北京冬奥会北斗位置服务平台的设计与实现.pdf

：引用格式：陈冲，蔚保国，黄璐，等北京冬奥会北斗位置服务平台的设计与实现无线电工程，（）：，（）：北京冬奥会北斗位置服务平台的设计与实现陈冲，蔚保国，黄璐，李隽，（卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄；中国电科网络通信研究院，河北 石家庄）摘要：近年来，随着全球卫星定位技术的不断提高与完善，位置服务相关产业已成为全球发展最快的科技产业之一。但在室内、地下等全球导航卫星系统（，）信号遮挡环境下，无法实现精准连续定位，很难构建出一种室内外连续高精度位置服务系统。基于北斗微基站室内外无缝定位技术构建的北斗冬奥应用系统，已服务于北京冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心，为比赛期间冬奥会场馆内外工作人员提供了在线实时定位、导航和授时等高精度位置服务，为冬奥会现场指挥管理中心提供了人员设备位置监视、场馆安全态势和应急救援调度服务支持，完成了中国北斗在冬奥场馆的大规模、高精度、高水平应用。全面介绍该北斗冬奥位置服务平台的设计架构、关键技术以及服务能力，为室内定位产业化推广和大范围应用提供思路。关键词：位置服务；冬奥会；北斗；疫情流调中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；收稿日期：基金项目：地下大空间高精度定位导航与控制技术（）：，（）工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 引言目前四大卫星导航系统的格局基本形成，提供了稳定的室外定位导航服务，人们对位置服务的需求也在逐步提高。位置服务已在车辆导航、车辆监控、特殊人群监护和贵重物品追踪等方面有了相当广泛的应用，并且其应用范围仍在不断扩大，具有非常大的发展潜力。基于北斗的位置服务系统建设仍未形成规模，国内外已有的位置服务平台功能比较单一，如文献的服务平台系统，而且大部分无法提供室内外连续的位置服务。近些年来，随着研究的不断深入，逐渐实现了多种室内外无缝定位导航。文献搭建了室内位置服务云计算平台，提供了室内环境下的位置服务能力。本文基于北斗微基站室内外定位系统提供的室内外无缝定位能力，构建了北斗冬奥应用系统，服务于北京冬奥会张家口赛区国家跳台滑雪中心，为冬奥会现场工作人员提供在线实时定位、导航和授时等基于北斗的位置服务，为冬奥会现场指挥管理中心提供人员设备位置监视、场馆安全态势和应急救援调度服务支持，最终实现北斗在北京冬奥会室内外高精度高水平应用。北斗冬奥位置服务平台设计针对冬奥会场馆室内外安全监控与应急救援的连续高精度位置服务需求，设计北斗冬奥应用系统。系统基于“定位终端基站网络云平台移动机器人智能手机”的综合设计理念和标准接口协议，使用低耦合、低成本、微服务的架构设计，开展北斗室内外连续高精度位置服务。系统采用分布式云架构模式，建立高性能服务器，实现大于 次的并发访问量。采用光纤、网络和蓝牙等通信手段，融合处理终端、基站和智能手机的用户数据、观测数据、位置数据和态势数据等，为用户提供室内外高精度实时位置服务。如图所示，该系统体系按照层（终端感知层、信号网络层和云位置服务层）协同交互实现室内外混合高精度定位。图技术路线 （）终端感知层。主要包含智能手机、一体化定位终端和移动机器人。终端以基于网络层信号的自主定位为主，以云端智能混合定位为辅助，保证用户在冬奥场馆环境实现连续准确定位，同时通过云端的信息辅助，可大幅提高终端首次定位性能。（）信号网络层。主要包含室外定位网络、室内定位网络和通信网络。将北斗微基站室内定位网络、室内超宽带（，）局域定位网络设施、北斗和全球定位系统（）卫星定位导航网络，河北省北斗卫星导航室外差分增强网等组合构建为室内外连续定位系统网络。同时借助通信网络、光纤网络将终端、网端和云端连接，建立智能交互链路。（）云位置服务层。利用强大的数据挖掘、人工智能计算资源，向终端提供信息服务和精准定位。