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山东理工大学 硕士学位论文 基于gis的城市道路交通安全预警系统关键技术研究 姓名：田启华 申请学位级别：硕士 专业：交通运输规划与管理 指导教师：宇仁德 20080410 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：l 刁序尹 时间：埘年9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 田声 时间：啊年月，多日 导师签名：jt 乡f f 移 时间：溺年6 月日 纯寸， 山东理工人学硕士学位论文 第一章f j | 高 第一章引言 在交通领域，g i s 与传统的交通信息分析和处理技术紧密结合，延伸出了 交通地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mf o rt r a n s p o r t a t i o n ) ，简称 g i s t 。g i s 是图形处理技术、可视技术及数据库等技术的有机结合，并以其混 合数据结构和强大的地理空间分析功能而独树一帜。地理信息系统采用数据 库、计算机图形学、多媒体等技术，对地理信息进行数据处理，能够实时准确 地采集、修改和更新地理空间数据和属性信息，为决策者提供可视化的支持。 根据城市道路网络特点以结点和弧段为基本单位的拓扑数据结构对路网进行 表达，是未来交通安全管理系统的首选开发平台。 1 1 研究背景及意义 随着我国国民经济的快速发展，交通需求迅速增长，交通问题同趋严重。 主要表现在道路交通拥挤，交通秩序混乱，交通事故增多，交通引起的环境污 染严重等。进入2 0 世纪8 0 年代以来，全球每年大约有5 0 万人在车祸中死亡，1 0 0 0 多万人受伤。2 0 0 6 年根据公安部发布的全国道路交通事故情况，全国共发生道 路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元【l 】。目前交通问题已成为影响社会经济发展、人民生活水平提高的一个 制约因素。 西方发达国家从上世纪7 0 年代就认识到道路交通事故是影响国民经济和 社会生活的国家重大问题，因而从人、车、路、环境等多方面入手，综合运用 管理技术和科学技术研究治理道路交通安全问题，成效显著。从7 0 年代以来， 西方发达国家的道路交通事故就处于逐渐下降趋势并保持在较低的水准线下， 其交通事故的死亡人数仅占全球总数的l 4 ，车辆数却占全世界的2 3 左右。而 我国的道路交通事故却进入了持续增长的行列，近年我国道路交通事故随经济 建设的发展而逐步上升。因道路交通事故死亡的人数居世界首位，占全球此类 死亡人数的1 5 左右。这虽然与我国国民经济持续高速增长和机动车保有量直 线上升有关，但也和我国全民交通安全意识落后，无视交通安全，管理体制和 预防体制不协调，执法不力和技术水平较低有密切关系【2 】。 ( 1 ) 建立基于g i s 的交通安全预警系统 基于此现状，有必要对现在的交通安全状况进行调研分析，确定交通事故 影响因素，诊断交通安全存在的问题。并根据城市道路交通流的特点，建立基 山东理工大学坝i 学位论文第一章一j l 苦 于g i s 的交通安全预警系统。本文将建立以g i s 为依托，以小波与神经网络为 工具，以事故影响因素为输入数据，以事故检测、预测、预警为主要目的的城 市道路交通安全预警系统。 ( 2 ) 建立基于小波与神经网络的事件检测模型 根据小波及神经网络各自的特点对检测数据进行纵向和横向的分析。利用 小波多分辨分析理论寻找数据在时间域上的突变点，以神经网络对同一时间各 检测点数据进行联合处理。充分利用小波变换系数与交通流参数变化之间的关 系以及神经网络的模式识别功能，大大提高了事件检测的准确率。 1 2 国内外研究现状 国内外对g i s t 的主要研究内容以及道路交通事故的预测方法主要有以 下几种。 1 2 1 国外g i s t 当前研究的重点【3 。7 l 国外对g i s t 的研究主要有数据采集技术、数据库维护技术、交通地理 信息系统与i t s 的协调发展以及g i s t 数据共享等。 ( 1 ) 数据采集技术 a 对各种数据采集技术现状和特性的评估，了解它们相互作用和数据集成 的可能性。 b 根据交通管理的需求设计数据采集的方案。 c 在g i s t 的发展规划中制定策略来研究比较使用这些新技术。 ( 2 ) g i s t 与i t s 及r s 之间如何协调发展 a 分析和评估这三类技术的研究现状和发展方向。 b 研究如何将这三种技术有效集成，并分析联合发展的可行性。 c 开发适应全球不同地区需求的技术集成模式。 d 建造示范中心以便观测和测试技术集成的效果。 e 靠0 定上述模式所需空间数据的标准。 f 调查并修正这些数据标准以最终满足i t s 的需要。 ( 3 ) 数据库维护技术 a 新的数据采集技术如g p s 将对数据库维护产生怎样的影响? 