主動交通安全地圖數據組織的優化研究

劉 春，劉 程，李正寧，吳杭彬

(1.同濟大學 測繪與地理信息學院，上海 200092；2.現代工程測量國家測繪與地理信息局重點實驗室，上海 200092)

1 引言

在移動互聯網時代，隨著計算機技術、地理信息系統(geographic information system，GIS)技術以及智能手機、車載導航等各種智能終端的發展普及，基于移動位置的各項服務越來越深入地進入各個行業和個人生活中。由此，基于位置的移動服務(location-based service，LBS)成為發展熱點。LBS的研究描繪了未來空間信息服務和移動定位服務的藍圖，即當用戶與現實世界的一個模型交互時，在不同時間、不同地點，這個模型會動態地向不同用戶提供不同的信息服務[1]。事實表明，把關鍵的信息適時傳達給交通流和即將參與交通流的人群，對于改善交通大有裨益。在主動交通安全領域，尤其是在人、車、路的協調配合過程中，交通行為的參與者在整個交通行為過程，如路線計劃、車輛導航與監控、緊急救援、信息服務等，都需要 LBS的支持。

隨著城市工業化進程不斷深入，機動車數量快速增長，由此產生的交通事故越來越多，這已然成為人類社會面臨的一大威脅。而在城市道路中，縱橫交錯的交叉口是道路交通的瓶頸。根據調查數據統計，我國發生在交叉口的交通事故約占道路交通事故的1/3，在所有交通事故類型中居首位，如圖1所示。引發各種交通事故的主要原因之一就是駕駛員無法在第一時間獲得前方位置的道路交通及環境信息，從而造成駕駛員不能在事故發生前進行做出諸如減速、改道等交通事故規避行為。

解決上述問題的關鍵在于保證道路特征信息在數據粒度、數據精度及邏輯表達方面的完整性與準確性，即需要詳細的路口、路段渠化的數據同基礎路網結合作為其數據支撐。因此，本文考慮利用移動智能設備可以實時獲取地理位置的特點，從電子地圖數據的組織方法入手，結合主動交通安全的服務需求，提出一種將不同比例尺的城市道路網絡數據集成與組織框架，并通過ArcGIS Server實現這一數據框架和發布優化策略，向Web端和移動終端發布相應的地圖服務，最終應用于主動交通安全數據模型的預警。

2 基于LBS數據空間需求及技術架構

2.1 LBS對空間信息的需求

空間信息是指有關于一個地理區域的諸多信息，例如這個區域的建筑和道路有哪些、區域位置在何處以及這個區域內的服務有哪些等[3]。LBS是在移動計算環境、異構環境下，利用GIS技術、空間定位技術和網絡通信技術，為移動(物理移動和邏輯移動)對象提供基于空間地理位置的信息服務[4]。LBS技術的核心目標就是使用戶可以在任何時間、任何地點獲得基于定位信息的地理信息服務。因此，海量豐富的地理空間信息是LBS的重要組成部分，為LBS的實現提供定位框架基礎和實時動態信息載體，是LBS不可或缺的信息平臺。

LBS應用于主動交通安全領域，一個重要的服務就是為用戶提供導航相關的和感興趣的地理信息，這需要具備相當規模的導航地理數據，包括空間數據和屬性數據。由于LBS終端的存儲能力和處理速度限制以及工作環境的要求，往往只對感興趣數據進行詳細描述，而對其他數據進行省略或作為底圖簡化顯示。因此，在主動交通安全應用中對交通要素有著嚴格的需求，如道路的等級、寬度，是否單行、禁行，高速路口的出入口等信息都需要記錄存儲，而對于管線、航道、水系、居民地等要素則可以簡化或者忽略。

2.2 LBS地圖數據發布技術架構

地圖數據模型的表達是在移動端通過切片技術的靜態地圖服務技術來實現，整體技術路線如圖2所示。核心是提供人機交互的界面，包括地圖的瀏覽顯示和信息查詢。其數據來源主要包括三個方面，一是移動端本地數據文件，包括地圖數據和常用屬性數據等，二是通過無線網絡從服務器端獲取的數據，三是移動端采集到的數據，通常為坐標位置數據。

