智能信息化時代的時空信息研究

馬俊鵬 ，郝 放 ，孫希延，姜映舟，黃銘潔，薛 璐

(1.廣西軍區(qū)辦公室，南寧 530000； 2.桂林電子科技大學 廣西精密導航技術(shù)與應用重點實驗室，廣西 桂林 541004；3.衛(wèi)星導航定位與位置服務國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣西 桂林 541004)

0 引言

在日常生活中，“時間”、“地點”、“人物”、“事件”四要素是人們了解消息、掌握信息不可或缺的關(guān)鍵因素。隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誕生發(fā)展和人民生活質(zhì)量的日益提升，人類正在從信息化時代步入智能化時代，時空信息對這一過程起到了積極的作用。如今，時空信息服務已經(jīng)與人類的工作生活密不可分，成為人類生活不可缺失的一部分。世界各國均積極建設智能信息化區(qū)域和城市，將其作為提升綜合國力、推動經(jīng)濟增長和應對突發(fā)挑戰(zhàn)的重要戰(zhàn)略，可見大力推進我國智能信息化城市建設事業(yè)已經(jīng)到了刻不容緩的地步。時空信息在建設智能信息化城市乃至智能信息化國家的進程中起到極其重要的作用，而衛(wèi)星導航技術(shù)作為獲取時空信息數(shù)據(jù)的重要手段之一，在建設與應用智能信息化的過程中得到了快速的普及。美國、歐洲、俄羅斯等世界強國均在衛(wèi)星導航領(lǐng)域投入了巨大的物力、財力，擁有了各自的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)，且在該領(lǐng)域取得了不小的成就。自20世紀60年代以來，美國政府部門與地方企業(yè)聯(lián)手大力推進智能信息化區(qū)域和城市的建設和發(fā)展，將衛(wèi)星導航定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、物聯(lián)網(wǎng)及其云計算等高新技術(shù)應用到醫(yī)療衛(wèi)生、智慧泊車、交通監(jiān)察智能化、災害防治等方面并獲得了極其顯著的效果。目前時空信息的應用在美國的普及率已達80 %以上，而且與之相關(guān)的產(chǎn)品也處于世界領(lǐng)先水平。文獻[1]論述了美國將時空信息應用在車上的實例，利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和超寬帶(ultra wide band，UWB)技術(shù)交替給智能車輛提供時空信息以保證車輛的正常行駛。

自20世紀80年代開始，歐洲開展了對時空信息方面的研究及其關(guān)于時空信息的項目開發(fā)，研制出了伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，Galileo)，充分利用Galileo及其他高端新穎的科學技術(shù)，使得其在時空信息的發(fā)展和應用方面僅僅介于美國與日本之間。文獻[2]說明了歐洲將時空信息應用在智慧交通方面，取得了顯著成效。文中指出歐洲各國正在進行對Telematic全方位研發(fā)，未來交通無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)將以道路交通為主的形式在全歐洲建立，利用Galileo采集汽車的時空信息，并輔以先進的出行信息服務系統(tǒng)(advanced traveler information system，ATIS)、先進的車輛控制系統(tǒng)(advanced vehicle control systems，AVCS)、先進的電子收費系統(tǒng)(electronic toll collection，ETC)等，不僅使交通通暢率提高15 %以上，而且能夠起到節(jié)能減排的功效。同時，歐洲各國為了減緩交通壓力，車輛裝載了Galileo以起到實時收集車載時空信息內(nèi)容的作用，在降低交通堵塞率同時，大幅度提升了城市區(qū)域交通智能化管理能力。而在中國，也有著獨立自主的時空信息服務，阻止了他國的技術(shù)壟斷進程。

中國大力推動北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的建設，將擁有一套獨立、自主、全球覆蓋的獲取時空基礎信息的系統(tǒng)，使我國時空信息服務水平顯著提高，為智能信息化新產(chǎn)業(yè)(共享汽車、單車等)提供了技術(shù)支持，保障了中國智能信息化發(fā)展在世界浪潮中的航行。

