市政工程智慧勘察信息管理系統(tǒng)設計

陳長宇

（廣州南方智能技術有限公司 廣東 廣州 510663）

0 引言

市政工程智慧勘察信息系統(tǒng)是應用于市政工程項目勘察數(shù)據(jù)信息化管理的平臺，是推動測繪工作朝向智慧化方向發(fā)展的重要載體。 在信息管理系統(tǒng)設計中，需要依照需求規(guī)格說明確定設計目標，確定各個目標的優(yōu)先順序并找出最合適的設計方法，確定設計工作需要遵循的基本規(guī)范；依照系統(tǒng)功能劃分為模塊的層次結構，確定各個模塊的功能，構建與已確定軟件需求的對應關系；確定模塊之間對應關系及接口，確保信息準確傳遞，設計接口的信息結構，評估模塊劃分質量及模塊結構導出規(guī)則；優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結構，避免后期運行中出現(xiàn)數(shù)據(jù)不必要冗余現(xiàn)象。

1 項目概況

1.1 項目信息及建設內容

某市政道路工程測繪數(shù)據(jù)信息化項目，由本企業(yè)承建，負責完成智慧勘察信息管理系統(tǒng)建設，并能夠通過建設單位系統(tǒng)測試要求。 項目建設內容主要包括：（1）數(shù)據(jù)中心管理子系統(tǒng)，如業(yè)務數(shù)據(jù)庫、一張底圖、項目數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)信息庫、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)處理及其他功能。 （2）項目管理一張圖子系統(tǒng)。 主要包括項目信息可視化、項目信息管理和重點項目展示等模塊。 （3）成果綜合展示子系統(tǒng)。 主要包括成果一張圖、成果場景搭建、數(shù)據(jù)分析與應用等模塊。 （4）智慧生產業(yè)務子系統(tǒng)。 主要包括智慧勘察、智慧測量、智慧物探等模塊。 （5）勘察移動端子系統(tǒng)，如勘察移動APP 和物探APP 等。 （6）接口建設。 主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理和外業(yè)數(shù)據(jù)共享，通過各個子系統(tǒng)的對接，滿足各項信息管理要求。

項目建設目標是以當前測繪行業(yè)數(shù)字化轉型趨勢及發(fā)展方向為導向，遵循“平臺化、中心化、集約化和數(shù)字化”要求，開發(fā)建設智慧工程數(shù)據(jù)信息化生產與管理系統(tǒng)。 在系統(tǒng)運行中，通過對項目工程專業(yè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、計算、分析和監(jiān)控等過程管理，結合三維可視化技術融合應用，實現(xiàn)工程項目大數(shù)據(jù)深度挖掘分析，大屏展示及智能化應用，推動企業(yè)項目管理朝向數(shù)字化方向轉型。

1.2 運行環(huán)境

根據(jù)測繪信息化相關國家標準、專業(yè)標準、行業(yè)規(guī)范、技術規(guī)定，現(xiàn)行軟件工程標準規(guī)范，從客戶需求導向出發(fā)，依照實際硬件情況，采用分布式部署方式，共計布置7 臺服務器，其中4 臺應用服務器（基于Linux 系統(tǒng)3 臺，基于Windows 系統(tǒng)1 臺）、2 臺數(shù)據(jù)服務器（Linux）、1 臺數(shù)據(jù)備份服務器（Linux）。 項目數(shù)據(jù)庫平臺采用PostgreSQL 14.0標準版版本。 業(yè)務系統(tǒng)部分采用Spring Cloud 架構，以B／S 模式部署客戶端，開發(fā)軟件IDE 選用IntelliJ IDEA 2021和Microsoft Visual Code 2021，開發(fā)語言選用Java，Vue 3、TypeScript 等。 數(shù)據(jù)交換接口采用HTTP 協(xié)議，以JSON 為數(shù)據(jù)交換標準格式。