为方便冬奥会现场工作人员使用，北斗微基站室内混合定位冬奥应用系统设计了功能多样、操作简单、自动智能的监控调度管理与大数据分析平台。平台采用负载均衡技术，将终端、网端的网络请求分发至相应的时空数据节点和事件数据节点。通过对数据的分类、整合，实现对数以亿计的时空、事件数据进行挖掘、分析。事件调度引擎、密接分析引擎、态势监控引擎、人员设备管理引擎、机器人服务引擎和任务监视引擎在时空大数据的驱动下，根据各自工程与应用 不同的业务模式，产生智能云定位服务，相应服务的数据包通过数据分发中心，利用应用程序接口（，）服务组件、云推送组件、即时通信组件和短信验证码服务组件，将数据分发到态势监视与管理中心和终端、网端的相应设备上。基于北斗卫星定位导航系统与北斗微基站定位导航系统提供的海量用户位置数据，挖掘用户之间的时空位置关联关系，应用于新冠疫情的流调分析。北斗冬奥位置服务平台关键技术 时空大数据驱动的智能位置服务云平台构建技术 北京冬奥会北斗室内外连续高精度位置服务平台秉承北京冬奥组委的“云上奥运”理念，云上服务全面进驻位于张北的阿里云冬奥云数据中心。智能位置服务云平台主要包含安全防护层、应用服务层、网关与负载均衡、云数据中心和云消息中心部分。第一部分，安全防护层由网站应用级入侵防御系统（，）、云防火墙和态势感知种安全产品组成。提供包括恶意流量识别、安全流量回源、主机边界流量管控、全流量可视化分析、智能化访问控制、防勒索、防病毒和防篡改等安全防护能力。第二部分，应用服务层由台应用服务器组成，包括一个计算型服务器和个业务服务器。计算型服务器主要负责新冠疫情流调分析，部署疫情快速流调算法，能够在海量数据中快速获得疫情流调结果。台业务服务器提供定位、导航、调度和管控等服务。第三部分，网关与负载均衡，为了进一步保证云服务内部的安全性，将所有云服务在内网环境中互联，禁止任何一个云服务直接暴露在公网环境中，利用网络地址转换（，）网关提供的网络地址转换服务进而实现统一的对外进出口控制。网关搭配负载均衡，可以实现对流量进行按需分发的服务，通过将流量分发到不同的后端服务来扩展应用系统的服务吞吐能力，并且可以消除系统中的单点故障，提升应用系统的可用性。第四部分，云数据中心每天要存储、处理数千万条数据，因此部署了多种不同的数据库服务。关系型数据库（）用于存储用户数据；缓存数据库（）用于存储用户实时位置数据，信息交互频率不低于 次秒；时序数据库（）用于存储用户历史轨迹数据，每天存储约 万条轨迹数据；对象存储用于存储用户头像、时空盒固件等静态资源。第五部分，云消息中心基于阿帕奇卡夫卡（）消息队列构建了高吞吐量、高可扩展性的分布式消息队列服务，搭建了实时位置数据处理、历史数据缓存和报警消息缓存消息管道，服务于人员、车辆实时位置监控、疫情防控报警与密接分析等业务。如图所示，智能位置服务云平台以云数据中心的时空大数据为驱动，以消息中心的消息队列服务为通道，实现各项业务与服务的调度和访问。图业务关系 工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 时空大数据的驱动过程为：来自位置服务器（云解算）时空盒卡（端解算）的定位数据，大屏、电脑和监控中心的指令，外部短信、推送服务指令等流量，经过防火墙和云防火墙进行流量清洗，经网关进入平台。通过负载均衡，实现对流量的分发，根据其业务不同分发至台不同的应用服务器，进行业务处理和逻辑运算等。利用消息中心、数据中心实现对不同类型数据的接收、处理、分析和分发等功能。同时，云安全中心对平台内流量、行为、服务器与数据中心、消息中心的安全状态进行实时识别、分析和预警安全威胁，通过防勒索、防病毒、防篡改、镜像安全扫描和合规检查等安全能力，实现威胁检测、响应和溯源的自动化安全运营闭环，保护云上资产和本地服务器并满足监管合规要求。时空大数据存储与高动态响应技术北京冬奥会北斗室内外连续高精度位置服务平台在运行过程中会产生大量时空位置数据，高性能的数据存储技术是实现平台分布式架构设计的关键。按照数据的种类，可以分为时空数据和用户数据。