基于地理空間大數(shù)據(jù)的應(yīng)急指揮輔助決策平臺研究

穆宣社

(武警指揮學院訓練部指揮實驗中心，天津300250)

一、引 言

現(xiàn)代應(yīng)急指揮實踐中，戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜多變，經(jīng)常遇到事發(fā)地域地理信息(如交通、氣象、水文等)變化大，獲取現(xiàn)場地理信息手段單一，不能在第一時間掌握事發(fā)地域的實際情況，而且現(xiàn)有地理空間數(shù)據(jù)量大、種類多、變化快，缺乏有效的手段據(jù)存儲、處理和管理，利用也很不充分，難以支撐應(yīng)急指揮智能化的決策。隨著智慧城市、測繪、氣象、地震等行業(yè)信息化程度的提高，特別是大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為解決戰(zhàn)場信息獲取實時化程度不高、信息數(shù)據(jù)不全、現(xiàn)場感知滯后等問題提供新的思路和解決方案。因此，本文借鑒參考大數(shù)據(jù)時代的技術(shù)和方法，研究整合、集成與應(yīng)用各類地理信息資源，探討應(yīng)急指揮輔助決策大數(shù)據(jù)空間平臺，為決策提供全時空、全天候、全要素、全過程的地理空間信息服務(wù)，為指揮應(yīng)急指揮決策提供實時、翔實的數(shù)據(jù)信息支撐，確?？臻g數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、可信性和可用性，最終實現(xiàn)現(xiàn)場感知實時化、分析判斷智能化的目標。

二、地理空間大數(shù)據(jù)與輔助決策

大數(shù)據(jù)是一場革命，給各行各業(yè)帶來深刻影響，是未來提高競爭力的關(guān)鍵要素之一。在大數(shù)據(jù)時代，決策將日益基于數(shù)據(jù)和分析而作出，而并非基于經(jīng)驗和直覺［1］。目前一些依靠解讀數(shù)據(jù)提供解決方案的新型服務(wù)開始出現(xiàn)，大數(shù)據(jù)解決大問題的趨勢也將顯現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域多種多樣。例如，2013年4月15日，波士頓馬拉松爆炸案發(fā)生后，利用社會媒體大數(shù)據(jù)很快確認了嫌疑犯;2013年，山東省基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)構(gòu)建了集數(shù)據(jù)采集、挖掘分析、監(jiān)測預(yù)警和決策服務(wù)“四位一體”的“渤海糧倉科技示范工程大數(shù)據(jù)平臺”，為改進粗放的農(nóng)業(yè)管理方式、提高科技管理水平和確保豐收打下了堅實的基礎(chǔ);國家人口計生委研發(fā)的“國家人口宏觀管理與決策信息系統(tǒng)(PADIS)”基于大數(shù)據(jù)決策，幫助政府調(diào)整計生政策、規(guī)劃交通，對延遲退休、養(yǎng)老金缺口、環(huán)境治理、房價上漲等熱點問題提出自己的“真知灼見”;中國氣象企業(yè)整合全新的DataCloud大數(shù)據(jù)解決方案提供更加可靠精細的氣象預(yù)報［2-8］。

在應(yīng)急指揮決策中，空間數(shù)據(jù)本身具有大數(shù)據(jù)的特征。一方面，從大數(shù)據(jù)的主要特征看，其規(guī)模大、類型多和變化快，對地理空間數(shù)據(jù)的實時性和可靠性有迫切需求，既包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，又包括傳感器數(shù)據(jù)、自發(fā)地理數(shù)據(jù)等。另一方面，從技術(shù)處理上看，地理空間大數(shù)據(jù)與通常的大數(shù)據(jù)也有著共同的需求，如統(tǒng)計學思維(異常分析)、精確氣象預(yù)報、實時交通路徑分析、人群遷徙分析等。

同時，應(yīng)急指揮地理空間大數(shù)據(jù)有著鮮明的特點。如對于采用自發(fā)地理信息(VGI)思路收集現(xiàn)場地理信息數(shù)據(jù)的情況，空間大數(shù)據(jù)用戶既是位置信息的提供者，也是系統(tǒng)服務(wù)的對象，雖然沒有經(jīng)過專門的地圖學知識培訓，但應(yīng)急力量成員卻具有嚴密的組織性，所采集的空間數(shù)據(jù)可信度應(yīng)介于行業(yè)地理空間數(shù)據(jù)和公眾完全自發(fā)提供的數(shù)據(jù)之間。而且經(jīng)過短期的操作培訓后，能夠減少自發(fā)地理空間數(shù)據(jù)的無結(jié)構(gòu)性、語義不一致性及不可靠性。應(yīng)急指揮空間大數(shù)據(jù)的另一個特點是對于數(shù)據(jù)的保密安全性有較高要求。

