城市管理部件和事件關聯模型設計

任遠航 郭 賢 曲騰騰 蔣 捷

(1. 北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院, 北京 100044;2. 北京大學 工學院, 北京 100871)

0 引言

隨著近年城市化進程的加快,各種城市設施大量擴建,城市公共安全事件頻發,城市管理壓力激增,如何實現精細化城市管理成為亟待解決的問題。城市部件與城市事件是城市管理的重要對象。國家標準《數字化城市管理信息系統 第二部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)[1-3]明確了城市部件和事件的定義、分類、代碼。其中,城市部件是指城市公共區域內的各項市政工程設施與市政公用設施。城市事件(urban event,UE)是指人為或自然因素導致城市市容環境和環境秩序受到影響或破壞,需要城市管理專業部門處理并使之恢復正常的現象和行為。在城市運行過程中,城市部件和事件之間彼此關聯,相互影響與制約。城市管理部件(urban managed component,UMC)是城市事件的作用對象,且能夠支持對城市事件的響應行動。城市事件的時空分布特征是指導城市管理部件合理配置的關鍵因素。因此,清晰地描述城市部件、事件及其關聯關系,并以此為基礎實現部件和事件的精準管理和關聯、事件的快速響應,是智慧城市建模的重要內容。

不少研究者從不同角度提出了城市事件與城市部件模型。例如，王艷妮等[4]基于本體的方法對滑坡災害事件進行語義表達,從物質性、空間性、時間性、影響性等角度描述滑坡事件的本體屬性;陳澤強等[5]基于元對象機制(meta object facility,MOF)框架提出了洪澇災害事件信息表達和共享的動態信息模型;王文俊等[6]提出了影響城市事件的應急資源和案例客體的概念。然而,上述諸多針對特定類型的模型未結合已有國家標準給出完整全面的城市事件與部件形式化描述,不足以充分表達事件的多樣性及其與部件之間的關聯關系。

城市部件和事件的信息組織是實現高效索引與時空特征分析的基礎。部分城市采用萬米單元網格管理法,將城市劃分為不同網格,對城市部件和事件的監測與管理,取得了良好實效;戴培培等[7]利用Ripley’s K 函數和Global Moran’s I分析熱點事件的空間布局;但基于行政區劃的不規則網格的編碼體系不唯一,不利于城市群區域信息統一組織和快速查詢。且現有的分析多集中在事件空間聚類特征挖掘,對事件與部件的聯系關注不足。

本文針對上述需求及問題,提出了城市部件與事件關聯模型,能夠全面描述部件和事件要素的屬性及其關系,在此基礎上設計了可支持跨城市的部件與事件快速索引、定量關聯計算的編碼,并利用真實數據對所提出的模型與編碼進行了驗證。本研究成果可為城市部件的精細化管理及城市事件的快速精準響應提供支持。

1 城市部件和事件關聯模型設計

1.1 總模型

城市部件與城市事件可視為時空對象,在數字體系中表達為要素,其總模型如圖1所示。

其中,每個事件要素屬于且僅屬于一個事件要素類。每個部件要素屬于且僅屬于一個部件要素類。事件和部件要素的性質以屬性來表達。一個要素可以有一個或者多個屬性。屬性按類型來分類,每個屬性類型對應要素在現實世界中的一項性質。屬性實例的值被稱為屬性值,每個屬性類型可有一個或多個屬性值。要素之間存在關系,一個要素可以涉及多個關系,兩個不同關系可以聯系同一個要素。關系可有零個或多個屬性。

圖1 總體模型圖

1.2 城市事件要素模型

城市事件要素模型如圖2。一個城市事件UE由一個唯一編碼標識,由屬性描述,可定義為

ES={EID,AT,AS,AE,AP,AO}

(1)

式中,ES為城市事件；EID表示事件的標識代碼;AT表示事件是時間屬性,由發生時間、結束時間等子屬性構成;AS表示事件的空間屬性,由位置、影響范圍等子屬性構成;AE表示事件在環境方面表現出的性質;AP表示施動者、受動者等事件的相關人員;AO是其他可擴展的屬性。

每個事件屬于一個事件要素類,包括市容環境類、宣傳廣告類、施工管理類、街面秩序類、突發事件類和其他事件六大類,具體又可細分為83個小類[3]。

1.3 城市部件要素模型

城市部件要素模型如圖2所示。一個城市部件UC由一個唯一編碼標識,式(2)表示為CS，由屬性描述,可定義為

圖2 城市部件要素模型

(2)

每個部件屬于一個部件要素類,包括公用設施、交通設施、市容環境設施、園林綠化設施和其他部件五大類,具體又可細分為121個小類[3]。

1.4 城市事件與部件關系模型

由于城市部件和事件要素均是具有時間、空間、語義屬性的空間對象,這決定了部件和

事件要素在時間、空間、語義上存在著密不可分的關聯。圖3詳細介紹了部件和事件的關聯關系類型。

圖3 城市部件和事件的關系模型

城市部件和事件要素的關聯關系包括空間關系、時間關系、語義關系。空間關系包括拓撲關系、方位關系、度量關系。拓撲關系包括鄰接、包含、相等、相離、相交關系;時間關系用于描述部件類事件要素發生的時間點和它們之間的相對時間關系,對絕對時間的時序分析可幫助挖掘部件類事件的演變規律;語義關系用于描述要素屬性特征之間的關系、誘發關系以及在自主認知或群體決策學習中形成的關系。由于城市部件和事件要素可視為時空對象,本文參考多粒度時空實體對象的關聯關系分類,將語義關系分為屬性、因果和認知關系三種類型。屬性關系包括相關關系、映射關系、函數關系和轉換關系。

