一種實時地理位置數據分析技術的探索與實現

向華（重慶數字城市科技有限公司，重慶 400020）

一種實時地理位置數據分析技術的探索與實現

向華?
（重慶數字城市科技有限公司，重慶 400020）

隨著近年來測繪地理信息應用的拓展和深入，海量實時地理位置數據的處理需求日漸增多。本課題為解決重慶市公安局交通巡邏警察總隊警車GPS點位實時數據處理需求，提出了一種實時地理位置數據分析技術。通過引入地理圍欄、定義地理事件，利用Map-Reduce算法結合空間拓撲特性對數據進行處理，取得良好應用效果，使警務數據統計處理效率得到較大幅度提升。

地理圍欄；地理事件；交通地理信息

1 引 言

隨著近年來測繪地理信息應用的拓展和深入，對測繪獲得的地理位置數據實時性要求日益提升。在物聯網快速發展的條件下，各種地理位置數據通過測繪技術實時采集、依托計算機網絡進行傳輸匯集，如涓涓細流匯入江河大海，形成海量的實時地理位置大數據。如何對其進行處理和利用，成為測繪地理信息領域亟待解決的新課題。

交通管理警務工作中，就涉及大量的交通參與人行為數據和交通管理者行為數據。為了提升城市交通運行管理的效率和質量，重慶在全國率先推行全?。ㄖ陛犑校┙煌ň旌脱簿弦坏木瘎漳Ｊ?，成立的新警種簡稱交巡警。重慶交巡警剛一成立，即在主要城區建設了上百個街頭固定警務平臺，開展街頭治安防控工作。但是固定的交巡警平臺裝置不便移動，逐漸難以適應警力靈活部署的要求，交巡警平臺從固定裝置向巡邏車輛轉變。隨著交巡警車輛工作模式的全面鋪開，指揮中心通過車載GPS回傳定位點，對警車進行定位、指揮調度。警車回傳的GPS定位數據平均一秒鐘約140個～180個點，一天超過840余萬，一月數據超過2.5億，傳統的地理信息統計方法因處理超時而失效。因此為了解決統計管理問題，引入地理圍欄、定義地理事件，利用Map-Reduce算法結合空間拓撲特性對GPS地理位置大數據進行處理，探索出一套處理海量實時地理位置數據的新興分析技術。

2 警務管理中的需求

重慶市交巡警通過對警車GPS數據進行匯總、統計和分析，著手解決如下幾方面問題:

第一，是通過地理信息技術準確表達和傳送警力部署和駐扎方案，能夠描述在指定的時間、將指定的警車和警力安排在某個街頭巡邏點；經過分發傳送到一線予以執行，從而形成警力網絡。

第二，是指揮員及時發現警力異常狀態。在進行了方案分發執行后，針對駐扎和巡邏區域，能夠發現警力遲到、提前離開、缺席等異常情況。

第三，是匯總一段時間內警力駐扎和巡邏情況進行統計，以此開展警務督導。需要高效、直觀、準確地統計和反映出警力異常狀態匯總情況，成為警務督導依據，提升效率。

3 引入地理圍欄技術

為了解決第一個問題，為后續的海量警車GPS實時地理信息數據分析提供基礎條件，引入地理圍欄（Geo Fencing）技術進行探索并應用。

定義具有時間和地理屬性的地理圍欄模型。通過對交巡警街頭駐扎、巡邏的工作方式進行跟蹤學習，掌握警力部署和指揮調度的一般方法。即在指定的時間段在指定的位置駐扎，或者在指定的時間端在指定的道路上巡邏。用文字指令不易表達，口語說明容易失真。在方案層層傳遞過程中易失真。將警力部署方案以閉合多邊形或者矩形圖元的方式，在電子地圖上繪制出警力駐扎或巡邏的地理范圍，并在范圍數據中記錄駐扎或巡邏的計劃時間段，形成的具有時空限制條件的邏輯圍欄。如圖1、圖2所示:

? 收稿日期:2015—11—03

作者簡介:向華（1982—）:男，工程師，碩士，主要從事GIS、GPS、RS開發應用等技術工作

基金項目：重慶市科技人才培養計劃（cstc2013kjrc-tdsj40001）；智慧重慶空間信息服務云計算平臺開發（cstc2014yykfB40004）

圖1　定義地理圍欄

圖2　地理圍欄屬性填充

將地理圍欄以任務形式指派給具體的警車。在目前的交巡警警力管理中，以警車作為一個警務小組的代指，根據不同的車型配備一定數量的民警。將警力資源和地理圍欄進行關聯?？蓽蚀_直觀地描述定時定地的警力部署要求。

通過公安計算機網絡安全傳遞警力部署方案。警力部署方案準確可靠保密的傳送是一項具有重要意義的任務，原來通過對講機呼喊的方式容易導致信息失真，也容易泄密透露警力位置（警用對講機頻道被人監聽等情況時有發生）。在本次研究中，找到通過地理圍欄數字化表達警力部署方案的方法，也研究出通過公安計算機網絡將部署方案進行傳送的方法，以電子地圖的形式使PGIS平臺延伸到的用戶均可授權訪問。

地理圍欄和傳統方式表達警力方案的區別。如表1所示:

各種警力方案表達模式比較 表1

4 定義和處理地理事件

為了表達警力異常，定義地理事件（Geo Event）。地理事件是近年來的一個新興的地理科學術語，它發源于時下熱火朝天的移動互聯網LBS、O2O領域，在這一領域中對用戶的位置變化予以邏輯行為的抽象定義。本課題引入地理事件的概念，用以表述一個圖元對象在電子地圖上移動時與地理圍欄發生拓撲關系變化的情況。圖元對象進入到地理圍欄內，觸發“進入事件”；圖元對象從地理圍欄中移出，觸發“離開事件”；圖元對象消失，觸發“消失事件”。一個地理事件被觸發后，即創建一個事件信標，在計算機系統中可在程序支持下激活一連串的軟件功能，包括地理事件的存儲、展現、處理和轉發。如圖3所示:

圖3　常見地理事件定義

在本課題中，地理事件與地理圍欄相輔相成，地理圍欄用以描述警力部署，地理事件則用來解析為警力的狀態。將警力GPS定位數據和地理圍欄空間數據進行拓撲分析，把分析結果用地理事件來進行表示，然后與地理圍欄的時段屬性進行比對，能夠高效地發現警力異常狀態，包括遲到、脫崗、缺勤等等。

5 實時地理信息分析算法

警車GPS定位數據一天超過840余萬個，一月數據超過2.5億個GPS點，傳統的地理統計方法均超時失效。為此開拓性地引入Map-Reduce方法對地理位置大數據進行實時映射-規約處理。以GPS定位數據和地理圍欄等空間數據為依托，實時判讀是否觸發地理事件，將先存儲后統計GPS點位的傳統處理流程，映射-規約為地理事件的存儲和分析。該方法大幅度縮減了統計運算的數據源規模，將花費數小時的計算時間縮減到為以秒為單位計算的時間，效率提升數千倍；同時統計信息不失真，是地理信息化管理領域可推廣的新型技術方法。與傳統方法的對比如表2所示:

警力狀態的獲取形式比較 表2

警車上安裝的GPS設備通過移動通訊網絡回傳定位點，同時應用多基站逐次逼近定位方法輔助提升定位經度。進行GPS大數據Map-Reduce映射-規約時，根據GPS定位數據判定是否觸發地理事件。判定算法采用數據流處理方式，當一個GPS定位點被作為處理對象傳入到處理機當中時，將根據其定位時間回溯同一車輛的前時序點，形成該車輛的GPS移動軌跡。然后將軌跡與該車輛部署時對應的地理圍欄進行匹配對比，判定觸發具體的地理事件。其算法概要邏輯如圖4所示:

圖4　MapReduce處理邏輯

編寫的實時GPS點位處理程序部署在專用GPS數據解析服務器上，并且以多進程（每個進程下還有多線程）方式運行，在并行計算算法的支持下充分利用了當下多核處理器的性能。通過Windows服務管理器對各個進程進行控制，確保了對進程狀態的監控。

6 數據處理效率對比

本方法涉及的軟件編碼完成上線后，與傳統的數據庫統計方法進行了一次比較計算。通過一周的警務車輛運行情況，統計出一周以來遲到的警務車輛。對比情況如表3所示:

通過表3對比可以發現，雖然在實時處理地理事件時為服務器帶來少量的額外計算開銷，但與匯總統計相比，得到結果的計算效率有較大幅度提升。

數據處理效率對比 表3

7 數據計算誤差糾正

目前地理事件的觸發以GPS定位數據的變化為觸發器，由于GPS定位點在實際使用過程中存在信號干擾、飄移、跳變等情況。為了使地理事件的判定更加準確，引入信度變量來進行事件驗證。當一個地理事件被觸發后，根據觸發該事件的GPS定位數據上的時間戳，統計后續一段時間內收到的新GPS定位數據，使用這些定位數據去驗證之前的地理事件，每當驗證成功一次，信度變量增值，當信度變量增值達到一定程度，即可確信該地理事件為真實可信的。

其算法流程如圖5所示:

圖5　信度變量計算處理流程圖

8 結 語

研發的地理位置數據分析技術在交通巡邏警務管理中持續產生作用，自從成果軟件2014年年末在重慶市交巡警總隊上線投入使用以來，已平穩運行了約一年。在這一運行周期中，對全市幾千輛警務車輛的GPS點位進行分析和處理，每天處理數據量超過840萬條。依托課題成果軟件系統，重慶市交巡警對警力部署和調度的新管理模式得以推行和優化，對提升街頭震懾力和巡邏覆蓋率作出了貢獻，使街頭治安事件的發生率保持在較低水平。提升了交通擁堵的疏導效率，使警車的有效駐扎時間從原來的每車/月不足120 h，提升到每車/月不低于 200 h。

同時實時地理位置數據分析技術中涉及的地理圍欄、地理事件和Map-Reduce方法，在地理信息領域和互聯網搜索領域均為逐漸成熟的方法，但其交叉應用卻較為罕見。本項目針對本方法的嘗試，是一種融合性創新，同時通過引入信度變量的計算提升了地理事件判定的準確性，為后續開展地理事件的進一步應用夯實了基礎。通過探索和實踐，我們認為本方法不僅能應用在交通警務管理中，還可以向其他需要實時處理海量GPS數據的行業推廣，如物流、安監、高速公路管理等，具有良好的應用價值。

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Exploration and Implementation of a Real Time Location Data Analysis Technology

Xiang Hua
（Chongqing Cybercity Sci-tech Co.，Ltd，Chongqing 400020，China）

With the development of geographic information applications in recent years，the demand for real-time location data processing and analysis is increasing.In order to solve the problem of real-time data processing requirements of the GPS points of the police car in Chongqing，this paper presents a real-time location data analysis technique.The geographic fence and the definition of geographic events are introduced.The data are processed by Map-Reduce algorithm and the spatial topological characteristics are obtained.The efficiency of data processing is greatly improved.

geo-fencing；geo-event；traffic geographic information

1672-8262（2016）02-11-04中圖分類號：P208.1

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