摘 要：导航与LBS逐渐成为我们日常生活中最常见的应用之一。本文设计并实现了一套导航与位置服务平台，该平台在结构上可分为导航地图服务和位置增值服务两大模块，在功能上包括动态智能导航、移动社交网络、移动数据分析和商业服务推送四大主要应用。
关键词：导航；位置服务；空间信息发布；移动应用平台；电子地图

随着GPS、北斗等空间定位技术的进步和智能手机、导航仪等移动智能终端的大范围推广，导航与LBS（location based service）逐渐成为我们日常生活中最常见的应用之一。为了满足动态导航需求，同时实现包括移动社交网络、商业服务推送等各类SoLoMo^[1]应用，传统的单机定位模式必将被基于互联网应用平台所取代^[2]。本文构建了一套高效的导航与位置服务平台（如图1所示），并对其模块设计和功能实现作了详细的介绍。


1. 系统模块组成

导航地图服务和位置增值服务是导航与位置服务平台的两个核心应用，因而在框架设计过程中，本文也将系统分为以下两个主要模块。
1.1 导航地图服务模块
导航地图服务是各类导航与LBS应用的基础，它负责存储并向用户传输最新的动态导航地图，同时负责进行相关的导航计算，如路径搜索、POI查询等。在本系统中，该模块大体上由几个主要的结构层次所构成，即数据存储层、数据调度层、数据应用层和数据接口层，如图2所示。其中，数据存储层和数据调度层被部署和运行于数据中心，而数据应用层和数据接口层则被部署和运行于服务中心。具体而言，不同结构层次的组成和应用描述如下：


数据存储层：该层本质上是由众多数据服务器所组成的服务器集群，主要负责地图数据的存储管理。本文对不同图层中的矢量和栅格地图数据、动态交通数据和其他附属导航数据（如公交和地铁线路等）进行编码，将其采用Oracle Spatial数据库分布式存储于多个数据服务器中（不同数据服务器中存储相同数据的备份，则相互之间可构成数据镜像），并建立空间索引以提高数据的检索效率。
数据调度层：该层属于服务模块的中间层，主要负责地图数据的高效调度与获取。为了平衡服务器的访问负载，本文在数据服务器前端设置有目录服务器，负责保存数据存储层中各数据服务器的地图数据存储的空间范围和状态信息，并通过动态信息反馈等手段实现各数据服务器之间的负载均衡^[3]。
数据应用层：该层是地图服务的核心，主要负责地图数据的融合、组织和各类导航计算等实际功能应用。如果用户仅需要进行导航地图数据下载或动态更新，那么该应用层将在获得相应的地图数据后，对其进行封装，生成适合网络传输的流媒体数据包；而如果用户当前需要进行的是位置查找和路径规划等导航应用或朋友搜索和位置签到等LBS应用，那么该层将在获得相关地图数据后，直接在服务器端进行导航计算，并对最终结果进行封装，生成特定格式的数据包（地图数据在运算后将自动释放，不会被传输到客户端）。
数据接口层：该层是地图数据发布的门户，主要负责数据传输和用户管理等工作。为了保证数据安全，在对地图数据包和结果数据包进行传输前，还必须按照特定的规则对其进行加密，如采用Rijndael算法^[4]。考虑到数据传输的质量和效率，数据接口层主要基于网络传输层的TCP协议向外提供特定的访问接口。同时，本系统还在数据接口层对用户数据下载和访问的频次和数据内容进行监测。一方面，可有效避免恶意数据下载、网络攻击等各类问题，另一方面，还可以实现针对特殊应用的计费管理。

1.2 位置增值服务模块

与导航地图服务不同，位置服务基本不涉及到地图数据的下载和更新，更多的是一些具有社交或商业目的的增值应用。由于增值应用的多样化和差异性，因此系统在设计上并没有标准而复杂的分层结构，而是采用了相对灵活的组件式的管理方式，如图3所示。具体而言，系统的位置增值服务模块主要包括POI（Point of Interest）信息管理和移动对象管理两个核心组件,以及多个位置增值应用组件。


POI信息管理组件：POI是指地图上具有固定位置且用户感兴趣的目标实体，如酒店、饭店、加油站、商铺等，它们被誉为是导航和LBS应用的基石。而POI信息则通常包括实体对象的名称、类型、位置和基本属性这4方面内容。该组件主要负责管理所有的POI信息，为各类上层位置增值业务提供服务。在组件设计过程中，本文主要通过“Hadoop云存储技术＋R树索引”的方式对海量POI信息进行高效存储，一方面提高系统访问的效率，另一方面使其存储管理具有更好的伸缩性。
移动对象管理组件：我们通常将道路和开阔区域（如公园、广场等）上的行人和车辆统称为移动对象。该组件则主要负责对所有移动对象的ID和空间位置进行管理。由于移动对象与POI不同，它的空间位置会随时间变化，因此对其进行管理会涉及到时空数据的存储和索引问题，因此具有较大的复杂性。结合最新的研究进展，本文采用了MODTN模型^[5]对移动对象进行存储，并采用UTR-tree^[6]对其进行空间索引，使得系统应用效率得到了大幅提高。
位置增值应用组件：位置增值应用是用户与系统交互的直接接口。在POI信息和移动对象管理的基础上，系统在上层可根据需要引入多个位置增值应用。每个应用都通过组件方式进行部署，相互之间的关联较弱，且都通过独立的接口向外提供服务。一方面用户可根据需要灵活选择所需的增值服务，另一方面系统也可动态添加新的服务或对当前的特定应用进行修改和删除。

