譚云婷 熊珊

摘要：PGIS是智慧警務建設中的一個重要基礎設施，傳統(tǒng)PGIS采用單體架構實施平臺建設，平臺中的功能、數據耦合緊密，擴展能力受限。為了實現警務云中PGIS平臺靈活、敏捷的云服務能力，結合警務云總體建設思路，找準PGIS的建設定位，基于微服務架構的設計思路，遵循分層解耦的設計原則，設計PGIS在DaaS層、PaaS層、SaaS層的建設內容，并融合大數據計算、容器編排等技術作為PGIS云化建設的技術支撐，實現微服務架構下的云PGIS平臺。

關鍵詞：智慧警務;警用地理信息系統(tǒng);分布式數據庫;大數據;云計算;微服務架構

1? ?引言

在“互聯網+”時代下，大數據、云計算、微服務等新型技術正驅使警務工作持續(xù)走在“智慧化”創(chuàng)新變革的道路上，PGIS（Police Geographic Information System，警用地理信息系統(tǒng)）屬于智慧警務中的時空信息服務，以警用電子地圖為核心，以時空信息技術為支撐，服務于公安全業(yè)務領域。圍繞警務地理信息應用需求，PGIS在設計之初已充分考慮了數據資源、功能組件在應用需求上的通用性，以組件+服務+模板的方式提供平臺服務，實現了基于平臺的PGIS個性化應用建設。隨著平安城市的建設發(fā)展，社會大眾對公安部門提出了更高的警務響應力度，從而在公安內部形成了高效、應變的信息化應用需求，面對動態(tài)多變的公安業(yè)務需求，傳統(tǒng)PGIS的單體架構逐步暴露出開發(fā)效率低、集成能力低、部署頻率低等問題，隨著云計算、大數據、微服務架構等前沿技術的高速發(fā)展，公安PGIS建設迎來了云化改造、服務化建設的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。如何融合新技術，劃清與警務云的建設邊界，理順PGIS建設范疇與改造重點，突出PIGS的服務重心，是PGIS云化建設需要重點考慮的問題。云PGIS是警務地理信息基礎平臺的云化實現，作為警務地理信息云，應具備GIS在警務應用中的開放能力，其開放性應包含功能的開放以及數據資源的開放性，圍繞警務應用需求，抽象原子性的GIS基礎功能服務，通過服務聚合的方式融合警務資源與GIS基礎功能，形成PGIS服務（如犯罪熱點、越界分析等），為進一步基于PGIS服務快速搭建業(yè)務應用提供服務支撐能力。

PGIS的設計定位是公安警務云平臺的PGIS服務，作為警務云的一部分，其數據、服務資源由警務云平臺統(tǒng)一歸口與發(fā)布，另外，為了保障PGIS的相對獨立性，其總體架構也應包含數據資源、平臺以及門戶三個層建設內容，從而實現空間數據統(tǒng)一管理、PGIS能力統(tǒng)一提供、PGIS服務統(tǒng)一發(fā)現，使PGIS專業(yè)人員具備數據處理、服務開發(fā)的專業(yè)分析平臺，也為PGIS應用需求者提供統(tǒng)一的資源訪問入口。

PGIS業(yè)務側重為警務應用提供PGIS能力，圍繞PGIS服務職能與范圍，PGIS平臺的建設重點在數據資源層與平臺服務層。數據資源是PGIS平臺的重點，建立警用基礎地理信息數據庫，對上層應用提供數據支撐;平臺層通過對警務GIS應用進行能力抽象，提取通用PGIS功能，采用服務化的思維開展PGIS服務建設，并充分利用警務信息化建設的中間件資源、基礎設施資源實現PGIS服務的敏捷開發(fā)與智能部署，可考慮采用容器服務提升PGIS的服務自動伸縮能力;應用層可采集、制圖、開發(fā)三個基礎應用，一方面，提供通用采集工具，并為非標準化的業(yè)務應用提供快速標繪、制圖的服務，另一方面，基于模板配置的工作方式，面向臨時性、緊急性的警用業(yè)務，提供應用快速搭建的服務。PGIS的服務資源通過服務門戶對外發(fā)布，用戶通過瀏覽、檢索等方式查看、獲取應用資源，建立自己的PGIS應用系統(tǒng)。