其中，时空数据主要分为实时位置数据、历史轨迹数据。实时位置数据是由场馆群 名工作人员、志愿者上报的位置、状态数据组成，数据瞬时峰值不低于 次秒。历史数据是实时数据积累而来的，按照每日 计算，每天记录的历史轨迹约为 万条。用户数据现场工作人员的用户信息、任务事件信息、设备固件信息、图片信息、文件信息、运行报告和地图信息等。此类数据覆盖面广、单体数据量大，但实时性较低、数据总量小。为了实现时空大数据的有序存储和快速管理，建立分布式数据中心，为每一种数据添加索引并分类存储。分布式数据中心架构如图所示，配置固态（，）云盘和高效云盘作为硬件基础，在硬件之上以微服务的方式构建网络附属存储（，）文件系统、数据库和数据库提供基础服务支撑。按照时空大数据的特性部署块存储服务、文件存储服务、表格存储服务和对象存储服务。分布式数据中心网关以时空大数据为驱动，将数据分发至不同的存储服务中。图分布式数据中心架构 古杨树场馆群有 名工作人员、志愿者在不间断地请求位置服务，瞬时峰值不低于 次秒。如图所示，面对高动态、高频次的请求时，系统采用以数据为驱动的动静分离的技术方案。将用户的请求划分为低动态的超文本传输协议（）请求和高动态的网络套接字（）请求。低动态的请求用在处理用户信息、调度信息、查询和发布等任务。此类请求为静态处理过程，主要是对静态数据、文件和资源的请求，请求频次低、单次请求数据量大。当请求发生时，后台微服务集群对数据中心的资源进行调度，执行增删改查等操作，将结果返回给客户端。高动态的请求用在处理位置大数据。用户的实时位置每秒都在发生变化，因此定位延迟是评价位置服务系统能力的一个重要指标。对位置请求处理的过程为动态处理过程，建立位置数据通信管道。当请求发生时一份位置数据进入数据管道立即发送给客户端，实现高动态的响应；另一份数据进入消息队列后通过后台微服务调度数据中心进行相关业务的处理，此过程可避免数据丢失，一般应用在历史轨迹存储等业务中。图高动态响应技术架构 工程与应用 北斗冬奥位置服务平台主要功能 态势监测与调度管理北斗冬奥位置服务平台主要面向国家跳台滑雪中心的室内外区域、古杨树场馆群的室外空旷与半遮蔽区域。平台基于北斗微基站室内外定位系统，可提供连续、稳定的室内外无缝定位能力。如图所示，赛事工作人员佩戴北斗微基站室内外定位系统专用终端，专用终端在室内环境下可以接收北斗微基站的北斗伪卫星信号，在室外环境下可以接收北斗空间星座的北斗卫星信号。北斗伪卫星信号和空间北斗信号采用相同信号体制。终端利用种北斗信号，融合气压计、微惯性模组等数据，输出亚米级高精度室内外无缝定位结果。定位轨迹如图所示，工作人员从室内出发，离开室内环境在室外半遮蔽环境下行走一圈，定位轨迹精准且连续。图室内外无缝定位 在北斗微基站室内外定位系统的网络覆盖区域内可实现人员、车辆的位置态势监测和调度管理。首先，针对人员的态势监测和调度管理，用户可以通过该位置平台一览无余地查看建筑物内外所有人员的位置分布、聚集程度和活动轨迹，准确判断出人员密集度。安保工作人员也可以根据当前人员密集度进行合理的调度管理。值得一提的是，当工作人员、志愿者在工作时，如果发现某处存在安全隐患或突发事件时，可以利用智能手机应用程序发送报警事件，并上传现场照片，实现精准的异常位置上报，调度中心研判后可以将该事件派发给相应的业务领域工作人员，同时下发文字或语音报文，大幅提高了应急指挥调度效率。如图所示，在车辆的态势监测和调度管理方面，该平台提供的亚米级车辆位置监测服务不仅是冬奥会智慧交通的需求，而且是冬奥安全防疫的需求之一。古杨树场馆群是北京冬奥会张家口赛区三大比赛场馆的聚集地，整体为闭环区域。进入该区域的注册赛事保障车辆有辆左右，在闭环闭圈的管理模式下，组委会要求每辆赛事保障车辆按照既定路线行使、按照既定位置停放。北斗冬奥位置服务平台可以监控古杨树场馆群的赛事保障车辆位置，记录和判断车辆行驶轨迹和停放位置，当车辆发生变更线路或停放位置时，可以将车辆实时位置状态推送给安保、交通业务领域的人员。同时，交通、安保和防疫领域工作人员也可以通过网络连接北斗冬奥位置服务平台，实时监控周边车辆的位置动态，直观地进行场馆群交通疏导指挥与调度服务。