1.3 關鍵技術

本管理平臺通過三個子系統(tǒng)協(xié)作，在設計中主要使用如下方面關鍵技術：（1）輕量化技術。 基于點云、BIM 模型、傾斜模型、人工建模模型、地形、影像及矢量等多種數(shù)據(jù)的快速轉化及切片處理，自動化發(fā)布至平臺，確保數(shù)據(jù)在Web 端高效流轉和分層級快速加載，提升Web 端瀏覽及訪問流暢性，實現(xiàn)快速響應。 （2）分布式計算技術，如中間件技術、移動Agent、Web Service 技術等，推動計算環(huán)境優(yōu)化，提升分布式操作便捷性。 （3）數(shù)據(jù)接入和管理技術。 本項目中采用PostgreSQL 和PostGIS 空間數(shù)據(jù)庫技術，有效解決工程項目實施過程中空間數(shù)據(jù)類型復雜帶來的運行問題。 通過擴展關系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的一體化存儲。 （4）數(shù)據(jù)／業(yè)務集成、業(yè)務管理、應用分析、數(shù)據(jù)可視化、兼容性技術。 以本司所自主研發(fā)、具有自主產權的技術為基礎，提供二三維大數(shù)據(jù)處理、存儲、管理、展示、分析及行業(yè)應用的全流程服務，以組件式開發(fā)方式，滿足具體測繪工程業(yè)務集成和管理需求，以強大兼容性滿足平臺測繪數(shù)字化工程數(shù)據(jù)加載及可視化顯示等需求。 （5）Web Service 技術。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與發(fā)布，實現(xiàn)業(yè)務層、業(yè)務面及監(jiān)聽者等之間的邏輯交互。 （6）可擴展性技術。 主要包括面向服務的架構（SOA）技術，組件化、構件化開發(fā)技術等，確保業(yè)務流程快速構建、重構、再造和優(yōu)化。 （7）安全技術。 主要包括網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)庫安全和應用系統(tǒng)安全的針對性技術，構建完善的安全防護體系。

2 總體設計

2.1 設計原則和思路

智慧勘察信息管理系統(tǒng)設計中，為確保項目建設有序推進，滿足系統(tǒng)測試和運行要求，應當遵循如下方面原則：（1）實用性和易用性原則。 便于使用、管理和維護，有效減輕工作人員負擔。 （2）標準化和開放性原則。 系統(tǒng)建設應當嚴格遵照國家、地方和行業(yè)有關標準及規(guī)范進行，在系統(tǒng)架構、應用技術及平臺建設方面，都應當采用開放性策略，構建開放、可擴充的應用體系，有效提升數(shù)據(jù)共享水平。 （3）高可靠性原則。 確保適量冗余并優(yōu)化安全保護措施，確保平臺軟件和應用軟件都具有較強的容錯性、穩(wěn)健性和安全性。 （4）高效性原則。 能夠確保各類數(shù)據(jù)組織合理，信息查詢、更新、出圖順暢，且不會由于長時間運行和數(shù)據(jù)量增加導致運行速度變緩。 （5）可擴展性和先進性原則。 要能夠滿足系統(tǒng)間無縫連接需求，為后續(xù)系統(tǒng)擴展和集成留出擴充余量。 在成本預算方案下，盡量采用最先進的技術、方法、軟件和硬件，有效延長系統(tǒng)生命周期［1］。

2.2 系統(tǒng)架構設計

結合上述設計原則和思路，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)、智慧移動端子系統(tǒng)等有效銜接，實現(xiàn)對項目數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理與瀏覽查詢，并能瀏覽三維點云、BIM、三維傾斜等模型結構中的三維數(shù)據(jù)。 總體架構設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

其中用戶層是服務于不同設備的接入用戶。 展示層主要是通過項目一張圖展示，多維度、多形式統(tǒng)計圖表、三維可視化展示及移動APP 等，展示用戶所需要的數(shù)據(jù)信息內容。 應用層是用戶與平臺的交互界面，在滿足各項功能運行基礎上，最終實現(xiàn)生產與管理信息化［2］。 支撐層是整個系統(tǒng)運行的樞紐，負責整個體系的后臺服務、管理應用、數(shù)據(jù)處理等功能，確保各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)有效關聯(lián)和管理，為應用業(yè)務實施提供支撐。 數(shù)據(jù)層包括空間數(shù)據(jù)庫和成果檔案數(shù)據(jù)庫，主要是實現(xiàn)系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的集中管理與統(tǒng)一應用。 基礎設施層是系統(tǒng)運行的基礎，主要是滿足平臺數(shù)據(jù)管理、存儲、更新和應用需要，為系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行提供基礎環(huán)境。

