基于多粒度時空對象數據模型的高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)建模

鐘 怡 然，胡 迪,2,3*，俞 肇 元,2,3，溫 亞 娟，常 高 楓

(1.南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023；2.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023)

0 引言

GIS通過空間數據模型對現實世界進行抽象，使計算機能對地理信息進行存儲、管理、表達和分析[1-3]。空間數據模型經歷了CAD數據模型、地理關系模型[4]和面向對象的數據模型等[5，6]發(fā)展階段，這些模型主要關注地理信息的空間和屬性維度，對時間維度的表達有限[7，8]。學者們繼而提出了基態(tài)修正模型[9]、基于事件[10]和面向對象[11-13]等的時空數據模型，在一定程度上支持對象時間、空間和屬性特征的表達，但在對象認知和行為能力的表達上仍存在局限。由此學者們提出了多粒度時空對象概念，并針對其時空參考[14]、時空位置[15]、空間形態(tài)、組成結構、屬性特征、關聯(lián)關系[16]、認知能力和行為能力[17，18]等特征進行了深入研究，分析了建模的基本過程和方法[19,20]，設計實現了多粒度時空對象入庫方法[21]，并進行了模型應用[22]。大數據、人工智能等信息技術的發(fā)展極大拓展了地理信息的數據來源、屬性維度和應用范疇[23]，使之能突破傳統(tǒng)空間數據模型基于地圖的間接建模方法的局限，實現動態(tài)智能的地理實體及實體間復雜關系的建模和表達，隨之多粒度時空對象數據模型在模擬實體動態(tài)認知、行為和智能設施管理、智能決策支持等方面的優(yōu)勢逐漸顯現。例如，張毅等基于多粒度時空對象數據模型實現了傳感設備的對象化，并設計傳感設備實時數據的管理架構，為智慧城市管理提供了技術支撐[24]；曹一冰等設計多粒度時空對象的可視化工具，便于對對象進行檢查與交互探索[25]；張孝勇設計多粒度時空對象協(xié)同分析平臺，為不同的協(xié)同分析場景提供服務，并開發(fā)了應急聯(lián)合救援協(xié)調分析系統(tǒng)以驗證平臺的可行性[26]。

近年來，建設智慧公路成為交通運輸行業(yè)智能化發(fā)展的重要趨勢[27]，高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)是實現智慧高速公路的重要手段，該系統(tǒng)中的實體多擁有認知和行為能力，且具有多維動態(tài)變化的特點。多粒度時空對象數據模型是全空間信息系統(tǒng)的基礎數據模型[20]，能描述現實世界各類具有認知和行為能力的有形或無形的實體，在城市基礎智能設施管理方面具有天然優(yōu)勢。因此，本文采用多粒度時空對象數據模型對高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)進行建模，并通過原型系統(tǒng)對數據模型進行驗證，以期對高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中的實體及其間復雜關系進行有效組織和管理，對道路交通狀況進行智能分析和輔助決策，以較好地支撐高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)的構建與應用。

1 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)實體及其特征

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)利用道路監(jiān)控設備，對路面交通、天氣及設備工作狀態(tài)等信息進行實時檢測，并通過監(jiān)控信息系統(tǒng)送至監(jiān)控中心，通知高速公路管理和維護人員對路況進行核驗處理。該系統(tǒng)涉及的實體包括：1)高速公路，可分為上行路段和下行路段，路段由多個車道組成；2)監(jiān)控設備，指位于道路沿線的監(jiān)控攝像機，監(jiān)控的對象主要有道路、人、車輛、霧和拋灑物等，車輛、霧和拋灑物是監(jiān)控設備記錄影響車輛行駛的典型實體；3)監(jiān)控信息系統(tǒng)，指能獲取攝像機實時監(jiān)控數據，并通過人工智能算法識別當前路情(如發(fā)生霧情、交通事故、出現拋灑物等)的軟件系統(tǒng)；4)管理人員,其通過監(jiān)控信息系統(tǒng)查看攝像機的實時視頻，對系統(tǒng)識別的路情信息進行核驗，避免系統(tǒng)誤判，如果路情達到一定級別(如某路段出現大霧)，管理人員會發(fā)布路情警告信息；5)維護人員,是指對監(jiān)控設備進行檢查維修的人員，監(jiān)控信息系統(tǒng)檢測監(jiān)控設備狀態(tài)異常后，將異常信息發(fā)送給管理人員，再由管理人員分配維護人員對設備進行維修。系統(tǒng)中各實體及其關系如圖1所示。

圖1 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中的實體及其關系Fig.1 Entities and their relationships in intelligent expressway monitoring system

高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)的實體具有動態(tài)、智能特征(表1)。動態(tài)特征指實體在動態(tài)演變過程中，其空間位置、屬性特征和關聯(lián)關系等會實時發(fā)生變化。例如，監(jiān)控攝像機和信息系統(tǒng)的狀態(tài)屬性會發(fā)生變化，車輛、霧和拋灑物在行駛或形態(tài)變化過程中，地理位置和屬性特征會發(fā)生變化。智能特征指系統(tǒng)中的部分實體具有自主認知和行為能力。例如，信息系統(tǒng)通過人工智能算法識別路情和設備狀態(tài)，且具有向管理和維護人員傳送信息的行為能力，而管理和維護人員具有接收、識別信息的認知能力，以及處理信息、維護監(jiān)控設備的行為能力。

