基于和的交通紧急救援方案设计.doc

小论文题 目 基于GPS和GIS的交通紧急救援方案设计副标题 院（系、部） 二 院 专 业 测绘工程 年 级 2014 级 姓 名 温 波 时 间 2015.6.9 辽宁工程技术大学毕业设计（论文）基于GPS和GIS的交通紧急救援方案设计温波1 摘要：在所设计的基于GPS和GIS的交通紧急救援方案中，通过模拟沈阳市局部道路地形图的救援流程，利用GPS定位功能将事故地点、救援车和医院进行定位，再用电子地图查询出上述地物的定位，并结合ArcGIS软件的网路分析功能，实现紧急救援的最优路径，进而使救援车辆尽快赶到事故现场，以减少人员伤亡和财产损失，最终验证了方案设计的可行性及实用性。关键词：紧急救援；GPS；GIS；最优路径选择；电子地图GPS and GIS-based transportation emergency rescue program designWenBo 1 Abstract：In the emergency rescue program design based on GPS and GIS, we simulate the traffic emergency rescue in part of topographic map of Shenyang City with the positioning function of GPS, locationing the position of accident site, rescue vehicles and hospitals. Then, finding out their positions by using the electronic maps and using the function of network analysist of ArcGIS software to realize the optimal route selection of emergency rescue, thus, the rescue vechicles reach the site of accident, so as to save peoples lives and property.Finally, the feasibility and adaptability of the rescue program design was verified.Key words: emergency rescue; GPS; GIS; optimal route selection;electronic maps 1 概述近年来，我国公路建设规模飞速发展，为我国的社会经济发展作出了突出的贡献，但交通拥堵事件与交通事故仍时有发生。交通事故一旦发生，拯救生命和救护伤员的关键是要及时准确地将救护人员召集到事故现场并将伤者及时送至医疗中心。而以往的救援方案有基于GPS的车辆导航系统、基于GIS_T的高速公路紧急救援系统、基于MATLAB的应急救援最优路径选择等。本文中设计了一种基于GPS和GIS的交通紧急救援方案救援体系，在模拟沈阳市局部道路地形图的救援流程中，利用GPS的定位技术、电子地图的查询功能和ArcGIS的网络分析功能，实现救援的最优路径选择，使救援车尽快赶到事故现场进行急救，从而完成救援任务，最终验证方案设计的可行性和实用性。 2 GPS和GIS理论2.1 GPS定位原理 GPS卫星是利用测距交会的原理确定点位的。GPS卫星发射测距信号和导航电文,导航电文中含有卫星的位置信息。用户使用 GPS 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的 GPS 卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）P至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站P的位置。如图2-1所示。 设在t时刻，在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗 GPS卫星S1,S2,S3的距离，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标分别为(Xi,Yi,Zi)，i=1，2，3。用距离交会的方法求解P点的三维坐标(X，Y，Z)。图2-1 GPS卫星定位原理Figure 2-1 GPS satellite positioning principle2.2 GIS在车载导航系统中的作用 随着世界各地的ITS发展蓬勃兴起，GIS技术也越来越成为ITS当中的一项重要技术。GIS在ITS中主要用于车辆导航和定位。