2 城市部件與事件編碼設計

在前述模型中,部件與事件均以唯一編碼標識。標識編碼是對標識對象進行有效的組織管理、查詢檢索、關聯分析的基礎和關鍵。本文基于地球空間網格(GeoSOT)設計了一種城市部件和事件編碼方案,并基于該編碼設計與數據組織與索引方法。

2.1 基于GeoSOT的城市部件和事件編碼方案

當前空間要素的標識編碼主要包括基于經緯度坐標標識、基于空間范圍與行業分類代碼結合的標識、基于地理實體編碼標識等方法。其中,經緯度坐標法難以表達要素的空間范圍與幾何形狀,且查詢效率低[8]?！稊底只鞘泄芾硇畔⑾到y 第2部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)[3]定義的標識碼以行政區劃代碼和分類代碼兩部分構成,但行政區劃空間范圍不規則不適用于空間數據組織?！兜乩韺嶓w空間數據模型》(GB/T 37118—2018)[9]規定了地理實體編碼規則,但在實踐中各城市編碼方法不同,難以支持跨城市的一體化管理。

GeoSOT全稱為“2n及整型一維數組的全球經緯度剖分格網”,具有全球多尺度劃分、一維整形編碼等特性,在大場景多源信息組織與快速索引計算方面已經獲得成功應用。GeoSOT-3D橢球剖分方案是GeoSOT框架在三維空間上的拓展。本文基于三維GeoSOT-3D設計了城市部件與事件唯一標識碼,由位置碼、分類碼、時間碼3部分組成,如圖4所示。

圖4 基于GeoSOT的城市部件和事件編碼結構

其中,位置碼用來標識部件和事件要素的空間區位信息,是其位置中心點所在的GeoSOT-3D體元編碼?？紤]到部件與事件管理尺度,采用第26級網格,對應約1 m的網格尺寸,編碼長24位(十六進制)。分類碼采用《數字化城市管理信息系統第二部分：管理部件和事件》(GB/T 30428.2—2013)的規定,長2位。時間碼以時間戳作為編碼值,將yyyy/MM/dd HH:mm:ss格式的日期數據轉換為長10位的時間戳二進制編碼。以城市部件為例,北京市東城區察慈社區坐標為(116.43°E,39.94°N)的監控電子眼部件轉換為編碼：00b21a49b0404904c92c0104 0150 1486310400,位置碼“00b21a49b0404904c92c0104”為監控電子眼的GeoSOT第26級三維網格編碼,分類碼“0105”表示該部件為公共設施類監控電子眼部件,時間碼“1486310400”表示監控電子眼的生產日期。同樣地,標識編碼為“00b21a49a2582cb6d0080000 0409 1504851300”的城市事件,代表坐標為(116.39°E,39.95°N)的街面秩序類機動車亂停放城市事件,上報時間為2017-09-08 T14:15:00。

相比現有的基于地理編碼和單元網格的編碼方式,本文提出的編碼方案以GeoSOT-3D剖分網格體作為存儲空間對象信息的“容器”,從而將不規則部件與事件的對象管理轉為規則空間網格的管理,以提高管理效率。

2.2 基于標識編碼的數據組織與索引

為實現城市部件和事件數據的一體化組織,基于上述模型與編碼,設計了基于全球剖分網格的索引方法。通過建立索引關聯表建立部件和事件的關系。以剖分體元編碼V_Code為關聯主鍵,建立與部件要素標識碼C_Code、事件要素標識碼E_Code、部件要素屬性集C_Attr、事件要素屬性集E_Attr的對應關系。一個剖分體元編碼可映射多個部件或事件要素,多個部件或事件屬性。

3 實驗結果與分析

實驗數據來自北京市東城區2017年7月至2018年1月的城市管理數據,本文選取其中5類事件(機動車和非機動車亂停放、黑車拉客、流浪乞討、宣傳廣告)共60 753條、電子監控類部件共6 636條為主要實驗對象,對電子監控部件及周圍的五類事件進行緩沖區分析、空間拓撲關系計算。

以查慈社區附近的一個監控為中心點,建立半徑為100 m的緩沖區,計算得出緩沖區域的26級網格編碼數組,再分別與事件的位置碼逐一對比,得到監控緩沖區內宣傳廣告和機動車亂停放事件。然后隨機選取緩沖區內機動車亂停放事件、宣傳廣告事件和電子監控部件,計算方位關系和度量關系。

利用隨機生成的100～1 000萬條模擬數據,比對了網格算法與經緯度算法的計算效率。經緯度坐標適用于單點精準查詢和存儲,但不利于表達多邊形空間區域,一般采用一系列特征點坐標串標識多邊形的空間范圍與形狀信息,數據存儲空間大且降低查詢效率。而基于GeoSOT的標識編碼具有編制規則簡單、位數固定、降維計算的優點,數據量越大查詢效果越明顯。結果如圖5所示,隨著數據量的增加GeoSOT標識碼的檢索優勢愈加明顯。

圖5 GeoSOT標識碼與經緯度檢索時間效率對比圖

4 結束語

本文定義了城市事件與部件要素的關聯模型,設計了基于全球剖分網絡的標識編碼和索引機制。實驗證明,本文方法在顯式描述城市管理部件和事件的關聯關系、實現大范圍事件與部分關聯查詢與定量分析方面具有明顯優勢,并可實現基于網格的多源多尺度人、地、事、物等時空信息的集成,為城市精細化管理提供支持。由于城市部件具有幾何形狀特征,因此在三維空間的表達上受到一定限制。今后將研究基于GeoSOT-3D編碼對三維中的城市部件和事件進行表達和關聯,并結合更多數據開展多尺度跨城市、多類型信息的集成管理與實驗。