面向服務的城市管網綜合管理系統(tǒng)設計

周 海，李宏偉，杜澤欣，馬雷雷，連世偉

（信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州450000）

城市各類管線是城市重要的基礎設施，擔負著信息傳輸、能源輸送等工作，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質基礎［1］。管線管理信息系統(tǒng)在規(guī)劃、石化企業(yè)、自來水公司、消防、煤氣、天然氣等部門有著廣泛的應用。建立城市管線管理系統(tǒng)，實現城市管線數字化管理，不僅是城市經濟和社會發(fā)展的需要，也是城市規(guī)劃、建設和管理的需要，更是抗震、防災和應對突發(fā)性重大事故的需要。

作為地理信息系統(tǒng)的重要應用方向之一，城市管網綜合管理GIS系統(tǒng)的理論和實踐研究已經取得很大進展，但仍然存在諸多問題［1－3］：系統(tǒng)多為單機版或C／S架構，通用性有限，無法實現跨平臺應用和服務級別的共享；系統(tǒng)的功能雖然豐富，但是專業(yè)性和功能的可擴展性差；對系統(tǒng)和數據安全性方面考慮較少。針對這些問題，本文基于SOA［4－6］架構和Arc GIS Ser ver平臺，設計一種面向服務的城市管網綜合管理系統(tǒng)，探討系統(tǒng)實現中使用的Silverlight富客戶端技術、Arc GIS Ser ver服務擴展技術及服務權限控制技術。

1 系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)基本架構

系統(tǒng)架構包括數據層、服務層、網絡層、服務調用層及用戶層5層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本架構

數據層：包含業(yè)務數據庫和管線數據庫。業(yè)務數據庫可以被業(yè)務應用直接訪問，管線數據庫通過空間數據引擎（Arc SDE）中間件連接關系數據庫訪問空間數據。

服務層：包括Arc GIS Ser ver服務和業(yè)務應用服務。Arc GIS Ser ver的服務發(fā)布是面向服務設計的關鍵，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，或是通過服務器端編程擴展Arc GIS Server服務。經過封裝的服務對外公布接口以供調用，充分體現SOA封裝性好、松散耦合的特點［7］。在服務類型的選擇上，鑒于 REST［8］風格服務易用性、靈活性和可供Arc GIS f or Silverlight API直接消費的特點，本文采用REST風格服務（通過Arc GIS Server Rest API服務接口）。系統(tǒng)的業(yè)務應用服務主要具有限定用戶權限管理功能，完成用戶驗證、令牌申請（通過訪問Arc GIS Ser ver的Token服務）等工作。服務以Web Ser vice服務的形式提供給用戶。

網絡層：即互聯網或局域網。

服務調用層：即基于Silverlight的富客戶端，用戶可以通過安裝有Silverlight的瀏覽器登錄系統(tǒng)，完成各種業(yè)務操作和消費服務。在訪問業(yè)務應用服務和管線服務時，參數的傳遞分別使用XML和JSON數據交換技術。在實現系統(tǒng)功能時可能是對服務的直接調用，如地圖瀏覽；也可能是各種服務的組合，如爆管分析，需要地圖服務、查詢服務及爆管服務來共同完成。這種調用方式充分體現SOA高度的易集成性。

用戶層：即系統(tǒng)用戶。

1．2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能設計面向城市管線的各個管理部門和市政綜合管線數據的維護部門。根據管線數據特點和用戶需求，系統(tǒng)GIS功能概括起來主要有以下3個模塊：①基本操作模塊：提供城市基礎地圖和各專業(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數據打包、在線制圖輸出模塊：數據打包是根據用戶選擇范圍和格式將數據打包發(fā)送到客戶端，在線制圖允許用戶根據選擇范圍和模板在服務器端生成的地圖，并以一定格式下載到客戶端。

2 系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術

2．1 Arc GIS Server服務擴展技術

城市管線的地理系統(tǒng)信息服務內容除了常規(guī)的地圖瀏覽、查詢定位、數據打包和在線制圖（可以通過地理處理服務發(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、開挖分析等，這些功能Arc GIS Server并沒有現成的模型和方法。系統(tǒng)需要對Arc GIS的服務進行擴展。

在Arc GIS 10．1中Arc GIS Ser ver不再支持DCOM方式的連接，無法通過本地方式的連接使用Arc Objects提供的更多功能。為了實現功能的擴充，可以使用SOE（Ser ver Object Extension）服務器對象擴展。一個SOE就是一個包含一組方法的類，這個類可以在SOC（Arc GIS 10．1 for Server進程，全稱ArcSOC．exe）中運行，并且可以被web應用程序調用。Server Objects是粗粒度的AO組件，是一個可以執(zhí)行特定操作的高級對象，它隱藏了細粒度的Arc Object，可以利用SOE編程實現服務擴展。

