电信运营商企业级云GIS平台的关键技术研究

马学刚/Ma Xuegang

（中国移动通信集团河北有限公司 石家庄050035）

1 引言

GIS（geographic information system，地理信息系统）是用于采集、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统。其特点是将属性数据与空间数据关联，并可进行复杂的空间分析，为各类行业应用提供服务[1]。随着国内电信运营商全业务运营带来的IT 支撑要求逐渐提高，支撑系统建设中的GIS 需求日趋普遍，在可视化监控、故障定位与影响范围评估、业务开通与资源勘查、投诉处理、场景保障、网络质量分析与优化、代维管理等场景下都需要GIS 应用，网络监控、资源管理、投诉管理、运维管理、经营分析等现有IT 系统中已广泛应用各类GIS 产品。

本文对现有EGIS（enterprise-level geographic information system，企业级地理信息系统）平台的应用现状进行介绍，对EGIS平台在电信行业应用中存在的问题进行分析和探讨，并针对问题提出了基于云计算的EGIS平台技术架构，并结合具体建设案例对云GIS平台的关键技术进行阐述，为通信行业IT 支撑系统技术人员规划云GIS平台提供参考。

2 EGIS平台在电信行业的应用

2.1 EGIS的基本框架

EGIS的整体架构分为基础层、业务逻辑层和应用层，如图1所示。基础层为基本实现层，表示EGIS 可以采用的基本技术，如SOA、云计算、集中式、分布式、共享等方法；业务逻辑层是指基于基础服务，与业务系统的集成方法； 应用层可以采用各种开发接口和开发工具，按照设计的模式建设，采用地图仪表盘、COP 或地图门户等方式来展现应用。由于要与核心业务和流程整合，EGIS 首先必须具有选择、组合和部署的高度灵活性和开放性； 必须具有对超大规模空间数据的管理能力，同时，能够支持集中、分布或集中分布混合等不同的管理和部署模式。此外，EGIS 还必须全面支持面向服务的体系架构，具有构建、发布、提供符合工业标准的空间信息及分析处理功能服务能力；具有空间信息服务、GIS 功能服务以及服务聚合与再提供的能力。

另外，EGIS的主要目标是提供空间数据、软件框架及工具，并通过整个企业范围的部署来降低成本。EGIS 在各类信息共同参考项（地理空间位置）的基础上，组织和共享数据、信息，为其核心业务中各流程环节提供服务，并在此基础上，将信息进行组织、抽取、加工和发布，向机构组织或企业外部现有的和潜在的服务对象提供信息服务。

2.2 EGIS平台支撑的业务场景

电信运营商的IT 支撑系统按功能域可划分为OSS、BSS、MSS，EGIS平台为各IT 支撑系统提供基础GIS 数据、应用和服务。图2 是一套典型的采用集中式部署EGIS平台架构以及业务支撑应用场景。

如图2所示，EGIS平台架构分为基础硬件层、数据层、服务层和应用接口层。基础硬件层包括主机、数据库、网络、存储等基础硬件设施；数据层包括缓存切片的矢量地图数据、卫星影像数据、标准地址库、建筑物专题图数据等；服务层分为地图服务和功能服务；应用接口层分为平台级接口和应用级接口，平台级接口是基于OGC（open GIS consortium，开放地理空间信息联盟）提出标准服务接口，应用级接口是平台提供基于GIS的应用开发接口。

图1 企业级GIS平台架构

图2 EGIS 系统架构和应用场景

EGIS平台在OSS、BSS、MSS 这3 个IT 支撑管理域中的应用场景有以下几方面。

（1）网络规划与分析

OSS 域的无线网络规划和优化。

（2）运维管理

OSS 域的综合网络监控、代维管理平台，借助EGIS平台提供基础地图服务，实现网络监控可视化，代维巡检可视化。

（3）客服管理

OSS 域中的网络投诉系统借助EGIS平台提供基础地图服务，实现网络资源与客户投诉地理信息关联，已经实现网络投诉可视化。

（4）经营分析

BSS 域的经营分析系统将GIS 与经营分析紧密结合起来，直观地通过多种地图分析手段以及展示方式，实现企业决策可视化。

（5）供应链管理

在MSS 域中，供应链开发与管理借助EGIS平台提供路径规划服务能力，实现最短路径规划以及物流成本最优分析。

3 EGIS平台面临的挑战

通过EGIS平台，统一GIS 数据管理，提供统一的GIS 服务，实现“一副地图，多处应用”的地图可视化支撑能力，节省了企业IT 信息化支撑系统在地图建设方面的投资。

