楊 婷，洪匯隆

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣州 510000）

城市道路交通問(wèn)題是我國(guó)大中城市目前普遍面臨的社會(huì)問(wèn)題之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市人口和交通流量急劇增加，城市道路交通擁堵現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)重，極大地制約了城市的發(fā)展[1]。雖然我國(guó)在交通建設(shè)方面投入大量人力和資金，仍難以全面解決交通問(wèn)題。如何全方位地實(shí)時(shí)監(jiān)控交通路況，科學(xué)分析交通數(shù)據(jù)，有效地管理城市交通，緩解交通壓力是當(dāng)代社會(huì)一個(gè)值得研究的課題[2]。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之父E.F.codd 在20 世紀(jì)90 年代初提出了聯(lián)機(jī)分析處理（Online Analytical Processing，OLAP）的概念。OLAP 是在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速多維分析的商務(wù)智能技術(shù)，是一種為數(shù)據(jù)分析、管理或者執(zhí)行人員提供多角度、快速、一致和交互地存取信息的軟件技術(shù)。聯(lián)機(jī)分析處理可以輔助決策者作出正確的決策，分析人員和管理人員通過(guò)OLAP 從多角度觀察數(shù)據(jù)并獲取信息，并能夠支持各級(jí)管理決策人員從不同的角度、快速地對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行多種組合的查詢和多維的分析。OLAP 的主要基本操作包括：①切片（Slice）和切塊（Dice）；②鉆?。―rill）：上卷（Roll-up）和下鉆（Drill-down）；③旋轉(zhuǎn)（Rotate）；④其他操作[3]。

OLAP 作為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)分析的一個(gè)主要手段，可以對(duì)屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的多維分析和查詢。但是，城市交通的運(yùn)行往往還伴隨著地理空間特征，為了增強(qiáng)地理空間信息對(duì)城市交通運(yùn)行的決策支持，空間維度已經(jīng)成為利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的OALP 對(duì)城市交通數(shù)據(jù)進(jìn)行多維分析時(shí)的必不可少的維度?？臻g聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)（Spatial OLAP，SOLAP）將GIS 與OLAP 相結(jié)合，提供一個(gè)在空間維度上不同尺度進(jìn)行自動(dòng)鉆取的解決方案，實(shí)現(xiàn)各類空間聯(lián)機(jī)分析，為用戶提供更加全面靈活的空間決策支持[4-6]?？臻g聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)與傳統(tǒng)意義上的聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)的基本操作一樣，只是將操作對(duì)象換為空間數(shù)據(jù)立方體，空間聯(lián)機(jī)分析處理包括了局部分析、全局分析、概括分析和旋轉(zhuǎn)分析等操作。

本文基于空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的SOLAP 技術(shù)，設(shè)計(jì)適合交通綜合管理的系統(tǒng)架構(gòu)和主要系統(tǒng)功能模塊，利用針對(duì)以交通為主題的空間數(shù)據(jù)立方體切片、旋轉(zhuǎn)、鉆取等OLAP 操作從多視角分析交通流信息，并在電子地圖上進(jìn)行展示，以直觀的形式為交通管理者進(jìn)行決策提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體框架

城市交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。城市交通基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)指的是基于地理位置的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要為城市基礎(chǔ)地圖庫(kù)（行政區(qū)劃圖、道路交通圖、地址信息等） 和各類車輛的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）數(shù)據(jù)。城市交通基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)主要包括路口路段類型、道路安全屬性、交通小區(qū)、交通方式、交通設(shè)施、交通檢測(cè)點(diǎn)及車輛的相關(guān)信息（包括機(jī)動(dòng)車相關(guān)信息以及駕駛?cè)讼嚓P(guān)信息）等。利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理工具對(duì)城市交通原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗得到有效數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、裝載（Extract-Transform-Load，ETL）等操作裝載到交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建出與城市交通相關(guān)的不同主題的多維數(shù)據(jù)立方體。在城市交通相關(guān)的多維數(shù)據(jù)立方體上可以進(jìn)行切片、切塊、上卷、下鉆和旋轉(zhuǎn)等OLAP 操作。最后，將得到的OLAP 分析結(jié)果用亮度圖、顏色圖、專題地圖和空間三維圖等不同手段展示出來(lái)。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示，系統(tǒng)包括了3 層：數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)層、OLAP 層。數(shù)據(jù)源層為系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，包括了空間數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)層為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中間層，利用從數(shù)據(jù)源層獲取的處理后的城市交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及中央元數(shù)據(jù)構(gòu)建交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。OLAP 層為應(yīng)用層，將交通數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)構(gòu)建多個(gè)空間數(shù)據(jù)立方體，并對(duì)空間數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行OALP 分析操作獲得空間聯(lián)機(jī)分析結(jié)果，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化的表達(dá)。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 以城市交通為主題的空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建

