PolarDB 开源版 轨迹应用实践 - 出行、配送、快递等业务的调度; 传染溯源; 刑侦

背景

PolarDB 的云原生存算分离架构, 具备低廉的数据存储、高效扩展弹性、高速多机并行计算能力、高速数据搜索和处理; PolarDB与计算算法结合, 将实现双剑合璧, 推动业务数据的价值产出, 将数据变成生产力.

本文将介绍PolarDB 开源版 轨迹应用实践, 例如:

• 出行、配送、快递等业务的调度

  • 快递员有预规划的配送轨迹(轨迹)
  • 客户有发货需求(时间、位置)
  • 根据轨迹估算最近的位置和时间
• 通过多个嫌疑人的轨迹, 计算嫌疑人接触的地点、时间点

• 根据轨迹, 对传染源进行溯源

测试环境为macOS+docker, PolarDB部署请参考下文:

• 《如何用 PolarDB 证明巴菲特的投资理念 - 包括PolarDB简单部署》

轨迹介绍

轨迹的定义:

• 位置1、位置2、...位置N 组成的线段, 加上 开始时间、结束时间

轨迹的常见计算:

• 两个轨迹何时最接近
• 最近的距离是多少
• 两个轨迹最近时的位置分别是什么

相关函数

https://postgis.net/docs/manual-3.3/reference.html#Temporal

8.18. Linear Referencing

• ST_LineInterpolatePoint — Returns a point interpolated along a line at a fractional location.
• ST_3DLineInterpolatePoint — Returns a point interpolated along a 3D line at a fractional location.
• ST_LineInterpolatePoints — Returns points interpolated along a line at a fractional interval.
• ST_LineLocatePoint — Returns the fractional location of the closest point on a line to a point.
• ST_LineSubstring — Returns the part of a line between two fractional locations.
• ST_LocateAlong — Returns the point(s) on a geometry that match a measure value.
• ST_LocateBetween — Returns the portions of a geometry that match a measure range.
• ST_LocateBetweenElevations — Returns the portions of a geometry that lie in an elevation (Z) range.
• ST_InterpolatePoint — Returns the interpolated measure of a geometry closest to a point.
• ST_AddMeasure — Interpolates measures along a linear geometry.

8.19. Trajectory Functions
Abstract
These functions support working with trajectories. A trajectory is a linear geometry with increasing measures (M value) on each coordinate. Spatio-temporal data can be modeled by using relative times (such as the epoch) as the measure values.

• ST_IsValidTrajectory — Tests if the geometry is a valid trajectory.
• ST_ClosestPointOfApproach — Returns a measure at the closest point of approach of two trajectories.
• ST_DistanceCPA — Returns the distance between the closest point of approach of two trajectories.
• ST_CPAWithin — Tests if the closest point of approach of two trajectories is within the specified distance.

轨迹计算举例

1、构造3维轨迹:

ST_AddMeasure('LINESTRING Z (0 0 0, 10 0 5, 1 1 1)'::geometry,  -- 三个3维点  
    extract(epoch from '2015-05-26 10:00'::timestamptz),  -- 开始时间  
    extract(epoch from '2015-05-26 11:00'::timestamptz)   -- 结束时间  
)  

2、构造2维轨迹:

ST_AddMeasure('LINESTRING (0 0, 10 0, 1 1)'::geometry,  -- 三个2维点  
    extract(epoch from '2015-05-26 10:00'::timestamptz),  -- 开始时间  
    extract(epoch from '2015-05-26 11:00'::timestamptz)   -- 结束时间  
)  

3、返回2条轨迹距离最接近时的第一个时间点(因为2条轨迹可能有多个时间处于最近距离, 但是这里只返回最早的时间点, 如果要求后面的时间点, 可以切分线段).

