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时空总线技术与智慧城市应用模型研究

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2015-08-08

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摘要: 时空总线技术旨在建立智慧城市的神经中枢,通过构筑目标对象层、消息代理层、智能路由层、管理应用层的四层架构,提供支持服务器、移动、物联网的跨平台的信息监听与指令执行、实时安全信息订阅发布及基于消息路由的系统集成功能,解决实时监控、跨平台通用与复杂流程定制的智慧城市信息协同三大问题。基于时空总线构筑智慧城市云平台中的管理即服务(MaaS)能力,提升云服务中心的可管理性。最后介绍了基于时空总线的智慧城市应用模型及在芦山地震中的应用案例。

关键词:智慧城市;云计算;时空总线;城市协同;数据交换;物联网;移动互联网;大数据

 

  1、引言

智慧城市建设正成为支撑国内新一代信息技术产业发展的重要内需市场[1],中国工程院预计"十二五"期间智慧城市投资规模将超2万亿。智慧城市云服务中心是智慧城市建设的重心,也是利用信息手段推动城市向宜居、生态与健康方向发展的基础设施,智慧城市云平台是其核心技术支撑[2]。

时空信息总线(Spatial-Temporal Bus,简称STB)就是旨在建立智慧城市的神经中枢,通过提供云主机、移动设备、传感器信息的实时接入、异构时空信息数据的无缝融合、分布式数据交换、面向部门级别的数据智能路由和支撑全平台的综合服务的需求,提供可靠的时空消息传输、时空服务接入、时空服务协议转换、时空数据格式转换以及基于内容的时空信息路由等功能,支撑空天地一体的智慧城市数据感知[3],时空数据大数据挖掘分析与价值提取,并最终向用户提供多样化的信息服务产品。

本质上,时空总线的目的是在云端一体化的智慧城市云平台既有IaaS、PaaS、SaaS和Terminal之外,构建管理即服务(Management as a Service,简称MaaS)技术体系,充分利用时空总线基于消息的数据交换能力,实现从小到传感器、虚拟机,大到跨地域数据之间实时可靠状态同步与协调调度,奠定基于地理建模、地理设计、地理监测与地理控制的智慧城市云平台时空信息同化模型[2]的实现基础,支撑政府、企业与个人等智慧城市多样化需求。

 

 图1、基于MaaS面向管理的云端一体化智慧城市云平台


2、时空总线技术体系

时空总线需要解决实时监控、跨平台通用与复杂流程定制三大问题。当前智慧城市建设不仅需要建设高效稳定可管理的云服务平台,而且需要将形成空天地一体化对地感知网络,实时感知城市中信息世界、人类社会和现实世界的整体实时状态(参考ISR模型)[2],要实现此目标首先需要解决海量数据的需要解决不同平台协议的传感器信息的实时接入与融合处理,多源异构传感器信息的统一接入与加载标准,多源异构信息的自主加载与交换融合, 形成面向主题的综合信息服务,面向智慧城市运行的空间信息智能处理。如图2所示,由于数据包括来自GNSS的位置数据、来自遥感平台的影像等传感数据、以及来自嵌入式传感器的实时监控数据,数据格式、传输协议、数据量以及更新频率都大相径庭。为了更好的支撑应用,就需要构建统一、标准化的智慧城市时空信息交换平台,

图2、时空总线技术架构

如图2所示,基于时空总线技术架构从下至上可以分为:

  1. 目标对象层,即监测与控制的目标。其主要实现监听与执行两类接口,前者可以采用Push/Pull结合的模式汇集来自智慧城市云平台中桌面、服务器应用,信息消费者的Web及移动终端应用,及基于多样化通信技术(短波、微信、ZigBee、4G、Wi-Fi和AdHoc)通过物联网网关采集的传感器网络等众多信息,后者则支持将控制信息反向推送到各个应用或者基于协同控制网构建的物联网控制器中。目标对象层不仅是城市各类运行状态的信息来源,而且是决策控制信息平台的执行基础,其实现手段包括Nagios、I2C总线、现场总线、CAN总线等软硬件、车联网、工业级监控技术
  2. 消息代理层,通过伺服代理模式,将目标对象层采集的数据进行标准化编码(时空总线通常采用扩展过的轻量级GeoJSON数据标准格式,支持基本要素与包含三维和多媒体等的复合对象),并基于AMQP/JMS/MQTT等消息中间件传输协议将其数据发布进入云中心的消息队列,同时伺服代理也负责订阅来自云中心的消息频道,将实时控制信息解码后,通过调用开放API或者在受控前提下采用钩子等系统侵入手段将控制命令传入目标对象层各类应用中。
  3. 智能路由层。基于RabbitMQ、WebSphere等消息中间件技术搭建[4],将来自消息代理层的各类时空关联数据汇聚分类入不同的主题频道,并支持用户动态定义的消息路由,实现主题消息的订阅、广播、协议转换等多样化的交换模式(如Enterprise Integration Pattern技术),从而支撑智慧城市中复杂的信息流调度管理,支持基于用户的权限管理,此外还需要采用分布式技术(消息中间件集群)实现高并发环境下路由层的水平扩展,支持基于实时数据库(如Redis技术)及海量列存储(如HBase技术)技术对时空信息实时查询与历史数据挖掘,实时处理与挖掘分析形成的决策控制指令也编码后传入特定频道推送到目标对象。
  4. 管理应用层,在智能路由层之上,构建管理门户界面,支持对消息中间件的状态查询、消息频道的定义与管理、用户安全管理、路由定义执行等系统功能,并将其封装暴露为开放API,供智慧城市、互联网及各类智慧应用嵌入使用。


3、时空总线在智慧城市中的应用

时空总线拥有实时普适灵活的数据交换特点,可以成为建设"全面透彻的感知"的智慧城市的有力工具。如图3所示,时空总线的应用模式即围绕总线实时连接各类设备与个人,打通感知、存储、处理、分析决策与控制信息化服务流程。因其拥有跨平台的监控能力,所以可以接入手机平台、车载、行业专用及工作站和PC等各类设备[5],因其多样化的路由能力支持将数据并行快速汇入实时数据库、历史数据库与备份数据库,从而在支持电子围栏预警分析等实时任务之外,并定期调用相关流程进行数据ETL、专题地图生成等大数据复杂挖掘计算。

图3、基于时空总线的智慧城市应用模型

 

在2013年发生的四川省雅安市芦山县7.0级强烈地震中,超图软件基于时空总线技术在第一时间快速定制开发了应急救灾应用"灾务通",并提供国家民政部减灾中心进行现场核灾工作,支持灾害现场信息的快速填绘报,并为减灾人员提供综合移动信息服务。

图 4 芦山地震核灾数据实时回报统计


图4即是4月27日至29日对倒房和地块进行数据与图片采集的成果统计,可见基于时空信息总线技术,有效的将原本需要分头采集定期汇总的核灾业务实时协同化,提高了核灾与辅助决策的效率,对救灾物资的及时准确筹备投放提供了有效支撑。此项工作于2013年7月3日获得国家减灾委员会办公室的感谢信。


4、结语

智慧城市面临复杂网络环境下的大规模多样化设备、人与信息系统的汇聚、协同、处理、发布与聚合问题,这是信息技术产生至今未曾经历的巨大挑战。复杂问题的解决需要分解与模型的帮助,而时空总线聚焦于时空关联数据的实时有序、标准普适与安全灵活接入、路由与交换,已经探索出一套适用于交通、应急行业的应用模型,可作为智慧城市信息平台建设的重要基础与参考。

时空总线是智慧城市信息协同的技术基础,但要治理智慧城市大规模信息流还需要完整的技术与管理体制的保障,包括配套软硬件工作的生产,GeoJSON等交换数据标准的扩展修订、跨平台消息代理的实现标准化等,这些都需要在智慧城市建设实践中不断完善。


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