城市交通綜合管理系統(tǒng)綜合了各個(gè)數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間的層級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量很大，為了最大限度地集成數(shù)據(jù)，提高執(zhí)行的效率，并為交通管理決策者提供決策支持，需要構(gòu)建一個(gè)在時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)（Temporal GIS，TGIS）的基礎(chǔ)上融合了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)的空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，以便從大量靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取城市交通數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

2.1 數(shù)據(jù)ETL

將數(shù)據(jù)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層提取到一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)環(huán)境中，依次需要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取（Extract）、清洗（Cleaning）、轉(zhuǎn)換（Transform）、裝載（Load）操作，這幾個(gè)操作叫做ETL，數(shù)據(jù)ETL 是構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的重要環(huán)節(jié)。

城市交通綜合管理系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的ETL 過(guò)程如下。

1）數(shù)據(jù)抽取。數(shù)據(jù)抽取主要是確定構(gòu)建系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)源并從源數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)。城市交通涉及的源數(shù)據(jù)庫(kù)包括了人口庫(kù)、城市交通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、城市道路交通數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)等。

??OECD，Competitive Neutrality:A Compendium of OECD Recommendations，Guidelines and Best Practices，OECD Publishing，2012，pp．5 ～9，pp．15 ～69．

2）數(shù)據(jù)清洗和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)清洗主要是對(duì)抽取數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢查，剔除無(wú)效、相似重復(fù)以及數(shù)據(jù)項(xiàng)空白的數(shù)據(jù)。由于不同數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)類型不一致，存在同義不同名、數(shù)據(jù)格式不規(guī)范等問(wèn)題，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換匯總提取的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3）數(shù)據(jù)裝載。最后，直接運(yùn)用SQL 語(yǔ)句或者用批量加載的方法把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，加載到城市交通空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。

2.2 以交通為主題的空間數(shù)據(jù)立方體

經(jīng)過(guò)ETL 的交通數(shù)據(jù)需要按照多維數(shù)據(jù)模型加載到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。多維數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的核心。多維數(shù)據(jù)模型是為了滿足用戶的查詢和從多個(gè)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的需求，建立的一個(gè)基于事實(shí)表和維度的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模型。建立多維數(shù)據(jù)模型，需要進(jìn)行維度和度量的設(shè)計(jì)。維度指觀察對(duì)象的角度，比如地理空間維、時(shí)間維、車輛維等，度量是與多個(gè)維度交叉的測(cè)度，如交通流車輛數(shù)量。

常見(jiàn)的多維數(shù)據(jù)模型有星形模型和雪花模型。星形模型的維表是非標(biāo)準(zhǔn)化的，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，讓事實(shí)表變得臃腫。通過(guò)對(duì)星型模型的進(jìn)一步層次化可以得到雪花模型。交通數(shù)據(jù)的層級(jí)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬性數(shù)據(jù)間存在較多的多對(duì)多關(guān)系。為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高查詢性能，本文選擇雪花模型來(lái)組織系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 交通空間數(shù)據(jù)雪花模型

該多維數(shù)據(jù)模型以城市交通事實(shí)表為中心，構(gòu)建出“交叉口”“交通路段”“交通小區(qū)”“車輛”“時(shí)間”這5個(gè)與城市交通相關(guān)的維，其中，“交叉口”維又包含“交叉口等級(jí)”維，“交通路段”維又包含“路段等級(jí)”維，“車輛”維又包含“車輛類型”維和“車主”維?！敖徊婵凇本S包含了交叉口ID、地理坐標(biāo)（X，Y）、日均交通流和交叉口等級(jí)等信息?！敖煌范巍本S包含了ID、路段長(zhǎng)度、車道、自由流速度、日均交通量、車公里數(shù)和路段等級(jí)等信息?！敖煌ㄐ^(qū)”維包含了ID、交通小區(qū)的面積和名稱等信息?！败囕v維”包含了車輛ID、GPS 坐標(biāo)、車輛類型及車主等信息?！皶r(shí)間”維包含了年、季度、月、日、星期幾、時(shí)、分和秒等信息。

3 系統(tǒng)主要功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

城市交通的綜合管理系統(tǒng)主要包括5 大功能模塊：系統(tǒng)登錄與后臺(tái)管理、數(shù)據(jù)采集與更新模塊、OLAP分析模塊、電子地圖展示模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 基本功能模塊

