警用北斗位置资源平台系统的设计与实现

王胜和+余兵

摘要：依托安徽省科技计划项目支持，构建“标准统一、安全可靠、分建共享、联网运行”的新一代警用北斗位置资源平台系统，实现全国多源警用位置资源信息的规范化接入与整合、数据分布式存储、信息联网共享、跨部门和跨警种协同作战、以及位置资源大数据的分析和应用，为各警种警务实战提供统一的位置资源服务支撑，更好地满足各级公安机关在协同指挥中对跨省市、跨警种的警力资源调度的业务应用需要，全面提升公安科技信息化定位装备的位置信息服务与应用能力。

关键词：北斗卫星导航系统；分布式存储；信息联网共享；协同作战；位置资源大数据

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0244-03

Abstract： Based on the police demonstration project of Beidou Navigation Satellite System， the new generation police Beidou location resource platform system is build， which is "unified standard， serure and reliable， sharalbe， networked operation". It implements standardized access and integration of national multi-source police location information， distributed data storage， network shared information， cooperative combat cross-department and cross- police classification analysis and application of big data of location resources. The platform not only provides uniform location resource service for the police combat， but also meets the resources dispatch of the public security business application cross provinces and cities， cross- police. The platform can comprehensively enhance LBS and application ability of public security science and technology information and equipment.

Key words： BDS； distributed storage； network shared information； cooperative combat； big data of location resources

1 引言

北斗衛星导航系统是我国自主发展、独立运行的重要战略空间基础设施。北斗区域卫星导航系统建设过程中，其卫星钟性能、测距码性能、定位精度和可靠性等性能指标也得到了逐步验证[1]。2009年10月18日，国务院、中央军委共同批复了“中国第二代卫星导航系统重大专项实施方案”，要求通过重点行业和领域，特别是社会公共安全领域的典型示范应用，带动北斗的产业化和规模化应用。2012 年底，第13、14 号卫星的成功运行标志着覆盖亚太地区的北斗区域卫星导航系统已经建设完成，伪距定位精度可达10m 以内，并且初步具备高精度定位能力[2-4]。其标志着我国在空间定位导航领域迈上了一个新的台阶，也为我国社会公共安全和经济发展带来了新的技术支撑和发展动力。

公安部一直高度重视北斗卫星导航系统在公安领域的应用和推广工作，已将北斗公安应用列入《全国公安机关“十二五“科技强警工作规划》、《全国公安装备建设“十二五”规划》和《“十二五”社会公共安全领域科技创新规划》。北斗卫星导航系统公安应用示范项目是“十二五”期间公安部确定的重要建设工程，并明确提出选择典型的区域，如山东、安徽、广东等省进行北斗应用示范，要充分利用现有资源，结合北斗卫星导航系统的三大功能，力求贴近实战、深化应用，使北斗卫星导航系统能够更好地服务于公安工作，满足当前公安工作的迫切需求，进一步提升公安信息化应用水平。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

警用北斗位置资源平台系统是以北斗卫星导航系统为基础、位置信息服务为核心、已有公安信息通信网络和公安信息系统为依托，通过标准数据接口向各级公安机关提供人、车、地、事、物相关联的综合位置、授时、应急短信服务的基础平台。

警用北斗位置资源平台系统整体上分为警用位置资源服务系统、授时服务系统、应急短信服务系统、综合定位服务系统和专题导航服务系统五个部分，五个部分可通过公安网各自独立地向其他公安信息系统提供服务。总体架构图如下：

2.2 系统联网结构

警用北斗位置资源平台系统分为部、省、市三级[5]，各级警用北斗位置资源平台系统通过联网服务实现平台系统之间的互联互通和信息共享，在平台系统联网结构中既支持部、省、市三级层级联网，也支持点对点的联网方式（如图2所示），例如A省的a城市可以同B省的b城市直接进行联网调度，不需要通过双方省级平台进行代理互联。无论是层级联网结构还是点对点的联网结构，都需要进行联网注册、联网审核、资源目录发布、平台授权登录、信息访问等5个流程，以保证应用和联网的安全。