2. 系统功能实现

人类80％的活动与位置相关，因而由位置而衍生的服务内容举不胜举。本文基于模块化系统框架所构建的导航和移动位置服务平台，主要实现了以下4大类功能，即动态智能导航、移动社交网络、移动数据分析和商业服务推送。
2.1动态智能导航
与传统的“起点－终点”式导航方式不同，本文将移动搜索和导航相结合，提出了一种更为智能化的导航功能，以满足人们的现代出行要求。在我们对目的地非常了解的情况下，如上下班、外出办事等，我们通常对行驶路径也是非常熟悉的，因此人们的导航需求其实不大；但当实际需求并不是准确的地理方位，而是类似吃饭、买衣服、逛街等较为模糊的生活需要时，人们的导航需求其实更为强烈，因此必须引入更为实用的智能导航功能来满足实际应用需要。
另一方面，本文还利用交通部门发布的实时路况信息（当前，部分城市已经开始每5分钟提供一次实时道路拥堵信息），实现了车辆的动态导航功能，做到绿色出行，一方面提高了人们的出行效率，另一方面也可以有效降低因为城市拥堵带来空气污染。而且，随着当前移动智能终端定位精度的提高，人们的导航需求往往更为精细，特别是为了满足众多LBS应用的需要，本系统在路径规划过程中还考虑到行人导航的问题，实现了人车混合导航的个性化应用。
2.2移动社交网络
移动社交是指用户以手机、平板等移动终端为载体，以在线识别用户及交换信息技术为基础，按照流量计费，通过移动网络来实现的社交应用功能。作为BBS、博客、微博等Internet应用在移动环境下的推广，移动社交网络是LBS最主要的应用之一。与传统的PC端社交相比，移动社交综合了移动网络、手机终端和社交网络服务的优势，具有人机交互、实时场景等特点，能够让用户随时随地的创造并分享内容，让网络最大程度地服务于个人的现实生活。
本系统所提供的移动社交网络在实现上主要包括三方面应用：首先，在移动对象管理模块的基础上直接提供近距离搜索功能，根据用户的位置信息实现陌生交友等开放社交应用；其次，由于人们往往仅希望将生活瞬间和真正认识你的人分享，因此我们基于用户间的朋友关系和距离关联还构建了独立的社交门户，以实现私密社交应用；最后，系统还可与QQ、Sina微博等大规模社交平台关联，实现更加多样化的移动社交应用。
2.3 移动数据分析
人和车辆的历史轨迹数据从某些角度反映了移动对象的行为模式。通过对移动对象的时空数据进行分析，我们可以获得许多经验知识，一方面可以指导城市规划建设和管理，另一方面还可以使商户更好地了解客户的个性化需求。移动数据分析是导航与位置服务平台智慧化应用的核心，它为其它各类高端应用提供了技术支撑。
针对车辆，本系统主要从轨迹特征分析、移动规律发现和活动模式挖掘三个方面对其群体历史数据进行分析。通过数据进行分析，我们可以了解道路上的交通热点、预测区域交通状态变化、区域功能识别、评估城市规划现状，并指导城市管理工作^[7]。而针对个人，本系统不仅可以通过将单个用户行为轨迹数据与周边的POI兴趣点相关联，来为其行为状态进行微观分析，而且能够通过对多个用户行为轨迹的分析比较，来研究城市社会群体的分类，并探究各类人群不同的行为模式^[8]。
2.4 商业服务推送
商业服务是LBS应用的价值体现。而当前商业服务推送最常见的应用方式主要是通过“位置签到”实现的。具体而言，各类商户通过位置增值服务平台注册自身的优惠和打折信息，而用户通过主动提供自己当前的位置来了解其周边的商业服务。在此基础上，商户通过积分、勋章以及领主等荣誉激励用户签到，满足用户的虚荣感并提供额外的优惠，而用户则在享受服务后，参与商业实体（商店、餐厅等）的评价，以激励商户不断改善自身的服务质量。
本系统在位置签到的基础上，通过将多个应用相互融合，还可提供包括团购、精准营销等各类LBS＋应用。比如当用户在商店里看到一款心仪的商品，销售人员说：买1件无折扣，2件8折，3件7折，他就可以通过“LBS＋团购”的应用召集好友或陌生人加入你的团购。而在功能实现上，对于 “LBS＋团购”的应用而言，我们必须将商业服务推送与移动社交网络相结合。类似的，商家为了给最有可能长期光顾的顾客提供最大的折扣，则可以通过“LBS＋精准营销”的方式将商业服务推送与移动数据分析相结合，来寻找最有价值的顾客群体。

3. 结语

导航与位置服务是国家十二五科技发展的重点规划内容之一。结合具体的应用需求，本文设计并实现了一套导航与位置服务平台。该平台不仅可以满足用户的智能导航定位需求，而且可以实现包括移动社交网络、移动数据分析和商业服务推送在内的众多增值位置服务，为政府工作、商业发展和人们的日常生活提供了便利。

参考文献
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第一作者：李飞，男，1982年出生，武汉大学博士研究生，广东瑞图万方科技股份有限公司广州研发中心总监，主要研究方向为GIS与LBS。

国家863项目2012AA12A204资助