BDS是促進中國民事與軍事戰(zhàn)略發(fā)展進程的重要時空基礎設施。目前，已正式進入北斗三號的建設時期。在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》中明確要求，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項要“帶動交通、導航、通信等基于時空定位的現(xiàn)代信息服務業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，提升我國作為世界大國的國際地位”。BDS帶來的時空信息服務，將引領(lǐng)人們走入智能化的生活，比如，人們?nèi)粘Ｓ玫氖直硪苍谝揽緽DS技術(shù)逐漸走向智能化信息化。傳統(tǒng)的普通手表最常見的功能就是顯示時間，而加入時空信息服務的“北斗”版智能手表，可以獲取定位信息以對天氣進行分析并顯示天氣數(shù)據(jù)，也可以實時監(jiān)測人們最關(guān)心的霧霾問題，還可以輕松知道PM2.5的數(shù)值，甚至可以直接接收BDS時間信號，時間授時的誤差不會超過50 ns。另外還有步數(shù)統(tǒng)計等其他實用技術(shù)，大大方便了人們生活，促進了智能化的發(fā)展。

本文主要對時空信息在智能現(xiàn)代化建設中的作用和地位、時空信息服務的特點和關(guān)于時空信息服務的應用做出分析。

1 時空信息服務在智能信息化建設中的地位和作用

時空信息是智能化實施進程的推動力。所有的智能化應用都離不開位置點、位置關(guān)系、時間統(tǒng)一和時空分析這些時空元素。時空信息是實現(xiàn)智能化的必經(jīng)之路，是最終實現(xiàn)智能化的重要部分。各種不同類型服務大眾生活的智能化應用都代表了智能化計算和服務在時間和空間上的實現(xiàn)關(guān)系，例如在線上到線下(online to offline，O2O)中，在線信息交流和線下指導分別是對時間和位置的引導。BDS集成天空、海上以及地面?zhèn)鞲衅?，實現(xiàn)全球、全天、全面的時空數(shù)據(jù)采集，及時反饋智能業(yè)務應用，支持智能業(yè)務。

時空信息數(shù)據(jù)是城市智能化建設的重要基礎之一，也是城市實體信息化的實現(xiàn)方式，它可以記錄城市智能化發(fā)展的軌跡，促進智能化城市管理，推動城市智能化的可持續(xù)健康發(fā)展，并在不同的社會化和城市智能化應用中產(chǎn)生作用。由BDS、衛(wèi)星通信和數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)絡組成的綜合信息網(wǎng)絡布局，為智能化提供時空信息服務，使數(shù)據(jù)發(fā)生先到信息再到智能形態(tài)的演變。

時空信息是智能化建設中各種信息資源的粘合劑。一幅地圖、多規(guī)集成、時空信息云服務等新產(chǎn)品是整合了大數(shù)據(jù)智能化設計的核心基礎，提出了針對各部門時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成的解決方案，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)向信息化及其智能化的升級，打破了基礎地理空間數(shù)據(jù)的應用壁壘，確定了時空信息在智能化建設中無可替代的地位。時空信息與智能化的關(guān)系如圖1所示。

“北斗+”計劃推動BDS時空系統(tǒng)與移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的融合。 “北斗+物聯(lián)網(wǎng)”：全面感知、廣泛互聯(lián)，時空信息的廣泛覆蓋和空間信息的實現(xiàn)構(gòu)成了位置智能化的基礎。它是指BDS衛(wèi)星導航技術(shù)不僅為物聯(lián)網(wǎng)應用提供通信與位置導航服務，又可利用其自身優(yōu)勢，遠程傳遞各種傳感器數(shù)據(jù)信息。這就使得開發(fā)出的產(chǎn)品不僅有BDS衛(wèi)星的定位和通信功能，而且能夠使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在更大的范圍應用。反過來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠直接推動BDS衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成導航應用產(chǎn)品。“北斗+大數(shù)據(jù)”：數(shù)據(jù)挖掘、精確管理以及時空地理信息的普遍應用產(chǎn)生了時空位置大數(shù)據(jù)，大規(guī)模時空定位數(shù)據(jù)的生成實現(xiàn)了資源重構(gòu)，使區(qū)域網(wǎng)絡管理和服務能更加有效實施。它是指通過建立專業(yè)的BDS接收機數(shù)據(jù)處理平臺，應用先進的大數(shù)據(jù)管理技術(shù)，提升BDS的數(shù)據(jù)處理能力，為BDS的應用帶來更廣闊的發(fā)展空間?！癇DS+云計算”：海量資源、高效運算等特點實現(xiàn)時空信息的快計算以及復雜的時空協(xié)同操作，推動智能化服務的發(fā)展。它是指利用云計算的可靠性高、數(shù)據(jù)處理量大、計算速度快等特點，建立BDS云計算服務平臺，使得BDS的應用領(lǐng)域越來越廣，服務越來越綜合，越來越貼近人們生活。這些“+”構(gòu)筑了我國智能信息化技術(shù)體系，如圖2所示。

