城市道路交通安全GIS系统的研究

【摘 要】 GIS系统是有效提高城市道路 交通 安全管理的水平,减少事故的发生,使事故对道路通行的 影响 最小化,并有效合理分配交通流的重要手段。笔者在 研究 城市道路交通安全GIS系统的基础上,讨论了数据的来源、专题信息图层的构建;提出了系统开发的主要技术;介绍了道路交通安全信息的采集、查询和更新,交通事故信息的 分析 与预测,交通事故管理等功能;并提出了基于道路交通安全GIS系统事故管理的一些新 方法 。

【关键词】 城市道路交通;安全分析;专题信息;地理信息系统(GIS);事故管理

1 引 言

道路交通不仅是国民 经济 建设和 社会 发展 的重要保障,而且直接关系到每一名交通服务对象的切身利益,所以保证道路交通有序、安全、畅通是交通参与者对交通运输部门提出的根本要求。如何 应用 先进的管理方法和技术,切实提高城市道路交通安全管理的水平,减少事故的发生,使事故对道路通行量的影响最小化,并最有效地合理分配交通流,需要先进的 科学 技术手段的支持。

当前,我国道路交通管理落后,缺乏先进的 现代 化交通控制手段和安全管理、事故检测、处理系统。 目前 大多数城市的道路交通管理仍主要处于由人工管理的阶段,大量的统计数据无法发挥其在分析预测、动态调度、实时控制方面的作用。地理信息系统(GIS)具有将空间数据和属性数据结合起来的特性,利用它可将地形数据、道路数据、交通设施数据、交通事故数据等结合起来,提供直观的查询统计界面,并进行事故分析预测、提供交通控制指令等强大功能。应用GIS综合开发和实现一套道路交通安全系统,为交通指挥部门提供卓有成效的指挥平台是完全可能的。

目前,我国已经在该领域做了一些研究开发工作。但应用的范围有限,主要功能着重于道路信息的查询、空间数据和属性数据的管理以及专题地图和报表的输出。总体来说分析和预测功能不强,还不能切实解决道路交通安全 问题 。其主要原因是道路交通安全涉及的因素众多,主要包括驾驶员的生理和心理状态、车辆的性能、道路状况和设施配置。其中部分属于静态因素,部分属于动态因素,这两种因素之间的相互作用,是道路交通安全管理的特点和难点。而现行道路交通安全管理系统对动态信息的采集、分析和处理能力很差,无法对动态因素进行实时监控和管理;同时,与道路交通安全相关的各功能模块的集成尚不够成熟,没有建立起统一的道路交通安全管理系统。

笔者将着重分析地理信息系统(GIS)在城市道路交通安全管理领域的应用,并介绍基于GIS的城市道路交通安全管理系统的设计思路和主要功能。

2 GIS在道路交通安全管理的应用

近年来,通过 科技 手段降低道路交通事故率的研究有了长足的进展,其中之一就是将GIS系统应用到道路交通安全管理中。GIS系统是由 计算 机硬件、软件、地理信息数据组成,并能够有效地获取、存储、更新、操作、分析及显示所需格式地理信息的综合信息系统。GIS系统除了可以满足数据管理的需要,还可以用于路径的选择、对驾驶者提供信息和事故信息的统计分析等。GIS系统一般由5个子系统构成:

(1)数据获取和处理系统;

(2)数据存储和数据库管理系统(DBMS);

(3)数据转换系统;

(4)数据查询系统;

(5)数据输出系统。

可以看出,数据是直接影响到GIS应用潜力、成本和效率的关键。除静态的图形数据、图形拓扑数据、特性数据和属性数据外,基于GIS的道路交通安全管理系统还可以通过GPS、摄像头和道路监视器获取道路的实时动态信息。例如,在发生交通事故时,GIS可以可视化地描述事故发生的地点,准确地在 电子 地图上定位,并根据拓扑计算得出事故造成的交通影响范围,并自动将碰撞发生的时间、类型(正面或侧面剐蹭等)、严重程度、占用车道的情况自动分类和存储。