• 两个轨迹何时最接近
• 最近的距离是多少
• 两个轨迹最近时的位置分别是什么

-- Return the time in which two objects moving between 10:00 and 11:00  
-- are closest to each other and their distance at that point  
WITH inp AS ( SELECT  
  ST_AddMeasure('LINESTRING Z (0 0 0, 10 0 5)'::geometry,  -- 如果轨迹是一个点, 这里就直接填2个一样位置的点  
    extract(epoch from '2015-05-26 10:00'::timestamptz),  
    extract(epoch from '2015-05-26 11:00'::timestamptz)  
  ) a,  
  ST_AddMeasure('LINESTRING Z (0 2 10, 12 1 2, 15 3 5)'::geometry,  -- 两条轨迹的点数可以不一样  
    extract(epoch from '2015-05-26 10:00'::timestamptz),  
    extract(epoch from '2015-05-26 11:00'::timestamptz)  
  ) b  
), cpa AS (  
  SELECT ST_ClosestPointOfApproach(a,b) m FROM inp  -- 计算a,b 2条轨迹距离最近时的最早时间点  
), points AS (  
  SELECT ST_Force3DZ(ST_GeometryN(ST_LocateAlong(a,m),1)) pa,   -- ST_LocateAlong(a,m)  计算a轨迹在某个时间点m对应的位置点(集合点)   
         ST_Force3DZ(ST_GeometryN(ST_LocateAlong(b,m),1)) pb    -- ST_GeometryN 返回集合的第一个点, 由于a,b线段是3维线段, 所以返回后需要再使用ST_Force3DZ格式化一下?  
  FROM inp, cpa  
)  
SELECT st_astext(pa) pa, st_astext(pb) pb,   
       to_timestamp(m) t,  -- a,b线段距离最近时的最早的时间点m   
       ST_Distance(pa,pb) distance  -- a,b线段最接近的pa,pb点的距离   
FROM points, cpa;  
  
                       pa                        |                               pb                               |               t               |     distance       
-------------------------------------------------+----------------------------------------------------------------+-------------------------------+------------------  
 POINT Z (5.798478121227689 0 2.899239060613844) | POINT Z (9.041623081002845 1.24653140991643 3.972251279331437) | 2015-05-26 10:34:47.452124+00 | 3.47445388313376  
(1 row)  

以上SQL应用场景举例:

1、出行、配送、快递等业务的调度, 例如

• 快递员预规划的配送轨迹(轨迹a)
• 客户有发货需求(时间、位置)(轨迹b)

2、多个嫌疑人的轨迹

• 计算嫌疑人接触的地点、时间点

3、根据传染病人的多人多轨迹进行轨迹的碰撞计算, 对传染源进行溯源追踪.

参考

• 《使用 PolarDB 开源版 部署 PostGIS 支撑时空轨迹|地理信息|路由等业务》
• 《重新发现PostgreSQL之美 - 11 时空轨迹系统 新冠&刑侦&预测》
• 《重新发现PostgreSQL之美 - 8 轨迹业务IO杀手克星index include(覆盖索引)》
• 《PostgreSQL 应用开发解决方案最佳实践系列课程 - 6. 时空、时态、时序、日志等轨迹系统》
• 《使用Postgres，MobilityDB和Citus大规模(百亿级)实时分析GPS轨迹》
• 《PostgreSQL index include - 类聚簇表与应用(append only, IoT时空轨迹, 离散多行扫描与返回)》
• 《PostgreSQL IoT，车联网 - 实时轨迹、行程实践 2 - (含index only scan类聚簇表效果)》
• 《PostgreSQL IoT，车联网 - 实时轨迹、行程实践 1》
• 《PostgreSQL pipelinedb 流计算插件 - IoT应用 - 实时轨迹聚合》
• 《Greenplum 轨迹相似(伴随分析)》
• 《PostgreSQL 实时位置跟踪+轨迹分析系统实践 - 单机顶千亿轨迹/天》
• 《GIS术语 - POI、AOI、LOI、路径、轨迹》
• 《菜鸟末端轨迹 - 电子围栏(解密支撑每天251亿个包裹的数据库) - 阿里云RDS PostgreSQL最佳实践》
• 《车联网案例，轨迹清洗 - 阿里云RDS PostgreSQL最佳实践 - 窗口函数》
• 《PostgreSQL 物流轨迹系统数据库需求分析与设计 - 包裹侠实时跟踪与召回》
• 《PostgreSQL 聚集存储 与 BRIN索引 - 高并发行为、轨迹类大吞吐数据查询场景解说》
• 《PostgreSQL 如何轻松搞定行驶、运动轨迹合并和切分》