搭建Nginx、Spring Gateway 負載均衡服務器集群，Nginx 將用戶請求轉發(fā)至Spring Gateway 網(wǎng)關，經(jīng)登錄、安全等相關攔截，再轉發(fā)至注冊在Nacos 的對應服務，進行相應處理，實現(xiàn)如下方面具體服務：用戶登錄及權限攔截相關功能，系統(tǒng)業(yè)務以及提供地圖數(shù)據(jù)發(fā)布、可視化相關操作功能，地圖數(shù)據(jù)在線輕量化功能，場景相關功能服務，用戶機構等管理服務，場景數(shù)據(jù)分析服務。 利用Redis 數(shù)據(jù)庫，緩存服務常用數(shù)據(jù)。 利用PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進行持久化處理。 利用SeaweedFS 分布式文件存儲系統(tǒng)，存儲數(shù)據(jù)輕量化后的文件

2.3 代碼設計和設計規(guī)范

架構設計遵循“先設計后開發(fā)”原則，確定好時序圖、UML 關系圖，將需求、場景抽象成模型（建模），并將模型拆分成模塊，形成架構。 模型需考慮并兼容后續(xù)需求的迭代開發(fā)，減少架構的修改。 模塊設計應當盡量減少依賴關系，以接口方式形成依賴［3］。 以“測試驅動開發(fā)”，以測試用例檢驗功能開展的完成。 類的設計應當職責單一，集中于處理某個方面的事務。 單個類的代碼行數(shù)應當控制在1 000 行以內，提高可讀性。 單個函數(shù)集中處理一個功能，保持在100 行以內，參數(shù)控制在3 個以內，邏輯緊湊，減少代碼的無用執(zhí)行。 日志設計不能暴露用戶個人信息，長度不能過長且包括盡量多的信息。

Web 前端開發(fā)需符合（UTF－8，HTML5）標準，語義化HTML，結構表現(xiàn)為分離，具有較好的兼容性，使用精靈圖和Sass 語法等減少頁面請求次數(shù)，代碼設計簡潔有序，盡量減少服務器負載并能夠快速解析。 所遵循的規(guī)范內容主要包括文件命名規(guī)范、HTML 規(guī)范、CSS 規(guī)范、JS 書寫規(guī)范、圖片規(guī)范和測試規(guī)范等。 在Java 開發(fā)中，應當遵循的標準規(guī)范包括編程規(guī)約（命名風格、常量定義、代碼格式、OOP 規(guī)約、集合處理、并發(fā)處理、控制語句、注釋規(guī)約），異常日志規(guī)范（異常處理、日志規(guī)約），單元測試，安全規(guī)約，工程結構（應用分層、二方庫依賴、服務器），設計規(guī)約等。

2.4 數(shù)據(jù)存儲設計

數(shù)據(jù)存儲設計應當遵循一致性和標準性、實用性、獨立性和擴展性、數(shù)據(jù)安全性等基本原則。 依照數(shù)據(jù)處理特點和特性表達要求，將數(shù)據(jù)表分為業(yè)務數(shù)據(jù)表、基礎數(shù)據(jù)表、字典信息表、系統(tǒng)信息表、匯總數(shù)據(jù)表、臨時表等。 數(shù)據(jù)對象命名遵循三段式命名、中文簡稱命名規(guī)范。 表中的所有數(shù)據(jù)元素不但要能唯一地被主關鍵字所標識，而且它們之間還必須相互獨立，不存在其他函數(shù)關系，但是在特殊情形下，可以犧牲范式規(guī)范以換取性能提升［4］。 在遵循設計范式基礎上，合理劃分表并添加狀態(tài)和控制字段，以有效提升業(yè)務運行水平。

數(shù)據(jù)庫設計分為六個階段：（1）系統(tǒng)需求分析；（2）概念結構設計；（3）邏輯結構設計；（4）物理結構設計；（5）數(shù)據(jù)庫實施；（6）數(shù)據(jù)庫運行與維護。 數(shù)據(jù)安全保障措施，主要包括數(shù)據(jù)備份、權限管理敏感數(shù)據(jù)加密及應用訪問安全方面的處理。 為確保數(shù)據(jù)庫保持良好運行狀態(tài)，還應當進行基本表設計，并做好基本表擴展設計。 在數(shù)據(jù)存儲設計中，重點做好非結構化數(shù)據(jù)采集和存儲優(yōu)化，為所有數(shù)據(jù)類型提供合適的存儲選項。

2.5 接口設計

接口設計應當遵循高內聚、低耦合和精分解原則，以降低各系統(tǒng)間以及系統(tǒng)內各模塊間的耦合度，滿足基礎數(shù)據(jù)傳遞、流程審批集成、頁面展現(xiàn)集成等需求。 在設計時先確定接口設計規(guī)范，內部接口主要包含數(shù)據(jù)接口和服務調用接口，如數(shù)據(jù)共享、登錄接口、移動端查詢項目列表等。 外部平臺則包括從綜合管理平臺獲取用戶組織架構，綜合管理平臺API 接口，為用戶提供應用接口，提供二三維模塊地圖場景授權認證等服務。

