面向交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型

郭 鵬，孫艷玲，馬壽峰，崔鐵軍，陳曉玲

(1.天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387;2.天津大學(xué)管理學(xué)院，天津300072;3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079)

面向交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型

郭 鵬1，2，孫艷玲1，馬壽峰2，崔鐵軍1，陳曉玲3

(1.天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387;2.天津大學(xué)管理學(xué)院，天津300072;3.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079)

從交通事件管理角度出發(fā)，歸納總結(jié)交通事件管理對GIS-T數(shù)據(jù)模型7個方面的功能需求，在此基礎(chǔ)上提出面向交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型，并利用UML對模型進(jìn)行構(gòu)建、分析和描述。

交通事件;GIS-T;數(shù)據(jù)模型

一、引 言

長期以來，世界各國都面臨著日益嚴(yán)重的交通擁堵、事故頻發(fā)、能源短缺以及由于交通堵塞引起的環(huán)境惡化等一系列交通相關(guān)問題。研究表明，造成道路交通延滯的主要原因之一是偶發(fā)性交通擁堵，其主要的誘導(dǎo)因素是交通事故、車輛故障、貨物傾落、暫時維護(hù)與修理、施工活動、信號和檢測器等道路機(jī)電系統(tǒng)故障以及其他特殊非正常事件［1］，即交通事件(traffic incident，TI)。在交通事件管理手冊中交通事件的定義為任何引起道路通行能力下降或交通需求異常增大的偶發(fā)性事件，包括交通車輛碰撞、車輛拋錨、貨物散落、公路維修建設(shè)工程項目和特殊的非突發(fā)緊急事件(如球賽、音樂會及其他顯著影響交通通行的活動等)。而交通事件管理(traffic incident management，TIM)則是指綜合協(xié)調(diào)利用人力、制度、機(jī)械和技術(shù)資源，系統(tǒng)地、有計劃地減少交通事件的持續(xù)影響時間和影響程度，并提高司乘人員、事件受害者及事件響應(yīng)者的安全水平［2］。

交通具有明顯的地域特征，是GIS的一個重要研究范疇，交通地理信息系統(tǒng)(GIS-T)是GIS技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，并已經(jīng)成為了一個專有名詞［3］。GIS-T數(shù)據(jù)模型是分析和決策模型的前提，而且合理的數(shù)據(jù)模型對于作出正確的分析、決策和規(guī)劃等具有重要的意義。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對GIS-T數(shù)據(jù)模型已經(jīng)開展了一些研究工作，其中有些模型已經(jīng)得到行業(yè)的認(rèn)可和應(yīng)用，比較有代表性的主要有 Dueker-Butler企業(yè)級數(shù)據(jù)模型(GIS-T enterprise)［4］、NCHRP20-27(2)模型［5］、MDLRS模型［6］、UNETRANS模型［7］、動態(tài)多維概念模型［8］、城市公共交通時空數(shù)據(jù)模型［9］、面向?qū)Ш降膭討B(tài)多尺度路網(wǎng)數(shù)據(jù)模型［10］等。上述模型在GIS-T數(shù)據(jù)模型的發(fā)展中起到了非常大的推動作用，但仍存在以下幾個問題:①大多數(shù)通用GIS-T模型都為概念性框架模型，并沒有針對實際的交通應(yīng)用問題，都不是應(yīng)用級可執(zhí)行模型，可操作性較弱;② 所有模型基本上都為交通領(lǐng)域?qū)＜一蚪煌ü芾聿块T設(shè)計，專業(yè)性強(qiáng)，基本不支持普通用戶出行使用;③不能對交通特征進(jìn)行動態(tài)跟蹤管理;④不能對交通事件進(jìn)行動態(tài)的可視化表達(dá)和管理。因此，在國內(nèi)外GIS-T數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，基于交通行業(yè)通用數(shù)據(jù)模型，筆者針對交通事件管理對數(shù)據(jù)模型的功能需求提出了適合交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型—TIM2LRS (traffic incident management multiuser linear referencing system)模型，以此為交通事件管理工作提供數(shù)據(jù)模型支持。

二、交通事件管理對GIS-T數(shù)據(jù)模型的功能需求

根據(jù)交通事件管理業(yè)務(wù)范圍，以下從7個方面分析總結(jié)交通事件管理對數(shù)據(jù)模型的功能需求。

1)時空參考基準(zhǔn)與時空參考方法。支持交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型需要具備多種時空參考基準(zhǔn)，并能夠利用不同的時空參考方法在空間維和時間維中對事件進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

2)數(shù)據(jù)集的相互轉(zhuǎn)換。在交通事件管理中，有時會根據(jù)需要將一種時空參考基準(zhǔn)和參考方法下的位置信息轉(zhuǎn)換為另一種時空參考基準(zhǔn)和參考方法下的位置信息。這就要求數(shù)據(jù)模型能夠支持交通數(shù)據(jù)在線性參考方法、非線性參考和時間參考方法之間的轉(zhuǎn)換。