采用什么 2 山东理工人学硕f ：学位论文 第一苹一i 言 技术来合并和统一新的采集技术、采集的数据和原有的数据库空间数 据? b 存放在不同图层的数据在不同比例尺下使用的最佳链接方式是什么? c c a d 和g i s t 数据模型的连接如何发展? d 遥感数据如何才能得到有效的利用? 1 2 2 国外道路交通事故的预测方法 ( 1 ) 回归分析法 回归分析预测法是从分析研究各种社会现象之问的相关关系m 发，确 定回归方程式，然后根据自变量数值变化，代入回归方程式去预测社会现 象变化的一种方法。用回归分析法进行预测的基本思想是：虽然自变量和 因变量之间没有严格的确定性的函数关系，但是可以设法找出最能代表它 们之间相关关系的数学模型一一回归方程式，然后根据回归方程式计算所 要求的预测值。对于交通事故的预测，国内外学者提出了不少采用回归分 析方法导出的预测模式。如： 英国伦敦大学斯密德教授( r j s m e e d ) 1 9 4 9 年曾根据1 9 3 8 年欧洲2 0 个 国家的交通事故调查数据，利用回归分析方法，得出事故死亡人数非 线性回归模型： ，、! d = o 0 0 0 3 ( 即2 ) 3 ( 1 - 1 ) 式中：d 一一当年交通事故死亡人数 v 一一当年汽车拥有量 p 一一当年人口数 美国的拉加尔( e a i l g a i e r ) 等在分析了美国4 8 个州的交通事故死亡情 况，从3 0 项事故相关因素中，选出影响较大的6 项作为自变量，求 得回归方程： 】，= 0 5 2 1 5 五+ o 8 5 4 2 五一o 2 8 3 l 五一0 2 5 9 7 + o 1 4 4 7 五一o 1 3 9 6 讫( 1 - 2 ) 式中：】，一一事故死亡率的预测值( 事故死亡人数百万辆汽车) 五一一郊区道路里程道路总里程 墨一一汽车检验年平均次数 五一一州道的路面率( ) 丘一一年平均最低气温( ”c ) 五一一州内人均年收入( 百美元) 丘一一其它因素 山东理t 人学硕i ：学位论文第一章0 f 占 ( 2 ) 时间序列预测法 时间序列预测法是一种考虑变量随时间发展变化规律并用该变量的 以往的统计资料建立数学模型作外推的预测方法。时间序列是指在时间 上顺序发生的一系列事件，可能是连续的，也可能是离散的。对道路交 通事故来说，不同时间的观测值不能认为是相互独立，确切的说，在这 些连续观测值之间存在着一定的相关模式。交通事故时间序列基本模型 可以表示为： a = t c s r ( 1 3 ) 式中：a 一一交通事故数 t 一一趋势变动，一定历史条件下交通事故发展的总趋势 c 一一循环变动，人、社会对交通事故的认识和控制 s 一一季节变动，交通事故呈现明显的季节变动 r 一一随机变动，表明交通事故的发生是一随机事件 在进行预测前，为研究方便，采用时间序列分解法，逐步将t 、c 、 s 、r 分解出来，通过标定出他们各自的数学模型，即可得到时间序列模 型： 彳( f ) = r c s rr = ( 1 ，2 ，3 ，m ) ( 1 - 4 ) 当f = m + 1 ，m + 2 ，时，时间序列即为预测模型： j ( f ) = 丁c s r( ，= m + l ，m + 2 ，) ( 1 - 5 ) ( 3 ) 灰色预测法 灰色系统理论，将一切随机变量看作是在一定范围内变化的灰色量， 将随机过程看作是在一定范围内变化的、与时间有关的灰色过程。其预 测步骤如下： a 给出原始数据的时间序列： x p = x p ( 1 ) ，x p ( 2 ) ，x p ( 胛) ) ； b 对原始序列进行一次累加( 1 a g o ) ，得到新序列： x 1 = x o ( 1 ) ，x o ( 2 ) ，x o ( ，1 ) ) ； c 对累加生成的新序列应用灰色预测模型，得预测序列j ( 1 ( 七+ 1 ) ； 4 山东理工人学硕。1 ：学位论文第。苹引爵 d 对j ( 1 ( 七+ 1 ) 求导，得到还原序列：又( o ( 七十1 ) 。这就是我们希望得到的预 测值。 灰色预测模型的预测量可以是交通事故次数、死亡人数、受伤人数、 直接经济损失等。 ( 4 ) 神经网络预测 神经网络源于对脑神经的模拟，具有很强的适应于复杂环境和多目 标控制要求的自学习能力，并具有较高的容错性和鲁棒性。目前应用较 为广泛是b p 神经网络。 道路交通事故的形成是人、车、路、环境等多个非线性因素共同作 用的结果，且带有较大的随机性。而传统的线性分析方法无法解释其内 蕴，故存在较大的局限性，同时由于受到数据量太少和噪声污染等因素 的影响，使得预测结果无法令人满意。将交通事故预测视作一个非线性 机制确定的输入输出系统从理论上保证了神经网络用于时间序列预测的 可行性。 1 2 3 国内预测模型【8 。4 l ( 1 ) 同济大学模型： 同济大学的景天然教授对道路要素与事故之间的关系进行了研究， 得到事故与平曲线半径的关系式为： = 0 8 6 + 2 6 5 r 一2 7 3 6 尺2 足= 2 0 2 0 0 0 所( 1 6 ) 式中： k ，一一表示平曲线半径的影响系数，表示该平曲线区段的事故相 对于道路平均事故率的比例。 r 一一平曲线半径 ( 2 ) 其它模型 。 除了上述的典型的模型外，国内的许多学者提出了许多的事故预测 模型。