首先，對原始矢量數據進行數據分析，設計地圖制圖方案，然后進行一系列的數據處理，包括投影坐標系轉換、數據結構格式轉換、空間糾正等。綜合后的數據按照地圖制圖的原則及瀏覽需求進行符號化和優化顯示處理，并進行多級矢量到多級柵格數據的轉換。通過設定的比例尺對其切片處理，可得到多個尺度下的柵格圖像，并將其按照一定的規則存儲于服務器端的數據庫或文件夾中。客戶端只需指定數據源，服務器就能夠根據當前客戶端請求的地理坐標范圍，計算出需要顯示的地圖切片，并對其進行拼接和索引處理，發送到客戶端顯示地圖，從而實現服務器中地圖數據在手機端的顯示表達。

3 基于主動交通安全數據的地圖表達

3.1 城市主動交通安全地圖多尺度表達

主動交通安全數據指的是與交通安全管理、預警模型計算相關的一切靜態及動態數據，是以道路網為基本骨架，并包括空間要素的幾何信息、要素的基本屬性、要素的增強屬性、交通導航信息等的多元數據集合。其中，靜態數據包括地圖底圖數據、渠化路口數據等，動態數據包括交通事件數據、違法違規數據、危險車輛及普通用戶等數據，這些數據是帶有位置信息的多元數據。

傳統的GIS數據模型采用具有拓撲規則的線段來表示道路，這不能很好的描述與車道相關的各種屬性信息。尤其是對于復雜道路，這種單一的道路表達方式不能很好的引導用戶行為。實際上道路是具有一定寬度的面狀實體，是由多個車道組成的復雜對象，它本身具有豐富的交通特征信息[5]。本文道路數據的創新之處在于在導航路網基礎上，在復雜的道路交叉口或無信號指示燈的事故高發路段對道路增加了渠化描述表達。兩種道路的空間信息表達是在統一的坐標基準下，通過設置相應的比例尺和圖層分級來實現。圖層分級參照《國家地理信息公共服務平臺公共地理框架數據電子地圖數據規范》(試行稿)，采用統一的金字塔分層規則，各層的顯示比例(即瓦片的地面分辨率)固定，由此確定金字塔各層瓦片顯示比例尺[6]。而對于其他相關要素內容的選取方法是根據相關規范，首先分類選取(重要地物優先選取)，然后分要素選取，并且隨著比例尺的增大，要素內容應隨之增加，而在較小比例尺層級上需要考慮圖面美觀，不宜放置過多要素[7]。電子地圖要素內容的選擇如表1所示。

3.2 城市交通安全路網數據組織與表達

為了適應城市主動交通安全的應用需求，路網數據模型表達的信息內容不但需要構成道路網本身的各類要素，如行車路線、道路交叉口、立交橋等，還需要以道路網為骨架集成表達與交通行為相關的各類空間要素，如車站、交通信號燈、各類單位及商業服務點等。

圖3 城市主動交通安全道路網絡邏輯關系

城市導航道路網絡數據邏輯關系如圖3，其中，Link是道路網絡實體線信息表達的標識，Node是道路線之間連接的點信息表達標識，Kind等是與其他信息相關聯的字段標識。路段、節點、交通限制節點、匝道連接點和高度層次信息點為城市道路網絡的實體要素，其他信息則是與實體要素密切相關的道路導航限制關系信息。路段描述分為路段和路段類型兩層。節點包括道路網的交叉路口點，道路連接點；交通限制節點記錄了道路中存在線點線、點線、線點關系的交通類型信息；匝道連接點表示連接高速和其他不同等級道路之間的道路信息；高度層次信息點包含線與線之間的位置和相對高度值。交通限制類型與交通限制點、線信息共同描述所有道路的交通限制，通過節點ID與線號碼進行道路關聯。條件限制信息與條件限速信息通過限制號碼關聯，控制路段的速度與行駛規則。危險標牌信息通過進入線號碼與節點ID相互關聯，共同描述交通標志標牌信息。通過以上邏輯關系全面描述了城市復雜的導航道路網絡。

