面向交通事件管理的GIS-T数据模型

郭 鹏，孙艳玲，马寿峰，崔铁军，陈晓玲

(1.天津师范大学城市与环境科学学院，天津300387;2.天津大学管理学院，天津300072;3.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079)

面向交通事件管理的GIS-T数据模型

郭 鹏1，2，孙艳玲1，马寿峰2，崔铁军1，陈晓玲3

(1.天津师范大学城市与环境科学学院，天津300387;2.天津大学管理学院，天津300072;3.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉430079)

从交通事件管理角度出发，归纳总结交通事件管理对GIS-T数据模型7个方面的功能需求，在此基础上提出面向交通事件管理的GIS-T数据模型，并利用UML对模型进行构建、分析和描述。

交通事件;GIS-T;数据模型

一、引 言

长期以来，世界各国都面临着日益严重的交通拥堵、事故频发、能源短缺以及由于交通堵塞引起的环境恶化等一系列交通相关问题。研究表明，造成道路交通延滞的主要原因之一是偶发性交通拥堵，其主要的诱导因素是交通事故、车辆故障、货物倾落、暂时维护与修理、施工活动、信号和检测器等道路机电系统故障以及其他特殊非正常事件［1］，即交通事件(traffic incident，TI)。在交通事件管理手册中交通事件的定义为任何引起道路通行能力下降或交通需求异常增大的偶发性事件，包括交通车辆碰撞、车辆抛锚、货物散落、公路维修建设工程项目和特殊的非突发紧急事件(如球赛、音乐会及其他显著影响交通通行的活动等)。而交通事件管理(traffic incident management，TIM)则是指综合协调利用人力、制度、机械和技术资源，系统地、有计划地减少交通事件的持续影响时间和影响程度，并提高司乘人员、事件受害者及事件响应者的安全水平［2］。

交通具有明显的地域特征，是GIS的一个重要研究范畴，交通地理信息系统(GIS-T)是GIS技术在交通领域的应用，并已经成为了一个专有名词［3］。GIS-T数据模型是分析和决策模型的前提，而且合理的数据模型对于作出正确的分析、决策和规划等具有重要的意义。国内外相关学者对GIS-T数据模型已经开展了一些研究工作，其中有些模型已经得到行业的认可和应用，比较有代表性的主要有 Dueker-Butler企业级数据模型(GIS-T enterprise)［4］、NCHRP20-27(2)模型［5］、MDLRS模型［6］、UNETRANS模型［7］、动态多维概念模型［8］、城市公共交通时空数据模型［9］、面向导航的动态多尺度路网数据模型［10］等。上述模型在GIS-T数据模型的发展中起到了非常大的推动作用，但仍存在以下几个问题:①大多数通用GIS-T模型都为概念性框架模型，并没有针对实际的交通应用问题，都不是应用级可执行模型，可操作性较弱;② 所有模型基本上都为交通领域专家或交通管理部门设计，专业性强，基本不支持普通用户出行使用;③不能对交通特征进行动态跟踪管理;④不能对交通事件进行动态的可视化表达和管理。因此，在国内外GIS-T数据模型的基础上，基于交通行业通用数据模型，笔者针对交通事件管理对数据模型的功能需求提出了适合交通事件管理的GIS-T数据模型—TIM2LRS (traffic incident management multiuser linear referencing system)模型，以此为交通事件管理工作提供数据模型支持。

二、交通事件管理对GIS-T数据模型的功能需求

根据交通事件管理业务范围，以下从7个方面分析总结交通事件管理对数据模型的功能需求。

1)时空参考基准与时空参考方法。支持交通事件管理的GIS-T数据模型需要具备多种时空参考基准，并能够利用不同的时空参考方法在空间维和时间维中对事件进行准确定位。

2)数据集的相互转换。在交通事件管理中，有时会根据需要将一种时空参考基准和参考方法下的位置信息转换为另一种时空参考基准和参考方法下的位置信息。这就要求数据模型能够支持交通数据在线性参考方法、非线性参考和时间参考方法之间的转换。

3)空间数据多级地图/拓扑表达。交通特征或交通对象在地图上可以抽象为点、线、面，这就要求数据模型能够支持交通事件或交通对象的多级地图/拓扑表达，并在比例尺变化的时候可以相应改变到合适的地图表达形式及相应的拓扑关系表达。同时模型还需要支持不同时空尺度交通事件和对象的显示和分析。

4)时间维拓扑表达。交通事件是发生在某一时间点的活动并可以改变交通对象的状态，因此在交通对象和交通事件之间存在时间上的关系，即时间拓扑，这就要求数据模型能够支持时间拓扑关系。

5)移动对象管理及表达。面向交通事件管理的GIS数据模型需要根据具体交通情况支持接近实时的移动对象(事件响应部门)导航功能及其存储和表达，同时要支持对多源交通数据的获取。

6)历史数据存储和表达。面向交通事件管理的GIS数据模型需要支持历史数据的存储和表达，以实现不同时间的历史交通事件及相关环境的历史状态重建和分析，为最大限度地避免交通事件提供决策依据。

7)元数据。面向交通事件管理的GIS数据模型需要对元数据的支持，以实现各交通机构的数据共享和对多源数据的精度和误差进行控制。

三、TIM2LRS数据模型框架设计

1.TIM2LRS概念模型

本研究基于面向对象的思想，利用 UML对TIM2LRS概念模型进行描述。TIM2LRS模型主要包括两层结构:即参考道路网络层和交通事件层。每层都与时间对象直接关联，构成了交通系统中的交通特征。在参考道路网络层中，除了描述交通道路网络的基本几何形态和相关属性，还包括线性参考基准及线性参考方法的定义;交通事件层是在交通活动中与参考网络关联但其本身又不是交通网络的一些交通对象，包括交通突发事件、交通工程规划事件、交通设施与设备以及移动对象。图1简要描述了TIM2LRS概念模型框架。