2? ?數據服務層設計

PGIS數據服務層主要由數據資源與數據服務兩部分內容組成，數據資源包括警用地理信息數據庫、標準地址數據庫與業(yè)務關聯數據庫三大核心數據庫，其中，警用地理信息數據庫又分為基礎信息庫、公共信息庫與業(yè)務專用庫三部分內容。PGIS大數據通過數據采集、數據整合、存儲管理、數據服務、數據管理5個過程完成PGIS數據全生命周期管理。

2.1? 數據分析

公安PGIS基礎數據資源包括基礎信息、公共信息與業(yè)務專用信息，基礎信息是PGIS地理底圖所需的二、三維地圖信息，基礎地理地圖是國家智慧城市建設內容之一，因此，警用公共基礎地理信息資源一般可向國土、測繪部門申請獲取，結合PGIS數據建設標準進行配圖、切圖、發(fā)布應用，另一方面，也可從百度、騰訊等地圖服務商處購買地圖數據，統(tǒng)一坐標系后發(fā)布使用，彌補國家共享資源更新效率較低的缺陷。公共信息與業(yè)務專用信息是警用業(yè)務基礎數據庫，來源于公安內部，主要收集了全公安體系以及各警種部門關注的警務空間信息。

標準地址數據庫是標準地址服務的核心基礎數據，也是業(yè)務關聯數據庫形成的關鍵基礎庫。標準地址服務源于地名描述的多樣性與地址空間的唯一性產生的矛盾，為了對廣泛的地址描述方式進行統(tǒng)一定位，圍繞標準地址這一實體建設的信息主要包括地址標識、地址編碼、地址名稱、地址生命周期、地址維護信息、地址元素、地址類型等，標準地址在公安以房管人、報案定位等工作中起了重要作用。

業(yè)務關聯數據庫是警用業(yè)務系統(tǒng)通過地址匹配服務形成的業(yè)務圖層數據，主要包括各業(yè)務系統(tǒng)中的人員、案件、物品、機構要素于地理空間要素的關聯信息，警用業(yè)務系統(tǒng)中很多地方都存在地址描述信息，為了形成直觀的空間圖面信息，對業(yè)務數據提取業(yè)務編碼、業(yè)務信息、地址數據，基于標準地址庫，通過地址匹配服務獲取業(yè)務數據的空間屬性，業(yè)務關聯數據庫為業(yè)務快速定位、及時做出空間決策提供了重要信息基礎。

2.2? 存儲設計

數據管理是從存儲技術層面，結合PGIS的數據特征，分析PGIS數據存儲方案。PGIS涉及的數據主要分為兩類，分別是靜態(tài)數據與動態(tài)數據，靜態(tài)數據包括PGIS能力提供所需要建設的五大基礎庫，此類數據側重為PGIS的數據資源與服務能力提供基礎支撐作用，動態(tài)數據是應用PGIS服務（空間分析、空間可視化等）所需要輸入的業(yè)務數據，這類數據又分為實時/準實時數據與離線數據兩種類型。

靜態(tài)數據采用分布式數據庫進行管理，其中，切片數據、三維數據屬于二進制格式的文件格式，此類數據的數據量非常龐大，由海量小型文件（圖片、索引文檔）構成，具備海量小數據特征，在讀寫方面，讀取要求高，寫入需求小，可采用面向文檔存儲的NoSQL數據庫進行存儲，當前主流的分布式文檔型數據庫有MongoDB和CouchDB，MongoDB比CouchDB具有更高的寫負載，對于頻繁更新的數據適合采用MongoDB數據庫。而CouchDB的優(yōu)勢在于數據的強一致性，對于數據可靠性要求高的應用，選擇CouchDB數據庫，另外，靜態(tài)數據的存儲需要增加高速緩存管理機制，提升數據讀取速度。矢量數據、警務業(yè)務公共/專用數據、標準地址庫數據、業(yè)務地理關聯數據為基礎支撐性數據，且具備空間特征，可采用關系型數據庫結合空間數據引擎SDE構建PGIS空間數據庫管理系統(tǒng)，基于可擴展的存儲解決方案考慮，而MPP架構的分布式數據庫集群方案是關系型數據存儲可擴展性的最佳保障，支持MPP架構與空間特性的主流存儲方案有Oracle+oracle spatial+RAC以及PostgreSQL+PostGIS+Greenplum，兩者均為在基礎數據庫的基礎上增加空間特性與分布式存儲方案，前者是商業(yè)解決方案，成本較高，但穩(wěn)定性較好，學習成本較低，后者是開源方案，可獲取低成本的PB級數據存儲與處理能力，目前也具備了很多互聯網公司的應用案例，與傳統(tǒng)關系型數據庫對比，具有一定的學習難度。