它综合了数据库、计算机图形学、地理学、几何学等技术，以地理空间数据为基础，采用地理模型和分析方法，实时提供多种空间和动态的地理信息，从而为存放和管理定位和导航信息提供服务。因此，在车辆定位和导航中，GIS充当着信息系统的角色。它集城市地理信息系统和被管理目标主体于一体，能借助数字电子地图，迅速准确地为车辆驾驶员提供各种信息的查询，灵活方便的为车辆在道路网中选择最佳行驶路线，实时为驾驶员提供导航信息，从而有效的实现车辆的定位导航。3 交通紧急救援的相关技术3.1 车载导航系统概述图3-1 GPS车载导航系统Figure 3-1 GPS car navigation system主要由主机、显示屏、操作键盘(遥控器)和天线组成。它实现了野外踏勘、出游旅行的数字化智能导航。它具有准确的地图、地理信息，清晰的行进路线。全球全天候适时性的应用，永无盲区，免费的卫星资源更使用户随心所欲，畅心使用。多种的数据信息，位置坐标，航行路程、航行时间、方位、偏航方位角、偏航距离、预设报警等。3.2 车载导航系统组成及功能图3-2 车辆定位导航功能模块图Figure 3-2 Functional block diagram of the vehicle positioning and navigation一个完整的车载定位导航系统包含了导航电子地图、地图数据的索引及组织、定位模块、地图匹配模块、路径规划模块、路径诱导模块，无线通信模块、人机交互接口和地图实时显示模块等九大模块。其结构图如图3-2。GPS卫星导航定位、电子地图浏览查询、智能的路线规划、全程的语音提示。其中，电子地图的数据量与详细程度最为重要，除了丰富的城市地图外，全国的公路网图也是不可或缺的，否则导航仪可就出城不认路了。3.3 电子地图简介 电子地图即数字地图，是利用计算机技术，以数字方式存储和查阅的地图。 电子地图储存资讯的方法，一般使用向量式图像储存，地图比例可放大、缩小或旋转而不影响显示效果，早期使用位图式储存，地图比例不能放大或缩小，现代电子地图软件一般利用地理信息系统来储存和传送地图数据，也有其他的信息系统。 3.4 ArcGIS软件 图3-3 ArcGIS系列软件关系图Figure 3-3 the ArcGIS family of software diagrams 地理数据模型是对真实世界的抽象，它是由一系列支持地图显示、查询、编辑和分析的数据对象组成的，所有的空间分析，包括本文研究的交通最优路径选择都是建立在地理数据的基础之上的。 为满足现实中网络分析的要求，ArcGIS提供了专门的网络分析功能。ArcGIS支持以下两种网络模型: 几何网络 (Geometric Networks):用于定向网络分析。如效用网络(水流、电流等)，会根据网络本身的规则在网络中流动。可以在ArcMap中使用utility NetworkAnalyst工具条对此类网络进行分析和操作。 网络数据集(Network Datasets):用于非定向网络分析。如交通网络是没有方向的网络，这意味着虽然可以给网络边线指定方向，但流通介质(行人或传输的资源)可以自行决定方向、速度、和目的地。例如，行人在街道上开车行使，它可以选择转弯的方向，何时停车，以及行驶的方向。当然，也会有一定的限制。例如，单行线、不允许调头等等，这和效用网络是完全不同的。对于此类网络使用 ArcGIS Network Analyst扩展模块进行分析。4 实例分析基于GPS和GIS的交通紧急救援方案设计4.1 概述 由于受电子地图信息的保密和工作量等因素的限制，本文在实例分析部分采用沈阳市局部街道地形图结合GPS和Arcgis软件,进行模拟城市交通紧急救援。通过模拟救援的实验论证分析，最终验证基于GPS和GIS的交通紧急救援方案设计的可行性及实用性。4.2 前期准备工作 在模拟沈阳市局部街道地形图的交通紧急救援之前，首先通过灵图UU电子地图软件如图4-1,从网络上下载了一幅沈阳市的局部街道地形图如图4-2，然后，在所下载的电子地图 图4-1 灵图UU电子地图软件Figure 4-1 Lingtu UU electronic map software图4-2 沈阳市局部街道地形图数字化图Figure 4-2 Digital map of the partial street topographic maps of Shenyang City上事先假定事故地点、救援车辆、医院的位置，然后影像配准、数字化，如图4-2。4.3 交通紧急救援系统业务流程分析在本文中，交通紧急救援系统的组成包括：救援中心（控制中心）、救援车辆、GIS提供的网络地图数据库、GPS的导航定位和救援方案的制定等。而交通紧急救援的流程大致如下： 1）事故地点定位。2) 急救车辆的实时定位。