魯斌，張夢(mèng)霞

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司）

1 引言

隨著智慧城市建設(shè)的興起，構(gòu)建城市精細(xì)化管理系統(tǒng)逐漸成為支撐智慧城市發(fā)展的重要部分，其中，城市道路是精細(xì)化管理內(nèi)容中不可或缺的對(duì)象之一。作為與居民日常生活直接相關(guān)的市政設(shè)施，城市道路的規(guī)劃、建設(shè)和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)均處于持續(xù)動(dòng)態(tài)變化中，過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)施數(shù)據(jù)規(guī)模龐大。目前的城市道路管理模式以現(xiàn)場(chǎng)記錄、人工處理和經(jīng)驗(yàn)決策等為主[1]，其科學(xué)性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性等指標(biāo)，均難以滿足智慧城市精細(xì)化管理的需求。

地理信息系統(tǒng)（GIS）可構(gòu)建以城市道路的時(shí)間、空間為對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)城市道路的精細(xì)化、智慧化管理。但目前的模型仍存在不足，以部分城市道路內(nèi)容為例，在城市道路的GIS時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型中，道路的空間特征一般簡(jiǎn)化為單線或雙線要素，交叉口則為簡(jiǎn)單點(diǎn)要素，并且簡(jiǎn)化后主要用于描述對(duì)象之間的交通情況。但在實(shí)際城市道路管理中，道路路段中包含車(chē)行道、人行道、分隔帶、標(biāo)識(shí)標(biāo)志和綜合桿等具體附屬設(shè)施，這些設(shè)施的時(shí)空信息和設(shè)施本身的屬性，在目前的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型中均難以體現(xiàn)。

基于城市道路精細(xì)化管理的提升需求，參考城市道路設(shè)計(jì)管理規(guī)范，對(duì)城市道路對(duì)象進(jìn)行細(xì)分，轉(zhuǎn)換為GIS可識(shí)別和表達(dá)的對(duì)象，并且梳理對(duì)象之間的時(shí)空關(guān)系，從而構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，以期指導(dǎo)后續(xù)城市道路網(wǎng)絡(luò)邏輯的模型化、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與調(diào)用，提升基于GIS的城市道路精細(xì)化管理水平。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在城市市政設(shè)施運(yùn)營(yíng)、城市交通管理等方面，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)基于GIS的時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了一定的研究：

張忠貴[2]研究了市政公用基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、增量時(shí)空信息表達(dá)模型和時(shí)空信息集成技術(shù)。研究認(rèn)為，目前市政領(lǐng)域模型存在“偏空間、偏現(xiàn)狀”的問(wèn)題，構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)模型，可有序組織、整合設(shè)施運(yùn)營(yíng)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，體現(xiàn)設(shè)施的歷史與現(xiàn)狀，并從設(shè)施要素、工程、維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等多個(gè)方面進(jìn)行管理。

唐衛(wèi)文[3]提出了關(guān)于市政道路的空間MRGISDM數(shù)據(jù)模型。研究認(rèn)為當(dāng)前市政道路的人工管理工作效率低下，因此需構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)模型，采用GIS對(duì)市政道路的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和儲(chǔ)存。數(shù)據(jù)模型主要包括概念模型、邏輯模型和物理模型三個(gè)方面，經(jīng)研究，數(shù)據(jù)模型選擇了Geodatabase數(shù)據(jù)模式進(jìn)行儲(chǔ)存，并采用了UML語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行描述。

肖樂(lè)斌[4]等綜述了常見(jiàn)GIS模型的主要特點(diǎn)，并對(duì)各模型優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了面向?qū)ο蟮恼w數(shù)據(jù)模型構(gòu)建要點(diǎn)。研究認(rèn)為，拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)模型強(qiáng)調(diào)幾何要素之間的關(guān)系，較難表現(xiàn)復(fù)雜的地理實(shí)體。而面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)模型缺乏拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)，因此提出構(gòu)建面向?qū)ο蟮恼w數(shù)據(jù)模型，其要點(diǎn)在于重視對(duì)象的幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系和對(duì)象間的語(yǔ)義關(guān)系，即時(shí)間、空間及屬性三個(gè)特征。

Q. K. Harpham[5]研究了一種普適性的時(shí)空數(shù)據(jù)集成分類(lèi)技術(shù)。研究認(rèn)為目前環(huán)境建模的輔助技術(shù)較多，且部分較為重復(fù)，因此提出了一種普適性的結(jié)構(gòu)化理論框架，對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬分類(lèi)，用于描述環(huán)境數(shù)據(jù)的時(shí)空結(jié)構(gòu)，支撐實(shí)體對(duì)象數(shù)據(jù)在GIS中進(jìn)行有效的集成。