動態(tài)數據包括從互聯網、移動設備、物聯網等數據獲取端不斷流入實時數據及其所形成的歷史數據，動態(tài)數據的關注點是實時海量數據的接入與呈現，輔以對歷史數據的存儲與分析利用，因此，動態(tài)數據的計算復雜度不高，側重接入與呈現效率，可視化以聚合呈現技術為主。Elasticsearch全文搜索引擎涵蓋了分布式檢索、分布式存儲、空間檢索以及地理位置聚合等能力，可有效實現空間動態(tài)數據的存儲管理與高速讀寫，采用Elasticsearch作為實時大數據的存儲方案，可有效管理實時大數據，實時輸出聚合圖、熱力圖等實時數據GIS可視化效果。目前，Arcgis、Supermap等GIS產品提供商均采用Elasticsearch作為時空動態(tài)數據的存儲解決方案。

3? ?應用支撐層設計

3.1? 平臺架構

根據警務云總體建設目標與PIGS主體建設內容展開分析，PGIS是警務云中的一個通用能力平臺之一，公安部對警用地理信息系統(tǒng)定義了一個平臺，一組工具、一組服務、一組應用模板的建設框架，雖然以往的PGIS建設尚未考慮云化技術，但其對細顆粒度服務抽象理念與當前微服務架構思想是契合的，參考以往PGIS業(yè)務組件設計方案，結合當前業(yè)務需求與GIS、微服務架構等新技術發(fā)展方向分析PGIS應用支撐層的設計框架，PIGS應用支撐層建設內容分為兩部分，一方面是核心PGIS功能接口建設，另一方面，需考慮PGIS對警務云平臺的服務需求，充分利用警務云資源提升PGIS的服務能力。

PGIS的核心能力建設側重于GIS技術為警用業(yè)務提供的服務能力，按照應用層次的逐步深入，可將PGIS服務分為三個類別，分別是數據類服務、功能類服務和分析類服務。數據服務是基礎，通過對數據層的時空數據、瓦片數據、三維數據等數據資源進行接口封裝，其服務能力應包括數據資源的查詢及維護能力;功能服務圍繞PGIS應用過程中的通用需求建立基礎GIS能力建設，面向業(yè)務執(zhí)行者提供基礎性的數據處理、業(yè)務應用服務;分析類服務側重數據、基礎功能的融合分析應用，面向分析、決策者提供高級GIS分析應用服務。PGIS核心能力以OGC、REST等互聯網接口方式提供服務接入能力。

基于微服務總體架構思想，PGIS核心服務需通過警務云平臺提供的服務部署、發(fā)布等能力支撐，從而實現PGIS服務與應用需求端的對接集成，圍繞PGIS服務能力建設、服務部署以及服務發(fā)布三方面需求，警務云平臺需提供應用集成服務、應用部署與運行服務以及服務網關三個主要應用支撐能力。應用集成服務為PIGS核心能力提供數據庫、用戶認證、緩存等中間件服務，通過集成中間件服務，PGIS具備服務化的基礎能力;部署服務為PGIS功能服務提供了以容器為載體的集群部署能力，實現動態(tài)適應業(yè)務訪問壓力的承載資源伸縮能力;服務網關為PGIS服務提供了服務發(fā)現、負載均衡、服務路由的能力支撐，最終實現服務的對外發(fā)布與集成應用。

3.2? 數據類服務

PGIS數據資源主要包括二維數據、三維數據、時空數據與標準地址數據，為了保障數據服務的開放性，數據應支持符合OGC標準的服務訪問方式，并以SOAP、REST等webservice方式暴露服務接口。二維數據包含兩種服務方式，相對穩(wěn)定的靜態(tài)底圖數據一般采用切片緩存的方式，通過WMTS接口對外服務，快速的底圖呈現有效提升了用戶體驗，面向個性化應用的專題圖數據通過WMS服務實現圖層疊加呈現的效果。三維場景、建筑物等三維數據采用I3S服務協(xié)議，而時空數據以及標準地址數據通過WFS接口提供要素服務，各類地圖數據發(fā)布注冊后，在元數據庫記錄數據資源的元數據信息，通過CSW接口提供數據資源目錄訪問服務，客戶端訪問數據時，首先通過CSW協(xié)議查看資源目錄，再進一步通過檢索的元數據獲取數據源信息，訪問PGIS數據。