因此，大數(shù)據(jù)在各個領(lǐng)域的成功應(yīng)用可為應(yīng)急指揮地理空間大數(shù)據(jù)提供有益的參考，對于通用的數(shù)據(jù)存儲與處理需求，可以直接借鑒應(yīng)用，對于其特有需求，則需要研究專門的支撐技術(shù)加以解決。

三、基于地理空間大數(shù)據(jù)的應(yīng)急指揮輔助決策平臺需求分析

從技術(shù)角度看，大數(shù)據(jù)是對海量數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、整合與控制。地理空間大數(shù)據(jù)支撐下的應(yīng)急指揮輔助決策智能化平臺建設(shè)需求主要包括軟件開發(fā)、信息采集與集成、運行機制建立3項內(nèi)容。

1．平臺軟件開發(fā)

應(yīng)急指揮輔助決策中道路交通的影響和事件現(xiàn)場地形的影響是主要分析環(huán)節(jié)。依托國家基礎(chǔ)地理信息框架和大數(shù)據(jù)技術(shù)框架，平臺實現(xiàn)空間信息查詢、空間分析、路徑分析、道路偵察、現(xiàn)場實時信息掌握等分析研判功能。建立基于大數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)收集和融合技術(shù)，綜合運用互聯(lián)、固定信源、用戶反饋的多源收集機制，采用幾何特征、語義特征和拓撲關(guān)系相互參考的對象匹配方法為數(shù)據(jù)融合提供實用高效的方法?；谟脩魟?chuàng)建數(shù)據(jù)(UGC)挖掘技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)新道路、車流速度、氣象等變化;用人群遷徙大數(shù)據(jù)分析方法分析人流的分布和流向，為部署力量提供參考依據(jù)。實現(xiàn)智能交通控制功能，對道路車輛人及環(huán)境相關(guān)的位置數(shù)據(jù)進行全面感知(人車路互聯(lián))，對每一條道路進行道路全時空控制(進路控制、運行控制、出路控制)，在尚不知道道路突發(fā)事故詳細情況下為司機提供主動安全預(yù)警服務(wù)。實現(xiàn)應(yīng)急管理功能，在災(zāi)難發(fā)生后，迅速收集各類基于手機定位的移動數(shù)據(jù)、GPS/BDS軌跡數(shù)據(jù)，為人流移動的分析建模和預(yù)測及應(yīng)急管理提供新的方法。

2．信息采集與集成

快速從不同來源(各個機構(gòu)如國家測繪機構(gòu)、行業(yè)、企業(yè)或不同渠道如遙感影像、網(wǎng)絡(luò)媒體、監(jiān)控視頻、傳感網(wǎng)絡(luò))獲取的大數(shù)據(jù)中，抽取準確的應(yīng)急指揮信息。建立地理信息大數(shù)據(jù)增量更新的技術(shù)體系和方法;建立大數(shù)據(jù)信息表達和發(fā)布模式的標準體系;在現(xiàn)有的信息化基礎(chǔ)設(shè)施支撐下，開發(fā)與安全、水利、氣象、交通、林業(yè)、國土等部門的數(shù)據(jù)交換平臺，遵從相關(guān)技術(shù)標準規(guī)范，對不同類別的海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)抽取、處理，實現(xiàn)信息采集和統(tǒng)一管理。

3．輔助決策平臺運行機制建立

①制定數(shù)據(jù)組織規(guī)范，基于統(tǒng)一的坐標系，建立地理信息數(shù)據(jù)組織規(guī)范;通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)分類代碼、格式、命名規(guī)則和統(tǒng)計口徑等建立行業(yè)數(shù)據(jù)組織規(guī)范。②制定數(shù)據(jù)管理辦法，建立輔助決策數(shù)據(jù)庫各項要素數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、整合、管理、更新、應(yīng)用服務(wù)制度，規(guī)范數(shù)據(jù)生產(chǎn)和更新流程，建立數(shù)據(jù)更新機制。開發(fā)統(tǒng)一的標準數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)要素數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實時態(tài)勢信息推送功能，建立多級共享的音視頻共享服務(wù)。③采用軟、硬件加密技術(shù)和手段，建立信息安全傳輸機制。

四、應(yīng)急指揮輔助決策平臺系統(tǒng)架構(gòu)