3.3 主動交通安全道路交叉口數據分類與組織

用于主動交通安全預警的道路底圖是指按照各項繪圖標準要求描述包括道路路口以及路段的道路特征平面專題圖，反映一定范圍內有關道路標線、標志、地物等位置圖形和屬性信息，尤其是道路的標志標線信息，包括道路位置、交通島、交通標志、標線等，這些信息構成了交叉路口的詳細渠化圖[8]，如圖4。從其比例尺分類來看，道路底圖屬于城市大比例尺平面圖范疇。道路渠化信息一方面可以減少交通事故與交通堵塞，另一方面也是主動交通安全模型中車輛定位所需的智能道路[2]信息基礎數據。渠化交通的主要作用就是保證行車安全，是導流線、交通島或其他的渠化措施的綜合。對于不同的行駛方向和速度的交通流劃分不同的行駛路徑，使駕駛員很容易看清互相行駛的方向，避免車輛相互侵占車道和干擾行車路線，因而可以減少車輛相互碰撞的機會，提高其安全水平；可以利用交通島的布置，限制車輛行駛方向，使斜交對沖的車流變為直角交叉或銳角交織，限制車道的寬度，控制車速，防止超車；可以在渠化交通島或分隔帶上設置各種交通標志和信號設備，并可作為行人過街時避讓車輛的安全島[9]。渠化表達方式盡可能簡單明了，盡可能適合人們的習慣，減少使用者的認知負擔。

圖4 城市道路交叉口數據組織

4 移動地圖在城市交通主動安全中的應用

4.1 城市交通基礎空間數據

本實例是面向城市主動交通安全在上海市浦東新區的示范應用，具體范圍包括：黃浦江以東、外環線以內，包括外環隧道、翔殷路隧道、大連路隧道、新建路隧道等以及楊浦大橋、盧浦大橋、南浦大橋等重點橋隧路段。因此，圍繞城市主動交通安全對空間信息的需求，這一區域的空間數據主要基礎路網、興趣點、示范路口數據、事故高發道路交叉口數據和其他基本地物要素組成，如表3所示。整個地圖數據不僅包括普通電子地圖提供的用戶出行基本信息，同時對于提供服務的路口路段進行詳細渠化并包含有專業的交通要素，如交通指向牌、紅綠燈[10]和標線等。

表3 城市交通數據要素

4.2 示范區域地圖發布與優化

實例應用是以主動交通安全的城市車輛在線位置服務為需求依托，旨在向在途駕駛人提供前方道路交通環境信息。因此，用戶可以提前預知，從而采取合適的駕駛行為，達到主動預防交通事故的目的。為此，服務器端采用ArcGIS Server來開發交通信息的服務發布，移動端服務調用實現是采用ArcGIS Runtime SDK for iSO開發的客戶機/服務器(C/S)架構。

圖5 上海市電子地圖服務發布服務器部署方式

此系統服務器分三部分：Web服務器、數據庫服務器、地圖服務器。Web服務器使用Nginx，服務器下建立數據庫服務器和地圖服務器，搭建的Ruby on Rails框架進行開發。數據庫采用Oracle，它通過ArcSDE與地圖服務器相關聯，可以將大量數據動態的接入到地圖服務器中。地圖服務器用來制作地圖并完成服務發布的一系列GIS功能。服務器部署關系如圖5所示。這樣的部署方式可以很好的提高地圖發布使用和管理的效率。

此外，在服務器端預先建立緩存也是優化地圖發布的有效方式。對于服務器管理的海量地圖數據，通過客戶端請求，服務器響應，再計算生產用戶需要的數據反饋給客戶端顯示，這一復雜的過程對海量數據處理，必然造成延遲，很難快速滿足用戶的需求。因此，為確保電子地圖在移動端的顯示速度、使用流暢性以及良好的可視效果，需要對電子地圖進行預緩存，即預先建立金字塔瓦片。服務器上存儲的不再是地圖數據，而是制作好的有規則存儲的金字塔瓦片，這樣客戶端在請求地圖服務時，服務器幾乎不用計算可直接將瓦片傳遞給終端，終端也不需要計算直接顯示地圖。相較于動態地圖服務可極大地提高服務器和終端的效率和請求速度。為確保地圖發布線狀要素的平滑性，都要使用抗鋸齒效果。另外，還可以預先配圖，在顯示效果上能夠最大程度的優化。