Arc GIS在Visual Studio 2010中為開發(fā)者提供了SOE開發(fā)的模板，其主要繼承了IREST－Request Handler和IServer Object Extension兩個接口，IServer Object Extension里的方法主要負責獲取IServer Object Helper對象，IRESTRequest Handler里的方法主要用來獲取請求參數和返回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，將出現在Arc GIS Services Directory之內，并將提供特性設置、基本類型等Arc－GIS APIs能夠理解的典型對象類型。在本系統(tǒng)中連通性分析和爆管分析等使用SOE開發(fā)。

2．2 服務權限控制技術

由于城市管網綜合管理系統(tǒng)面向用戶的角色不同，不同的角色允許訪問的服務也不同，如給水管線、電力管線、通信管線，對應的角色自來水公司、電力公司和通信公司，所能訪問的地圖服務也就不同，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據的限制，如電力部門并不涉及到爆管分析的功能。因此應當對GIS的各種服務進行權限控制。

Arc GIS Server有自己的安全策略，一般的安全模型為：用戶請求資源——身份驗證——角色映射——角色評估和授權。此外，Arc GIS Server還可以進行復雜的集成安全配置。

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令牌的方式來進行服務的權限控制，用戶登錄到城市管線綜合管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)會根據用戶的角色申請到角色對應的所有服務的令牌，當用戶要訪問某服務時，出示令牌就可以訪問服務，用戶－角色－服務映射關系如圖2所示。

圖2 用戶權限對應關系圖

本系統(tǒng)中，為了方便在Arc GIS外部實現權限控制，在Arc GIS Ser ver創(chuàng)建了與角色一一對應的用戶（記為用戶A），賦予不同的角色對應的服務訪問權限。在Arc GIS Ser ver外，創(chuàng)建了單獨的業(yè)務用戶表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Token服務得到對應角色的令牌，最后攜帶令牌便可請求系統(tǒng)給對應角色分配的服務。令牌實際上是一長串字符，訪問服務時出示令牌便可以實現服務的順利調用，Token方式實現權限控制的流程如圖3所示。

2．3 Silverlight富客戶端技術

圖3 Token方式實現權限控制的流程

RIA（Rich Internet Application）技術由 Macr o media于2001年提出，即“富互聯網應用”，具有表現力強、內容豐富、異步處理、交互性好等特點。傳統(tǒng)的網絡程序的開發(fā)是基于頁面的、服務器端數據傳遞的模式，事件處理能力差，當用戶與其交互時，其用戶體驗差，局部刷新等技術實現困難，這樣使得Web應用程序難以使用、成本高，無法發(fā)揮作用［9］。在這樣的背景下RIA技術發(fā)展起來，它通過HTTP進行傳遞，并采用異步的方式與后端服務器進行通信。隨著眾多RIA產品的推出使得利用RIA開發(fā)的應用越來越廣泛［9－10］。HTML5的推出雖對RIA技術構成挑戰(zhàn)，但當前RAI技術應用的成功將使RIA今后相當時間內繼續(xù)得到廣泛應用。

現在主流的RIA技術包括：Silverlight，JavaScript，Flex 等。目 前，ESRI對 Arc GIS Server REST API接口對三種RIA形式的API都提供支持。Silverlight是微軟公司推出的一個跨平臺、跨瀏覽器的插件，它不但具有矢量圖形、動畫和視頻功能等良好的開發(fā)體驗，還將界面顯示和功能代碼分離，提供靈活的編程模型，并可以集成到現有Web應用程序中［5］。Arc GIS Silverlight API是構建在微軟Silverlight平臺之上，通過Arc GIS Ser ver Rest API消費Arc GIS Server服務的應用程序編程接口，包含很多和地圖有關的類庫和Arc GIS Server REST API，可以很方便的消費Arc GIS Server的服務，并在瀏覽器中實現顯示和交互。如在Visual Studio2010下使用．Net編程，通過簡單的URL地址便可輕松消費各種服務。

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

3 系統(tǒng)實現

3．1 實現過程

本系統(tǒng)作為洛陽市地下空間綜合管理系統(tǒng)的一部分，實驗數據為洛陽市高新區(qū)給水、電力、通信等管線數據和城市基礎地圖數據。系統(tǒng)業(yè)務數據庫和管線數據庫均使用SQLSer ver2008管線數據庫通過Arc SDE導入管線數據建立。