其中大多是时序模型，且集中于灰色模型、模糊预测模型、传统 的时间序列模型( a r 或a r m a 模型) 、神经网络模型等以及这些模型 的相互组合模型。 山东理t ：人学硕上学位论义第一章一j i 吉 1 3 本文的结构安排及创新点 1 3 1 文章的结构安排 本文主要研究了基于g i s 的城市道路交通安全预警系统及其子系统的构 建，结构安排如下： 第一章引言。简要说明了本文的选题背景及意义，综述国内外交通安全 预警理论的研究现状，重点分析国内基于g i s 的交通安全预警系统的研究状 况，并给出了全文的结构安排和创新点。 第二章道路交通安全概述。综合阐述了道路交通安全的基本概念，以及 交通流组成要素的交通特性。在深入分析道路交通事故各影响因素的基础上， 对道路交通事故的成因进行了研究。探讨了道路交通事故的分布规律、道路交 通事故的多发点鉴别，以及道路交通事故的预测与安全评价。最后针对道路交 通事故的成因论述了道路交通事故的预防措施。 第三章基于g i s 的道路交通安全预警系统的构建。综合阐述了g i s 的基 本概念，结合g i s 的强大的数据库处理能力、拓扑网络数据结构以及可视化表 达手段建立基于g i s 的道路交通安全预警系统。根据预警系统的要求，构筑了 数据采集与接受子系统，数据分析与处理子系统，数据查询子系统，事故评价、 检测、预测子系统以及报警与调度子系统。并对各子系统的建立进行了详细的 论述。 第四章基于小波与神经网络的事件检测模型的构建。根据g i s 道路交通 预警系统的要求，以系统属性数据库为依托，结合小波与神经网络各自的特点， 建立了事故检测模型。该模型利用小波的多分辨分析与神经网络的模式识别功 能对系统检测的数据进行分析判断。 第五章结束语。在总结分析全文研究成果的基础上，提出需要进一步研 究的问题和下一步所要做的工作。 1 3 2 独到之处 总结全文，本文的独到之处有以下三点： ( 1 ) 建立基于g i s 的交通安全预警系统，将g i s 作为预警系统的管理平 台，不仅为交通管理者提供了强大的数据库处理能力，还将数据库分层处理， 使数据的查询、统计、分析变得简单轻松，另外g i s 将属性数据与地图数据关 6 山东理丁人学硕：卜学位论文第一二章道路交通安全概述 第二章道路交通安全概述 2 1 道路交通安全的基本概念 2 1 1 道路交通安全状况 根据7 5 个国家向世界卫生组织提交的统计数据，全球每年大约有1 2 0 力 人死于道路交通事故，有高达5 0 0 0 万人因道路交通事故受到伤害。更为严峻 的是，如果道路交通安全问题不能引起社会各界的关注，以2 0 0 0 年为基数， 预计至2 0 2 0 年的2 0 年间，全球道路交通伤亡总数将上升6 5 左右。与世界各 国相比，中国的道路交通事故更为严重。中国的交通事故基本是随着国民经济 的发展而逐步上升的。1 9 8 4 年以后事故死亡人数急剧上升，到2 0 0 0 年以后每 年因交通事故死亡的人数达到1 0 万人【l 引。 表2 11 9 9 9 年全球交通死亡人数事故比例 地区亚太地区欧洲中东部非洲高度机动化国家中东拉丁美洲 事故比例 4 41 2l 11 461 3 表2 2我国1 9 7 0 以来部分年份交通事故情况统计表 直接经济万车死亡 l o 万人口 年份 事故次数 死亡人数 受伤人数 损失率死亡率 1 9 7 05 5 4 3 79 6 5 43 7 1 2 82 2 7 6 31 1 6 1 1 9 7 6l o l 8 7 81 9 4 4 l8 1 9 0 85 5 6 7 3 41 5 6 6 22 0 7 1 9 8 41 1 8 8 8 62 5 2 5 l7 9 8 6 57 3 3 6 3 94 2 9 92 4 3 1 9 8 5 2 0 2 3 9 44 0 9 0 6 1 3 6 8 2 91 5 8 6 7 6 4 6 2 3 9 3 8 9 1 9 9 0 2 5 0 2 9 74 9 2 7 11 5 5 0 7 2 3 6 3 5 4 8l 3 3 3 8 4 3 l 1 9 9 l2 6 4 8 1 75 3 2 9 21 6 2 0 1 9 4 2 8 3 5 9 7 3 2 1 54 6 0 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 8 7 2 l2 6 6 9 0 0 o o1 5 6 07 2 7 2 0 0 17 5 4 9 1 91 0 5 9 3 05 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 61 5 4 68 5 l 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 l6 5 2 0 7 43 3 2 4 3 8 1 l1 3 7 l8 7 9 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 0 01 0 8 08 3 9 8 山东理t 大学硕j j 学位论文第一二章道路交通安全概述 2 1 2 道路交通安全研究内容 道路交通安全研究，是指以交通系统为研究对象，以事故信息为基础数据， 应用道路交通： 程学的基本原理，分析和研究道路交通三要素在交通安全中的 相互关系，提出并确定交通控制与管理方面的安全改善措施，为降低事故率、 改善交通安全状况提供科学依据。