3.3? 功能類服務

PGIS功能服務可定義為GIS軟件無關的基礎GIS服務集，覆蓋數據接入、數據處理、數據訪問更新、數據查詢、數據可視化、打印輸出的PGIS數據應用全流程，其中，數據接入處理階段包括地址匹配與實時定位兩項功能，是公安業(yè)務數據實現空間集成的主要功能。

公安PIGS空間數據涉及三種數據來源，分別是警務業(yè)務數據、實時定位數據以及多來源地理底圖數據。第一類數據是警務業(yè)務數據，數據來源于公安內各業(yè)務系統(tǒng)，大量業(yè)務數據中包括了地址描述信息，此類數據需要空間可視化應用支撐實現位置的直觀呈現，雜亂無序的地址描述方式限制了業(yè)務上圖能力，因此，需要通過地址匹配功能規(guī)范化地址描述，從而實現業(yè)務上圖。第二類數據是與移動目標有關的實時定位數據，其定位信息來源于移動目標的定位設備，包括手機、對講機、移動終端以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，數據對于實時目標查看、資源調度、歷史軌跡分析等業(yè)務有重要的應用價值，對于此類數據的捕獲，需集成手機定位技術、衛(wèi)星定位技術等多終端定位技術實現數據的位置信息實時獲取，數據可入庫存儲，也可為可視化、分析等下一環(huán)節(jié)的應用提供服務接口。第三類數據是地理底圖數據，綜合考慮地圖信息的權威性、完備性以及現勢性，公安的地理底圖數據可來源于國土測繪部門、商業(yè)地圖地圖服務商，結合公安內部的獲取的數據形成統(tǒng)一底圖服務，多源數據存在坐標信息不一致的問題，因此，需要通過坐標轉換功能，統(tǒng)一PGIS數據的空間一致性，從而實現數據的統(tǒng)一呈現、疊加分析?；A數據通過地址匹配、實時定位、坐標轉換實現了PGIS數據的接入與統(tǒng)一，后續(xù)可利用訪問更新、空間查詢、專題制圖、打印輸出等功能，實現PGIS數據的運行維護、空間可視化等能力。

3.4? 大數據分析

空間分析是PGIS空間數據的知識引擎，通過提供不同層次的空間大數據分析能力，幫助分析、決策人員完成PGIS數據的深度挖掘，進而取得社會治安風險、犯罪活動等有價值的預測預警信息，分析類服務主要面向大數據應用，對警用實時、歷史大數據進行分析運算，分析手段應覆蓋淺層次的統(tǒng)計分析到神經網絡、人工智能等深層次應用，并能提供多種分析成果迭代應用的能力。

PGIS分析可分為實時分析與大數據分析兩方面內容。實時分析關注物聯、移動終端實時數據的接入、空間計算以及實時動態(tài)呈現，接入數據主要包括PGIS功能服務中的實時定位數據，接入的數據可存儲于分布式系統(tǒng)作為歷史數據，也可基于WFS服務實現空間要素的新增、更新操作，并采用動態(tài)聚合的可視化效果，實時呈現數據分布狀況。大數據分析側重歷史大數據的復雜分析運算，數據具有關系型大數據特征，可開展大數據聯機分析，發(fā)掘潛在規(guī)律，發(fā)現事件趨勢。大數據分析的過程可抽象為分析模型選擇、分析流程配置、分析任務執(zhí)行三個階段，定義好的分析任務，根據實時性與計算深度，可結合流計算、多維運算與離線計算框架開展數據分析運算。

4? ?應用服務層設計

在PGIS應用層面，應關注通用性的應用服務提供，而專業(yè)業(yè)務應用應基于PGIS提供的能力開展應用開發(fā)。在通用應用設計方面，一方面，考慮PGIS資源的統(tǒng)一服務出口，也就是服務門戶的建設，另一方面，考慮面向突發(fā)、臨時事件的PGIS應用需求，此類業(yè)務需求具有快速響應、功能簡易、臨時使用的特征，圍繞PGIS從采集、制圖、開發(fā)三個階段的業(yè)務場景，PGIS應用層可規(guī)劃數據采集、在線制圖、應用構建三種快速響應的應用服務。