接口設計中，需要先定義數(shù)據(jù)模式和傳遞數(shù)據(jù)的形式等，系統(tǒng)內部接口主要滿足內部數(shù)據(jù)的自動流轉，外部接口則需要實現(xiàn)本項目與其他應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，需要先由接收數(shù)據(jù)系統(tǒng)依照數(shù)據(jù)模式的定義，到對方系統(tǒng)去識別、采集，之后轉換為本系統(tǒng)能夠識別和利用的數(shù)據(jù)模式［5］。 接口實現(xiàn)方式包括Web Service 方式、RPC／Iframe方式、JDBC 方式、API 方式等，并完善共享目錄接口和數(shù)據(jù)交換方式設計。

2.6 其他設計

除做好上述設計外，還應當做好系統(tǒng)物理配置方案、數(shù)據(jù)安全和保密、計算機處理過程等方面設計。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 數(shù)據(jù)中心管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心管理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)工程項目相關成果的匯交、管理，便于基礎數(shù)據(jù)庫更新維護，構建高效、智能的數(shù)據(jù)管理模式。 其中數(shù)據(jù)資源管理主要包括數(shù)據(jù)入庫、目錄管理、數(shù)據(jù)查詢、高級查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、影像切片、數(shù)據(jù)更新與管理等方面設計。 系統(tǒng)管理主要包括權限管理、組織架構管理、用戶管理、系統(tǒng)日志等方面設計。

3.2 成果綜合展示子系統(tǒng)

成果綜合展示子系統(tǒng)是提供可視化界面，基于預先準備的服務器資源，發(fā)布多種類型的空間地理信息服務，并支持對發(fā)布的服務進行統(tǒng)一管理。 主要包括服務發(fā)布與管理、三維數(shù)據(jù)瀏覽、全景影像瀏覽、地圖量算、標繪等功能。

3.3 智慧勘察移動端子系統(tǒng)

智慧勘察移動端子系統(tǒng)，主要是應用于現(xiàn)場施工人員進行數(shù)字化測量，實現(xiàn)任何辦公地點和任何辦公時間的無縫接入。 需要進行登錄移動端子系統(tǒng)、連接數(shù)據(jù)中心管理子系統(tǒng)等方面設計。

3.4 現(xiàn)有系統(tǒng)對接

為實現(xiàn)本系統(tǒng)與多個現(xiàn)有管理系統(tǒng)的交互，滿足基礎數(shù)據(jù)傳遞、流程審批集成、頁面展現(xiàn)集成等功能需求，還需要提供配置式多種標準接口。 在設計中，應當滿足多接口支撐應用擴展規(guī)范，采用Web Service 方式，SOA 體系架構實現(xiàn)對接。 通過接口交換的數(shù)據(jù)與接口調用應當遵循統(tǒng)一的接口模型進行設計，系統(tǒng)平臺間的接口消息協(xié)議采用基于HTTP 協(xié)議的REST 風格接口實現(xiàn)，請求消息URI 中的參數(shù)采用UTF－8 編碼并經(jīng)過URLEncode 編碼［6］。 具備業(yè)務數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)壓縮／解壓等數(shù)據(jù)管理功能，確保數(shù)據(jù)管理完整性。

4 系統(tǒng)測試

測試環(huán)境中，操行系統(tǒng)選擇Windows 10 專業(yè)版64位；瀏覽器為谷歌Chrome 瀏覽器、火狐瀏覽器、360 瀏覽器；客戶機硬件配置為Intel（R） Core（TM） i7－10750 H CPU＠2.60 GHz 2.59 GHz、內存16 G。 測試結果顯示，所有子系統(tǒng)運行正常，功能完善，共計關閉bug299 處。 安全性測試和易用性測試達到要求，系統(tǒng)結構層次清晰合理，滿足測試標準要求，可投入正常使用。

5 結語

在智慧勘察信息管理系統(tǒng)設計中，必須以專業(yè)標準、行業(yè)規(guī)范和軟件工程標準為基本依據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)運行環(huán)境，重點做好輕量化技術、分布式計算技術、數(shù)據(jù)接入和管理技術等關鍵技術應用，利用更為優(yōu)化的代碼設計、數(shù)據(jù)存儲和接口設計方案，有效提升系統(tǒng)整體功能。