曹永鋒

(濟(jì)寧市國土資源局,山東 濟(jì)寧 272017)

0 引言

濟(jì)寧市為全國重點(diǎn)開發(fā)的八大煤炭基地之一，礦產(chǎn)資源豐富，含煤面積4826km2，占全市總面積的45%，主要分布于兗州、曲阜、鄒城、微山等地。經(jīng)勘探預(yù)測，全市煤儲總量約260億t，占全省煤炭儲量的50%[1-3]。多年來采煤塌陷造成了大面積耕地?fù)p毀，截至2015年底，濟(jì)寧市采煤塌陷地面積27343.15hm2，而且以每年0.27萬hm2(4萬畝)的塌陷速度遞增[4-5]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，煤炭需求及開采量仍較大，采煤塌陷嚴(yán)重破壞了土地結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境，影響了礦區(qū)的群眾生產(chǎn)生活水平，同時也給濟(jì)寧市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等帶來一系列問題，制約了區(qū)域城市規(guī)劃建設(shè)和現(xiàn)代轉(zhuǎn)型發(fā)展[6-7]。如何利用現(xiàn)代化科技手段輔助采煤塌陷地科學(xué)治理迫在眉睫。

在多年國土資源管理實(shí)踐中，濟(jì)寧市國土資源局積累了海量多元異構(gòu)地質(zhì)環(huán)境、礦產(chǎn)資源、采煤塌陷地治理等相關(guān)數(shù)據(jù)，由于分屬不同管理部門，這些數(shù)據(jù)存放散亂無序，再次利用時，還需要進(jìn)行二次加工。如何合理有效的利用這些數(shù)據(jù)，輔助采煤塌陷地監(jiān)管尤為重要。在信息化協(xié)同開發(fā)環(huán)境下，研究并開發(fā)集采煤塌陷地監(jiān)測、預(yù)測、治理、管理于一體的綜合應(yīng)用管理系統(tǒng)，準(zhǔn)確掌握濟(jì)寧市采煤塌陷地的現(xiàn)狀和變化情況，實(shí)現(xiàn)對未來采煤塌陷區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、分析、預(yù)警、預(yù)測，為科學(xué)合理開展采煤塌陷地綜合治理提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)和支撐。

1 協(xié)同開發(fā)環(huán)境

濟(jì)寧市國土資源局各部門內(nèi)部存在大量孤立的信息系統(tǒng)，往往一套數(shù)據(jù)需要在幾套系統(tǒng)內(nèi)重復(fù)錄入，封閉式軟件架構(gòu)造成系統(tǒng)之間的信息難以共享，產(chǎn)生信息溝通不暢、部門業(yè)務(wù)無法協(xié)同、工作效率低下等問題，難以發(fā)揮信息化應(yīng)有的作用。濟(jì)寧市國土資源局初步建立了以綜合管理服務(wù)平臺為運(yùn)行支撐環(huán)境，以數(shù)據(jù)中心和檔案系統(tǒng)為資源共享更新載體，以業(yè)務(wù)系統(tǒng)為應(yīng)用拓展體系的協(xié)同開發(fā)環(huán)境。該環(huán)境基于SOA架構(gòu)，綜合利用OSB服務(wù)總線、BPM工作流引擎、Portal門戶集成、SSO單點(diǎn)登錄、FME數(shù)據(jù)交換平臺、ArcGIS地圖服務(wù)等一系列技術(shù)，統(tǒng)籌考慮組織機(jī)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)資源等各個層面的協(xié)同需求，支持信息資源的共享交換和互聯(lián)互通，提供業(yè)務(wù)系統(tǒng)的通用架構(gòu)和共性功能，具有高度的復(fù)用性和松耦合性。主要包括組織機(jī)構(gòu)協(xié)同、業(yè)務(wù)流程協(xié)同、應(yīng)用服務(wù)協(xié)同、數(shù)據(jù)資源協(xié)同。

1.1 組織機(jī)構(gòu)協(xié)同

組織機(jī)構(gòu)協(xié)同主要包括綜合門戶、身份管理、認(rèn)證授權(quán)、單點(diǎn)登錄等模塊，可為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的用戶管理和登錄訪問入口，為不同角色的用戶提供個性化定制的工作臺，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)待辦任務(wù)、重要信息等提供統(tǒng)一展示窗口。

1.2 業(yè)務(wù)流程協(xié)同

使用Oracle BPM建立統(tǒng)一的流程管理中心，將不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的流程任務(wù)合并、串接、重構(gòu)，業(yè)務(wù)流程鏈接全部采用域名形式，相關(guān)審批待辦件推送至平臺門戶個人中統(tǒng)一顯示，實(shí)現(xiàn)了工作流程的全過程監(jiān)控和管理，為部門業(yè)務(wù)處理特別是跨部門業(yè)務(wù)協(xié)同提供了強(qiáng)有力的支持。

