应急管理空间信息云服务体系架构研究

1应急管理空间信息云服务体系架构研究1苗放a,b,d，袁宏永c，杨文晖d，黄弘c，陈垦d，冷小鹏d，程付超da：地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都，四川，610059;b：北京大学数字中国研究院政策与战略研究中心，北京，100871;c：清华大学公共安全研究院，北京，100084d：成都理工大学空间信息技术研究所，成都，四川，610059摘要：应急管理体系可视为一个开放的复杂系统，具有多主体、多介质、多诱因、多尺度、多变性、多信息来源等特征，包含着丰富而深刻的复杂性科学问题。现有的应急管理体系多是面向具体目标的系统，是针对功能的组合，无法解决应急管理平台数据多样性、技术复杂性等问题。按照“数据分散、信息汇聚、服务聚合”的理念，本文提出了一种以应急管理标记语言EMML为核心，基于G/S模式的应急管理空间信息云服务体系架构。主要涉及到：1）G/S模式的应急管理云服务体系架构；2）EMML数据交换系统；3）事件快速感知系统；4）海量异构数据云存储管理；5）事件演化规律复杂性建模；6）应急管理应用模式等问题。本文试图通过该体系架构的研究，为应急管理提供高可用的技术支撑平台，为科学、高效地应对非常规突发事件提供辅助决策支持。关键词：空间信息；G/S模式；EMML；云服务；应急管理ResearchontheArchitectureofSpatialInformationServicesCloudforEmergencyManagementMIAOFang,YUANHongyong,YANGWenhui,HUANGHong,CHENKen,LENGXiaopeng,CHENGFuchaoaKeyLabofEarthExploration&InformationTechniquesofMinistryofEducationChengduUniversityofTechnology610059Chengdu,[e-mail]eohazardPreventionandGeoenvironmentProtectionChengduUniversityofTechnology1国家自然科学基金项目资助：“客户端聚合服务的空间信息网络服务模式研究（61071121）”2610059Chengdu,ChinacPolicyandStrategyCenter,InstituteofDigitalEarthPekingUniversity,Beijing100871Beijing,ChinadSpatialInformationTechnologyInstituteChengduUniversityofTechnology610059Chengdu,ChinaAbstract:EmergencyManagementSystemisregardedasanopencomplexsystemwithmulti-agent,multi-media,multi-incentives,multi-scale,multi-variability,andmoresourcesofinformationandothercharacteristics,andwiththecomplexityscientificquestionsofrichandprofound.Existingemergencymanagementsystemsaremostlyorientedatspecifictargetsystemandacombinationoffunction,andcan’tresolveemergencymanagementplatformdatadiversity,technicalcomplexityandotherissues.ThispaperpresentsspatialinformationcloudservicesarchitectureofemergencymanagementbasedonG/SandtoEMML(EmergencyManagementMarkupLanguage)asthecore,accordancewiththe“datascattered,informationgathering,servicesaggregation.Thispaperincludesthefollowingcontents.1)CloudservicesarchitectureofemergencymanagementbasedonG/S;2)DataexchangesystemofEMML;3)Rapidperceptualsystemofevent;4)Massiveheterogeneousdatacloudstoragemanagement;5)Thecomplexitymodelingofeventsevolution;6)ApplicationmodeissuesofEmergencymanagementandsoon.Thispaperattemptstoprovidehighavailabilitytechnicalsupportplatformanddecisionsupportfortheemergencymanagementthroughtheresearchofcloudservicesarchitecture,whichresponsestounconventionalemergencies.Keywords:spatialinformation;G/S;EMML;cloudservices;EmergencyManagement.1前言21世纪，和平与发展依然是当今世界的主题，但仍面临着十分严峻的和平与安全的挑战。SARS、禽流感、恐怖活动、地震、海啸、飓风等灾难，给人类和平与安全造成了严重威胁。