數據采集是面向專項任務的數據采集應用服務。數據采集的核心功能是任務設置、在線采集、離線采集以及在線同步功能，而對采集業(yè)務的輔助功能可考慮路徑規(guī)劃、語音導航、軌跡查看及任務監(jiān)控等功能集成，數據采集為PGIS數據資源提供了更新維護的工具支撐，也為在線制圖提供了數據基礎。

在線制圖與應用構建是PGIS應用的兩個進階，面向的業(yè)務同為突發(fā)、臨時性應用業(yè)務。簡單應用需求是圍繞事件的地圖應用，需要制作一張圖，涵蓋事件相關的空間信息，輔以分布、聚合等可視化方式凸顯事件的空間特征。進一步的應用需求是基于一張圖，配置縮放、圖層、標繪等基礎應用控件，實現指揮作戰(zhàn)等業(yè)務過程的交互式操作、動態(tài)化地圖應用?？焖俚闹茍D與應用搭建可滿足面向突發(fā)事件的臨時圖件、簡易交互的應用需求，相對恒定的專項PGIS應用系統(tǒng)的搭建則需要對PGIS平臺的服務接口進行深度集成應用，在專業(yè)開發(fā)平臺上實施系統(tǒng)開發(fā)。

5? ?建設與集成方案

依照統(tǒng)籌集約的建設原則，微服務平臺能力由警務云平臺統(tǒng)一建設，PGIS作為警務一個信息化專項應用，充分結合警務云平臺的基礎能力，構建PGIS的服務平臺，為各警務部門提供PGIS專項服務。基于微服務架構的PGIS建設可分為基礎信息服務能力建設、基礎PGIS能力建設與集成、PGIS平臺應用建設三個階段。第一階段主要是警務云統(tǒng)一建設，基礎信息服務能力包括數據庫服務、大數據服務、集成與部署運行服務等關鍵內容。第二階段是建設重點，其過程可分服務能力建設與服務集成兩部分內容。在服務能力建設環(huán)節(jié)，一方面，基于警務云的多元數據庫服務，作為PGIS業(yè)務數據、底圖數據的承載體，對數據進行服務化封裝，實現數據服務，另一方面，基于GIS引擎，實現GIS功能與警務數據的融合，面向警務應用開發(fā)PGIS系列服務組件，實現PIGS服務組件，PGIS服務組件此時需要一個服務暴露與運行的載體，此能力通過警務云提供，在第一階段建設中，警務云需基于微服務技術與容器技術，實現自身的微服務平臺能力。PGIS功能組件通過服務注冊功能，在警務云中體現自身服務，提供服務發(fā)現途徑，并基于容器技術實現服務調用過程的自動伸縮能力，此階段實現PGIS平臺。第三階段是PGIS的應用建設，基于PGIS的服務組件，通過警務云的服務編排能力，面向業(yè)務開發(fā)PGIS應用，基于警務云的微服務平臺，實現警務與PIGS服務的編排與聚合應用，此階段實現PGIS的服務融合，也是PGIS應用創(chuàng)新的開始。

6? ?結論

云計算、大數據技術的發(fā)展為公安地理信息平臺建設帶來了新的機遇，作為警務云建設體系架構中的一個GIS能力提供平臺，應明晰服務平臺的建設定位，突出自身核心能力。基于平臺+微服務的建設思路，PGIS的建設重心在數據層以及平臺服務層，數據層面遵循由泛及專的建設思路，首先考慮充分采用政府、社會資源的完善基礎底圖資源的建設，而后擴展警用業(yè)務、專用空間數據建庫，逐步完成警用空間地理信息數據庫，并建設常態(tài)的數據更新機制，保障PGIS的數據資源的現勢性。功能層面采用微服務的建設思路，對平臺功能分層解耦，形成高內聚低耦合的PGIS服務資源池，結合警務云的集成平臺發(fā)布服務，實現服務的發(fā)現與集成，推進GPIS服務的應用流通。最后，基于平臺與數據層的基礎資源，圍繞數據獲取、數據制圖、應用開發(fā)三個技術漸進的應用場景，設計采集、制圖、開發(fā)三個通用應用，實現公安面對臨時突發(fā)事件的高效應用交付能力。

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