新一代警用地理信息系统PGIS 2.0框架和关键技术研究

马国春, 姚远

(1.上海众恒软件技术有限公司,上海 200042; 2.重庆市公安局,重庆 400030)

0 引言

2009年以来,全国各地公安机关研发推广了警用地理信息系统PGIS平台1.0、1.6版本,建立了警用地理信息基础平台、系统互联互通、部门间共享服务支撑体系。在当时技术条件下,该软件的研发解决了警用地理信息基础平台建设的关键技术、标准统一和系统互连问题,为公安指挥调度、侦查办案、治安管理、人口管理、交通管理、大型活动安保、应急救援等各类警务工作地理可视化应用奠定了基础,并取得了良好的应用成效[1]。

在PGIS 1.X平台建设和推广的这几年,物联网、云计算、大数据、人工智能等技术不断发展,对警用地理信息平台的基础运行环境、应用开发方式、技术架构、新应用要求也带来了重大影响,在新技术发展形势下,PGIS发展建设面临许多新的问题与挑战。

1 现状问题

在软件技术层面,PGIS 1.X平台软件升级速度跟不上当前技术和应用发展需求,无法支撑各警种对该平台快速增长的地理信息需求。在运行环境及数据管理层面,当前各地警务云、移动警务、物联网和警务大数据技术快速发展,PGIS平台软件架构、数据管理技术等跟不上新技术的发展。在跨区域、跨网络数据资源共享层面,对PGIS平台的技术支撑能力及服务模式提出了更高要求,各部门对移动警务地图应用也提出了应用需求。

原系统在标准体系、技术架构、支撑能力等方面受到陈旧技术结构的制肘,已经无法满足大数据、云计算、物联网等新技术形势下公安信息化实战对地理信息的需求,特别是在海量地理数据治理和共享、地图展示模式、位置精准定位、地理数据服务、基础支撑、业务协同等方面,存在制约支撑实战发展的瓶颈。导致公安地理信息业务应用效果不理想,影响公安信息化建设发展[2-3]。

因此,迫切需要采用新的技术研发升级PGIS平台软件的技术架构,设计新一代警用地理信息系统,即PGIS 2.0平台,开发相关服务、工具和平台功能,建立能够满足警务实战应用需求的PGIS平台软件快速迭代更新机制、警务实战的支撑保障。

2 PGIS 2.0设计技术思路

新版PGIS 2.0平台需要在现有的PGIS 1.X平台软件基础上,对其技术架构进行重构升级,尽可能做到对原平台软件核心模块的兼容支持,避免对已有业务应用造成较大影响。

在门户方面,PGIS 2.0平台将采用互联网风格的新型地图门户,开放平台和PGIS微应用组成。

二次开发API方面,将升级原有Web地图API,支持HTML5、大数据可视化API、移动地图API。

应用服务。原平台是基于传统架构的地图服务,提供传统空间数据库的数据查询检索服务。PGIS 2.0平台将基于云计算及分布式环境的高性能地图服务,提供基于索引的空间检索和公安物联网多源信息实时接入与管理等服务。

数据库管理系统。原平台主要采用关系型数据库,包含静态、结构化的空间数据。现可以采用分布式文件系统、分布式空间索引文件、内存数据库、关系型数据库等,提供动态、结构化和非结构化的多源、多维时空大数据管理。

部署运行环境。原系统采用传统中心服务器模式,包括PC服务器、小型机、服务集群等。现在部署环境去IOE化,采用异构警务云、虚拟化和实体机运行环境并存。部署环境多样,支持云计算环境(云主机、云存储、云安全、云负载)和传统中心机房模式。

架构设计。原有的从零开始,基于成熟的基础GIS软件、数据库和中间件研发,技术架构简单,开发难度大。现根据云技术、大数据应用、微服务,重新优化软件技术架构,与商业基础GIS软件实现松耦合,与老版本兼容,减少新平台对接业务的影响,开发难度小。

3 系统框架

本文按照公安大数据智能化建设总体规划,并充分结合地理信息技术专业特点构建PGIS 2.0平台,其技术架构如图1所示。

图1 系统框架图

由图1可知:基础设施层依托新一代公安信息网、警务云平台、移动警务平台等基础支撑环境开展建设;数据层按照公安大数据处理流程和规范,对空间数据资源进行接入、处理、组织、治理,建成基础地理信息库、地址资源库、动态资源库和业务关注库;支撑层基于各类空间地理信息数据资源采用微服务方式,提供地图访问、空间查询、地址资源、空间定位、时空分析等服务,并用于二次开发地图服务接口,以及大数据可视化地图组件,满足各警种业务系统的空间地理信息数据服务需要;在应用层构建地图门户和地图App,集中展示平台的各种服务能力,支持各警种基于平台提供的空间地理信息数据和服务能力,开发建设警种业务应用系统。

4 关键技术研究

根据当前技术发展和业务要求,提出PGIS 2.0框架设计的关键技术,如空间数据管理的大数据、平台框架的微服务化、数据治理、智能化技术等。

4.1 基于大数据的空间数据管理

PGIS 2.0平台是公安大数据智能化建设的组成部分,是各类公安业务工作的空间数字底板、地图应用的统一载体,提供空间可视化、大数据时空分析工具。平台按照公安大数据处理流程和规范,建成基础地理信息库、地址资源库、动态资源库和业务关注库。

大数据智能化空间数据管理包括空间大数据存储管理、空间大数据分析、数据治理、空间大数据可视化等技术,为警务GIS提供基础技术支撑[4]。

警用空间数据分布式存储计算技术基于公安大数据平台,对空间数据索引、数据分块进行分布式存储,提供分布式空间文件系统、分布式SQL空间数据库、弹性搜索引擎,根据空间数据的横向发展,实现大数据量的储存与管理。