以上研究均探究了城市設(shè)施實(shí)體在GIS中進(jìn)行的模型映射問(wèn)題，且均認(rèn)為空間數(shù)據(jù)、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)和屬性等是實(shí)體語(yǔ)義的重要組成部分。筆者在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以城市道路為對(duì)象，對(duì)其時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型進(jìn)行研究。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理中，城市道路屬性較為復(fù)雜，道路路段及路段上的附屬設(shè)施均在政府部門(mén)的管理范圍內(nèi)，因此，首先應(yīng)在GIS中構(gòu)建詳細(xì)的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，在數(shù)據(jù)模型中體現(xiàn)其完整的空間信息、時(shí)態(tài)信息與特征屬性，進(jìn)而支撐后續(xù)實(shí)際管理工作的高效化、智慧化發(fā)展。

3 基本定義

城市道路在概念上不僅包含道路本身，其管理的對(duì)象也更加廣泛。根據(jù)最新的城市道路管理?xiàng)l例[6]，城市道路的定義為城市供車(chē)輛、行人通行的，具備一定技術(shù)條件的道路、橋梁及其附屬設(shè)施。在建設(shè)管理主體方面，城市道路建設(shè)主體可以為政府、單位、國(guó)內(nèi)外企業(yè)、其他組織和個(gè)人，而在城市道路的范圍內(nèi)，根據(jù)附屬設(shè)施的類(lèi)別不同，管理部門(mén)則進(jìn)一步細(xì)分。例如，附屬設(shè)施內(nèi)的分隔帶、綠島、道路綠化帶等綠化設(shè)施，一般由園林綠化管理局負(fù)責(zé)。井蓋則依據(jù)“誰(shuí)所有，誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則，根據(jù)管線的種類(lèi)，由相應(yīng)的管養(yǎng)單位進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理，如供電公司負(fù)責(zé)電力電纜專(zhuān)用工井，電信、移動(dòng)、聯(lián)通通信部門(mén)分別管理其電信專(zhuān)用井等。

3.1 城市道路時(shí)空信息

城市道路的時(shí)空信息包括其空間信息與時(shí)間信息兩部分：

1）城市道路空間信息數(shù)量、種類(lèi)繁多，需對(duì)個(gè)體進(jìn)行識(shí)別

城市道路的設(shè)施可分為通信、路燈、排水、園林、環(huán)境衛(wèi)生等多個(gè)種類(lèi)，由相應(yīng)的部門(mén)負(fù)責(zé)管理，部門(mén)數(shù)量眾多且權(quán)屬劃分獨(dú)立，因此，需將附屬設(shè)施細(xì)化為個(gè)體來(lái)管理其信息。而在空間分布上，個(gè)體間關(guān)系多元，如附屬設(shè)施與道路空間就有包含、平行等多種空間關(guān)系。

2）城市道路的時(shí)間信息是城市道路高效運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)

在城市道路數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的背景下，城市道路空間信息隨著時(shí)間發(fā)生改變，運(yùn)營(yíng)管理業(yè)務(wù)具有明顯的時(shí)間特征。如隨著城市道路規(guī)模的擴(kuò)張，其空間布局、空間位置和屬性信息均隨時(shí)間改變。在城市道路建設(shè)到運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，施工、竣工等工程進(jìn)度隨著時(shí)間變化。城市道路維修、巡檢過(guò)程中，事件發(fā)生有明確的時(shí)間等，均體現(xiàn)了城市道路時(shí)間信息的重要性。

3.2 城市道路時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型

城市道路的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型是現(xiàn)實(shí)時(shí)空信息在GIS中的表達(dá)。城市道路中的道路、橋梁及其附屬設(shè)施等時(shí)空信息作為現(xiàn)實(shí)世界信息，需要經(jīng)過(guò)理解、研究，再通過(guò)抽象、組織，將時(shí)空信息映射為GIS可識(shí)別處理的數(shù)據(jù)形式，用以明確城市道路中需要管理的時(shí)空實(shí)體對(duì)象，及對(duì)象間的網(wǎng)絡(luò)相互關(guān)系，以此構(gòu)建模型，從而為后續(xù)邏輯、物理模型的建立提供基礎(chǔ)。

4 時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型對(duì)象及網(wǎng)絡(luò)