圖2 時空信息引導的智能信息化技術(shù)體系

2 智能現(xiàn)代化建設中時空信息服務的特點

目前，人類已經(jīng)步入大數(shù)據(jù)時代，因此建設智能信息化地球和智能信息化城市賦予了時空信息新時期的新特性。

2.1 無處不在

在當今這個以大數(shù)據(jù)作為背景的時代，時空信息的數(shù)據(jù)采集播發(fā)不僅來自天空，還來自物聯(lián)網(wǎng)中眾多散布各地的非專用傳感器。例如，手機就是其中一種時空數(shù)據(jù)傳感器，目前我國很多手機廠商已經(jīng)在手機中加入BDS導航相關(guān)模組，開發(fā)拓展了手機的傳訊、路徑規(guī)劃、位置確定、拍照、視頻和發(fā)送等功能。時空信息的數(shù)據(jù)采集播發(fā)能力依靠大量的傳感器有了極大提升。此外，隨著大數(shù)據(jù)時代的穩(wěn)步發(fā)展，時空信息的應用隨處可見，已從特定用戶擴展到世界公共用戶，人們可以更方便地獲取自己想要了解的信息，比如可以實時監(jiān)測快遞狀態(tài)，將快遞的運輸軌跡、狀態(tài)變化展現(xiàn)在二維電子地圖上，讓顧客對快件派送時間有一個更精確的推算，體驗BDS導航帶來的信息化智能化的新世界。

2.2 多維動態(tài)

在大數(shù)據(jù)的今天，隨處可見由BDS導航和傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)生且每分鐘都在實時監(jiān)測著的時空信息數(shù)據(jù)，使人類能迅速地獲取多維動態(tài)數(shù)據(jù)以觀察、探討發(fā)生在地球上任何時間、任何地點的事件。智能現(xiàn)代化的建設從里到外、從下到上，是真正的三維高精度建模?；跁r空動態(tài)數(shù)據(jù)的感知、分析、認知和變化檢測在人類社會智能信息化建設可持續(xù)發(fā)展中有著舉足輕重的作用[3]，因此，以BDS導航為基礎的時空信息將會對人類生活和智能信息化建設作出巨大貢獻。

2.3 全自動與實時化

在網(wǎng)絡技術(shù)的支持下，時空信息可以結(jié)合模式識別和人工智能(artificial intelligence,AI)等技術(shù)進行自動化處理，并且實時滿足用戶需求，如軍事和民用急救反應、車輛自動駕駛等方面的應用。目前正在進行的“空間信息網(wǎng)絡”國家自然科學基金重大專項就是要研究面向應急任務的空天信息資源自動組網(wǎng)、通信傳輸、在軌處理和實時服務的理論和關(guān)鍵技術(shù)[3]。根據(jù)“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合”的基本原則，構(gòu)造天基網(wǎng)(具有通信、遙感以及導航功能的衛(wèi)星組成的網(wǎng))與陸地互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)集成網(wǎng)絡，再加上與BDS的緊密合作，完成了對地表分米級空間分辨率、小時級時間分辨率的影像與視頻數(shù)據(jù)采集和優(yōu)于米級精度的實時導航定位服務，在時空大數(shù)據(jù)、云計算和天基信息服務智能終端支持下，通過與天地通信網(wǎng)絡全球無縫的互聯(lián)互通，實時地為國民經(jīng)濟各部門、各行業(yè)和廣大手機用戶提供快速、精確、智能化的定位、導航、授時、遙感、通信(positioning，navigation，timing，remote sensing，communication，PNTRC)一體的天基信息服務，構(gòu)建我國天基信息軍民融合產(chǎn)業(yè)化的實時服務系統(tǒng)。