尽管EGIS平台的应用效果明显，跨越了基础地理信息数据使用上的“鸿沟”，为移动通信企业业务发展注入了更多驱动力，但EGIS平台在系统建设、数据更新、数据应用、新GIS 技术应用方面仍存在一些问题，主要体现在以下几方面。

（1）“一方建设，多方使用”GIS 开发建设模式还需改进

当前的开发建设模式是：EGIS平台提供统一的地图服务接口，其他IT 支撑系统通过调用地图服务接口，共享GIS 地图服务，进行功能的二次开发。对于不具备硬件、软件开发环境的部门，无法建设基于GIS 地图的IT 支撑系统，无法共享GIS 地图数据和服务。

（2）缺乏便捷、快速业务数据地图呈现和展示工具

运营商的业务数据分散在各个部门，如果要在地图中展示，首先要组织数据，然后在EGIS平台中制作成数据图层，并发布成地图数据服务。这种业务数据制图的效率低、周期长，无法满足个性化快速制图的场景需求。

（3）运营商的IT 支撑系统基于GIS 开发软件应用存在同质性高、重复建设

普通用户必须依赖业务系统使用GIS 功能和应用，无法满足随时随地面向个人办公的普适性GIS 应用需求。

（4）GIS 新技术、新架构在演进过程中面临的挑战

随着地理空间信息产业的迅猛发展，GIS 热点技术、全新平台架构也层出不穷，如基于云计算架构的云GIS、移动GIS、三维GIS、一体化GIS 等。这些新技术虽然发展迅猛，但在电信行业中的应用还处于初级阶段[2]。

鉴于上述情况，需要对传统EGIS平台的技术架构进行改造，满足业务数据共享、快速制图、GIS 应用共享以及面向日常办公的GIS 普适化需求。

4 云GIS平台架构和关键技术

4.1 云GIS

云计算正在迅速地成为一种通用型技术，它将深刻改变应用GIS的传统方法和模式。所谓云GIS，就是将云计算的各种特征用于支撑地理空间信息的各要素，包括建模、存储、处理等，从而改变用户传统的GIS应用方法和建设模式，以一种更加友好的方式，高效率、低成本地使用地理信息资源。对于广大用户来说，云GIS 意味着数据、软件、开发方面的壁垒已被打破，所需GIS 资源变得唾手可得。用户可在云中随时获取所需的GIS 资源，并且这种资源是可以计量和灵活扩展的，GIS的建设和运营模式都将面临新的机遇和挑战[3]。

云GIS的建设模式与云计算体系架构相同，主要有3 种建设模式： 公有云GIS、私有云GIS 和混合云GIS。其中，公有云GIS 是指由第三方提供给用户使用GIS平台，一般通过Internet 使用，可能是免费或成本低廉；私有云GIS 是指企业自建，供企业内部人员或分支机构使用，适合有众多分支机构的大型企业或政府部门； 混合云GIS 是公有云GIS 和私有云GIS 之间的权衡模式。

总体来说，云GIS的价值不仅体现在灵活平台架构以及最新的热点技术上，更多体现在GIS 资源使用的低成本、业务的连续性、业务灵活性、业务创新能力以及良好的用户体验等5 个方面。对于电信运营商在进行IT 支撑系统规划时，能够提供更多的参考和依据，进而实现企业效益的继续提升。

4.2 云GIS 架构的建设模式

云GIS平台架构分为基础设施层、资源池层、服务管理层、应用层，如图3所示。按照云计算三层架构模型，基础设施和资源池层属于IaaS、服务管理层属于PaaS、应用层属于SaaS。

