基于微服务架构的警用地理信息系统云化设计思路

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　　摘要：PGIS是智慧警务建设中的一个重要基础设施，传统PGIS采用单体架构实施平台建设，平台中的功能、数据耦合紧密，扩展能力受限。为了实现警务云中PGIS平台灵活、敏捷的云服务能力，结合警务云总体建设思路，找准PGIS的建设定位，基于微服务架构的设计思路，遵循分层解耦的设计原则，设计PGIS在DaaS层、PaaS层、SaaS层的建设内容，并融合大数据计算、容器编排等技术作为PGIS云化建设的技术支撑，实现微服务架构下的云PGIS平台。
　　关键词：智慧警务;警用地理信息系统;分布式数据库;大数据;云计算;微服务架构
　　1   引言
　　在“互联网+”时代下，大数据、云计算、微服务等新型技术正驱使警务工作持续走在“智慧化”创新变革的道路上，PGIS（Police Geographic Information System，警用地理信息系统）属于智慧警务中的时空信息服务，以警用电子地图为核心，以时空信息技术为支撑，服务于公安全业务领域。围绕警务地理信息应用需求，PGIS在设计之初已充分考虑了数据资源、功能组件在应用需求上的通用性，以组件+服务+模板的方式提供平台服务，实现了基于平台的PGIS个性化应用建设。随着平安城市的建设发展，社会大众对公安部门提出了更高的警务响应力度，从而在公安内部形成了高效、应变的信息化应用需求，面对动态多变的公安业务需求，传统PGIS的单体架构逐步暴露出开发效率低、集成能力低、部署频率低等问题，随着云计算、大数据、微服务架构等前沿技术的高速发展，公安PGIS建设迎来了云化改造、服务化建设的发展机遇与挑战。如何融合新技术，划清与警务云的建设边界，理顺PGIS建设范畴与改造重点，突出PIGS的服务重心，是PGIS云化建设需要重点考虑的问题。云PGIS是警务地理信息基础平台的云化实现，作为警务地理信息云，应具备GIS在警务应用中的开放能力，其开放性应包含功能的开放以及数据资源的开放性，围绕警务应用需求，抽象原子性的GIS基础功能服务，通过服务聚合的方式融合警务资源与GIS基础功能，形成PGIS服务（如犯罪热点、越界分析等），为进一步基于PGIS服务快速搭建业务应用提供服务支撑能力。
　　PGIS的设计定位是公安警务云平台的PGIS服务，作为警务云的一部分，其数据、服务资源由警务云平台统一归口与发布，另外，为了保障PGIS的相对独立性，其总体架构也应包含数据资源、平台以及门户三个层建设内容，从而实现空间数据统一管理、PGIS能力统一提供、PGIS服务统一发现，使PGIS专业人员具备数据处理、服务开发的专业分析平台，也为PGIS应用需求者提供统一的资源访问入口。
　　PGIS业务侧重为警务应用提供PGIS能力，围绕PGIS服务职能与范围，PGIS平台的建设重点在数据资源层与平台服务层。数据资源是PGIS平台的重点，建立警用基础地理信息数据库，对上层应用提供数据支撑;平台层通过对警务GIS应用进行能力抽象，提取通用PGIS功能，采用服务化的思维开展PGIS服务建设，并充分利用警务信息化建设的中间件资源、基础设施资源实现PGIS服务的敏捷开发与智能部署，可考虑采用容器服务提升PGIS的服务自动伸缩能力;应用层可采集、制图、开发三个基础应用，一方面，提供通用采集工具，并为非标准化的业务应用提供快速标绘、制图的服务，另一方面，基于模板配置的工作方式，面向临时性、紧急性的警用业务，提供应用快速搭建的服务。PGIS的服务资源通过服务门户对外发布，用户通过浏览、检索等方式查看、獲取应用资源，建立自己的PGIS应用系统。
　　2   数据服务层设计
　　PGIS数据服务层主要由数据资源与数据服务两部分内容组成，数据资源包括警用地理信息数据库、标准地址数据库与业务关联数据库三大核心数据库，其中，警用地理信息数据库又分为基础信息库、公共信息库与业务专用库三部分内容。PGIS大数据通过数据采集、数据整合、存储管理、数据服务、数据管理5个过程完成PGIS数据全生命周期管理。
　　2.1  数据分析
　　公安PGIS基础数据资源包括基础信息、公共信息与业务专用信息，基础信息是PGIS地理底图所需的二、三维地图信息，基础地理地图是国家智慧城市建设内容之一，因此，警用公共基础地理信息资源一般可向国土、测绘部门申请获取，结合PGIS数据建设标准进行配图、切图、发布应用，另一方面，也可从百度、腾讯等地图服务商处购买地图数据，统一坐标系后发布使用，弥补国家共享资源更新效率较低的缺陷。公共信息与业务专用信息是警用业务基础数据库，来源于公安内部，主要收集了全公安体系以及各警种部门关注的警务空间信息。