3 時空信息服務的應用

時空信息服務是與時俱進的產(chǎn)物，是BDS與物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，是范圍覆蓋一片區(qū)域、一座城市乃至全世界的龐大網(wǎng)絡，基于時空信息服務的應用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面。憑借著對該服務的應用，人們外出時實時更新的交通信息、看病的電子病歷、對生命特征數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控、實時動態(tài)更新的物流信息等等，任何想知道的信息都可以輕松查詢；遇到自然災害、意外事故，該服務可以幫助有關(guān)部門快速反應、及時救助；對城市污染指數(shù)、路況、公用設備進行實時監(jiān)控也得益于時空信息服務，使得人們對城市監(jiān)督治理更加方便綜合。時空信息服務將會給人們的日常生活帶來更多的便捷，目前已經(jīng)開始融入人類日常生活并與之緊密結(jié)合。圖3為時空信息服務引導的智能化應用圖。

圖3 時空信息服務引導的智能化應用

3.1 智能化交通

在全國范圍內(nèi)的城市化同步高速發(fā)展的今天，各城市在城市交通運輸領(lǐng)域也面臨眾多挑戰(zhàn)，比如城市道路堵塞、交通事故頻發(fā)、車輛調(diào)度方式落后等問題日益嚴重。開展城市智能化管理示范項目建設，與BDS地基增強系統(tǒng)相結(jié)合，推進城市旅游、智能交通新發(fā)展，開發(fā)諸如車道級導航、車輛跟蹤調(diào)度、全程旅游監(jiān)管等城市智能化管理應用迫在眉睫。

在城市公共交通監(jiān)管系統(tǒng)中應用BDS導航終端，可以高效實現(xiàn)對每一種車輛的位置、行車軌跡的記錄。監(jiān)控中心通過定位導航終端，對所有車輛行車路線、方位、地理坐標等信息都清晰可見。根據(jù)這些信息，監(jiān)控中心可以對不同車輛進行分析以及安排，解決道路擁堵問題。在出現(xiàn)交通事故時，根據(jù)BDS的定位功能，可以分析事故發(fā)生時車輛行駛的速度以及所處的地理位置，有利于交通部門提取違章證據(jù)，也方便相關(guān)部門快速找到事故發(fā)生地點并實施救援。同時，對公共交通工具，比如公交車、火車等，通過與BDS相連，實現(xiàn)實時定位、測速、授時等功能，即可向乘客準確地傳遞下一站地點、車輛到站時間等信息，極大地提高了人們生活質(zhì)量。

3.2 智能化醫(yī)療

當時空信息服務應用到醫(yī)療上時，智能定位系統(tǒng)被安裝在用戶移動終端以及各個醫(yī)院，并將醫(yī)院的位置信息存儲在城市醫(yī)療中心系統(tǒng)里。當用戶使用移動終端求救時，系統(tǒng)能夠采集到移動終端的實時地理位置，并與其鄰近的各個醫(yī)院分布位置相對比，結(jié)合道路交通等各種因素為用戶篩選出最合理的就醫(yī)方案，由醫(yī)療中心派出救援人員及時趕往現(xiàn)場。還可以給病人佩戴生命體征檢測設備，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，當檢測的數(shù)據(jù)超出臨界值，設備自動將病人位置發(fā)送給醫(yī)療中心系統(tǒng)，系統(tǒng)就近派出救援人員、設備，節(jié)省患者就醫(yī)時間，遠程為用戶群體提供保健咨詢、疾病預防、緊急呼救等服務。此外，放置實時監(jiān)測儀器，采集醫(yī)院人流量，發(fā)送至云端服務器，這些措施也會更方便用戶了解實時就醫(yī)信息，擇優(yōu)選取醫(yī)療單位就診。

3.3 智能化快遞

近幾年，隨著淘寶、京東等網(wǎng)購平臺的興起，快遞行業(yè)業(yè)務蒸蒸日上。但是，與之產(chǎn)生的快遞安全問題，也得到了社會的廣泛關(guān)注。物流運輸作為整個物流環(huán)節(jié)中最難以把控的一部分，不確定因素太多，因此需要針對運輸過程加強監(jiān)管。運輸監(jiān)管的主要任務是：針對物流車輛，需要準確把控其位置、行車路線；然后基于車輛位置與行車路線，監(jiān)管中心通過電子地圖實時進行路線下發(fā)以及線路調(diào)度安排，提高車輛運輸能力，實現(xiàn)運輸?shù)谋O(jiān)管高效性。