4.2.1 基础设施层

位于云GIS 架构服务模型的最底端，它将IT 基础设施（主机、存储、内存、操作系统等）通过虚拟化技术进行基础硬件资源池化，为上层资源池层提供高度扩展和按需变化的基础硬件能力，具体如图4所示。

4.2.2 资源池层

资源池层包括2 种池化的资源： 硬件资源和GIS实例资源。池化后的资源具备高扩展性、按需变化以及多处共享的IT 能力。

图3 云GIS 架构与关键技术

图4 基础设施层（IaaS）

（1）硬件资源池

私有云GIS平台的硬件资源池位于企业内部，IT基础设施构建在企业内部的物理服务器和网络硬件上，企业对硬件资源池中的所有基础设施要素都拥有完整的控制权。硬件资源池提供给用户的服务是对所有设施的利用，包括处理、存储、网络和其他的基本计算资源。企业用户能够在硬件资源池中部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。

（2）GIS 实例资源池

GIS 实例资源池借助于主流的虚拟化技术，将底层池化的硬件资源（主机、存储等）同GIS 软件资源一起封装成不同能力的资源池，经过池化的GIS 实例节点之间是松耦合关系，且是无状态的，这样就可以实现对GIS 实例节点的自动化管理。池化的GIS 实例节点是实现GIS 服务度量和弹性调整的基础，如图5所示。

图5 GIS 实例资源池

4.2.3 服务管理层

服务管理层主要是通过私有云GIS平台管理套件，实现对基础设施层、GIS 资源池化以及GIS 资源实例的智能管理，以自服务的方式提供GIS 资源服务，另外，还包括服务监控、服务度量、服务弹性调整以及相关认证、授权、服务审批等管理功能。

4.2.4 应用层

应用层包括一个自服务门户以及多种业务模式的轻量级客户“端”，实现“云+端”的应用模式；依托云GIS平台，用户构建共享的GIS 应用。自服务门户主要实现不同用户和部门可借助自服务门户中搭建特定的GIS环境，在线创建、浏览、使用和共享地图信息，还可以上传业务数据发布成专属地图服务，在部门之间共享。

4.3 云GIS的关键技术

构建企业级云GIS平台的关键技术主要有支持云计算的GIS 服务模型架构、GIS 后台管理接口、GIS 服务度量、GIS 服务弹性调整。

4.3.1 云GIS 服务模型——Site-GIS Server

如图6所示，该服务模型中每一个GIS Server 节点都是平等的，即使某一个GIS Server 节点意外地宕掉，也不会导致整个地图服务停止运行；当需要增加一个GIS Server 节点时，以Plug-in 方式插入一个节点，为服务提高负载能力，即该服务模型是多节点GIS Server。该服务模型的特点如图6所示。

（1）Site 为服务模型架构单位

一个Site中包括多个GIS Server，只有添加到Site站点的GIS Server 才符合Siteful的GIS Server 节点，否则就是孤立节点，不属于云GIS 服务模型架构。Site站点中的GIS Server 所需的配置信息，均保存到Site配置文件中，如服务信息、服务依赖的数据信息、目录信息、所属集群信息以及相关日志信息等。

一个具体的应用GIS 环境中只能有一个Site 站点，因此，Site 为云GIS 服务模型的基本单位。

（2）Cluster 为GIS 服务的逻辑单位

一个Site 站点内可包括多个GIS Server 集群，对于一个特定的集群就是具体服务的逻辑容器，可承载Map Service、GP Service 等GIS 服务。如要发布某城市基础地形的地图服务，就需要选择由哪一个集群承载这个服务。

一个集群不是只能承载某一个服务或某一类服务，每个集群可以为不同类型、多个服务提供容器。

（3）GIS Server 为实际处理物理单位

每一个安装GIS Server的机器为一个GIS Server 节点，机器可以是物理机也可以是虚拟机，但每个机器内只能有一个GIS Server 节点。在一个集群内可以存在多个GIS Server 节点，这些GIS Server 节点负载均衡上层的逻辑功能，并且根据不同类型服务，配置多种负载均衡算法，如密集I/O 型、长事物型、高CPU 型。