大數(shù)據(jù)不僅僅是指數(shù)據(jù)量大，更是指為了更加有效地從高頻率獲取的、大容量的、不同結(jié)構(gòu)和類型的數(shù)據(jù)獲取價值而設(shè)計的新一代架構(gòu)和技術(shù)［9］。針對應(yīng)急指揮決策的輔助決策需求，設(shè)計應(yīng)急指揮輔助決策支持平臺架構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)急指揮輔助決策平臺是一個集多系統(tǒng)集成應(yīng)用、信息管理、數(shù)據(jù)分析于一體的綜合平臺，自下而上分為3個大的層次:數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

1．數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供直接的數(shù)據(jù)存取、查詢和事務(wù)處理功能，包含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、行業(yè)數(shù)據(jù)、指揮專業(yè)數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)層依托現(xiàn)成的大型數(shù)據(jù)庫和云計算的空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建。

1)數(shù)據(jù)架構(gòu)。為了實現(xiàn)強有力的數(shù)據(jù)支撐體系，下級數(shù)據(jù)中心采用數(shù)據(jù)處理、自動抽取、系統(tǒng)集成等技術(shù)手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集，利用數(shù)據(jù)交換接口，及時向上級指揮機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫推送標準統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和一致性。上級數(shù)據(jù)中心基于下級的數(shù)據(jù)來更新維護，而下級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)運維由其本身負責，實現(xiàn)了下級單位進行數(shù)據(jù)源的匯交，上級單位進行共享使用的模式，最大程度實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用。

2)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要涉及道路、行政轄區(qū)、地名地址、地形、影像等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要與相關(guān)部門進行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行整理處理，滿足應(yīng)急指揮要求。

3)行業(yè)數(shù)據(jù)。林業(yè)、水文、氣象、交通等行業(yè)擁有大量的數(shù)據(jù)，在指揮中被大量應(yīng)用，需要對行業(yè)數(shù)據(jù)進行收集整理。對建立的行業(yè)數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)抽取的方式，動態(tài)實時提取變化數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的 現(xiàn)勢性和完整性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)保鮮。

圖1 應(yīng)急指揮輔助決策平臺架構(gòu)

4)現(xiàn)場實時信息。公安、水利等部門建立了大量的視頻監(jiān)控信息系統(tǒng)，需要對現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行集成，通過專線、開發(fā)的程序接口和其他技術(shù)手段，將視頻監(jiān)控信息集成到數(shù)據(jù)中心，為系統(tǒng)應(yīng)用提供視頻服務(wù)。

5)各級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換和共享。各級數(shù)據(jù)中心采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下級的數(shù)據(jù)中心定期將數(shù)據(jù)匯交到上級的數(shù)據(jù)中心，保持上下數(shù)據(jù)一致性。這種模式可以實現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)共享，也可以保持下級數(shù)據(jù)的獨立性。行業(yè)數(shù)據(jù)和動態(tài)信息等數(shù)據(jù)來源于其他部門，需要大量的協(xié)調(diào)工作，因此需要各級自行維護并負責數(shù)據(jù)的管理。上級在指揮過程中，可以調(diào)用和共享數(shù)據(jù)。

應(yīng)急指揮空間大數(shù)據(jù)通常包括7種具有顯著特點的數(shù)據(jù):①無人航空飛行器數(shù)據(jù)(UAV)，特點是數(shù)據(jù)量大、實時性強，需要運用大數(shù)據(jù)技術(shù)短時間內(nèi)將采集的數(shù)據(jù)進行高效存儲和精確處理。②激光圖像探測測距(LiDAR)數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)中混雜著大量噪聲數(shù)據(jù)，即包含許多不相關(guān)數(shù)據(jù)，同樣需要用大數(shù)據(jù)技術(shù)加以分析處理。③自發(fā)地理信息數(shù)據(jù)(VGI)。是指普通用戶通過地理位置傳感器技術(shù)、移動設(shè)備和地理數(shù)據(jù)庫來收集、合成、確認和重新分發(fā)地理信息的數(shù)據(jù)，這些地理數(shù)據(jù)的提供、更新和共享基于在線服務(wù)的用戶交互來完成，如Open Street Map OSM、Wikimapia、Google Map、Google Earth、Microsoft’s Virtual Earth、Flickr等。從一定程度上講，VGI甚至帶來了一個新的地理信息基礎(chǔ)設(shè)施概念。如在歐洲，OSM所提供的數(shù)據(jù)在幾何精度和完整性方面幾乎與國家測繪部門提供的數(shù)據(jù)不相上下。近年來，VGI導致地理空間數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸性的增長態(tài)勢，對地理空間數(shù)據(jù)的可用性提出了挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)方法有助于處理、分析和解譯不同來源的海量異構(gòu)空間大數(shù)據(jù)，有助于對自發(fā)地理空間數(shù)據(jù)進行深度挖掘和模式發(fā)現(xiàn)。采用大數(shù)據(jù)可伸縮的存儲模型可處理這類大規(guī)模的空間數(shù)據(jù)集，提高數(shù)據(jù)服務(wù)的精度、可靠度、速度和整體價值，如Map Reduce處理框架可極大增強空間大數(shù)據(jù)的處理能力。信息模型和服務(wù)的標準化如采用OGC解決方案可增強VGI互操作性。④導航定位軌跡數(shù)據(jù)。由于移動通信設(shè)備、車載導航裝置和其他GPS/BDS數(shù)據(jù)記錄設(shè)備普遍應(yīng)用，軌跡數(shù)據(jù)可用性正在大幅度提高。⑤道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)升級導航圖路網(wǎng)信息，可為開進線路選優(yōu)與導航提供最新和最詳細的實時信息服務(wù)。⑥戰(zhàn)術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)，主要是指利用戰(zhàn)術(shù)環(huán)境采集器實時采集的高程、方位、天氣等數(shù)據(jù)。⑦社會媒體數(shù)據(jù)，包括電臺廣播和專業(yè)網(wǎng)站提供的實時路況、氣象等信息，可用來進行大數(shù)據(jù)挖掘和分析，實現(xiàn)輔助決策。

