面向交通事件管理的GIS-T數據模型

郭 鵬，孫艷玲，馬壽峰，崔鐵軍，陳曉玲

(1.天津師范大學城市與環境科學學院，天津300387;2.天津大學管理學院，天津300072;3.武漢大學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數據模型

郭 鵬1，2，孫艷玲1，馬壽峰2，崔鐵軍1，陳曉玲3

(1.天津師范大學城市與環境科學學院，天津300387;2.天津大學管理學院，天津300072;3.武漢大學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，歸納總結交通事件管理對GIS-T數據模型7個方面的功能需求，在此基礎上提出面向交通事件管理的GIS-T數據模型，并利用UML對模型進行構建、分析和描述。

交通事件;GIS-T;數據模型

一、引 言

長期以來，世界各國都面臨著日益嚴重的交通擁堵、事故頻發、能源短缺以及由于交通堵塞引起的環境惡化等一系列交通相關問題。研究表明，造成道路交通延滯的主要原因之一是偶發性交通擁堵，其主要的誘導因素是交通事故、車輛故障、貨物傾落、暫時維護與修理、施工活動、信號和檢測器等道路機電系統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、公路維修建設工程項目和特殊的非突發緊急事件(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)則是指綜合協調利用人力、制度、機械和技術資源，系統地、有計劃地減少交通事件的持續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(GIS-T)是GIS技術在交通領域的應用，并已經成為了一個專有名詞［3］。GIS-T數據模型是分析和決策模型的前提，而且合理的數據模型對于作出正確的分析、決策和規劃等具有重要的意義。國內外相關學者對GIS-T數據模型已經開展了一些研究工作，其中有些模型已經得到行業的認可和應用，比較有代表性的主要有 Dueker-Butler企業級數據模型(GIS-T enterprise)［4］、NCHRP20-27(2)模型［5］、MDLRS模型［6］、UNETRANS模型［7］、動態多維概念模型［8］、城市公共交通時空數據模型［9］、面向導航的動態多尺度路網數據模型［10］等。上述模型在GIS-T數據模型的發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用問題，都不是應用級可執行模型，可操作性較弱;② 所有模型基本上都為交通領域專家或交通管理部門設計，專業性強，基本不支持普通用戶出行使用;③不能對交通特征進行動態跟蹤管理;④不能對交通事件進行動態的可視化表達和管理。因此，在國內外GIS-T數據模型的基礎上，基于交通行業通用數據模型，筆者針對交通事件管理對數據模型的功能需求提出了適合交通事件管理的GIS-T數據模型—TIM2LRS (traffic incident management multiuser linear referencing system)模型，以此為交通事件管理工作提供數據模型支持。

二、交通事件管理對GIS-T數據模型的功能需求

根據交通事件管理業務范圍，以下從7個方面分析總結交通事件管理對數據模型的功能需求。

1)時空參考基準與時空參考方法。支持交通事件管理的GIS-T數據模型需要具備多種時空參考基準，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行準確定位。

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

3)空間數據多級地圖/拓撲表達。交通特征或交通對象在地圖上可以抽象為點、線、面，這就要求數據模型能夠支持交通事件或交通對象的多級地圖/拓撲表達，并在比例尺變化的時候可以相應改變到合適的地圖表達形式及相應的拓撲關系表達。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)時間維拓撲表達。交通事件是發生在某一時間點的活動并可以改變交通對象的狀態，因此在交通對象和交通事件之間存在時間上的關系，即時間拓撲，這就要求數據模型能夠支持時間拓撲關系。

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

6)歷史數據存儲和表達。面向交通事件管理的GIS數據模型需要支持歷史數據的存儲和表達，以實現不同時間的歷史交通事件及相關環境的歷史狀態重建和分析，為最大限度地避免交通事件提供決策依據。

7)元數據。面向交通事件管理的GIS數據模型需要對元數據的支持，以實現各交通機構的數據共享和對多源數據的精度和誤差進行控制。

三、TIM2LRS數據模型框架設計

1.TIM2LRS概念模型

本研究基于面向對象的思想，利用 UML對TIM2LRS概念模型進行描述。TIM2LRS模型主要包括兩層結構:即參考道路網絡層和交通事件層。每層都與時間對象直接關聯，構成了交通系統中的交通特征。在參考道路網絡層中，除了描述交通道路網絡的基本幾何形態和相關屬性，還包括線性參考基準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絡關聯但其本身又不是交通網絡的一些交通對象，包括交通突發事件、交通工程規劃事件、交通設施與設備以及移動對象。圖1簡要描述了TIM2LRS概念模型框架。