表1 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中實體的動態(tài)、智能特征Table 1 Dynamic and intelligent characteristics of entities in intelligent expressway monitoring system

2 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)概念建模

本文基于多粒度時空對象數據模型理論，通過描述時空參照、時空位置、空間形態(tài)、屬性特征、組成結構、關聯(lián)關系、行為能力和認知能力八方面的特征(表2)，將高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中的實體抽象為多粒度時空對象，描述多粒度時空對象的特征與對象間的關系及其動態(tài)演化過程，從而構建數據模型。

表2 多粒度時空對象的特征及說明Table 2 Characteristics and description of multi-granularity spatio-temporal objects

(1)多粒度時空對象確定。智能監(jiān)控系統(tǒng)涉及的多粒度時空對象有：1)路段，在不同研究尺度下，路段的屬性特征不同，在較小粒度下，路段可分解為上行路段和下行路段對象；2)監(jiān)控攝像機，作為智能設備，其具有拍攝照片的行為能力；3)監(jiān)控信息系統(tǒng)、監(jiān)控管理人員和攝像機維護人員，是動態(tài)、智能的對象，具有認知能力和行為能力；4)車輛、霧和拋灑物，作為監(jiān)控對象，三者具有動態(tài)特征，其中拋灑物和霧是具有生命周期的對象。

(2)多粒度時空對象特征建模。多粒度時空對象一般具有八方面特征，但并非每個對象都完全具有這些特征，本文對系統(tǒng)中的對象進行分析，總結出各對象對應的特征情況(表3)。1)路段對象的組成結構特征中，父對象是該路段所在的高速公路，子對象則包括該路段的上行、下行方向的路段等。其空間形態(tài)特征中，幾何特征取決于應用尺度，當以整個高速公路為應用尺度時，將路段抽象為線段；當以路段為應用尺度時，將路段道路面抽象為矩形，并將其子對象道路邊線、道路中心線和上行、下行方向路段中心線等抽象為線段。2)攝像機對象屬性特征中的附屬屬性描述了攝像機的運行狀態(tài)，其行為能力是指實時拍攝記錄路情的能力。3)監(jiān)控信息系統(tǒng)是無實際形態(tài)的多粒度時空對象，其空間位置是指該系統(tǒng)機器所在位置，認知能力是指信息系統(tǒng)能根據監(jiān)控設備畫面視頻識別出當前路情以及判斷設備的運行狀態(tài)，行為能力則是指信息系統(tǒng)將識別的信息發(fā)送給監(jiān)控管理人員的能力。4)車輛對象的行為能力指車輛的行駛行為。5)霧和拋灑物的時空位置、形態(tài)和屬性都有可能發(fā)生變化，拋灑物的行為能力屬于被動行為。6)對于監(jiān)控管理人員和攝像機維護人員，本文主要關注其與監(jiān)控攝像機和信息系統(tǒng)的關聯(lián)關系，監(jiān)控管理人員的認知和行為能力是指能對信息系統(tǒng)識別的信息進行核驗，將路情警告信息發(fā)布在龍門架上以及將設備故障信息發(fā)送給攝像機維護人員；攝像機維護人員的認知和行為能力則是指接收信息系統(tǒng)發(fā)送的設備故障信息并維修監(jiān)控攝像機。

表3 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中的多粒度時空對象及其對應特征Table 3 Multi-granularity spatio-temporal objects in intelligent expressway monitoring system and their corresponding characteristics

(3)多粒度時空對象關系建模。高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中多粒度時空對象間的關系較復雜，需按照多粒度時空對象關聯(lián)關系特征的表達和分類對上述對象間的關系進行分析并建模(表4)。在高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中，路段是其他多粒度時空對象動態(tài)變化的空間基礎，在空間上包含監(jiān)控攝像機、霧、拋灑物和車輛對象，監(jiān)控攝像機與其所記錄的監(jiān)控對象在空間上具有方位關系。時間關系中，監(jiān)控攝像機記錄了霧、拋灑物的生命周期以及車輛的行駛過程。屬性關系中，映射關系表示從單個或多個對象映射至新的對象。例如，一條路段上有多個監(jiān)控攝像機，一名攝像機維護人員同時負責多個監(jiān)控攝像機的維修工作，監(jiān)控信息系統(tǒng)由多個監(jiān)控管理人員進行管理。相關關系則表征多個不同的對象屬性之間可能存在的非確定性關系，如路段與車輛、霧、拋灑物的相關關系。因果關系是不可逆的單向映射，如監(jiān)控攝像機與維護人員之間的因果關系(攝像機發(fā)生了損壞，才需要維護人員進行維修)。認知關系方面，如監(jiān)控信息系統(tǒng)可識別監(jiān)控設備與路情狀態(tài)，監(jiān)控管理人員可識別信息系統(tǒng)發(fā)送的信息，攝像機維護人員能接收監(jiān)控管理人員發(fā)送的監(jiān)控設備故障信息等。