2．服務(wù)層

服務(wù)層是根據(jù)需求按照層次進行分類，形成基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)支撐服務(wù)，以及面向應(yīng)用的應(yīng)用服務(wù)。

1)數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)由一系列基礎(chǔ)的中間件服務(wù)構(gòu)成。這些中間件服務(wù)不僅起到數(shù)據(jù)整合的作用，還使得系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)能夠得到更為有效、方便的維護和訪問。數(shù)據(jù)引擎服務(wù)提供模型化的數(shù)據(jù)訪問接口，是數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)維護管理的入口，承載了系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)訪問功能。數(shù)據(jù)交換服務(wù)完成數(shù)據(jù)采集、抽取和推送方式的數(shù)據(jù)交換。共享發(fā)布服務(wù)為整個數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)發(fā)布和目錄服務(wù)。

2)系統(tǒng)支撐服務(wù)。系統(tǒng)支撐服務(wù)主要包含系統(tǒng)運行支撐所需的權(quán)限服務(wù)和日志服務(wù)。

3)應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)主要包含地圖服務(wù)、三維實景服務(wù)、查詢服務(wù)、統(tǒng)計服務(wù)、空間分析服務(wù)、通信服務(wù)、標繪服務(wù)、圖層管理、現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)服務(wù)等。

3．應(yīng)用層

應(yīng)用層包含應(yīng)急指揮輔助決策平臺、數(shù)據(jù)中心運維、應(yīng)用服務(wù)平臺和專網(wǎng)移動指揮平臺的應(yīng)用服務(wù)，重點在于決策數(shù)據(jù)的保存和對存儲數(shù)據(jù)的利用。

五、結(jié)束語

空間數(shù)據(jù)對指揮信息系統(tǒng)的態(tài)勢融合展現(xiàn)、數(shù)據(jù)集成和基礎(chǔ)地理信息查詢等方面具有重要的作用。在大數(shù)據(jù)時代，空間大數(shù)據(jù)和眾包現(xiàn)象已經(jīng)成為地理信息技術(shù)發(fā)展的新的驅(qū)動力［10-11］。大數(shù)據(jù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必將促進地理空間大數(shù)據(jù)應(yīng)用的逐漸成熟。從大數(shù)據(jù)應(yīng)用角度看，采用地理空間大數(shù)據(jù)技術(shù)和方法能夠有效提升應(yīng)急指揮決策中地理信息系統(tǒng)的實用性和智能化水平，可有效解決傳統(tǒng)GIS功能單一、支撐數(shù)據(jù)缺乏、智能化程度低等問題。當下時代還處于大數(shù)據(jù)時代的早期，空間大數(shù)據(jù)只能輔助決策而不能代替決策，仍需人機結(jié)合需解決應(yīng)急指揮中的諸多決策問題。大數(shù)據(jù)的魅力在于能夠通過對海量數(shù)據(jù)的分析和挖掘，以一種前所未有的方式獲得具有巨大價值的產(chǎn)品或深刻的洞見，更為重要的是它能激發(fā)起創(chuàng)新思維例如統(tǒng)計學思維，從而極大地提升指揮效率和戰(zhàn)斗力，地理空間大數(shù)據(jù)這方面的潛力還遠未發(fā)掘出來，還需要做大量工作。

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