2.3 系统内部构成

警用北斗位置资源平台系统在业务逻辑上分为六层，即基础设施层、网络层、信息资源层、信息汇聚层、信息服务层和信息应用层。各部分的详细内容如下：

基础设施层：该层主要包括GPS/北斗车载定位终端、移动警务终端、PDT数字集群终端等能提供相关位置数据发送的终端设备、终端设备接入环境、基础存储环境、服务运算环境、网络安全环境等，是警用北斗位置资源平台系统的硬件设施。

网络层：该层主要包括外部通信网（3G/4G/WiFi/…）、公安信息通信网（公安专网/数字集群/卫星网/微波网/…）及公安网安全接入平台。

信息资源层：该层主要包括平台系统的信息资源库（基站/WiFi/标准地址/终端设备/统一编码/位置/时频/应急短信/联网资源/…）及其他业务系统的警用资源库（公安部八大资源库/PGIS资源库/各业务警种数据库/…）。

信息汇聚层：该层是资源统一访问的中间层，为平台系统信息的共享、交换、分发提供数据资源。

信息服务层：该层主要包括实时消息分发服务、设备联网服务、设备管理服务、轨迹分析服务、地理围栏服务、时间校准服务，应急短信发送服务等，为具体的业务应用提供必要的接口和服务。

信息应用层：该层是基于信息服务层支撑的相关公安业务应用系统，如指挥调度、巡防勤控、警卫安保、反恐应急、交通管理、消防救援等北斗应用系统。

3 关键技术

3.1 室内外融合定位技术[6]

公安执法工作常常面临着异常复杂的周边环境，对解决室内外融合定位技术也提出了更高的要求。目前用于室内定位的技术有很多，比如蓝牙、ZigBee、射频、红外线、超声波、计算机视觉等。这些技术与 WiFi室内定位技术相较，无论从硬件设计、软件设计、工程实施难度来说，还是从定位效果方面考察，其优势都明显不如后者[7]。警用北斗位置资源平台系统采用了WiFi室内定位与北斗卫星导航系统室外定位相结合的室内外融合定位技术，实现室内外定位的无缝切换。

WiFi室内定位服务采用BS架构，J2EE体系，客户端和服务器端通信采用标准的HTTP协议进行前后信息的交互控制，对整个平台系统的WiFi室内定位技术方案如下图：

WiFi室内定位技术的实现主要包括：热点数据采集服务和热点位置计算服务两个部分。

热点数据采集的原理是以当前采集设备的位置点坐标，作为所采集到的AP热点的原始参考位置点，在移动设备上安装采集工具，连接专业的带有WiFi扫面和GPS/北斗的采集定位终端，将终端设备上采集到的所有WiFi热点位置信息上传至数据服务器。如下图所示：

对采集的WiFi数据需要进行相应的管理才能满足应用需要，对WiFi数据的管理主要包括以下两个方面：1）对原始WiFi数据计算处理，对采集的多个AP热点信息，进行计算以获得更近似的位置坐标信息；2）对WiFi数据异常的信息点进行清理。

热点位置计算服务主要是通过系统提供的WiFi基准信息库和移动应用终端采集到的热点信息和定位请求，实现移动应用终端的定位解算、信息推送和数据分发几个部分，满足终端和业务监控中心对终端定位的应用需求。

3.2 海量实时信息处理技术

在各类实时信息中，来自GPS/北斗轨迹、卡口、各种物联网设备的实时信息由于其数据量非常大（每年累积上亿条数据），对此类数据的接入、存储、读取、查询以及应用提出了相当大的挑战。警用北斗位置资源平台系统在此方面针对性的构建了覆盖实时信息的统一接入、处理、存储及分析等方面的解决方案。如下图所示：