警用空间大数据分析技术针对警务常见业务,将以往Oracle数据库难于承载的海量历史数据和实时流式数据进行数据迁移,扩展数据存储能力,增强查询分析能力。提供大数据空间聚类、时间聚类分析、大数据热区服务、大数据热点服务、轨迹查询与分析、人员地理画像、关联分析、起止分析、邻近分析等。形成以人、车、案、组织、场所单位、物、感知数据的空间数据知识图谱,结合警用地理信息平台进行时空可视化展示,辅助公安指挥实战和决策。

4.2 平台微服务化架构

微服务架构作为大数据和云计算技术发展成熟后出现的新型架构,可以把大型的单个应用和服务拆分为多个协同工作的小服务[5]。与传统架构相比,微服务架构具有技术异构性、弹性、低成本扩展、可组合性、简化部署等优点。采用该架构可以形成标准统一、动态部署、联动协同、集成上云、开放共享的新生态[6]。

对各地已建设PGIS平台,采用微服务架构升级改造的方式更具优势。在PGIS微服务改造过程中,原系统正常运行,新老架构能够平滑过渡。

该架构支持服务化的单体应用(如历史遗留模块)、粗细粒度服务应用、共享数据库服务应用以及微服务应用的注册、管理与访问控制管理。

对于新建模块或拟升级改造的模块,基于微服务化技术进行服务拆解与应用接入,对于在用模块,优先选取独立性较强的功能,利用反向代理、灰度发布等方式,实现系统微服务化架构改造。

设计使用统一的微服务协议,连通不同的业务系统,实现应用内部服务、跨应用之间的服务互相调用,减少系统间的依赖。提供微服务管理,包括微服务的生命周期管理、服务发布、服务目录、服务调用、监控管理、日志管理、访问控制等。

将PGIS功能拆分为微服务、容器化部署、运行节点滚动升级、弹性伸缩和故障恢复,对所有微服务资源进行实时监控。拆分的服务包括地图访问服务、空间查询服务、地址资源服务、时空分析服务等,每种服务可继续拆分成更小的微服务。基于微服务提供地图开发接口、二次开发组件,实现二三维一体化浏览、搜索、空间分析、数据上图、警务要素一图展示等应用。对各警种的业务应用,也通过微服务接口提供技术支撑。

4.3 数据治理

数据治理遵循公安大数据治理要求,结合地理信息的数据特点,将警务空间数据扩展到包含空间位置信息的一切数据,对公安与非公安、结构化和非结构化、静态和动态等不同类型数据分别进行存储、治理[7]。针对不同的数据类型和来源,实现多源异构警务时空数据的实时接入获取、空间数据处理、空间数据组织以及空间数据治理,实现数据资产清单、数据标准、数据质量的一站式管理,为空间数据服务提供数据支撑。

PGIS 2.0平台通过不同的方式接入基础地理信息数据、地址资源数据、动态资源数据和业务关注数据等空间地理信息数据资源,进行提取、清洗、关联、比对等处理后[8],组织形成基础地理信息库、地址资源库、动态资源库和业务关注库,构建空间数据资源目录,并纳入公安大数据平台服务目录体系。

通过空间数据有效治理、空间数据分类管理,实现数据标签化。按业务主题、应用场景对数据进行定义和分类,形成标准地址、轨迹、房屋、场所、POI信息、设备设施等信息。地址信息为以建筑物、门路牌号信息为主的标准地址信息,非标地址和标准地址的映射信息;POI信息包括各类POI点信息;位置轨迹包括人、车、设备等时空轨迹信息;房屋各类信息包括房屋基本信息,产权信息等;场所为各类重点场所信息;设备设施包括场所、安防及警用IOT设备、设施等信息。

4.4 智能化

使用人工智能技术用于警务地理信息系统的研究应用,服务于GIS空间数据分析与挖掘,实现感知智能化,为打击犯罪、分析研判和决策指挥提供支撑[7]。

将PGIS平台、物联网和智能感知设备关联,记录IoT感知数据(如烟感、智能安防感知设备等)。通过智能探头、智能门禁、物联网等设备,实现对特定行为、特殊情况的自动识别感知,展现区域内的感知终端如摄像机、警力资源等,并自动报警,调度民警到达现场处置,实现案事件发生点就近快速处置[9],逐步实现全方位、全时空,连续不间断的自动化指挥。

PGIS平台在标准地址的基础上,汇聚各警种、其他政府部门和社会单位共享的地名地址数据,以及互联网地图外部资源数据,开展地址数据空间化治理。采用机器学习等算法建立地址分词、地址匹配模型,建立地址匹配引擎、地址匹配管理工具,构建全警地址资源库,满足对地址的请求服务要求。

PGIS平台与案件、犯罪人员信息结合,综合各种案件犯罪态势、犯罪手段、作案规律和人员躲避打击规律,在犯罪时空聚类分析、热点警务的基础上[10],基于深度学习和多维数据分析等技术,建立案件串并、犯罪预测分析、犯罪态势算法和模型,向基层办案部门推送打击预警信息,随时响应各类应急任务。

以PGIS平台为基础,结合视频、Wi-Fi、手机信令、轨交票务等手段,实时采集人流密集重点区域的客流关键技术指标,通过预警模型计算,与预警指标、风险级别指标进行匹配,实现自动监测、辨识人流异常状态,建立客流风控情报墙进行展示和预警。

5 总结

新一代警用地理信息系统PGIS 2.0的建设是当前新技术发展和新业务需求的产物,结合当前的前沿技术,本文设计了PGIS 2.0技术框架,阐述架构原理和技术设计思路,提出了平台关键技术的设计方法,具有先进性和可操作性,能够更好的保障PGIS平台建设,为警务实战地图服务提供技术支撑参考。