图6 Site-GIS Server模型

（4）GIS Instance 实例为处理容器

GIS Instance 为GIS Server的处理实例。默认情况下，一个GIS Server（GIS 节点）在运行饱和下产生2 个进程，这2 个进程就是处理具体事物的实例进程。

4.3.2 GIS 后台管理接口

GIS 后台管理接口就是一套提供操作和管理后台的API（application programming interface，应用程序编程接口），对于建设云架构的GIS 应用环境至关重要。通过GIS 后台管理接口，可完全控制并操作后台GIS Server 运行情况：动态创建、删除GIS Server，调整某个GIS Server的实例数，动态迁移Site 站点，合并多个GIS Server 集群，统计某个GIS 服务访问量，监控某个GIS 服务的处理时间。

因此，GIS 后台管理接口让GIS Server 完美地支持云计算架构，体现了主流云计算的“服务可度量、服务弹性调整”的重要特征。

4.3.3 GIS 服务度量

通过GIS 后台管理接口可提供某些GIS 服务度量数据，这些度量数据分为2 类。

（1）宏观度量信息

如Site中集群书、某个集群服务逻辑单元中的GIS Server 数、每个GIS Server的最大实例数。

（2）微观度量信息

如当前时刻服务的访问量、该访问量占用的处理时间、服务实例数实时使用情况等。

因此，GIS 服务度量数据是GIS 服务智能弹性调整的基础。

4.3.4 GIS 服务弹性调整

传统的GIS 应用中，随着用户访问、使用频率的增加，超负荷并发量的请求将导致GIS 服务器处理性能上的瓶颈。通常的解决办法是添加物理服务器或更换为高性能的服务器，然后在新的服务器环境中部署GIS Server，这些都是耗时、耗力且无法保证GIS 服务7×24 h的运行。当并发的用户请求量降低时，又会造成严重的硬件资源浪费。

在云GIS 架构下，通过对GIS 后台管理接口提供服务度量信息，可以实现智能的弹性资源调整。调整分为2 个级别：GIS Server 机器级别和Server Instance实例级别。

当并发负载开始增加时，首先检查现有GIS Servers 机器的物理处理能力是否饱和，如果不饱和，则增加现有GIS Server 机器中的Server Instance 实例数，使其达到饱和状态；随着并发量的继续增加，现有的GIS Server 机器开始达到饱和，此时增强新的GIS Server 机器（物理机或虚拟机），并将新的GIS Server平滑加入到GIS 服务逻辑单位——集群中。如果并发量继续增加，则可平滑增加新的GIS Server 服务器，直到满足用户需要。如果物理硬件资源充足，则可以无限地并发扩展。

当并发负载逐步下降时，现有GIS Server 出现亚饱和，此时减少某台GIS Server 机器上的实例，随着访问量下降到一定程度，现有环境GIS Server 出现不饱和，则可以将某台GIS Server 平滑地移除。这样不断地动态调整，在低并发时使用少量的GIS Server 机器，实现最合理地利用资源。

在实际生产过程中，上述2 种过程是交替、平滑地发生在云端，对于用户来说是黑箱。

5 结束语

随着GIS 在通信行业的深度应用，GIS的使用越来越广泛，几乎渗透到电信企业业务发展的各个方面。本文介绍了如何构建企业级云GIS，包括平台架构和涉及的关键技术，供电信运营企业结合自身的业务发展和企业战略部署要求，在构建企业级云GIS平台时借鉴和参考。同时，除了在企业内部使用GIS 外，电信运营企业还可以依托云GIS 提供的服务，为其他集团政企客户提供相关GIS 服务和产品，从而对企业产品、市场和客户的发展提供新的服务基础。

1 张国，葛迪，李衡.电信运营商企业级GIS平台建设的关键问题研究.邮电设计技术，2013，4（85）

2 孙志，李凌，刘师哲.GIS 技术在OSS/BSS中的应用，电信科学，2014，6（45）

3 ArcGIS_Cloud.http://www.esrichina.com.cn/softwareproduct/technology/ArcGIS_Cloud/,2014