当前，我国正面临着经济和社会发展的双重机遇，国家已经进入新的五年规划和社会主义现代化建设第三步战略部署的关键时期。在这样的背景下，需要一个良好的安全秩序与和谐的社会环境。未来20年是我国经济社会发展的重要战略机遇期，城市化、新型工业化及全球化进程将进一步加快，公共安全问题发生频度将大大增加［1］。预防和处置重大突发性紧急事件的应急救助、安全防御、反恐、公共安全系统设施建设等已经成为全世界不同国家和地区主管政府的重要政治工作内容。无论是哪一方面的建设，都离不开空间信息技术的支持与应用。实时空间定位技术、地理信息技术、计算机网络技术、移动互联网技术、云计算、物联网技术的发展与集成化应用，3实现了空间信息收集、处理、管理和传输的网络化，改变了以地图为载体的空间信息传递模式，人们对空间信息的需求已开始从数据转向服务[2]。云服务体系涉及的技术很多，包括虚拟化、集群、消息传递、调度和管理、分布式存储与文件系统，以及空间信息服务模式等相关技术。如何把这些技术有序并且有效的结合起来，需要统一的标准和规范。云服务体系和应用涉及了IT技术的各个方面。美国国家标准与技术研究院（NIST）制定了一套术语用于描述云计算的各个方面的内容，其中包括云计算系统的构成和功能特性等。NIST提出了云计算系统的SPI（SaaS，PaaS，IaaS）三大交付模式、四大（私有云、社区云、公有云和混合云）部署方式、五大关键功能特性和八大基本功能特性等。虽然，目前云计算发展迅速，但各种商业化的公有云平台存在保密数据泄露的隐患，而且公有云架构缺乏针对性，难以适应突发事件应急管理的需要。所以需要研究以私有云架构为基础的云服务理论方法和应用体系，为基于空间信息的应急管理云服务监测、预警与应急辅助决策提供技术支持和参考。结合云服务和应急事件具有的特性，需要寻求一套行之有效的技术体系架构，以解决在应急管理平台应用中的数据多样性、技术复杂性等问题。为此，结合目前互联网、物联网、计算机硬件、软件、云计算等技术以及新型计算模式的特点和发展趋势，以提升应急管理平台的可用性、稳定性、安全性、实时性为导向，依照“国家建立统一领导、综合协调、分类管理、分级负责、属地管理”为主的应急管理体制，按照“预防为主、预防与应急相结合”的原则，在分布式普适计算环境下，通过多客户端协同实现动态聚合服务的地理信息浏览器/空间信息服务云（GeographicInformationBrowser/SpatialInformationServiceCloud,G/S）模式，进而建立基于“请求-聚合-服务”的工作机制的应急管理空间信息云服务体系架构，为国家科学、高效应对应急管理事件提供支持。2基于G/S的应急管理云服务体系2.1G/S模式的概念G/S模式，即地理信息浏览器/空间信息服务云（GeographicInformationBrowser/SpatialInformationServiceCloud）模式，是一种基于互联网的网状空间信息服务模式，在空间信息技术、网络服务模式等研究的基础上，针对应急管理的需求，以对海量异构数据实现交换的超地理标记语言HGML（HyperGeographicMarkupLanguage）为核心，对分布在网络中海量的、各种类型和格式的数据进行存储、组织、交换、调度和展示，按照请求-聚合-服务的4“客户端聚合服务”工作机制，通过多客户端协同实现应急管理的各种功能。G/S模式是成都理工大学于2007年提出的基于Internet和下一代互联网（NGI）的分布式环境下的、能对地理空间信息进行浏览、操作和分析的浏览器/服务器体系，是空间信息技术应用的基础平台，有重要的研究意义和广阔的应用空间。以G/S模式为基础设计应急管理的云服务体系架构，可以有效地保证该空间信息云服务体系的高计算能力、高存储能力和高分析能力，保证应急管理平台的稳定性、安全性和实时性。图1空间信息服务云的组成Fig.1Thecomponentsofspatialinformationsevicescloud2.2G/S模式的架构特点（1）客户端聚合服务计算机硬件的发展，尤其是磁盘、内存和高速缓存容量的增大，总线技术的进步和CPU性能的提高，使得计算机终端设备的计算能力、存储能力大幅度提高，使得客户端能够完成过去需要在服务器上才能实现的功能，为空间数据处理的本地化奠定了基础。G/S模式利用客户端计算机日益提升的计算能力和图形图像处理能力，通过HGML对数据进行调度、交换和展示，并能够对矢量数据、栅格数据和模型数据实现一次下载多次使第一层运行支撑层安全保密标准规范组织管理服务器群存储备份有线网络无线网络传感网络GNSS机房管理„„第四层应用服务运营层应急指挥管理智能交通管理特种车辆管理灾害监测预警资源调度管理评估演绎模型辅助决策支持„„第二层数据层空间数据遥感数据矢量数据高程数据无人机数据导航定位数据专题数据气象数据水文数据植被数据实时采集数据基础环境数据三维模型数据地灾监测数据基础数据元数据OA数据健康数据视频数据商务数据政务数据第三层统一交换和管理层HGMLEMML数据分块分散存储机制信息汇聚和调度机制分布式文件管理NoSQL数据库„„5用，最终在客户端聚合服务。（2）统一的数据交换体系G/S模式通过HGML对空间数据进行统一、灵活、层次化的组织和管理，它既是G/S模式中数据组织、管理、交换、展示的标准和规范也是统一的数据交换格式。HGML是G/S模式的核心，也是G/S模式区别于B/S模式、C/S模式最显著的特点。（3）分布式体系结构G/S模式是以“数据分散、信息汇聚、服务聚合”为原则的架构体系，采用自适应和负载均衡的分布式服务器群存储、管理海量、非结构化的各类文件数据以及结构化数据，通过HGML对分布式环境下的各种类型、各种格式的数据和数据集进行组织、存储和管理，同时客户端也通过HGML对分布在网络上的数据和服务进行聚合。2.3G/S模式是应急管理云服务体系的基础架构G/S模式的提出，为应急管理应用提供了有效的解决途径。体现在：（1）在体系架构上，