系統(tǒng)管線服務采用Arc GIS Ser ver10．1發(fā)布，主要包含地圖服務、地理處理服務及擴展服務。管線地圖服務為最基本的服務，其包含地圖瀏覽、查詢等功能；地理處理服務用來發(fā)布管線制圖和數據打包等服務；擴展服務使用C＃在Visual Studio2010下進行SOE擴展編程，然后添加到地圖服務中，Arc GIS Server發(fā)布的服務見圖4（a），服務擴展見圖4（b）。

圖4 Arc GIS Server服務及擴展服務

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，調用管線服務結合客戶端編程實現。某些功能需調用多個管線服務才能完成，表1列出部分功能所調用到的服務。

表1 部分系統(tǒng)功能訪問的服務

系統(tǒng)權限主要是對服務權限實現控制。首先在Arc GIS Server中創(chuàng)建一一對應的用戶和角色，并給服務分配角色（見圖5）；然后在Silverlight客戶端編程中調用Web Service訪問業(yè)務數據庫驗證用戶，取得Arc GIS Server內部用戶并申請Token服務獲得令牌；最后在訪問服務時出示令牌便獲得許可。

圖5 Arc GIS Server用戶表及服務角色分配

本系統(tǒng)作為城市空間綜合管理系統(tǒng)的一個模塊嵌入到該系統(tǒng)中。系統(tǒng)的UI界面使用Silverlight搭建（見圖6（a）、圖6（b）），主界面左側為功能菜單，通過點擊以加載對應的工具條，用戶通過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)實現了系統(tǒng)設計的各功能，以下對系統(tǒng)的部分功能進行展示和介紹（見圖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地圖、管線地圖。后臺地圖瀏覽通過在Silverlight中使用瓦片地圖服務及動態(tài)地圖服務來實現。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工具，輸入并點擊查詢后將返回候選列表，點擊列表中的記錄便可高亮定位到相應要素。后臺查詢主要使用Quer y服務。

爆管分析：如圖6 c所示，該功能通過服務擴展開發(fā)實現，擴展主要通過ITraceFlowSolver GEN接口實現，用戶在圖上輸入管線上爆管點，系統(tǒng)將分析得出爆管后應當關閉的閥門以及下游影響的范圍。在后臺，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)內可能受影響的居民區(qū)，因此不僅使用到爆管分析服務，還用到Geometry及Query服務，最后采用Silverlight可視化呈現。

緩沖區(qū)分析：如圖6（d）所示，該功能可以用于道路擴建分析，選擇道路并輸入距離，可以得到道路兩側受影響的居民區(qū)。后臺實現時使用Geo metr y服務建立緩沖區(qū)，在使用Quer y服務獲得緩沖區(qū)內的要素。

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，服務器返回文件。后臺使用Arc GIS Server發(fā)布的制圖Geoprocessing服務。該功能強于“通用工具條”中的客戶端制圖。

圖6 系統(tǒng)部分功能

數據打包：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），服務器端將返回符合要求的管線數據包，供用戶下載。后臺采用Arc GIS Ser ver發(fā)布的數據打包處理地理服務結合SOE擴展來實現。

4 結束語

本文研究B／S架構下，面向服務的城市管網綜合管理系統(tǒng)設計及系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術，為包括城市管網在內的web端GIS系統(tǒng)的構建提供了一種良好的解決思路。面向服務的設計增強了系統(tǒng)的靈活性、可復用性和易集成性。Arc GIS Ser ver作為基于Web的企業(yè)級GIS解決方案，用戶可以快速發(fā)布多種GIS服務并搭建基于Web服務的GIS應用。Arc GIS Server服務擴展SOE的服務器端編程技術擴展了Arc GIS Ser ver現有的服務，使得Arc－GIS能夠發(fā)布滿足專業(yè)用戶的復雜服務。Silverlight可簡單快捷地在瀏覽器中實現地圖顯示等GIS功能，并實現良好的交互性，而使用Arc GIS API f or Silverlight使得客戶端編程非常方便。GIS服務無論是功能還是地圖數據都同用戶密切相關，本文提出了Arc GIS Ser ver服務權限管理的技術，使GIS服務同用戶角色掛鉤，實現對服務權限的控制。組合服務并結合客戶端編程實現系統(tǒng)功能的方式體現了系統(tǒng)面向服務設計的優(yōu)勢。今后，要在增強系統(tǒng)功能易用性、實現服務器端和客戶端的負載均衡、系統(tǒng)企業(yè)級安全策略、系統(tǒng)集成安全等方面開展進一步研究。

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