交通安全研究的具体内容见表2 3 。 表2 3交通安全研究的内容 分类内容分类内容 及时、准确地处理数据明确的意义 事故研究分析人、车、路的影响良好的可视性 交通管理 与预防 事故前、中、后的防治措 施 有效的监控 经济合理的措施最合适的设施 交通控制 整治措施 减轻伤亡的措施考虑所有用户的利益 设施 长效的措施减少冲突和相对速度 全面的历史数据 设置必要的标志 评价 合适的评价对象 合理的统计方法给所有的道路用户一个明 交通标志 视距范围的清除 确的信息 路侧安全固定物的保护保证标志自身不产生安全 易拆杆的采用 问题 人车分离改变道路环境在任何条件下都可见 特别考虑不符合标准的位 运输与交公交优先 交通标线置 通规划 道路功能分级与土地开发 保证高标准的养护 利用相适应 良好的视线诱导引导道路用户安全地绕行 均衡的几何线形 或通过施工区 安全的路面 道路设计施工提前给出警告和指示 视距的保证 减少、分离或消除冲突点 设置临时标志标线 防止眩光和驾驶人分心 9 山东理丁人学硕j j 学位论文第一二章道路交通安伞概述 2 2 道路交通事故成因 2 2 1 道路交通系统 道路交通系统是一个有人、车、路、环境组成的整体，每个组成部分都有 其独立的功能和特性，只有各组成部分按照特定的方式有规律的运行，才能实 现道路交通系统安全畅通的目标。 ( 1 ) 驾驶员的交通特性1 们 在引发道路交通事故因素中，人的因素包括有驾驶员、行人、乘客等。其 中由驾驶员造成的交通事故所占比例最高。驾驶员的交通特性如图2 1 包括驾 驶员的信息处理特性、驾驶员的心理特性、驾驶员的制动反映特性以及驾驶能 力与疲劳等。 反馈 图2 1 驾驶员的信息处理过程 ( 2 ) 车辆的交通特性 车辆的交通特性包括车辆的主动安全性和车辆的被动安全性。车辆的主动 安全性，反映了车辆驾驶员在正常操纵状况下，汽车能够按照驾驶员的己知 运行，有效地避免或减少事故发生的可能性的能力。车辆的主动安全性包括车 辆的动力性、操纵稳定性、制动性、轮胎以及空气动力稳定性。车辆的被动安 全性，体现了车辆在发生事故的过程和之后，如何保证成员不受伤害或最大限 度的减少伤害程度的能力。车辆的被动安全性主要体现在车辆的安全结构和安 l o 山东理t 人学硕l j 学位论义第二苹道路交通安全概述 全设施( 如座椅安全带、气囊等) 上。 ( 3 ) 道路的交通特性 。道路是供行人步行和车辆行驶的设施的统称。道路按其所处的地区不同主 要可分为公路和城市道路。道路的路面表面特性( 平整度、防滑能力) 、道路 几何线形( 平曲线、纵坡度、超高、竖曲线) 、可视性、道路标志标线、道路 安全设施、道路交叉类型、交通信号以及城市道路网的布局是影响道路安全的 主要因素。 2 2 2 道路交通事故 在道路交通系统分析中，美国的威廉哈顿( w i l l i a mh a d d o n ) 将人、车、 路在交通事故中的相关关系用矩阵形式表示，称为著名的“哈顿矩阵模型” ( h a d d o n 模型) 表2 4 哈顿矩阵表 因素 事故前 事故中 事故后 培训、安全教育、行车态度、行 人车内位置和坐姿紧急救援 人和骑车人的着装 主动安全( 制动、车辆性能、车 被动安全( 车辆防撞 车速、视野) ，相关因素( 交通量、 结构、安全带等) 抢救 行人等) 道路标志标线、几何线形、路面 道路交通 路路侧安全、安全护栏设施的修 性能、视距、安全评价 复 这一模型阐明了事故前、事故中和事故后三个阶段中互相作用的三个因素 一一人、车和环境的相互关系【1 7 1 。h a d d o n 矩阵模型9 个单元中的每一个环节 都会对事故或伤亡有直接或间接的影响，甚至成为主要和次要的原因，也正是 这些原因导致了道路交通事故的人员伤亡和财产损失。反之，其中的任何一个 或几个环节的改善也可以减少事故或降低事故的伤害程度。 ( 1 ) 道路交通事故影响因素 为了更好的对道路交通事故的发生机理进行研究可将h a d d o n 矩阵的组成 因素进行细分，通常认为人、道路、环境、车辆和交通流为影响交通事故的五 大因素。交通事故中因人的因素而发生的事故数占总事故数的约9 1 8 ，其中 因驾驶员过失导致的事故数约占事故总数的7 3 4 ，如图2 2 所示。 尔川1 人弘坝卜、沦乏弟承j 篷路食旭奠个溉述 口驾驶员 团 f 驾驶员 口+ 口路 一其它 图2 2 道路交通事故原因构成比 ( 2 ) 道路交通事故j 、1 ，| i 机理 通过对交通事故影响闪素的深入剖析发现，事故的发生是由于人、道路、 环境、车辆、交通流之问的协调失衡所导致。如图2 3 所示人作为丰体j 二礓故 的产， i 是一种直接关系，道路、环境、车辆与交通流通过对人的这种直接影h 向 导致交通事故。即人首先是被动接受外界信息，其次足发挥主观能动性进行判 断分析，最后是驾驶行为的产生。这与自然规律相符。 图2 3 事故影响因素关系图 2 2 3 道路交通事故分布规律m 2 0 1 道路交通事故的发生、发展和变化有其自身内在的规律性，挖掘道路交通 事故分布规律的目的在于通过对事故资料的搜集、整理、统计和分析，找出道 路交通事故分布的规律。 ( 1 ) 时间分布规律 交通事故具有随时问而变化的特征，宏观的统计分析可揭示其内在的变化 规律性。时间分布分为月分柿、星期分布、小时分布。根据统计资料显示，一 星期中星期二与星期三为事故高发同，而一天中事故死亡率最高的时段是凌晨 山东理工人学硕士学位论义第一：币道路交通安全概述 3 6 时。 ( 2 ) 空间分布规律 与公路相比，城市道路交通量大、车流密集、行人及非机动车较多。城市 道路交通事故多发生于交叉口，交叉口事故往往会造成人员伤亡，这与交叉口 的交通特点和交叉口设计以及信号配时等有直接关系。路段事故多为追尾事 故。城市道路交通安全管理应根据事故的统计资料，分时段有重点的管理。 2 3 道路交通事故多发点鉴别 道路交通事故多发点又称黑点( b l a c ks p o t ) ，指道路上交通事故显著突出 的路段或交叉口。事故多发点的鉴别不能仅仅理解为找出事故多发段点，它是 道路安全改善的一个完整的分支技术。事故多发点研究包括：资料收集、鉴别、 原因分析、改善措施和后评估。 2 3 1 事故数据收集 事故方面的数据包括事故地点、事故对象、事故形态、事故类型、事故结 果和事故原因等。环境方面的数据包括道路设施、交通设施与管理、气候条件、 照明条件、路侧环境、交通环境等。 2 。3 2 事故多发点鉴别基本方法【2 1 2 5 】 ( 1 ) 事故频率法 该方法选取一临界的事故次数作为鉴别标准，如果某路段的事故次数大于 临界值，则被认为是事故多发点。该方法没有考虑不同地点的道路环境条件及 交通条件差异，可能将导致将非事故多发点当作事故多发点进行改善。因此该 方法只适合鉴别小型的交叉口或道路系统。 ( 2 ) 矩阵法 该方法也称事故次数和事故率综合法，即把事故次数和事故率结合起来作 为鉴别事故多发点的标准，水平轴代表事故次数，垂直轴代表事故率。每一路 段在矩阵中用一矩阵单元表示，矩阵单元的位置则表达了路段的危险程度。如 图2 4 所示。 e ( 刀) = “， 么，( 门) = “f 若这一分布的置信水平取9 5 ，则上限值r + 为 = 名“9 6 拦+ 去 ( 扛1 ，2 ，以) ( 2 - 3 ) 式中名一一相似路段的平均亿车事故率( 次亿车) ： 兄= 紫 聊j 一一路段f 的累计车辆数( 亿车) 将该路段在统计年度内实际的亿车事故率与尺+ 对比，若大于r + 则该路段 为事故多发点 2 4 道路交通事故预测与安全评价 2 4 1 道路交通事故预测 道路交通事故预测是指通过道路交通事故有关信息( 历史事故、道路设施、 人口、车辆、道路线形、天气等发展变化的信息) ，采用现代数学方法( 统计 学、灰色理论、模糊数学等) ，定量与定性相结合推断未来一段时间研究范围 内的道路交通事故的发生状况。交通事故预测程序框图如图2 5 所示：【2 6 。2 8 】 山东理t 人学硕i ：学位论文 第_ 二章道路交通安伞概述 预测开始 毒 确定预测目标 飞 收集并分析有关信息 ， p 选择预测方法 毒 建立预测模型 不可用一可用 下 利用模型进行预测 1 、 ， 分析与评价预测结呆 0 预测跟踪 是 是否噻寥一一7 毒否 返回到预测开始 图2 5 道路交通事故预测步骤 道路交通事故预测方法一般从三个角度考虑：一是依据事故发生的因果关 系提出的方法，如回归模型；二是依据事故历史发生时间序列提出的预测方法， 比如指数平滑法，灰色预测法、移动平滑法：三是根据因果关系和时间序列共 同提出的预测方法。 2 4 2 道路交通事故评价 道路安全评价是以一个地区或一条道路为研究对象，通过获得的事故信 息，应用适合的评价方法对研究范围区进行安全程度的评价。如果评价采用的 是道路运营后的信息，称为事后评价；如果采用的是道路开通前的信息，称为 1 6 山东理r 人学硕j ：学位论文第二章道路交通安伞概述 2 5 1 交通事故信息管理 交通事故信息管理是开展道路交通安全工作的依据和前提。交通事故信息 反映了道路交通安全系统的状况以及与交通事故有关的条件，是把握交通事故 的变化规律，有效开展交通安全管理工作，预防和减少交通事故必不可少的依 据。通过科学有效的管理、配置、开发交通事故信息，可提高交通管理信息服 务的整体效能和水平，使交通安全管理获得最大的社会效益。交通事故信息应 包括事故数、受伤人数、直接经济损失、万车死亡率、10 万人口死亡率、事 故地点、时问、道路几何参数、行驶车速、车辆性能参数、人口数、机动车保 有量、驾驶员数量、交通量、路网密度等。 2 5 2 交通事故预警系统 交通安全预警系统是指依据对道路交通事故发展稳定状况的判断，采用定 性与定量相结合的方法，对道路交通安全发展的态势进行过程描述、追踪分析 和警情预报。基于g l s 的道路交通安全预警系统以g i s 相关软件为依托，结 合先进的交通管理理念，充分利用g i s 的强大的空间数据分析能力，数据查询 能力，以及有效的数据集成与可视化表达手段，为交通管理者提供智能化的信 息管理平台。 2 6 本章小结 本章对道路交通安全系统的基本概念进行了阐述，并在分析事故成因的基 础上对如何进行事故多发点鉴别以及事故预测和安全评价等进行了研究。