4.1 時(shí)空對(duì)象

城市道路時(shí)空對(duì)象可抽象為要素與要素類(lèi)。在GIS表達(dá)中，實(shí)體對(duì)象被抽象為要素，且相同要素構(gòu)成要素類(lèi)；非實(shí)體對(duì)象如時(shí)間，則抽象成對(duì)象與對(duì)象類(lèi)。城市道路包含道路、路段、橋梁、隧道和道路附屬設(shè)施等多種要素，一定規(guī)模的某種要素，如多個(gè)路段可組成路段類(lèi)，城市道路時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型描述要素、類(lèi)以及類(lèi)之間的關(guān)系，如泛化、實(shí)現(xiàn)、關(guān)聯(lián)、聚合等關(guān)系。

4.1.1 空間對(duì)象

城市道路的空間對(duì)象包含實(shí)體、類(lèi)型兩個(gè)層次，對(duì)應(yīng)要素與要素類(lèi)。在實(shí)體中，根據(jù)系統(tǒng)包含的關(guān)系，也可將要素分為三個(gè)等級(jí)，道路為一級(jí)要素，往下為二級(jí)要素路段，再往下由橋梁、隧道和附屬設(shè)施等組成三級(jí)要素，其中包含道路綠化帶、占道燈箱、供電箱式變、路名牌、廣告牌、公交站臺(tái)和綜合桿等，均為路段內(nèi)部的實(shí)體設(shè)施。在類(lèi)型中，每個(gè)實(shí)體形成一種類(lèi)型，如道路類(lèi)、路段類(lèi)、橋梁類(lèi)和隧道類(lèi)等（見(jiàn)圖1）。

空間對(duì)象中應(yīng)包含各實(shí)體的屬性信息。本研究的目的之一是在GIS系統(tǒng)中細(xì)分城市道路管理對(duì)象，便于市政管理對(duì)道路設(shè)施數(shù)據(jù)的記錄與讀取，因此需對(duì)每個(gè)類(lèi)型增加其屬性字段。以道路為例，在市政管理中，道路作為面要素，其屬性如下：

1）道路等級(jí)

根據(jù)規(guī)范，城市道路可分為快速路、主干路、次干路和支路四級(jí)。

2）道路長(zhǎng)度

道路由一定規(guī)模的路段組成，道路長(zhǎng)度為其包含的路段總長(zhǎng)。

3）道路寬度

文章研究的道路包含人行道、道路綠化帶等，因此寬度應(yīng)為道路兩側(cè)地塊紅線間的水平距離。

4）路面材質(zhì)

車(chē)行道與人行道的路面材質(zhì)不同。車(chē)行道材質(zhì)包括水泥混凝土路面、瀝青路面及其他材料路面；人行道材質(zhì)包括彩色預(yù)制鋪磚路面、現(xiàn)澆混凝土路面、天然石材路面等。

4.1.2 時(shí)間對(duì)象

圖1 城市道路實(shí)體層級(jí)

表1 城市道路時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系

城市道路的時(shí)間對(duì)象包含結(jié)構(gòu)、維度、密度和粒度等。在時(shí)間結(jié)構(gòu)上，城市道路管理往往經(jīng)歷施工、竣工、運(yùn)營(yíng)、維修和報(bào)廢等一系列按時(shí)間遞進(jìn)的事件，宜采用線性結(jié)構(gòu)。城市道路主要考慮現(xiàn)實(shí)事件發(fā)生的時(shí)間，維度上采用有效時(shí)間。城市道路養(yǎng)護(hù)的特征為某一穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)生突發(fā)事件，因此可采用離散型時(shí)間數(shù)據(jù)描述其密度。由于城市道路離散型的狀態(tài)較為穩(wěn)定，可采用單位“日”作為其時(shí)間粒度，即最小的時(shí)間單位。

4.2 時(shí)空對(duì)象關(guān)系

4.2.1 空間關(guān)系

根據(jù)空間上的所屬關(guān)系，城市道路在空間關(guān)系上主要有一對(duì)一、一對(duì)多兩類(lèi)。一對(duì)一表示元素在空間上互不包含，一對(duì)多表示一個(gè)元素包含多個(gè)另一元素。例如，道路由多個(gè)路段組成，則道路與路段為一對(duì)多關(guān)系；一個(gè)路段由多條車(chē)行道、人行道、隧道和多個(gè)附屬設(shè)施組成，因此路段與其包含的元素均為一對(duì)多關(guān)系。而人行道與道路綠化帶則互相分離、平行，為一對(duì)一關(guān)系。從實(shí)體的三個(gè)等級(jí)來(lái)看，一級(jí)要素與二級(jí)要素、二級(jí)要素與三級(jí)要素均為一對(duì)多關(guān)系，三級(jí)要素間均為一對(duì)一關(guān)系。在GIS中，空間關(guān)系用于對(duì)應(yīng)其中要素間的拓?fù)潢P(guān)系，一對(duì)多可對(duì)應(yīng)“包含”“點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)”的關(guān)系，一對(duì)一則對(duì)應(yīng)“相鄰”等關(guān)系。