　　标准地址数据库是标准地址服务的核心基础数据，也是业务关联数据库形成的关键基础库。标准地址服务源于地名描述的多样性与地址空间的唯一性产生的矛盾，为了对广泛的地址描述方式进行统一定位，围绕标准地址这一实体建设的信息主要包括地址标识、地址编码、地址名称、地址生命周期、地址维护信息、地址元素、地址类型等，标准地址在公安以房管人、报案定位等工作中起了重要作用。
　　业务关联数据库是警用业务系统通过地址匹配服务形成的业务图层数据，主要包括各业务系统中的人员、案件、物品、机构要素于地理空间要素的关联信息，警用业务系统中很多地方都存在地址描述信息，为了形成直观的空间图面信息，对业务数据提取业务编码、业务信息、地址数据，基于标准地址库，通过地址匹配服务获取业务数据的空间属性，业务关联数据库为业务快速定位、及时做出空间决策提供了重要信息基础。
　　2.2  存储设计
　　数据管理是从存储技术层面，结合PGIS的数据特征，分析PGIS数据存储方案。PGIS涉及的数据主要分为两类，分别是静态数据与动态数据，静态数据包括PGIS能力提供所需要建设的五大基础库，此类数据侧重为PGIS的数据资源与服务能力提供基础支撑作用，动态数据是应用PGIS服务（空间分析、空间可视化等）所需要输入的业务数据，这类数据又分为实时/准实时数据与离线数据两种类型。 　　静态数据采用分布式数据库进行管理，其中，切片数据、三维数据属于二进制格式的文件格式，此类数据的数据量非常庞大，由海量小型文件（图片、索引文档）构成，具备海量小数据特征，在读写方面，读取要求高，写入需求小，可采用面向文档存储的NoSQL数据库进行存储，当前主流的分布式文档型数据库有MongoDB和CouchDB，MongoDB比CouchDB具有更高的写负载，对于频繁更新的数据适合采用MongoDB数据库。而CouchDB的优势在于数据的强一致性，对于数据可靠性要求高的应用，选择CouchDB数据库，另外，静态数据的存储需要增加高速缓存管理机制，提升数据读取速度。矢量数据、警务业务公共/专用数据、标准地址库数据、业务地理关联数据为基础支撑性数据，且具备空间特征，可采用关系型数据库结合空间数据引擎SDE构建PGIS空间数据库管理系统，基于可扩展的存储解决方案考虑，而MPP架构的分布式数据库集群方案是关系型数据存储可扩展性的最佳保障，支持MPP架构与空间特性的主流存储方案有Oracle+oracle spatial+RAC以及PostgreSQL+PostGIS+Greenplum，两者均为在基础数据库的基础上增加空间特性与分布式存储方案，前者是商业解决方案，成本较高，但稳定性较好，学习成本较低，后者是开源方案，可获取低成本的PB级数据存储与处理能力，目前也具备了很多互联网公司的应用案例，与传统关系型数据库对比，具有一定的学习难度。
　　动态数据包括从互联网、移动设备、物联网等数据获取端不断流入实时数据及其所形成的历史数据，动态数据的关注点是实时海量数据的接入与呈现，辅以对历史数据的存储与分析利用，因此，动态数据的计算复杂度不高，侧重接入与呈现效率，可视化以聚合呈现技术为主。Elasticsearch全文搜索引擎涵盖了分布式检索、分布式存储、空间检索以及地理位置聚合等能力，可有效实现空间动态数据的存储管理与高速读写，采用Elasticsearch作为实时大数据的存储方案，可有效管理实时大数据，实时输出聚合图、热力图等实时数据GIS可视化效果。目前，Arcgis、Supermap等GIS产品提供商均采用Elasticsearch作为时空动态数据的存储解决方案。
　　3   应用支撑层设计
　　3.1  平台架构
　　根据警务云总体建设目标与PIGS主体建设内容展开分析，PGIS是警务云中的一个通用能力平台之一，公安部对警用地理信息系统定义了一个平台，一组工具、一组服务、一组应用模板的建设框架，虽然以往的PGIS建设尚未考虑云化技术，但其对细颗粒度服务抽象理念与当前微服务架构思想是契合的，参考以往PGIS业务组件设计方案，结合当前业务需求与GIS、微服务架构等新技术发展方向分析PGIS应用支撑层的设计框架，PIGS应用支撑层建设内容分为两部分，一方面是核心PGIS功能接口建设，另一方面，需考虑PGIS对警务云平台的服务需求，充分利用警务云资源提升PGIS的服务能力。