海量数据的存储：使用普通服务器进行分布式集群的搭建，降低系统的成本，隨着业务的不断增长，增加集群内数据节点的数量以满足业务需求。

数据备份：系统默认采取1：3的备份比例，保证相同数据同时保存在不同的三台服务器上，其中任何一台数据节点宕机不会影响正常的数据访问。

数据恢复：某台数据节点损坏后，系统管理员可以使用新的服务器进行替换，系统会自动将损失的数据块恢复到新的数据节点上。

数据完整性：系统从某个数据节点中读取的数据有可能是损坏的，这个损坏可能是由数据节点的存储设备错误、网络错误或者其他原因造成的。当数据节点完成数据块存储时，会计算这个数据块的校验码并进行保存，当客户端检索数据时，它会确认从数据节点获得数据与校验码是否匹配，当校验失败时，系统会自动读取相同数据块的备份数据。

海量数据分析[8]：采用大数据分析检索擎对海量实时历史数据进行分布式检索，从其中获取有价值的信息，为客户决策提供有力的支持。

在海量数据录入的过程中，针对相应的数据轨迹特点建立索引，不断更新内存中的索引数据，为海量数据检索做准备。海量历史数据分析系统中任何一台数据节点都可以接收业务端数据的查询请求，由运行在该节点的检索引擎将查询操作进行分解，转交给不同的数据节点进行分布式的运算，极大的提高海量数据的检索速度。

3.3 全国警用位置资源编号唯一性处理方案

定位设备资源主要分两类：警用定位设备和社会定位设备，相应的设备编码形式有很多，有自定义编号，车牌号码，警员名称，呼号， MAC地址（上网本），身份证号码/警员编号（移动终端），SIM卡号等。由于不同厂商及不同来源的定位设备资源的编码没有统一的定义，在位置资源信息向省厅或公安部进行汇聚或联网应用时，可能会存在部分设备的编码重复现象，会对上层业务应用带来影响。

同时，由于通过设备编码标识就可能获取相应警用资源装备的实时位置信息及历史轨迹等信息，为确保信息安全，避免重点定位设备（如警卫目标车辆）不被非法订阅，警用位置资源的设备编码应具备唯一性、不可读性、不可推断性。基于多方面因素考虑，警用北斗位置资源平台系统提出警用定位设备资源编码的唯一性处理技术思路如下：

在定位设备资源注册时，采用UUID随机产生一个编码，同时进行BASE64压缩转换后作为该定位设备资源的唯一编码。

原有的设备编码，作为该定位设备资源的一个属性字段继续保留，以不影响现有系统的应用。

在实时位置信息订阅以及历史位置查询时，都以新的UUID编码作为唯一标识。通过这种方式，能确保全国警用定位设备资源的编码具有唯一性和不可推断性。

4 结论

公安机关作为我国重要的刑事司法力量和武装性质的治安行政力量，预防、打击和惩处各类犯罪是其警务工作的重要职责。本文依托安徽省科技计划项目支持，结合公安机关在日常警务工作中对于位置信息服务的需求，设计并实现了警用北斗位置资源平台系统，并就系统中使用的关键技术做了详细的论述。可以预见，本平台的实施，能够有效加强公安机关社会公共安全管理和服务社会的能力。

参考文献：

[1] 杨元喜，李金龙，王爱兵，等. 北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估[J]. 中国科学：地球科学，2014，4（1）：72-81.

[2] Xuying Ma，YunzhongShen.BeiDou positioning and multipathanalysis for short baselines[C]，ChinaSatellite Navigation Conference Proceedings，2013.

[3]Xuying Ma，YunzhongShen. Multipath analysis of COMPASStriple frequency observations[C]，The International Symposium onGPS /GNSS，2012.

[4]Shi Chuang，Zhao Qile，Hu Zhigang，Liu Jingnan. Preciserelative positioning using real tracking data from COMPASS GEOand IGSO satellites[C]，GPS Solutions，2013，17（1）：103-119.

[5] 余登安.PGIS系統应用分析与实现[J].北京大学，2012.

[6] 李卫斌，李俊军，岳丽娜.基于北斗卫星导航的室内外融合定位技术[J].中国卫星导航学术年会，2015.

[7] 万国锋，钟俊.基于三角形理论的无线传感器网络定位算法[J].计算机应用研究，2013，30（1）：249.

[8] 程莹，张云勇，徐雷，等. 基于Hadoop及关系型数据库的海量数据分析研究[J].电信科学，2010，26（11）：47-50.