1.3 應(yīng)用服務(wù)協(xié)同

應(yīng)用服務(wù)協(xié)同主要通過Oracle Service Bus(OSB)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，OSB是一個輕型、可伸縮、可靠的企業(yè)服務(wù)總線，它強(qiáng)調(diào)從業(yè)務(wù)需求出發(fā)，在統(tǒng)一的接口和契約約束下，將不同的業(yè)務(wù)功能定義為服務(wù)并注冊在服務(wù)總線上，通過服務(wù)的編排組合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)構(gòu)建，通過服務(wù)的松耦合滿足業(yè)務(wù)流程變化，通過服務(wù)的重用節(jié)約軟件開發(fā)的成本，通過服務(wù)的分層降低系統(tǒng)之間的耦合度[8-11]，采用面向服務(wù)的方式將不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行集成，并對服務(wù)資源的全生命周期進(jìn)行監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)服務(wù)組合和業(yè)務(wù)流程自動化管理，降低系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，提高了信息資源的復(fù)用度[12-15]。

1.4 數(shù)據(jù)資源協(xié)同

協(xié)同開發(fā)環(huán)境的數(shù)據(jù)資源包括國土資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專業(yè)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和檔案數(shù)據(jù)[16]，利用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)將這些分散在各部門的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行整合，分析和梳理出完整的數(shù)據(jù)資源目錄和檔案資源目錄，并提供基于Web Service服務(wù)的數(shù)據(jù)資源共享更新服務(wù)，形成統(tǒng)一的集中管理和共享交換資源庫，為國土資源管理工作提供了豐富的數(shù)據(jù)資源支撐。

目前協(xié)同開發(fā)環(huán)境管理了67個組織機(jī)構(gòu)，646條人員數(shù)據(jù)，19個業(yè)務(wù)系統(tǒng)，43條業(yè)務(wù)審批流程，108個標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，基本做到了國土資源管理工作業(yè)務(wù)流程全覆蓋，為國土資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供了規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)行環(huán)境。

2 建設(shè)思路

采煤塌陷地動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)要在協(xié)同開發(fā)環(huán)境全程管控下進(jìn)行建設(shè)，確保開發(fā)語言、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具等的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一用戶認(rèn)證管理、統(tǒng)一工作流引擎、統(tǒng)一應(yīng)用服務(wù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)支撐(圖1)。

學(xué)習(xí)僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個專門術(shù)語，用更為嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語言來說，學(xué)習(xí)即是統(tǒng)計(jì)的意思。機(jī)器學(xué)習(xí)，簡單地說，僅僅是利用計(jì)算機(jī)這個平臺，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，去對數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析與歸納?，F(xiàn)代個性化的推薦系統(tǒng)便是機(jī)器學(xué)習(xí)中的一個重要的主題，也是我們?nèi)粘Ｉ钪休^為熟悉的一個機(jī)器學(xué)習(xí)的貼切的例子。推薦算法是推薦系統(tǒng)的核心所在，一個特定的算法本質(zhì)上就是一個計(jì)算的過程。推薦算法的計(jì)算主要來自于數(shù)學(xué)中的線性代數(shù)與概率統(tǒng)計(jì)，其中一個核心的概念，便是矩陣。

圖1 協(xié)同開發(fā)環(huán)境總體關(guān)系圖

在總體架構(gòu)層面，系統(tǒng)使用平臺提供的組織模型管理服務(wù)、身份認(rèn)證服務(wù)、單點(diǎn)登錄服務(wù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證授權(quán)登錄，使用Oracle BPM工作流引擎實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務(wù)流程整合管理，使用Portal門戶實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一界面展現(xiàn)；使用Service GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心地圖數(shù)據(jù)的發(fā)布并采用OSB技術(shù)注冊在統(tǒng)一服務(wù)總線上供系統(tǒng)調(diào)用，使用FME數(shù)據(jù)交換服務(wù)實(shí)現(xiàn)專題數(shù)據(jù)更新共享交換[17]，使用Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子檔案查詢與歸檔。例如，系統(tǒng)所需的地圖數(shù)據(jù)和檔案數(shù)據(jù)通過調(diào)用注冊在統(tǒng)一服務(wù)總線上的地圖服務(wù)和檔案查詢服務(wù)來實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)在調(diào)用數(shù)據(jù)中心和檔案數(shù)據(jù)的同時，將成果數(shù)據(jù)實(shí)時更新至數(shù)據(jù)中心和檔案系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和圖層數(shù)據(jù)自動更新，檔案數(shù)據(jù)自動歸檔。系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能開發(fā)成果(如塌陷地項(xiàng)目查詢服務(wù))通過發(fā)布為應(yīng)用服務(wù)，注冊在統(tǒng)一服務(wù)總線進(jìn)行管理。其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要使用塌陷地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時，只需調(diào)用發(fā)布在統(tǒng)一服務(wù)總線上的服務(wù)就可獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