最 后，根据对交通安全系统问题的分析，提出了针对性的预防措旌。使建立基于 g i s 的道路交通安全预警系统成为道路交通安全管理的首选。 1 8 山东理t 人学硕十学位论文第三章基fg i s 的道路交通安伞预警系统的设计 第三章基于g i s 的道路交通安全预警系统的设计 3 1 地理信息系统( g i s ) 概述 3 1 1 地理信息系统简介 地理信息系统简称( g i s ) ，g i s 的发展始于本世纪6 0 年代，是由加拿大 测绘学家r t t o m l i n s o n 博士提出的，它是在计算机软硬件支持下，采用地理 模型分析方法，适时提供多种空间的、动态的地理信息，对地理空间数据库和 信息实现采集、存储、管理、描述、查询、分析的技术系统；简言之，g i s 就 是集用户、分析方法、空间数据和属性数据、计算机软硬件和个人设计能力于 一体，能有效地收集、处理、存储、修正、管理、分析和显示所有与地理有关 的信息计算机系统，通过地理信息系统自动匹配管理和传输信息。 3 1 2 地理信息系统的功能3 3 。3 6 】 ( 1 ) 空间数据的采集、编辑和处理功能 g i s 不但具备一般数据库系统的数据采集与编辑能力，而且在计算机软硬 件的支持下，可以存入各种已经完成的专题图件。为了清除采集到的实体图形 数据和描述它的属性数据中的各种错误，g i s 可以对图形及文本数据进行编辑 和修改；g i s 还具备处理航空、航天技术所获得的大量空间数据的能力，从而 使用户能充分有效地利用遥感资料这一重要信息源。 ( 2 ) 空间数据的管理能力 地理信息数据库是g i s 的核心，它能对庞大的地理图形和文本数据进行管 理，并能与其它数据库管理系统相互转换，不但可以实现数据库资源的共享， 而且也提供新的数据资源。 ( 3 ) 空间查询与空间分析能力 g i s 具有综合分解、计算等各种空间分析能力，能够围绕总体目标从实体 图形数据和属性数据的空间关系中获得派生的信息和新的知识，用以回答用户 有关空间关系的查询和进行空间分析。 ( 4 ) 图形处理和制图功能 1 9 薹心奏羹薹薹囊囊薹薹謇妻室霎囊薹矍i 塞薹囊墼霎蚕雪霪蓁蠢錾薹蓁霉至 妻蓁k r 薹雾薹萋蓁翼薹蓁蚕蓊薹 冀蓁薹萋羹 霪薹萎萋蠹 囊 篓 萎 薹 囊 荔 蓁：鼋囊羹薹蓁 i i 参 i i ； 耄 薹 塑 蠹篓羹蓁 山东理工大学硕上学位论文第三章基十g i s 的道路交通安伞预警系统的设计 基于g i s 的城市交通安全预警系 数据采集与 接受子系统 视 频 检 测 技 术 3 5 系统功能 红 外 三1 描 技 术 数据查询 子系统 窄 间 分 析 查 询 属 性 数 据 查 询 图 属 性 查 询 数据分析处 理子系统 数 据 匹 配 模 型 事 件 检 测 模 型 数据预测与 评价子系统 事 故 预 测 模 型 数 据 评 价 模 型 数据库 报警与调 度子系统 图3 1g l s 预警系统框架图 系统的主要功能包括：数据的采集与接受、数据的分析与处理、数据的查 询、数据的评价与预测以及报警与调度子系统。 3 5 1 数据采集与接受子系统 交通信息分为静态信息和动态信息两类，静态信息一般指一段时间内稳定 不变的信息，动态交通信息是指时空上相对变化的信息。交通信息分类如表 3 1 所示。经前端收集的数据必须进行标准格式转换存入系统数据库。系统数 据库是道路交通指挥管理系统的基础，系统数据库主要由空间地理数据、空间 属性数据、交通动态数据、交通历史数据、交通设施数据、1 2 2 接处警数据、 交通统计数据、交通模型、交通文档数据以及交通数据字典等组成。 卫星定位技术 山东理工人学硕士学位论义第三章皋于g i s 的道路交通安伞颅警系统的发计 表3 1交通信息分类 信息分类信息内容信息获取 1 道路信息 线形、构造、路面状况 2 交义口信息 类型、相交道路、信号配时、渠土地管理部门、市政单 静态信息 化位、公安交警管理部i 、j 3 道路设施 隔离带、信息板、路边标志等 4 停车场 位置、容量、收费标准 5 交通流信息 流量、密度、速度路面检测器 6 事故地点、时间、等级检测器、报警电话等 7 道路堵塞地点、时间、程度检测器、通讯设备 动态信息 8 天气天气恶劣程度气象站、f m 调频 9 车辆信息g p s 定位地点、速度g p s 导航卫星 l o 道路维护地点、时间、封闭施工单位 先进的交通流信息采集技术，一方面大量采用先进的微波检测、视频检测 等技术，提高所采集信息的质量及精度，丰富信息采集手段及信息来源；另一 方面更加强调各个信息采集子系统的协同工作及不同来源信息之问的融合。在 信息处理方面大力推广当前数字信号处理、图像处理、视频处理、语音处理、 数据挖掘、人工智能等领域的前沿成果，充分实现信息的深度挖掘、集成和应 用。因此数据采集与接受子系统应具有： ( 1 ) 先进的地理信息平台。 交通管理的所有信息均建立在该平台上，能够查询、分析、显示各种静态 与动态交通信息。 ( 2 ) 交通信息采集与处理。 包括实时数据检测、数据校验、数据融合。 ( 3 ) 交通信息服务的渠道和对象广泛。 