3 道路交通安全GIS系统

采用道路交通安全GIS系统可以充分利用GIS数据输入和预处理、数据管理以及可视化表达输出的功能满足对道路交通安全管理信息资料的查询和更新的要求,并得到实时、动态反应城市道路变化的现状资料,实现对各类设施系统、全面和高效的管理;利用GIS空间查询和分析(缓冲区分析、叠置分析、 网络 分析)的功能对道路交通安全问题进行多层次、多角度的分析研究,从而帮助管理部门实现交通事故防治、伤亡控制和事故发生地段的交通疏导;GIS系统结合车载通信设备和道路信息显示屏以及交通信号灯的使用,可以预先提醒进入存在事故隐患地带的车辆驾驶者和行人,通过这些交通参与者的主动行为减少事故发生的可能性。

3·1 系统的结构

城市道路交通安全GIS系统的主要功能分为三大部分:

(1)道路交通安全信息的采集、查询和更新;

(2)交通事故信息的分析与预测;

(3)交通事故的管理。

其具体的结构如图1所示。

3·2 数据的组织

GIS系统中的信息由能够提高道路交通安全性的地理信息组成,数据的精度将直接影响分析和决策的准确性。基础地理信息的来源包括现有地图(地形图/专题地图)、全野外数字测图(GPS/全站仪/电子手簿)、卫星影像、航空照片、调查统计数据、现有的数据文件和数据库等。

除基础地图的地理信息外,城市道路交通安全GIS系统包括专题地图信息。不同类型的数据用于表现交通安全的不同方面,数据的选取满足实用性、有效性、可扩展性的原则。其主要包括以下几方面:

(1)路网信息,包括道路名称、是否为单行道、路段的速度限制、道路的长度、在道路上以限速行驶所需的时间等。

(2)道路信息,包括道路的方向、车道数和宽度、道路占用情况、公交系统的运行时间表等。

(3)交通设施信息,包括交叉口、信号灯和交通标志的位置,公共汽车、电车、地铁车站的位置,显示屏、摄像头等数据采集设施的位置等。

(4)与交通事故相关的信息,包括事故频发地段的位置、地形条件(如可视条件差、无交通标志或道路条件差的路段),容易引发交通事故的位置、交通事故的属性信息(如严重程度、类型等)。

(5)统计信息,包括路段的年通行能力、平均通行速度等。

GIS系统中的信息可以组织到专题图层中。每个图层有一个主题,同时包含空间数据和属性数据,图层中每个特征点都可以通过坐标和属性来确定和描述。根据我国城市道路交通安全管理的特点,GIS系统专题地图可分为如下表所示的几层。

3.3 数据的 分析 和利用

数据的空间分析包括静态和动态的数据分析。静态数据分析指根据在一定时间段内不变的固有数据信息进行的分析,例如 交通 事故的区域分布分析,对某一地区交通事故发生的特征和发生频率进行分析,并通过建立数学模型,对交通事故的相关因素进行分析。

分析的结果可以通过图形或报表的形式输出,提供给交通管理者和交通参与者;动态数据分析也可称为在线分析,它可以提供更方便、更实际的道路交通安全评价,从而对决策者迅速采取适当的紧急援助方案和交通控制措施提供帮助,并且通过车载通信设备和道路上的信息显示屏,对进入危险地段的交通参与者提供警示信息。

3.3.1 统计分析

根据存储在数据库中的交通事故相关信息(包括事故地点、性质和原因等),对事故多发地点进行分析,统计 研究 区域内满足分析条件的事故多发路段、点,或按照指定事故类型统计事故多发路段。可采用范围值专题图、点密度专题图或直方图专题图的形式输出统计结果。例如,按照事故发生的类型可分为人行道与车行道交叉口碰撞、非人行道交叉口碰撞、人与车辆碰撞、车辆正向碰撞、右转碰撞、左转碰撞、同向车辆剐蹭、车辆自身事故(如碰撞护栏等)和车辆追尾等分别统计。

3.3.2 分布分析与类型分析

GIS系统可以对引起交通事故的各因素进行分析评价,分析交通事故与各 影响 因素之间的敏感性和不确定性关系,从而对道路的规划、道路设施的管理等提出建议。

影响因素按照驾驶员年龄、驾龄、生理和心理表现;车辆类型和行驶状况;道路分类、路面、道路线形、地形、道路横断面;天气;交通流等五方面进行分析。可以采用叠置分析的 方法 ,重建拓扑关系,产生新的空间图形。例如,将事故层与交叉口层叠加,经叠加分析后,将交通事故层的属性信息加到交叉口层,然后通过属性查询,可以了解到交叉口附近交通事故的基本类型、何种类型的交叉口容易引起交通事故;如果再与交通设施层叠加,还可以了解交通设施与交叉口事故的统计关系。如图2所示。