在數(shù)據(jù)共享交換層面，系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲于國土資源數(shù)據(jù)中心，按照數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)整合入庫和數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布；系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)中心發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)目錄獲取所需的地圖服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)地圖查看與輔助審查；系統(tǒng)開展業(yè)務(wù)處理后產(chǎn)生的塌陷地管理成果數(shù)據(jù)，首先推送至中間庫存儲，使用FME更新服務(wù)抽取中間庫各數(shù)據(jù)表，根據(jù)配置好的數(shù)據(jù)更新規(guī)則完成數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換、加載，形成塌陷地專題圖層，沉淀至數(shù)據(jù)中心核心數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)采煤塌陷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時更新；其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要訪問塌陷地?cái)?shù)據(jù)時，通過調(diào)用數(shù)據(jù)中心發(fā)布的FME數(shù)據(jù)抽取服務(wù)，將數(shù)據(jù)抽取至數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行訪問，數(shù)據(jù)訪問完畢后，清除數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采煤塌陷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的在線調(diào)用。

在電子檔案支撐方面，系統(tǒng)將需要?dú)w檔的條目信息推送至中間庫，將檔案原文上傳至FTP服務(wù)器。通過調(diào)用在線歸檔服務(wù)解析中間庫中的條目數(shù)據(jù)，根據(jù)鏈接去查找電子文件，然后將電子文件上傳，最后返回歸檔結(jié)果，完成電子檔案自動歸檔。其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要查詢塌陷地業(yè)務(wù)檔案時候，調(diào)用發(fā)布在綜合管理服務(wù)平臺統(tǒng)一服務(wù)總線上的檔案數(shù)據(jù)查詢服務(wù)獲取所需信息。

利用協(xié)同開發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，能夠提升現(xiàn)有服務(wù)和資源利用率，減少開發(fā)工作量，提高工作效率；能夠打破相對封閉的信息孤島，實(shí)現(xiàn)采煤塌陷地信息資源的集中管理、統(tǒng)一展現(xiàn)、實(shí)時更新和自動歸檔，保障塌陷地信息資源在線共享和互聯(lián)互通。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)在技術(shù)選型上遵循SOA架構(gòu)，依托協(xié)同開發(fā)環(huán)境，基于虛擬化、數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù)進(jìn)行建設(shè)，整體架構(gòu)共包括5個層次、兩大體系(圖2)。

圖2 采煤塌陷地動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(1)基礎(chǔ)層：基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，用以支持系統(tǒng)的部署和運(yùn)行。主要使用濟(jì)寧市國土資源局部署的虛擬化環(huán)境來實(shí)現(xiàn)。

(2)資源層：存儲系統(tǒng)運(yùn)行必須的數(shù)據(jù)資源。由協(xié)同開發(fā)環(huán)境中數(shù)據(jù)中心和檔案系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和檔案支撐。

(3)服務(wù)層：提供數(shù)據(jù)服務(wù)、用戶管理、權(quán)限配置等基礎(chǔ)運(yùn)維支撐。由協(xié)同開發(fā)環(huán)境提供統(tǒng)一的運(yùn)行環(huán)境和服務(wù)倉庫。

(4)業(yè)務(wù)層：包括系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各類功能服務(wù)。在協(xié)同開發(fā)環(huán)境下基于J2EE框架進(jìn)行開發(fā)，核心功能成果封裝為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)注冊在統(tǒng)一服務(wù)總線上供其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。

(6)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。由協(xié)同開發(fā)環(huán)境提供的軟件開發(fā)約束規(guī)范、單點(diǎn)集成規(guī)范、服務(wù)集成規(guī)范、門戶集成規(guī)范、統(tǒng)一流程規(guī)范、統(tǒng)一身份管理規(guī)范、頁面風(fēng)格及交互規(guī)范等一系列規(guī)范指導(dǎo)整個工程的開發(fā)建設(shè)和運(yùn)行管理。

(7)安全保障體系。按照國家相關(guān)安全等級保護(hù)的要求進(jìn)行安全體系建設(shè)，確保系統(tǒng)運(yùn)行過程中的物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全、訪問安全。

