlight富客戶端技術(shù)的采用，可滿足城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3．1 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本系統(tǒng)作為洛陽(yáng)市地下空間綜合管理系統(tǒng)的一部分，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為洛陽(yáng)市高新區(qū)給水、電力、通信等管線數(shù)據(jù)和城市基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和管線數(shù)據(jù)庫(kù)均使用SQLSer ver2008管線數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)Arc SDE導(dǎo)入管線數(shù)據(jù)建立。

系統(tǒng)管線服務(wù)采用Arc GIS Ser ver10．1發(fā)布，主要包含地圖服務(wù)、地理處理服務(wù)及擴(kuò)展服務(wù)。管線地圖服務(wù)為最基本的服務(wù)，其包含地圖瀏覽、查詢等功能；地理處理服務(wù)用來(lái)發(fā)布管線制圖和數(shù)據(jù)打包等服務(wù)；擴(kuò)展服務(wù)使用C＃在Visual Studio2010下進(jìn)行SOE擴(kuò)展編程，然后添加到地圖服務(wù)中，Arc GIS Server發(fā)布的服務(wù)見(jiàn)圖4（a），服務(wù)擴(kuò)展見(jiàn)圖4（b）。

圖4 Arc GIS Server服務(wù)及擴(kuò)展服務(wù)

系統(tǒng)客戶端功能利用Arc GIS API f or Sliverlight3．1在Visual St udio2010下使用C＃編程，調(diào)用管線服務(wù)結(jié)合客戶端編程實(shí)現(xiàn)。某些功能需調(diào)用多個(gè)管線服務(wù)才能完成，表1列出部分功能所調(diào)用到的服務(wù)。

表1 部分系統(tǒng)功能訪問(wèn)的服務(wù)

系統(tǒng)權(quán)限主要是對(duì)服務(wù)權(quán)限實(shí)現(xiàn)控制。首先在Arc GIS Server中創(chuàng)建一一對(duì)應(yīng)的用戶和角色，并給服務(wù)分配角色（見(jiàn)圖5）；然后在Silverlight客戶端編程中調(diào)用Web Service訪問(wèn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)驗(yàn)證用戶，取得Arc GIS Server內(nèi)部用戶并申請(qǐng)Token服務(wù)獲得令牌；最后在訪問(wèn)服務(wù)時(shí)出示令牌便獲得許可。

圖5 Arc GIS Server用戶表及服務(wù)角色分配

本系統(tǒng)作為城市空間綜合管理系統(tǒng)的一個(gè)模塊嵌入到該系統(tǒng)中。系統(tǒng)的UI界面使用Silverlight搭建（見(jiàn)圖6（a）、圖6（b）），主界面左側(cè)為功能菜單，通過(guò)點(diǎn)擊以加載對(duì)應(yīng)的工具條，用戶通過(guò)工具條及地圖與系統(tǒng)交互完成操作。

3．2 功能展示

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各功能，以下對(duì)系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行展示和介紹（見(jiàn)圖6）。

地圖瀏覽：如圖6（a）所示，地圖瀏覽允許用戶查看城市基礎(chǔ)地圖、管線地圖。后臺(tái)地圖瀏覽通過(guò)在Silverlight中使用瓦片地圖服務(wù)及動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。界面左下角為“通用工具條”，提供了放大、縮小、漫游、全圖及客戶端地圖打印（客戶端完成）等功能。使用系統(tǒng)其他功能時(shí)均可使用此工具條。

查詢定位：如圖6（b）所示，查詢定位界面提供了模糊查詢和依街道查詢兩個(gè)工具，輸入并點(diǎn)擊查詢后將返回候選列表，點(diǎn)擊列表中的記錄便可高亮定位到相應(yīng)要素。后臺(tái)查詢主要使用Quer y服務(wù)。

爆管分析：如圖6 c所示，該功能通過(guò)服務(wù)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，擴(kuò)展主要通過(guò)ITraceFlowSolver GEN接口實(shí)現(xiàn)，用戶在圖上輸入管線上爆管點(diǎn)，系統(tǒng)將分析得出爆管后應(yīng)當(dāng)關(guān)閉的閥門以及下游影響的范圍。在后臺(tái)，由于爆管分析不僅要得出爆管后影響的下游管線還要得出緩沖區(qū)內(nèi)可能受影響的居民區(qū)，因此不僅使用到爆管分析服務(wù)，還用到Geometry及Query服務(wù)，最后采用Silverlight可視化呈現(xiàn)。

緩沖區(qū)分析：如圖6（d）所示，該功能可以用于道路擴(kuò)建分析，選擇道路并輸入距離，可以得到道路兩側(cè)受影響的居民區(qū)。后臺(tái)實(shí)現(xiàn)時(shí)使用Geo metr y服務(wù)建立緩沖區(qū)，在使用Quer y服務(wù)獲得緩沖區(qū)內(nèi)的要素。

在線制圖：如圖6（e）所示，用戶輸入圖名、范圍、紙張大小及制圖格式（PDF、JPG等）等參數(shù)，服務(wù)器返回文件。后臺(tái)使用Arc GIS Server發(fā)布的制圖Geoprocessing服務(wù)。該功能強(qiáng)于“通用工具條”中的客戶端制圖。

圖6 系統(tǒng)部分功能

數(shù)據(jù)打包：如圖6（f）所示，用戶選擇要輸出的圖層、范圍及輸出格式（GDB、Shap File等），服務(wù)器端將返回符合要求的管線數(shù)據(jù)包，供用戶下載。后臺(tái)采用Arc GIS Ser ver發(fā)布的數(shù)據(jù)打包處理地理服務(wù)結(jié)合SOE擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究B／S架構(gòu)下，面向服務(wù)的城市管網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，為包括城市管網(wǎng)在內(nèi)的web端GIS系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種良好的解決思路。面向服務(wù)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性、可復(fù)用性和易集成性。Arc GIS Ser ver作為基于Web的企業(yè)級(jí)GIS解決方案，用戶可以快速發(fā)布多種GIS服務(wù)并搭建基于Web服務(wù)的GIS應(yīng)用。Arc GIS Server服務(wù)擴(kuò)展SOE的服務(wù)器端編程技術(shù)擴(kuò)展了Arc GIS Ser ver現(xiàn)有的服務(wù)，使得Arc－GIS能夠發(fā)布滿足專業(yè)用戶的復(fù)雜服務(wù)。Silverlight可簡(jiǎn)單快捷地在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)地圖顯示等GIS功能，并實(shí)現(xiàn)良好的交互性，而使用Arc GIS API f or Silverlight使得客戶端編程非常方便。GIS服務(wù)無(wú)論是功能還是地圖數(shù)據(jù)都同用戶密切相關(guān)，本文提出了Arc GIS Ser ver服務(wù)權(quán)限管理的技術(shù)，使GIS服務(wù)同用戶角色掛鉤，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)權(quán)限的控制。組合服務(wù)并結(jié)合客戶端編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的方式體現(xiàn)了系統(tǒng)面向服務(wù)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。今后，要在增強(qiáng)系統(tǒng)功能易用性、實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端的負(fù)載均衡、系統(tǒng)企業(yè)級(jí)安全策略、系統(tǒng)集成安全等方面開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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