3)空間數(shù)據(jù)多級地圖/拓?fù)浔磉_(dá)。交通特征或交通對象在地圖上可以抽象為點、線、面，這就要求數(shù)據(jù)模型能夠支持交通事件或交通對象的多級地圖/拓?fù)浔磉_(dá)，并在比例尺變化的時候可以相應(yīng)改變到合適的地圖表達(dá)形式及相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)。同時模型還需要支持不同時空尺度交通事件和對象的顯示和分析。

4)時間維拓?fù)浔磉_(dá)。交通事件是發(fā)生在某一時間點的活動并可以改變交通對象的狀態(tài)，因此在交通對象和交通事件之間存在時間上的關(guān)系，即時間拓?fù)洌@就要求數(shù)據(jù)模型能夠支持時間拓?fù)潢P(guān)系。

5)移動對象管理及表達(dá)。面向交通事件管理的GIS數(shù)據(jù)模型需要根據(jù)具體交通情況支持接近實時的移動對象(事件響應(yīng)部門)導(dǎo)航功能及其存儲和表達(dá)，同時要支持對多源交通數(shù)據(jù)的獲取。

6)歷史數(shù)據(jù)存儲和表達(dá)。面向交通事件管理的GIS數(shù)據(jù)模型需要支持歷史數(shù)據(jù)的存儲和表達(dá)，以實現(xiàn)不同時間的歷史交通事件及相關(guān)環(huán)境的歷史狀態(tài)重建和分析，為最大限度地避免交通事件提供決策依據(jù)。

7)元數(shù)據(jù)。面向交通事件管理的GIS數(shù)據(jù)模型需要對元數(shù)據(jù)的支持，以實現(xiàn)各交通機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)共享和對多源數(shù)據(jù)的精度和誤差進(jìn)行控制。

三、TIM2LRS數(shù)據(jù)模型框架設(shè)計

1.TIM2LRS概念模型

本研究基于面向?qū)ο蟮乃枷?，利?UML對TIM2LRS概念模型進(jìn)行描述。TIM2LRS模型主要包括兩層結(jié)構(gòu):即參考道路網(wǎng)絡(luò)層和交通事件層。每層都與時間對象直接關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了交通系統(tǒng)中的交通特征。在參考道路網(wǎng)絡(luò)層中，除了描述交通道路網(wǎng)絡(luò)的基本幾何形態(tài)和相關(guān)屬性，還包括線性參考基準(zhǔn)及線性參考方法的定義;交通事件層是在交通活動中與參考網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)但其本身又不是交通網(wǎng)絡(luò)的一些交通對象，包括交通突發(fā)事件、交通工程規(guī)劃事件、交通設(shè)施與設(shè)備以及移動對象。圖1簡要描述了TIM2LRS概念模型框架。

1)參考網(wǎng)絡(luò)層。參考網(wǎng)絡(luò)層是TIM2LRS模型中最基礎(chǔ)的一層，包括交通網(wǎng)絡(luò)模型、線性參考系統(tǒng)和空間幾何對象3個部分。交通道路網(wǎng)絡(luò)指道路線性要素和連接點以及由其構(gòu)成的交通網(wǎng)絡(luò)，包括交通網(wǎng)絡(luò)的幾何表達(dá)和拓?fù)潢P(guān)系;線性參考系統(tǒng)是根據(jù)交通網(wǎng)絡(luò)建立的用于線性定位的參照系統(tǒng)，包括線性參考基準(zhǔn)和線性參考方法;空間幾何對象是用來表達(dá)除路網(wǎng)外的交通特征的幾何形狀和空間位置。在交通系統(tǒng)中，附屬在交通網(wǎng)絡(luò)上的交通設(shè)施都屬于交通特征，這些要素有其自身的幾何形狀、空間位置和屬性特征。

圖1 TIM2LRS概念模型框架

2)交通事件層。交通特征的一些屬性如用事件進(jìn)行描述則可以方便地記錄屬性發(fā)生的靜態(tài)、動態(tài)變化。而交通事件就是交通特征的屬性、突發(fā)事故、偶發(fā)現(xiàn)象或物理特性。屬性包括功能分級、限速、路面類型或道路編號等;突發(fā)事故、偶發(fā)現(xiàn)象包括交通事故和交通工程;物理特征包括護(hù)欄、標(biāo)志、控制燈及其他有形的特征元素。TIM2LRS模型的交通事件層包含了在交通活動中與參考網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)但其本身又不屬于交通網(wǎng)絡(luò)的交通特征對象，包括為4個子類，即事故、活動、設(shè)施和移動對象。

3)時間對象管理。交通系統(tǒng)是交通特征的聚集，交通特征是一種空間對象，具有空間對象的一般特征。TIM2LRS模型兩層結(jié)構(gòu)中的對象都是交通特征，每個交通特征都存在一個生命周期，有一個發(fā)生、發(fā)展和消亡的過程。如一條公路，當(dāng)修建完成后，這條公路就產(chǎn)生了，它具有空間位置特性和其他相關(guān)屬性。隨著時間的變化，道路現(xiàn)有的狀態(tài)可能不適應(yīng)交通的需求，于是在某一時間段內(nèi)對道路進(jìn)行了改造。改造后的道路等級可能發(fā)生了變化，由原來二級道路改造為一級道路，道路的車道數(shù)、寬度等屬性也發(fā)生了改變。道路的空間位置上也可能發(fā)生變化，如某一段可能進(jìn)行了改道。這樣一些變化是在一定時期內(nèi)發(fā)生，變化前的描述數(shù)據(jù)與變化的描述數(shù)據(jù)存在一個時間問題。