4.3 交通安全地圖iSO無縫表達實現

地圖在移動端無縫表達的關鍵是通過位置判斷將建立的緩存地圖的不同層級進行無縫切換。其主要實現算法如圖6所示。ArcGIS Server發布10個層級的緩存地圖，前9層為普通導航道路顯示層，第10層在服務區處為含有道路渠化信息的詳細路口。設計以路口為中心，100 m為半徑的區域為服務區域。當用戶進入此區域時，即用戶所持移動終端獲取的位置落在此區域內，地圖的最大顯示層級為第9級；當用戶不在此區域內時，地圖服務最大顯示層級為第8級，其顯示層級的控制是通過獲取終端地圖比例尺實現的。最終iPhone手機顯示的兩種地圖效果如圖7所示。

圖6 基于位置地圖無縫切換實現算法

圖7 iPhone顯示的路網與路口效果

4.4 主動交通安全預警模型實現

本文對主動交通安全的多元數據同地理位置有效集成，使用安全模型進行分析，計算出預警結果并以合理的方式通知用戶。在理論與技術方面，本文從數據處理、數字化成圖、地圖發布到移動端實現提出了一套比較完整的技術方案，且已在iOS手機終端測試實現。在數據可行性方面，為了測試地圖數據的準確性，筆者在路網圖中選取一系列控制點，然后用全球定位系統(global positioning system，GPS)接收機去實地測量，通過計算地圖點位與實際點位的距離約2 m左右。

圖8 成山路-錦繡路事故影響范圍

對于主動交通安全預警模型的實現，模型研究采用上海市城市快速路監控中心收集的交通事件數據作為分析數據源。在監控中心龐大的數據系統中，有相關交通事件的較詳細的記錄，提取預警模型相關有效信息包括天氣、星期、事故類型、拖掛車、車道總數、所在車道、影響車道、事故發生道路等級、事故影響道路等級以及涉及車輛數等離散型數據。將這些信息同基礎路網數據模型對應，對事故處理時間、消散時間及排隊長度進行預測，并將預測結果在地圖上表達。以成山路錦繡路交叉口附近為例，此為上海浦東新區地面主干道，均為雙向六車道。事故條件為晴天，周四，浦東新區成山路錦繡路交叉口中心，錦繡路北向車道處發生兩車碰撞事故，事故發生前道路通行速度約為32-40 km/h。由預警模型得出事故處理時間8.94 min，消散時間2.70 min，排隊長度458.52 m。事故影響范圍如圖8。事故前道路通行速度的降低直接導致了排隊長度的增長。在十字路口發生的事故對四個方向的車道均有影響。由于事故發生在錦繡路北向車道，所以對成山路西向及錦繡路北向下游車道無影響。值得注意的是，在十字路口中間發生的交通事故對兩條右轉車道同樣產生了影響。

圖9 成山路-錦繡路測試軌跡圖

對于渠化的路口使用武漢大學提供的高精度終端測試車輛在相應路口行進軌跡，如圖9所示，測試軌跡以藍色圓點表示，量取其與實際車輛位置的偏差，在路口中心區域內較小，在周圍道路上的偏差最大約0.5 m。可以認為路口數據基本滿足車道級別定位需求，且可以滿足將來在路口交匯處實施的防碰撞預警算法模型。

5 結束語

本文以ESRI公司對iSO移動端提供的開發組件和ArcGIS Server為基礎，通過調用表述性狀態轉移(representational state transfer，REST)服務，實現主動交通安全地圖數據在移動端的無縫表達并應用于交通安全預警測試實現。由于REST結構支持緩存機制，其調用地址(uniform resource locator，URL)的使用，使移動地圖開發更為便捷，在一定程度上提高了開發效率。服務器的分布式部署方案設計，使得大量的數據分類管理，可有效解決大量并發訪問的網絡“擁堵”問題，降低了訪問時間，提升了總體運行效率。地圖在服務器預緩存后，移動端不同比例尺地圖之間切換過程也更平滑。由此，當用戶位置發生變化時，地圖可隨用戶需求改變其豐富程度，使得用戶在視覺上也能有豐富的體驗效果。

本文提供的道路數據優化與發布方法有效借助地理位置這一優勢，為地圖導航的實現提供了新的思路以及可行的技術方案，但對移動地圖后續服務的實現并未深入闡述，這些問題還有待進一步研究實現。

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