　　PGIS的核心能力建设侧重于GIS技术为警用业务提供的服务能力，按照应用层次的逐步深入，可将PGIS服务分为三个类别，分别是数据类服务、功能类服务和分析类服务。数据服务是基础，通过对数据层的时空数据、瓦片数据、三维数据等数据资源进行接口封装，其服务能力应包括数据资源的查询及维护能力;功能服务围绕PGIS应用过程中的通用需求建立基础GIS能力建设，面向业务执行者提供基础性的数据处理、业务应用服务;分析类服务侧重数据、基础功能的融合分析应用，面向分析、决策者提供高级GIS分析应用服务。PGIS核心能力以OGC、REST等互联网接口方式提供服务接入能力。
　　基于微服务总体架构思想，PGIS核心服务需通过警务云平台提供的服务部署、发布等能力支撑，从而实现PGIS服务与应用需求端的对接集成，围绕PGIS服务能力建设、服务部署以及服务发布三方面需求，警务云平台需提供应用集成服务、应用部署与运行服务以及服务网关三个主要应用支撑能力。应用集成服务为PIGS核心能力提供数据库、用户认证、缓存等中间件服务，通过集成中间件服务，PGIS具备服务化的基础能力;部署服务为PGIS功能服务提供了以容器为载体的集群部署能力，实现动态适应业务访问压力的承载资源伸缩能力;服务网关为PGIS服务提供了服务发现、负载均衡、服务路由的能力支撑，最终实现服务的对外发布与集成应用。
　　3.2  数据类服务
　　PGIS数据资源主要包括二维数据、三维数据、时空数据与标准地址数据，为了保障数据服务的开放性，数据应支持符合OGC标准的服务访问方式，并以SOAP、REST等webservice方式暴露服务接口。二维数据包含两种服务方式，相对稳定的静态底图数据一般采用切片缓存的方式，通过WMTS接口对外服务，快速的底图呈现有效提升了用户体验，面向个性化应用的专题图数据通过WMS服务实现图层叠加呈现的效果。三维场景、建筑物等三维数据采用I3S服务协议，而时空数据以及标准地址数据通过WFS接口提供要素服务，各类地图数据发布注册后，在元数据库记录数据资源的元数据信息，通过CSW接口提供数据资源目录访问服务，客户端访问数据时，首先通过CSW协议查看资源目录，再进一步通过检索的元数据获取数据源信息，访问PGIS数据。
　　3.3  功能类服务
　　PGIS功能服务可定义为GIS软件无关的基础GIS服务集，覆盖数据接入、数据处理、数据访问更新、数据查询、数据可视化、打印输出的PGIS数据应用全流程，其中，数据接入处理阶段包括地址匹配与实时定位两项功能，是公安业务数据实现空间集成的主要功能。
　　公安PIGS空间数据涉及三种数据来源，分别是警务业务数据、实时定位数据以及多来源地理底图数据。第一类数据是警务业务数据，数据来源于公安内各业务系统，大量业务数据中包括了地址描述信息，此类数据需要空间可视化应用支撑实现位置的直观呈现，杂乱无序的地址描述方式限制了业务上图能力，因此，需要通过地址匹配功能规范化地址描述，从而实现业务上图。第二类数据是与移动目标有关的实时定位数据，其定位信息来源于移动目标的定位设备，包括手机、对讲机、移动终端以及卫星定位系统等，数据对于实时目标查看、资源调度、历史轨迹分析等业务有重要的应用价值，对于此类数据的捕获，需集成手机定位技术、卫星定位技术等多终端定位技术实现数据的位置信息实时获取，数据可入库存储，也可为可视化、分析等下一环节的应用提供服务接口。第三类数据是地理底图数据，综合考虑地图信息的权威性、完备性以及现势性，公安的地理底图数据可来源于国土測绘部门、商业地图地图服务商，结合公安内部的获取的数据形成统一底图服务，多源数据存在坐标信息不一致的问题，因此，需要通过坐标转换功能，统一PGIS数据的空间一致性，从而实现数据的统一呈现、叠加分析。基础数据通过地址匹配、实时定位、坐标转换实现了PGIS数据的接入与统一，后续可利用访问更新、空间查询、专题制图、打印输出等功能，实现PGIS数据的运行维护、空间可视化等能力。 　　3.4  大数据分析
　　空间分析是PGIS空间数据的知识引擎，通过提供不同层次的空间大数据分析能力，帮助分析、决策人员完成PGIS数据的深度挖掘，进而取得社会治安风险、犯罪活动等有价值的预测预警信息，分析类服务主要面向大数据应用，对警用实时、历史大数据进行分析运算，分析手段应覆盖浅层次的统计分析到神经网络、人工智能等深层次应用，并能提供多种分析成果迭代应用的能力。