3) 医院地点定位。4) 最佳行车路径决策。5) 实施紧急救援。其救援过程如图4-3： 图4-3 交通紧急救援流程图Figure 4-3 the chart of traffic emergency rescue process 可以通过电子地图的查询功能，将事故地点、救援车和医院查找出来并显示，如图4-4：图4-4 救援车辆、医院的定位Figure 4-4 the location of rescue vehicles, hospitals4.4 最佳行车路径决策 本文中所采用的最优路径选择算法是基于ArcGIS中的网络分析功能，其中，网络分析扩展模块（Network Analyst）是实现最优路径的关键。而最优路径的选择可以以路程或者时间最短为依据。在形成最优路径前，首先要在ArcCatalog中建立数据库（Geodatabase）并建立网络数据集（Network Dataset），接着建立要素集（Feature Dataset）和要素类（Feature Class），如图4-5：图4-5 要素集和要素类的建立Figure 4-5 the foundation of feature dataset feature class 然后在ArcMap中把事先在电子地图中的事故地点、救援车辆、医院的定位信息进行模拟显示，如图4-6：图4-6 事故地点、救援车辆、医院的定位Figure 4-6 the Location of the accident ,rescue vehicles and hospitals. 以事故地点A为起始点，以4辆救援车辆为终点，建立最近设施查找关系，通过网络分析菜单中的“Solve”图标，形成4条救援路线。如图4-7：图4-7 救援路线的形成Figure 4-7 the formation of the rescue routes 打开属性表，查看4条救援路线的属性信息如图4-8,通过查看Total Length选项卡下的四个数据可以得知，事故地点离救援车1最近。图4-8 救援路线的属性信息Figure 4-8 the attributes of the rescue routes 同理，以事故地点A为起始点，附近医院为终点，通过网络分析菜单中的“Solve”图标，形成6条路径如图4-9，图4-9 事故地点到附近医院的路径Figure 4-9 the routes between the site of accident and nearby hospitals图4-10 救援路线的属性信息Figure 4-10 the attributes of the rescue routes打开属性表，查看6条救援路线的属性信息。如图4-10,可以得知事故地点距医院3最近。 结合前两个救援路线的属性表，通过分析以事故地点A 为起点，以救援车1和医院3为终点，形成两条线路，便是最终的最优救援路线（以上是未考虑车速、单向行驶等因素所形成的救援路线）。从而，确定最终的救援路线如图4-13： 图4-11 最终的救援路线 Figure 4-11 the final rescue routes 最后，救援中心根据以上信息制定出相应的救援方案,即向离事故地点最近的救援车发出救援命令，救援车辆1接到救援中心呼叫后立即赶往事故地点进行伤员急救并送往医院3，同时，救援中心联系交管部门进行现场的交通秩序管理和维护。从而成功实施紧急救援。5 结论 本文重点对基于GPS和GIS的交通紧急救援进行了分析研究，并设计出相应的救援方案。其中主要的研究问题和结论表现为以下几点： 1、研究了全球定位系统（GPS）和地理信息系统（GIS）的组成、基本原理及其在交通救援中的应用。 2、介绍了交通紧急救援的相关技术，包括车载导航系统、电子地图、ArcGIS软件。同时，也阐述了它们的组成、基本原理、功能和应用。 3、根据GPS以及GIS中电子地图的功能，在本文中选择了一种基于二者的交通紧急救援方案设计，并详细介绍了他们的基本原理和功能；同时，借助ArcGIS软件，实现了对错综复杂的公路道路网进行最短路径的寻优，这样既可完成实时寻优，又节省了寻优的时间，快速生成了通往事故地点的最短行车路线，为救援提供帮助。 4、通过沈阳市局部道路地形图中的模拟救援，分析验证了论文所采用救援方案的可行性及实用性。 在完成上述内容的同时，本人认为还存在以下问题：GPS和GIS的相关理论知识掌握不够全面、深入；对于车载导航和电子地图在现实交通救援中的应用了解不够深入。同时，鉴于时间以及本人相关编程能力、软件操作等因素所限，该救援方案设计只是进行了简单模拟实验，而且救援方案设计还存在诸多不完善之处。但在设计的过程中，本人学到了许多新的理论知识和ArcGIS软件的相关操作，为今后进一步学习、研究打下了一定的基础。6 参考文