从指挥中心、交通信息板、广播电台、i n t e r n e t 网、车载终端等各种渠道， 为交通管理者和消费者提供全方位的交通信息服务。 该子系统在整个系统中的作用如图3 2 所示： 山东理工人学硕l ：学位论文第三章基于g i s 的道路交通安全顶警系统的设计 图3 2 数据采集与接受子系统作用 3 5 2 数据分析处理子系统 数据的处理包括对图形数据的处理和事故属性数据库的编辑。用户可以对 图形对象进行编辑、修饰及标注等操作。对于事故黑点用户可以用建立缓冲区 的形式根据事故发生次数来表示黑点大小，用户也可用不同的颜色表示不同的 事故类型。事故属性数据库由事故影响各因素组成，每个影响因素为一个字段， 用表格的形式存储，用户可将每一个影响因素划分为不同的等级，如将影响因 素车划分为( 小型、中型、大型) ，然后再将车速划分为不同的等级，其它因素 依次类推建立其相应的等级表格。用路面检测到的因素信息与事故属性数据库 中的因素字段值进行数据匹配，匹配过程通过运算数学模型完成，若匹配结果 达到了事故预警的临界值则预警系统进行报警。事件检测模型则通过对交通流 基本参数的分析判别，及时地找出道路交通事件的发生地点。事件检测部分将 在后面单独介绍。 在m a p i n f o 中，空间数据与属性数据是分开存储的。属性数据以空间数据 山东理i 人学硕l j 学位论文 第三章摧j 4g i s 的道路交通安令颅警系统的砹汁 库的形式存储为一张表，而空f h j 数据则以m a p i n f 0 自己定义的格式保存在文 件中。两者之间通过一定的索引机制联系起来。m a p l n f o 的数据索引机制是指 m a p i n f 0 系统中的空问对象和属性数据之间相互关联访问的方法。m a p i n f 0 按 照图层来管理地理信息，每个图层均由t a b 文件、d a t 文件、1 d 文件 和。m a p 文件四个基本文件构成，如图3 3 所示。其索引过程如下 属性数据空间数据 文件头文件头 文件头 字段数字段定义 点、记录号、坐标 字段1 说明 字段2 说明 记录1素弓1 1 线，记录号，坐标，线形 字段噩说明 记录2 一 索弓1 2 面，记录号、边界、填充 图元数据描述： 图幅区域 图层说明记瓤 一素弓i n图例、颜色、大小 图上实体描述 拐点数及坐标信息 t a b 文件d a t 文件 i d 文件 。i a p 文件 图3 3m a p i n f o 数据文件格式及数据关联机制 当从属性信息查询空间信息时，m a p i n f 0 先要在属性数据文件中找到相应 的数据库记录，如记录号为n ，则可以在交叉索引文件中找到第n 个指针， 该指针所指向的地图对象就是与数据库记录相对应的空间对象。 当从空间信息查询属性信息时，如果已经从地图上查找到某一空问对象， m a p i n f o 系统可以从空间数据文件中读出某空间信息和与之相对应的数据库 记录号，根据数据库记录号就可以在属性数据文件中查到该地图对象的属性信 息。 基于属性数据的模型库包括事故发生临界值模型、数据匹配模型、交通事 件检测模型、交通安全预测模型、交通安全评价模型等。 ( 1 ) 临界值模型 计算事故统计数据库中每一行的值( 即一次事故的统计值) ，取其最小值作 山东理t 大学硕上学位论文 第_ 三章基于g i s 的道路交通安伞预警系统的敬计 为临界值口，其模型为 口= m i n ( y l ，y 2 y n )( 3 一1 ) ( 2 ) 数据匹配模型 通过线性回归模型运算实时检测数据，得值，将与口进行比较若夕 大于口则返回值为1 ，反之为0 。将实时检测数据与事故因素数据库中的数 据进行等级比较，若诸因素均达到事故等级则返回值为l ，反之为0 。将 中的返回值进行或运算，若结果为l 则进行事故报警。过程图如图3 4 所示。 3 5 。3 数据查询子系统 图3 4 数据匹配模型 g i s 预警系统为用户提供了方便的查询功能，用户可根据不同需要进行空 间分析查询和对属性数据的专题查询以及图属互查等。空间分析查询可以让 用户直观的分析图形的拓扑结构以及缓冲区分析等。属性数据查询使用户可通 过不同的关键词( 时间、地点、类型等) 调出属性数据进行统计分析等。图属查 询则将事故属性直接显示在地图上使查询结果更加直观。 根据用户具体要求，选择需要查询的具体地域目标。应用g i s 的空间数据 分析处理功能，对需要的指标体系的指标进行自动测算。并将结果按照表格的 形式打印输出。系统的电子地图分层保存在空间数据库中，查询的时候可以根 据要求分层调用，使得查询结果清晰明了。系统集成了g i s 制作专题图的优势， 使专题图输出更加方便。系统支持的专题图类型包括单值、分段、等级符号、 曲线图、面积图、柱状图、点密度、符号填充等，这些专题图的功能对各类指 标的统计分析非常有意义。查询统计模块的工作流程如图3 5 所示： 2 7 山东理工人学硕一 ：学位论义第一三章暴于g i s 的道路交通安令颅警系统的设计 3 5 4 数据评测子系统 图3 5 数据查询工作流程 g i s 预警系统通过对已发事故的分析，预测将来一段时间事故发生的可能 山东理t 人学坝l j 学位论义第二三章基于g i s 的道路交通安伞顶警系统的设计 性。