　　PGIS分析可分为实时分析与大数据分析两方面内容。实时分析关注物联、移动终端实时数据的接入、空间计算以及实时动态呈现，接入数据主要包括PGIS功能服务中的实时定位数据，接入的数据可存储于分布式系统作为历史数据，也可基于WFS服务实现空间要素的新增、更新操作，并采用动态聚合的可视化效果，实时呈现数据分布状况。大数据分析侧重历史大数据的复杂分析运算，数据具有关系型大数据特征，可开展大数据联机分析，发掘潜在规律，发现事件趋势。大数据分析的过程可抽象为分析模型选择、分析流程配置、分析任务执行三个阶段，定义好的分析任务，根据实时性与计算深度，可结合流计算、多维运算与离线计算框架开展数据分析运算。
　　4   应用服务层设计
　　在PGIS应用层面，应关注通用性的应用服务提供，而专业业务应用应基于PGIS提供的能力开展应用开发。在通用应用设计方面，一方面，考虑PGIS资源的统一服务出口，也就是服务门户的建设，另一方面，考虑面向突发、临时事件的PGIS应用需求，此类业务需求具有快速响应、功能简易、临时使用的特征，围绕PGIS从采集、制图、开发三个阶段的业务场景，PGIS应用层可规划数据采集、在线制图、应用构建三种快速响应的应用服务。
　　数据采集是面向专项任务的数据采集应用服务。数据采集的核心功能是任务设置、在线采集、离线采集以及在线同步功能，而对采集业务的辅助功能可考虑路径规划、语音导航、轨迹查看及任务监控等功能集成，数据采集为PGIS数据资源提供了更新维护的工具支撑，也为在线制图提供了数据基础。
　　在线制图与应用构建是PGIS应用的两个进阶，面向的业务同为突发、临时性应用业务。简单应用需求是围绕事件的地图应用，需要制作一张图，涵盖事件相关的空间信息，辅以分布、聚合等可视化方式凸显事件的空间特征。进一步的应用需求是基于一张图，配置缩放、图层、标绘等基础应用控件，实现指挥作战等业务过程的交互式操作、动态化地图应用。快速的制图与应用搭建可满足面向突发事件的临时图件、简易交互的应用需求，相对恒定的专项PGIS应用系统的搭建则需要对PGIS平台的服务接口进行深度集成应用，在专业开发平台上实施系统开发。
　　5   建设与集成方案
　　依照统筹集约的建设原则，微服务平台能力由警务云平台统一建设，PGIS作为警务一个信息化专项应用，充分结合警务云平台的基础能力，构建PGIS的服务平台，为各警务部门提供PGIS专项服务。基于微服务架构的PGIS建设可分为基础信息服务能力建设、基础PGIS能力建设与集成、PGIS平台应用建设三个阶段。第一阶段主要是警务云统一建设，基础信息服务能力包括数据库服务、大数据服务、集成与部署运行服务等关键内容。第二阶段是建设重点，其过程可分服务能力建设与服务集成两部分内容。在服务能力建设环节，一方面，基于警务云的多元数据库服务，作为PGIS业务数据、底图数据的承载体，对数据进行服务化封装，实现数据服务，另一方面，基于GIS引擎，实现GIS功能与警务数据的融合，面向警务应用开发PGIS系列服务组件，实现PIGS服务组件，PGIS服务组件此时需要一个服务暴露与运行的载体，此能力通过警务云提供，在第一阶段建设中，警务云需基于微服务技术与容器技术，实现自身的微服务平台能力。PGIS功能组件通过服务注册功能，在警务云中体现自身服务，提供服务发现途径，并基于容器技术实现服务调用过程的自动伸缩能力，此阶段实现PGIS平台。第三阶段是PGIS的应用建设，基于PGIS的服务组件，通过警务云的服务编排能力，面向业务开发PGIS应用，基于警务云的微服务平台，实现警务与PIGS服务的编排与聚合应用，此阶段实现PGIS的服务融合，也是PGIS应用创新的开始。
　　6   结论
　　云计算、大数据技术的发展为公安地理信息平台建设带来了新的机遇，作为警务云建设体系架构中的一个GIS能力提供平台，应明晰服务平台的建设定位，突出自身核心能力。基于平台+微服务的建设思路，PGIS的建设重心在数据层以及平台服务层，数据层面遵循由泛及专的建设思路，首先考虑充分采用政府、社会资源的完善基础底图资源的建设，而后扩展警用业务、专用空间数据建库，逐步完成警用空间地理信息数据库，并建设常态的数据更新机制，保障PGIS的数据资源的现势性。功能层面采用微服务的建设思路，对平台功能分层解耦，形成高内聚低耦合的PGIS服务资源池，结合警务云的集成平台发布服务，实现服务的发现与集成，推进GPIS服务的应用流通。最后，基于平台与数据层的基础资源，围绕数据获取、数据制图、应用开发三个技术渐进的应用场景，设计采集、制图、开发三个通用应用，实现公安面对临时突发事件的高效应用交付能力。
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