2.TIM2LRS邏輯模型

根據(jù)TIM2LRS的概念模型，TIM2LRS的邏輯數(shù)據(jù)模型主要包括3部分內(nèi)容，即參考網(wǎng)絡(luò)層、交通事件層和事件對象。

參考網(wǎng)絡(luò)采用的是幾何網(wǎng)絡(luò)與邏輯拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)并存的結(jié)構(gòu)，包括兩個一級對象，即幾何網(wǎng)絡(luò)對象和邏輯拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)對象。幾何網(wǎng)絡(luò)對象包括邊要素和結(jié)點要素;邏輯拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)對象包括聯(lián)線元素和結(jié)點元素，結(jié)點元素分為簡單結(jié)點和復(fù)合結(jié)點，復(fù)合結(jié)點構(gòu)成交叉口要素。TIM2LRS參考網(wǎng)絡(luò)的實體邏輯關(guān)系如圖2所示。

由于GIS-T中的空間特征一般習(xí)慣于采用一維的定位方法，即采用線性參考系統(tǒng)(linear referencing system，LRS)，它是由交通網(wǎng)絡(luò)、線性參考方法和線性基準(zhǔn)3部分組成的。通過建立線性參考基準(zhǔn)，可以將現(xiàn)實世界中的對象映射到線性網(wǎng)絡(luò)中，并通過線性參考方法來實現(xiàn)各種事件的管理，TIM2LRS模型中的LRS對象如圖3所示。

圖2 TIM2LRS參考網(wǎng)絡(luò)實體邏輯關(guān)系圖

圖3 TIM2LRS模型中的線性參考系統(tǒng)

交通事件管理中包含大量的真實世界對象和有計劃或無計劃的交通現(xiàn)象，這些都可以在交通事件層中表達(dá)，既可以是物理存在的交通設(shè)施對象(如路燈、護(hù)欄等)，也可以是短暫的交通現(xiàn)象(如交通事故等)，也包括事件響應(yīng)單位的移動對象(如車輛、人員等)，此外還包括有計劃的交通相關(guān)活動(如路段整修、短時間車道封閉等)。設(shè)施、活動、事故和移動對象構(gòu)成了TIM2LRS模型交通事件層的4個子類，如圖4所示。

圖4 TIM2LRS模型中的交通事件關(guān)系圖

交通系統(tǒng)是一個隨時間不斷變化的復(fù)雜系統(tǒng)。交通系統(tǒng)的時態(tài)變化是由其組成元素—交通特征的實體變化表現(xiàn)的，描述交通特征的信息是隨時間的變化而變化的。對于交通事件管理而言，交通特征的時態(tài)特征尤為重要，因此在TIM2LRS模型中參考網(wǎng)絡(luò)層和交通事件層的交通特征都與時間對象關(guān)聯(lián)。在TIM2LRS模型中，各種交通特征時間維的表達(dá)用時間對象(time object)來描述，圖 5為TIM2LRS模型中時間對象UML圖。

圖5 TIM2LRS模型中的時間對象關(guān)系圖

四、結(jié)束語

GIS作為交通信息系統(tǒng)重要技術(shù)支撐平臺已經(jīng)被業(yè)界廣泛認(rèn)可，同樣它也為交通事件管理提供了便利手段。本文從交通事件管理角度出發(fā)，根據(jù)交通事件管理的性質(zhì)和特點，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)手段和已有的模型方法，從模型使用者的角度歸納總結(jié)了交通事件管理對于GIS-T數(shù)據(jù)模型7個方面的功能需求，為建立GIS-T數(shù)據(jù)模型提供了充分的參考和依據(jù)。根據(jù)交通事件管理對于GIS-T數(shù)據(jù)模型的功能需求，參考已有GIS-T數(shù)據(jù)模型，提出了面向交通事件管理的GIS-T數(shù)據(jù)模型——TIM2LRS模型。文中采用面向?qū)ο蟮姆绞?，利用UML建模工具對模型的概念層和邏輯層中各種交通特征及之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的描述，使得模型具有一定的可操作性和實際應(yīng)用價值。

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Traffic Incident Management Oriented GIS-T Data Model

GUO Peng，SUN Yanling，MA Shoufeng，CUI Tiejun，CHEN Xiaoling

0494-0911(2011)06-0025-04

P208

B

2011-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(41001022;70971094/G0109);天津師范大學(xué)人才引進(jìn)項目(5RL076;5RL077)

郭 鵬(1978—)，男，遼寧本溪人，博士，講師，主要從事交通地理信息系統(tǒng)的研究。