4.2.2 時(shí)間關(guān)系

時(shí)間關(guān)系表達(dá)了實(shí)體在時(shí)間上的分布。城市道路的時(shí)間對(duì)象可分為時(shí)刻、時(shí)段，同時(shí)可分為時(shí)間方向、時(shí)間距離及時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系三種類(lèi)型。時(shí)間方向描述事件發(fā)生的順序，如城市道路先開(kāi)工，然后才是竣工、運(yùn)營(yíng)等事件。時(shí)間距離則描述事件之間的時(shí)間間隔，如城市道路從開(kāi)工到竣工間隔1年。時(shí)間拓?fù)潢P(guān)系則描述時(shí)刻、時(shí)段之間的關(guān)系，時(shí)間點(diǎn)代表時(shí)刻，時(shí)間邊代表時(shí)段，其拓?fù)潢P(guān)系如表1所示。

5 時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型構(gòu)建

以前述內(nèi)容為基礎(chǔ)，采用UML語(yǔ)言構(gòu)建城市道路的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，首先構(gòu)建空間數(shù)據(jù)概念模型。城市道路的空間對(duì)象較為復(fù)雜，模型中包含其空間特征、拓?fù)潢P(guān)系及屬性信息。其中，道路的幾何特征可抽象為“線要素”，表示道路中心線，具體內(nèi)容由路段表達(dá)。而路段及其中的橋梁、隧道、車(chē)行道、人行道、廣場(chǎng)、分隔帶綠島、道路綠化帶及盲道，均需要在管理中體現(xiàn)其寬度、長(zhǎng)度等屬性，因此其幾何特征表現(xiàn)均為“面要素”。城市道路上的點(diǎn)狀附屬設(shè)施，如占道燈箱、供電箱式變、路名牌、廣告牌、公交站臺(tái)和綜合桿等，占地面積較小，且管理中側(cè)重于坐標(biāo)、產(chǎn)權(quán)單位等信息，因此可作為“點(diǎn)要素”。多個(gè)對(duì)象形成對(duì)象類(lèi)，其幾何關(guān)系均在模型中表達(dá)，如圖2所示。

城市道路的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型由空間與時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)共同組成。時(shí)空模型包括空間數(shù)據(jù)模型中的全部對(duì)象及對(duì)象類(lèi)。以路段為例，路段的時(shí)空對(duì)象為特定時(shí)間內(nèi)，路段的狀態(tài)及操作信息，包括路段的施工、維修等，路段的時(shí)空對(duì)象類(lèi)則為多個(gè)路段的集合，其余城市道路對(duì)象的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型均以此邏輯構(gòu)建。路段的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型如圖3所示。

圖2 城市道路空間數(shù)據(jù)概念模型

圖3 路段時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究構(gòu)建了城市道路的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，為城市精細(xì)化管理提供信息化基礎(chǔ)。城市道路的時(shí)空信息數(shù)量龐大，不僅包含路段、橋梁、隧道和附屬設(shè)施等空間信息，也包括不斷變化的運(yùn)營(yíng)過(guò)程的時(shí)間信息，通過(guò)將時(shí)空信息抽象成模型，可被GIS系統(tǒng)識(shí)別并進(jìn)行管理。在模型中，城市道路的實(shí)體空間對(duì)象可分為要素、要素類(lèi)，同時(shí)包含實(shí)體需管理的屬性，如等級(jí)、長(zhǎng)度和寬度等。城市道路中按時(shí)間發(fā)展的一系列施工、維修等事件，則采用線性、離散的時(shí)間對(duì)象，并以“日”為單位描述。在時(shí)空關(guān)系上，城市道路內(nèi)部對(duì)象在空間上有一對(duì)一、一對(duì)多的關(guān)系，在時(shí)間上主要描述時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段之間的拓?fù)潢P(guān)系。依據(jù)以上信息，本文構(gòu)建了城市道路的時(shí)空數(shù)據(jù)概念模型，為后續(xù)邏輯、物理模型的構(gòu)建提供基礎(chǔ)依據(jù)。