表4 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中多粒度時空對象關系Table 4 Relationships of multi-granularity spatio-temporal objects in intelligent expressway monitoring system

3 高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)數據模型的實現

3.1 數據存儲實現

在概念模型設計的基礎上，本文采用可擴展標記語言，實現多粒度時空對象的構建與存儲。多粒度時空對象XML文件的構建核心是存儲各對象的特征：將每個對象編碼為一個XML元素，該對象的特征及特征子類存儲在對應的元素中。1)時間參照特征中存儲時間系統(tǒng)和空間坐標系；2)時空位置特征中存儲對象的位置變化標記、當前時間點和坐標位置，位置變化標記表示該對象的位置相對于上一時刻是否發(fā)生變化，用“1”表示發(fā)生變化,“0”表示未發(fā)生變化；3)空間形態(tài)特征中的形態(tài)變化標記表示對象的形態(tài)相對于上一時刻是否發(fā)生變化，表示方法與位置變化標記的表示相同，幾何形狀的表示則需要注明對應的粒度；4)組成結構特征記錄對象的父對象和子對象；5)在存儲對象的關聯(lián)關系時，需要注明關系類型和關系對象；6)交通實體的屬性具有實時變化的特點，屬性特征需要注明屬性的時間點；7)在存儲認知能力和行為能力特征時，也需要注明認知或行為的類型和特征描述。多粒度時空對象XML片段示例如圖2所示，圖2a展示了多粒度時空對象XML文件的模板結構，圖2b展示了攝像機對象時空參照、時空位置、屬性特征、行為能力和關聯(lián)關系5個特征的存儲示例，圖2c展示了路段對象空間形態(tài)特征、組成結構特征以及監(jiān)控信息系統(tǒng)的認知能力特征存儲示例。

圖2 多粒度時空對象XML文件的存儲格式及示例片斷Fig.2 XML storage format and XML segments of multi-granularity spatio-temporal objects

3.2 實驗驗證

基于多粒度時空對象數據模型的高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅能展示高速公路全局的路情，而且可以表達和存儲各個實體的實時狀態(tài)及變化情況。為驗證高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)數據模型的有效性，本文以南京某高速公路為例，根據實際情況模擬該高速公路某月的道路數據、監(jiān)控攝像機設備變化數據以及該月路情事件數據，并開發(fā)了原型系統(tǒng)(圖3)。該系統(tǒng)以地圖、監(jiān)控視頻、文字圖片等形式展示了各類多粒度時空對象及其屬性和關系，支持在地圖上展示不同粒度對象的空間形態(tài)并實現對象間關系的分析，采用時間軸的方式展示霧等對象從出現到消失的動態(tài)演變過程，體現了高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)全類型、全特征、多粒度和多維動態(tài)的特點。圖3a從是否動態(tài)、智能或具有實體幾個方面對對象進行分類；圖3b以樹狀菜單的形式展示了對象的組成結構，以文字形式描述了對象實例的空間位置、屬性特征和關聯(lián)關系；圖3c在公路尺度和路段尺度下展示了對象的幾何形態(tài)；圖3d以霧對象為例，展示了霧的濃度、等級和位置的時空動態(tài)變化過程，支持查看霧的實時信息及實時監(jiān)控畫面。

圖3 原型系統(tǒng)應用示例Fig.3 Application cases of prototype system

4 結論

多粒度時空對象數據模型可描述智慧高速公路系統(tǒng)中的實體，能更好地描述實體智能認知和行為能力及實體間復雜動態(tài)的關聯(lián)關系，基于此，本文將高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中的實體抽象為多粒度時空對象，然后描述對象時空參照、時空位置、空間形態(tài)、屬性特征、組成結構、關聯(lián)關系、行為能力和認知能力八方面特征，并設計高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)概念數據模型，最后基于XML語言實現多粒度時空對象數據的存儲，開發(fā)了原型系統(tǒng)對高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)模型進行驗證。結果表明，多粒度時空對象數據模型能直接模擬實體的動態(tài)演化過程，清晰地反映對象的時空位置和組成結構，實現不同粒度下對象特征及對象間關系的組織管理、時空查詢和智能分析，可較好地支撐高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

本文主要從方法層面探討多粒度時空數據模型在高速公路智能監(jiān)控系統(tǒng)中應用的可行性和優(yōu)勢，在以下方面仍需進一步研究：1)數據獲取方面，多粒度時空對象的數據不僅包括時空屬性信息，還包括圖片等多源數據，需設計高效、準確的數據獲取方法以獲取完整的數據；2)數據存儲方面，本文采用的XML數據存儲方法可能存在數據冗余問題，需在多粒度時空對象存儲與管理技術方面開展深入研究。