1)參考網絡層。參考網絡層是TIM2LRS模型中最基礎的一層，包括交通網絡模型、線性參考系統和空間幾何對象3個部分。交通道路網絡指道路線性要素和連接點以及由其構成的交通網絡，包括交通網絡的幾何表達和拓撲關系;線性參考系統是根據交通網絡建立的用于線性定位的參照系統，包括線性參考基準和線性參考方法;空間幾何對象是用來表達除路網外的交通特征的幾何形狀和空間位置。在交通系統中，附屬在交通網絡上的交通設施都屬于交通特征，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行描述則可以方便地記錄屬性發生的靜態、動態變化。而交通事件就是交通特征的屬性、突發事故、偶發現象或物理特性。屬性包括功能分級、限速、路面類型或道路編號等;突發事故、偶發現象包括交通事故和交通工程;物理特征包括護欄、標志、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絡關聯但其本身又不屬于交通網絡的交通特征對象，包括為4個子類，即事故、活動、設施和移動對象。

3)時間對象管理。交通系統是交通特征的聚集，交通特征是一種空間對象，具有空間對象的一般特征。TIM2LRS模型兩層結構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，有一個發生、發展和消亡的過程。如一條公路，當修建完成后，這條公路就產生了，它具有空間位置特性和其他相關屬性。隨著時間的變化，道路現有的狀態可能不適應交通的需求，于是在某一時間段內對道路進行了改造。改造后的道路等級可能發生了變化，由原來二級道路改造為一級道路，道路的車道數、寬度等屬性也發生了改變。道路的空間位置上也可能發生變化，如某一段可能進行了改道。這樣一些變化是在一定時期內發生，變化前的描述數據與變化的描述數據存在一個時間問題。

2.TIM2LRS邏輯模型

根據TIM2LRS的概念模型，TIM2LRS的邏輯數據模型主要包括3部分內容，即參考網絡層、交通事件層和事件對象。

參考網絡采用的是幾何網絡與邏輯拓撲網絡并存的結構，包括兩個一級對象，即幾何網絡對象和邏輯拓撲網絡對象。幾何網絡對象包括邊要素和結點要素;邏輯拓撲網絡對象包括聯線元素和結點元素，結點元素分為簡單結點和復合結點，復合結點構成交叉口要素。TIM2LRS參考網絡的實體邏輯關系如圖2所示。

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

圖2 TIM2LRS參考網絡實體邏輯關系圖

圖3 TIM2LRS模型中的線性參考系統

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象，這些都可以在交通事件層中表達，既可以是物理存在的交通設施對象(如路燈、護欄等)，也可以是短暫的交通現象(如交通事故等)，也包括事件響應單位的移動對象(如車輛、人員等)，此外還包括有計劃的交通相關活動(如路段整修、短時間車道封閉等)。設施、活動、事故和移動對象構成了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系圖

交通系統是一個隨時間不斷變化的復雜系統。交通系統的時態變化是由其組成元素—交通特征的實體變化表現的，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，交通特征的時態特征尤為重要，因此在TIM2LRS模型中參考網絡層和交通事件層的交通特征都與時間對象關聯。在TIM2LRS模型中，各種交通特征時間維的表達用時間對象(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系圖

四、結束語

GIS作為交通信息系統重要技術支撐平臺已經被業界廣泛認可，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，根據交通事件管理的性質和特點，結合當前技術手段和已有的模型方法，從模型使用者的角度歸納總結了交通事件管理對于GIS-T數據模型7個方面的功能需求，為建立GIS-T數據模型提供了充分的參考和依據。根據交通事件管理對于GIS-T數據模型的功能需求，參考已有GIS-T數據模型，提出了面向交通事件管理的GIS-T數據模型——TIM2LRS模型。文中采用面向對象的方式，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系進行了詳細的描述，使得模型具有一定的可操作性和實際應用價值。

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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

國家自然科學基金資助項目(41001022;70971094/G0109);天津師范大學人才引進項目(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的研究。