應(yīng)用以上體系架構(gòu)，硬件資源、數(shù)據(jù)資源、運(yùn)行框架、展示風(fēng)格等公用資源由協(xié)同開發(fā)環(huán)境提供，業(yè)務(wù)功能由開發(fā)人員按照協(xié)同開發(fā)環(huán)境提供的規(guī)范進(jìn)行開發(fā)部署，將系統(tǒng)中公共組件與業(yè)務(wù)功能區(qū)分開來，抽象了具體實(shí)現(xiàn)過程中訪問的無關(guān)細(xì)節(jié)[18]。若業(yè)務(wù)功能發(fā)生變化，只需將新功能注冊為服務(wù)便可輕松添加到系統(tǒng)中去，縮短了開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，開發(fā)人員可更加專注于具體功能實(shí)現(xiàn)，以便更加快速響應(yīng)用戶需求變化調(diào)整。

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)采煤塌陷地業(yè)務(wù)監(jiān)管實(shí)際需求，綜合利用空間地理信息技術(shù)、OSB技術(shù)、ETL技術(shù)、地質(zhì)三維仿真、開采沉陷學(xué)、概率積分法等多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了地圖管理子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)、預(yù)測分析子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)等五大功能子系統(tǒng)建設(shè)。

(1)地圖管理子系統(tǒng)。采用地理信息、管理信息、辦公自動化相結(jié)合的一張圖管理，通過調(diào)用協(xié)同開發(fā)環(huán)境提供的地圖服務(wù)目錄，完成圖層管理、空間查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對采煤塌陷地的基本信息、監(jiān)測信息、業(yè)務(wù)處理信息的統(tǒng)一展示及數(shù)據(jù)處理。

(2)業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)?；趨f(xié)同開發(fā)環(huán)境提供的統(tǒng)一工作流引擎，按照采煤塌陷地治理項(xiàng)目管理審批流程，實(shí)現(xiàn)采煤塌陷地項(xiàng)目縣級登錄上報、市級接收審批功能；實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目立項(xiàng)管理、項(xiàng)目施工管理、項(xiàng)目竣工驗(yàn)收管理、項(xiàng)目移交管理等業(yè)務(wù)管理功能；實(shí)現(xiàn)塌陷地待復(fù)墾區(qū)信息提取、項(xiàng)目區(qū)復(fù)墾適宜性評價成果信息、土地復(fù)墾專家系統(tǒng)等輔助功能。

(3)動態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)。將InSar數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、人工測繪數(shù)據(jù)、礦山企業(yè)歷史測繪數(shù)據(jù)導(dǎo)入采煤塌陷地本底數(shù)據(jù)庫，并按照時間先后順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)形成地表形變數(shù)據(jù)鏈，通過計(jì)算前后兩期DEM數(shù)據(jù)模型的表面高程差得到表面模型，并將其投影到平面形成高差分析面，按照要求將高差大于一定值的高差面提取出來形成測區(qū)的沉陷區(qū)域面。分析結(jié)果以等值線的形式展示沉陷區(qū)域面，或者展示整個沉陷區(qū)域的平均沉陷趨勢圖(圖3)。

圖3 采煤塌陷地動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(4)預(yù)測分析子系統(tǒng)。采用概率積分法建立采煤塌陷地沉陷模型[19-21]，計(jì)算及展示在不同的開采方式、地質(zhì)條件下區(qū)域塌陷的變形邊界，分析預(yù)測區(qū)域塌陷變形的發(fā)展演化規(guī)律，建立并逐步優(yōu)化濟(jì)寧市采煤塌陷預(yù)測模型(圖4)。

圖4 采煤塌陷地動態(tài)監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

(5)決策支持子系統(tǒng)。綜合應(yīng)用已有遙感測繪數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)、礦山上報的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為采煤塌陷地土地恢復(fù)治理、工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)等提供應(yīng)用決策數(shù)據(jù)支撐。

通過系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了采煤塌陷地的開發(fā)利用、項(xiàng)目管理、業(yè)務(wù)審批、資金監(jiān)管、動態(tài)監(jiān)測、預(yù)測分析等功能，解決了采煤塌陷地信息統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享問題，不僅可以滿足國土資源內(nèi)部對采煤塌陷地信息的需求，也可為政府其他部門提供準(zhǔn)確可靠的采煤塌陷地信息資源服務(wù)，提升了采煤塌陷地管理的決策水平，促進(jìn)了采煤塌陷地綜合整治和科技化管理。

4 結(jié)語

協(xié)同開發(fā)環(huán)境的思想為分布式企業(yè)級軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了新的思路，可以為軟件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的應(yīng)用支撐體系和基礎(chǔ)運(yùn)行框架，提高了業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能模塊的利用率和復(fù)用度，有利于數(shù)據(jù)的共享交換和互聯(lián)互通，能夠打破因軟件廠商、數(shù)據(jù)庫選擇和應(yīng)用系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等因素造成的一系列“應(yīng)用系統(tǒng)級信息孤島”，有效解決開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境各異、整體應(yīng)用發(fā)展不平衡、系統(tǒng)適應(yīng)性差與集成度低等問題，保障不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)間信息資源的橫向共享和縱向貫通。

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