根据分析得出的结论,有针对性地提出事故的控制和预防策略,包括相关因素的控制(道路规划、设备完善)、交通参与者的行为规范、事故的警示和防治、紧急救援和伤亡控制。

3.3.3 交通事故的预测

在交通事故数据的基础上,利用相关因素分析、系统聚类分析和层次分析的方法,找到交通事故和影响因素之间的关系,并建立适当的预测模型,针对各种影响因素的变化对事故的发生进行预测。如雨雪天气事故可能发生地段,根据这些预测结果,在这些地段设立危险地段警示或增加交通警力控制,减少事故的发生。

3.4 基于道路交通安全GIS系统的事故管理

事故管理是一个行为链,是从事故发生的发现到管理人员处理事件的整个过程。它包含事故的发现、验证、响应和紧急救援的组织,事故发生地点的处理和相关的交通控制措施。交通事故不仅影响道路交通安全等级,同时还影响道路通行量。

3.4.1 最短路径的 计算

从事故的紧急救援来说,及时到位的救援可以大大减少伤亡率,医疗机构到达事故现场的路线可以通过GIS系统根据最短路径的计算自动生成的救援路线获得。

首先通过GPS的定位确定事故发生点,采用逐步增加的步长的方法建立事故点缓冲区,并采用图形叠加的方法找到能够提供紧急救援的最近医疗机构。

采用狄克斯特累算法(Dijkstra’salgorithm)求解最短路径,在这一过程中,首先节点的选择在一定范围内,以避免对路网所有节点的搜索,减少计算时间,其次将当时道路的通行速度作为路段的权值,该权值随权值关系式变化,还有可能临时出现一些障碍点,所以需要动态的计算最优路线。路径确定后,可以及时通知救援部门,使其尽快到达事故现场。

3.4.2 交通诱导和控制

从对道路通行量来说,通过预先通知驾驶者由于交通事故引起的道路交通容量的限制,可以减少潜在的次生交通事故的发生率,还可以缩短驾驶者在道路上花费的时间,提高道路的服务水平;同时还可以通过限制接近交通事故现场车辆的速度,整体上提高道路交通流量,使事故对交通的影响减到最小。

系统可以根据事故类型、程度生成的点缓冲区、线缓冲区判断事故对道路流量的影响,自动生成交通控制方案,利用道路信息屏、车载通信设备等,及时给驾驶者和行人发布交通信息,实现提示和预警功能;通过各种信号灯等控制设备和交通警务人员的协助,调整交通流的速度、密度,预防和减少事故的发生。

4 结 语

城市道路交通安全系统利用GIS技术,通过对道路交通信息的获取、专题信息图层的建立,实现了数据采集和处理、屏幕直观交互操作、动态数据管理、统计分析、交通事故信息的分布与类型分析、辅助控制决策、交通诱导等各种功能,为道路交通管理人员进行调度指挥提供强有力的手段和技术辅助工具,对保障道路交通安全和实时调度控制具有非常重要的作用。

但在实际推广使用这一系统时还应注意由于道路信息是随时间动态变化的,所以数据的更新非常重要。数据的更新可以通过GIS系统与通信技术的集成实现。GIS系统处理和存储数据的能力取决于硬件条件,而且要实现交通控制功能,与驾驶者之间信息交互还需要相关设备的支持。

总之,交通各相关系统的配合,动态信息采集、传输、处理设施设备的建设,相关信息的共享,有利于更好地发挥该系统的效能,使城市道路交通安全GIS系统在道路安全领域做出更大的贡献。

当前,我国地理信息系统已经进入了快速 发展 的阶段,在很多城市中, 应用 于道路交通安全的GIS系统已经进入实际开发和应用阶段,道路交通管理逐步向 网络 化、智能化、一体化的方向发展,一个全方位发挥作用、准确、高效的道路交通安全管理系统将为我国道路交通管理提供越来越可靠的安全保证,使城市的道路交通更加安全、可靠、舒适和便捷。