1)参考网络层。参考网络层是TIM2LRS模型中最基础的一层，包括交通网络模型、线性参考系统和空间几何对象3个部分。交通道路网络指道路线性要素和连接点以及由其构成的交通网络，包括交通网络的几何表达和拓扑关系;线性参考系统是根据交通网络建立的用于线性定位的参照系统，包括线性参考基准和线性参考方法;空间几何对象是用来表达除路网外的交通特征的几何形状和空间位置。在交通系统中，附属在交通网络上的交通设施都属于交通特征，这些要素有其自身的几何形状、空间位置和属性特征。

图1 TIM2LRS概念模型框架

2)交通事件层。交通特征的一些属性如用事件进行描述则可以方便地记录属性发生的静态、动态变化。而交通事件就是交通特征的属性、突发事故、偶发现象或物理特性。属性包括功能分级、限速、路面类型或道路编号等;突发事故、偶发现象包括交通事故和交通工程;物理特征包括护栏、标志、控制灯及其他有形的特征元素。TIM2LRS模型的交通事件层包含了在交通活动中与参考网络关联但其本身又不属于交通网络的交通特征对象，包括为4个子类，即事故、活动、设施和移动对象。

3)时间对象管理。交通系统是交通特征的聚集，交通特征是一种空间对象，具有空间对象的一般特征。TIM2LRS模型两层结构中的对象都是交通特征，每个交通特征都存在一个生命周期，有一个发生、发展和消亡的过程。如一条公路，当修建完成后，这条公路就产生了，它具有空间位置特性和其他相关属性。随着时间的变化，道路现有的状态可能不适应交通的需求，于是在某一时间段内对道路进行了改造。改造后的道路等级可能发生了变化，由原来二级道路改造为一级道路，道路的车道数、宽度等属性也发生了改变。道路的空间位置上也可能发生变化，如某一段可能进行了改道。这样一些变化是在一定时期内发生，变化前的描述数据与变化的描述数据存在一个时间问题。

2.TIM2LRS逻辑模型

根据TIM2LRS的概念模型，TIM2LRS的逻辑数据模型主要包括3部分内容，即参考网络层、交通事件层和事件对象。

参考网络采用的是几何网络与逻辑拓扑网络并存的结构，包括两个一级对象，即几何网络对象和逻辑拓扑网络对象。几何网络对象包括边要素和结点要素;逻辑拓扑网络对象包括联线元素和结点元素，结点元素分为简单结点和复合结点，复合结点构成交叉口要素。TIM2LRS参考网络的实体逻辑关系如图2所示。

由于GIS-T中的空间特征一般习惯于采用一维的定位方法，即采用线性参考系统(linear referencing system，LRS)，它是由交通网络、线性参考方法和线性基准3部分组成的。通过建立线性参考基准，可以将现实世界中的对象映射到线性网络中，并通过线性参考方法来实现各种事件的管理，TIM2LRS模型中的LRS对象如图3所示。

图2 TIM2LRS参考网络实体逻辑关系图

图3 TIM2LRS模型中的线性参考系统

交通事件管理中包含大量的真实世界对象和有计划或无计划的交通现象，这些都可以在交通事件层中表达，既可以是物理存在的交通设施对象(如路灯、护栏等)，也可以是短暂的交通现象(如交通事故等)，也包括事件响应单位的移动对象(如车辆、人员等)，此外还包括有计划的交通相关活动(如路段整修、短时间车道封闭等)。设施、活动、事故和移动对象构成了TIM2LRS模型交通事件层的4个子类，如图4所示。

图4 TIM2LRS模型中的交通事件关系图

交通系统是一个随时间不断变化的复杂系统。交通系统的时态变化是由其组成元素—交通特征的实体变化表现的，描述交通特征的信息是随时间的变化而变化的。对于交通事件管理而言，交通特征的时态特征尤为重要，因此在TIM2LRS模型中参考网络层和交通事件层的交通特征都与时间对象关联。在TIM2LRS模型中，各种交通特征时间维的表达用时间对象(time object)来描述，图 5为TIM2LRS模型中时间对象UML图。

图5 TIM2LRS模型中的时间对象关系图

四、结束语

GIS作为交通信息系统重要技术支撑平台已经被业界广泛认可，同样它也为交通事件管理提供了便利手段。本文从交通事件管理角度出发，根据交通事件管理的性质和特点，结合当前技术手段和已有的模型方法，从模型使用者的角度归纳总结了交通事件管理对于GIS-T数据模型7个方面的功能需求，为建立GIS-T数据模型提供了充分的参考和依据。根据交通事件管理对于GIS-T数据模型的功能需求，参考已有GIS-T数据模型，提出了面向交通事件管理的GIS-T数据模型——TIM2LRS模型。文中采用面向对象的方式，利用UML建模工具对模型的概念层和逻辑层中各种交通特征及之间的关系进行了详细的描述，使得模型具有一定的可操作性和实际应用价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(41001022;70971094/G0109);天津师范大学人才引进项目(5RL076;5RL077)

郭 鹏(1978—)，男，辽宁本溪人，博士，讲师，主要从事交通地理信息系统的研究。