g i s 预警系统通过对大量的事故因素进行分析，采用多元线性回归模型进 行预测。而评价系统主要是安全评价，根据不同的评价指标，系统直接调用数 据库数据进行评价。主要的预测与评价模型为： ( 1 ) 交通安全预测模型 预测模型通过多元线性回归分析实现，其模型为 y = a + blxi l + b2xi 2 + + bmxi m( i = 1 ，2 ，n )( 3 2 ) 其中( x i l ，x i 2 ，x i m ) 为事故影响因素，其值通过事故统计数据库获得。 计算得线性回归系数( a ，b 。，b ：，b 。) ，最后进行显著性检验。 ( 2 ) 交通安全评价模型 采用灰色评价方法，这种方法认为通常在确认道路交通安全水平时，是不 可能知道全部信息指标的。运用灰色理论的“非唯一性”原理，通过对少量己掌 握的部分信息的筛选、加工、延伸和扩展等，将道路交通安全水平确定在某一 灰域内，以实现对道路交通安全整体水平的评价。如图3 6 所示为事故评价指 标体系。 图3 6 事故评价指标体系 山东理t 人学颂仁学位论文第三章皋十g i s 的道路交通安伞颅警系统的设计 3 5 5 报警与调度子系统 g i s 预警系统将实时信息与事故因素数据库的匹配结果作为返回值传递 给报警系统。报警系统根据返回值确定事件状态并将事故地点通知交警及救援 部门，同时事故地点显示在路口显示屏。调度系统可利用g p s 卫星定位系统 寻找离事故地点最近的巡逻车及救护车，使事故的损失降至最少。当道路的某 一点发生交通事故，g i s 预警系统将要完成的一连串动作为利用无线定位技 术将事故发生地点进行准确的显示将事故地点告知离事故最近的救援中心 将事故地点显示在各路口电子显示牌上告知驾驶员以防事故发生点发生交 通阻塞将检测数据存入数据库并进行分类根据数据分析事故发生的原因。 因此，报警与调度子系统的主要任务包括：通过检测、巡逻等手段快速发 现突发事件，获取并确认事件类型、位置等信息；协调相关部门调集救援资源， 采取联动紧急救援行为：依据事件类型，提供紧急服务，包括消防、救护、特 种物品处理、故障车辆牵引、现场事故处理等；根据事故处理进度，适时调度 交通管控方案；利用信息发布系统或传媒为公众提供相关信息服务。预警与调 度子系统作为整个系统的关键环节应具备的基本内容包括：救援组织、救援机 构、救援设备、通信系统、基础信息平台、救援方案智能决策支持系统等。 在整个救援系统中涉及诸多部门，如公路交通管理中心、交警、医务、消 防等，应加强统一领导、协调部门互助互动，形成有效运转的紧急救援组织体 系。在组织救援时，所有的参与部门都希望在最短的时间内有效处理突发事件， 但救援过程中每个部门都希望选择适合自己的方式来提高本部门的工作效率， 而这种行为经常会妨碍其他部门，导致冲突和混乱的发生。所以，组建有效的 紧急救援系统关键在于整个系统的指挥权属与部门间的协调问题如图3 7 ，只 有这些部门紧密配合、联动工作才能有效处理各种事故。 公安部门i| 交通部门ll 医疗部门ll 捎防部门ll 其他部门 预警与指挥 调度中心 蠢麓引i 公鬈铲ll 公豁障| i 医絮门i | 消繁门f | 社畲擎| i 传媒 1 1 0 或1 1 2l i 部门 li 部门 li 1 2 0 i| 1 1 9 il 部门| 1 w 环 图3 7 预警与调度职能部门 山东理f ：人学硕f ：学位论义 第三章基十g i s 的道路交通安伞顶警系统的殴计 3 6 2 宿主型二次开发 指基于g i s 平台软件上进行应用系统开发。g i s 平台软件一般都提供了可 供用户进行二次开发的脚本语言，如e s r i 的a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言， m a p i n f o 公司的m a p i n f 0p r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等等。用户可以利 用这些脚本语言，以原g i s 软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象 的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的脚本语言，作为编程语言， 功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意，并且所歼发的系统不能脱 离g i s 平台软件，是解释执行的，效率不高。 3 6 3 基于g i s 组件的二次开发 g l s 软件产商都提供商业化的g i s 组件，如e s r i 公司的m 印o b j e c t s 、 m a o i n f o 公司的m a p x 等，这些组件都具备g i s 的基本功能，开发人员可以基 于通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l p h i 、v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c 、p o w e rb u i l d e r 等为开发平台，进行二次开发。