图态势监测与调度管理 精准疫情防控与密接分析在精准疫情防控方面，本次北京冬奥会采用闭环闭圈管理方式，在国家跳台滑雪中心放置铁马来实现环内和环外的隔离。通过为铁马安装时空盒定位终端可以使铁马接入北斗冬奥位置服务平台并实现物联网服务。当人员移动铁马发生破环破圈行为时，时空盒定位终端能够向北斗冬奥位置服务平台报警，位置服务平台将报警信息推送给防疫领域工作人员，实现精准疫情防控。本次北京冬奥组委制定的防疫手册规定密接的判定标准为：发现感染者症状出现的前，或者核酸标本采样前 的时间段里，与感染者近距离接触在 之内，并逗留了 以上。如图所示，北斗冬奥位置服务平台能够实时记录工作人员、志愿者的位置大数据，针对防疫手册的密接判定标准，设计开发了密接分析算法。通过在北斗冬奥位置服务平台录入感染者的基本信息，可以导出符合判定标准的密接人员图谱。工程与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 图新冠疫情防控与密接分析 无人化服务如图所示，无人化服务不仅能够提供高效的自主服务，而且在疫情管控方面也起到关键作用。无人机器人系统集成北斗微基站高精度定位、图像识别、语音识别、自动控制、高清图像传输、自主避障和自动路线规划等技术。可以辅助冬奥赛事期间安保、防疫等业务顺利高效地开展工作。本次北京冬奥会，在国家跳台滑雪中心南看台配楼层、层，北看台配楼层安放台机器人。通过机器人能够提供夜间重要卡口自主巡检服务，记录巡检视频，保证场馆安全。通过机器人的无人配送服务，能使货物运送更高效，同时减少了人员接触，为防疫工作提供帮助。通过机器人的语音告警服务，能在工作时间对安全、防疫等通知进行流动宣告和提醒，确保信息传递畅通。图无人化服务 结束语为满足中国北斗在北京冬奥会室内外高精度定位服务上的应用，为冬奥会现场工作人员提供在线实时定位、导航和授时等基于位置的服务，为冬奥会现场指挥管理中心提供人员设备位置监视、场馆安全态势、应急救援调度服务支持，本文基于“定位终端基站网络云平台移动机器人智能手机”的综合设计理念和标准接口协议，构建出一种室内外连续高精度位置服务系统。系统以时空大数据为驱动，为北京冬奥会张家口赛区提供了连续高精度的室内外定位服务。系统经过了北京冬奥会正式比赛的检验，展现出较强的实用性，将为大型室内公共场所的位置服务和精准调度提供有益参考。?参考文献张凯渊，应忍冬，刘佩林，等北斗导航位置服务平台的设计与开发实现第四届中国卫星导航学术年会论文集北斗 导航应用武汉：出版者不详，：，：，：，：，：，（）：，：吴颖，肖龙根，高宇舟，等一种定位综合服务平台系统：张智勇，刘跃忠一种用于定位、信息服务和控制的位置服务平台：徐浩，秘金钟，李得海，等室内位置服务云平台设计及应用研究导航定位学报，（）：张雪峰，孟英谦，彭龙，等面向“云端”模式的警用北斗终端统一管理技术第十三届中国卫星导航年会论文集 卫星导航大众应用北京：出版者不详，：赵军，陈子晗，高子航基于微服务架构的一体化科研管理平台设计与实现无线电工程，（）：于雪岗，封欣，邓志鑫基于伪卫星的室内定位算法研究无线电工程，（）：工程与应用 张衡，甘兴利，黄璐，等基于双频的室内基站定位方法无线电工程，（）：祁思博，黄伟，梁洪泉面向云计算的虚拟化仿真平台研究无线电工程，（）：张鸿，张金波，周云大规模分布式系统的物理层安全技术研究无线电工程，（）：李艳红高精度位置服务平台分布式架构设计与实现西安：中国科学院大学（中国科学院国家授时中心），程建强，李隽，甘兴利，等基于多阵元的室内导航伪卫星系统设计计算机测量与控制，（）：孟岩，李佳卫星信号控守指挥调度系统设计与实现无线电工程，（）：梁山清，李恩宁，葛红志，等基于大数据平台的货车位置服务应用研究无线电工程，（）：杨勇，朱安石，路明磊无人智能化装备建设与运用研究无线电工程，（）：作者简介陈冲男，（），硕士，助理工程师。蔚保国男，（），博士，研究员。黄璐男，（），博士，工程师。李隽男，（），博士，研究员。工程与应用