目前，各個網(wǎng)購平臺對用戶的物流信息展示還僅限于文字描述的方式，這樣顯示出的信息是不夠全面的?？梢越Y(jié)合BDS技術(shù)，在二維電子地圖上標明空間位置，第三個軸則用來表示時間，并且用文字的方式來展現(xiàn)屬性，從而使用戶更加直觀、準確地了解到物流配送過程中時間、空間以及相關(guān)屬性信息，提升用戶體驗。

針對于貨運部分，可以在貨運汽車上裝配導航定位終端設備，實現(xiàn)對貨運汽車的位置的實時跟蹤。監(jiān)管平臺不斷與車輛進行信息交互，對其下發(fā)運行路線指示，檢查其是否偏離運輸路線，通過終端產(chǎn)品傳回來的視頻圖像實現(xiàn)遠程監(jiān)控。監(jiān)控中心需要對終端提供的定位信息、地理坐標、距離等數(shù)據(jù)進行分析，為貨物的及時安全運達提供一份保障。

3.4 智能化環(huán)保

將空氣質(zhì)量傳感器、地表水質(zhì)量傳感器等與BDS相結(jié)合，利用衛(wèi)星定位技術(shù)、圖片處理技術(shù)和傳感器發(fā)回的檢測數(shù)據(jù)，可以實時監(jiān)測城市空氣質(zhì)量、污染粒子以及有毒有害物質(zhì)，遙感出大氣中PM2.5等顆粒和地表污水的濃度及位置，鎖定污染源，并將污染信息及時傳回，讓有關(guān)部門做到及時發(fā)現(xiàn)污染源、及時治理污染源，為人們創(chuàng)建一個更健康、更舒適的生活環(huán)境。

3.5 智能化減災

短報文通信是BDS的一個突出的特點，其在抗震救災過程中發(fā)揮著不可替代的作用。2008年汶川地震發(fā)生后，地面上的通信設備被嚴重毀壞，當?shù)赝ㄐ呕局袛?，信息傳輸受阻，救援難度加大。這時，正是憑借北斗一號衛(wèi)星系統(tǒng)終端，才能將災區(qū)的災情以及救援信息及時、可靠地傳回指揮中心，使得相關(guān)部門掌握第一手資料，確保了救援方案的及時、合理部署。同時，北斗二號將在2020年左右實現(xiàn)基本的全面覆蓋，屆時，其系統(tǒng)穩(wěn)定性、定位精度、授時精度相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星都將得到很大的提高，使得其在重大自然災害造成當?shù)赝ㄐ旁O施完全癱瘓的情況下，能夠完成應急通信的任務。

BDS在災難預警及救災指揮中發(fā)揮著重要的作用[9]。建立自然災害預警指揮系統(tǒng)，盡可能地對各個地方進行監(jiān)測，做到發(fā)現(xiàn)及時、通知及時、救援及時。此外，災難一旦發(fā)生，短報文通信功能服務將會啟動，使得指揮中心全面了解災區(qū)受災狀況，遠程指揮救災現(xiàn)場，確立科學可行的救災路線、物資調(diào)配計劃等，使救災物資安全抵達。另外，利用衛(wèi)星系統(tǒng)拍攝衛(wèi)星圖片，有利于對災情綜合分析，幫助救災工作的順利展開，為應急救助指揮體系的構(gòu)建發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)束語

本文通過分析時空信息在智能現(xiàn)代化建設中的作用、地位、特點及其特性展現(xiàn)了時空信息對于智能信息化建設的引領(lǐng)作用；接著對基于時空信息服務的應用做了舉例說明，凸顯了時空信息與人類日常生活的緊密結(jié)合及其重要性?？傊?，基于BDS的時空信息方便了人們的生活，促進了中國由信息化向智能化的方向發(fā)展，引領(lǐng)了現(xiàn)代化新時代潮流，提升了我國的綜合國力。