3.1.1 系統(tǒng)登錄與后臺(tái)管理模塊

系統(tǒng)登錄與后臺(tái)管理模塊應(yīng)該包括用戶角色的定義、角色權(quán)限賦予、結(jié)果發(fā)布審核和用戶添加等功能。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集與更新模塊

每天都有新的交通情況，所以城市交通綜合管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是需要不斷更新的。數(shù)據(jù)采集與更新模塊主要是采集每天不同車輛的GPS 信息，以及更新城市交通道路或者其他空間信息變化的情況。

3.1.3 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊主要是為了輸出由OLAP 分析的結(jié)果制作而成的報(bào)表和專題地圖等。

3.2 OLAP 分析模塊

OLAP 分析模板包括了OLAP 的基本分析、車輛軌跡查詢、綜合查詢等功能。

3.2.1 OLAP 基本分析

OLAP 基本分析包括了切片、切塊、上卷、下鉆和旋轉(zhuǎn)等功能。

當(dāng)數(shù)據(jù)立方體的維數(shù)過(guò)多時(shí)，人們往往很難觀察出度量隨維的變化規(guī)律，可以將其中一部分維（一個(gè)或多個(gè)）固定住，只觀察其他維上度量數(shù)據(jù)的分布情況。切片是只固定一個(gè)維來(lái)降低數(shù)據(jù)立方體的維度。例如，在交通空間立方體中的“路段等級(jí)”維上切片，并選擇路段等級(jí)等于“高速公路”，就可以得到高速公路上車輛的詳細(xì)情況。切塊是固定2 個(gè)或者2 個(gè)以上的維。例如，在交通空間立方體中的“路段等級(jí)”維和“時(shí)間”維上切塊，并選擇路段等級(jí)等于“高速公路”，時(shí)間等于“2022 年10 月10 日”，就可以得到在2022 年10 月10日高速公路上車輛的詳細(xì)情況。

空間上卷、下鉆是改變空間數(shù)據(jù)立方體的維的數(shù)量，或者改變維的層次，變換聯(lián)機(jī)分析的概括度和粒度?？臻g上卷就是實(shí)現(xiàn)空間地理要素聚集的過(guò)程，把符合條件的較小地理要素（線、面）進(jìn)行疊加、合并等操作，得到一個(gè)聚集后的地理要素。例如，可以在地圖上合并某時(shí)行駛某類車輛大于100 輛的路段集合?？臻g下鉆是空間上卷的逆操作，其結(jié)果是得到空間上卷前的更加詳細(xì)的地理要素，即合并前的較小地理要素集合。例如，在福州市交通地圖上進(jìn)行下鉆，得到福州市各區(qū)域詳細(xì)交通信息。

空間旋轉(zhuǎn)分析是變換觀察維的角度，從不同的方向來(lái)觀察度量在各個(gè)維上的分布情況。將每個(gè)維彼此在垂直方向上固定，并改變空間數(shù)據(jù)立方體維的方向，對(duì)整個(gè)空間數(shù)據(jù)立方體進(jìn)行方向上的變換。

3.2.2 車輛軌跡查詢

車輛軌跡查詢是通過(guò)車牌號(hào)及相應(yīng)時(shí)間段來(lái)查詢車輛的行駛軌跡，車牌號(hào)可以是車牌號(hào)的前幾位或是全部，在車牌號(hào)碼的輸入框中輸入相關(guān)的車牌號(hào)，會(huì)有相關(guān)的智能提示?？梢赃x擇智能提示中的車牌號(hào)或車牌的前幾位，然后再設(shè)定好相應(yīng)的時(shí)間段即可查詢，如查詢車牌號(hào)前幾位為“粵A00”且時(shí)間段為2011-05-01 11：00：37 到2011-05-01 17：00：37。

查詢到的結(jié)果可能是一項(xiàng)也可能是很多項(xiàng)，找到要查詢的車輛后單擊其車牌號(hào)，就會(huì)在地圖上播放該車的軌跡，可以通過(guò)查詢結(jié)果中的暫停播放及繼續(xù)按播放按鈕對(duì)軌跡播放進(jìn)行相關(guān)操作，該軌跡的記錄也在網(wǎng)頁(yè)左邊欄中顯示具體的記錄，單擊左邊欄的結(jié)果記錄會(huì)在地圖上定位到該記錄的位置，并顯示該記錄的相關(guān)信息，單擊地圖上的軌跡點(diǎn)也會(huì)顯示該點(diǎn)的相關(guān)信息。

3.3 電子地圖展示模塊

地圖基本操作功能主要包括地圖的放大、縮小、漫游、全圖、測(cè)距、測(cè)面積、鷹眼、清除、地圖顯示級(jí)數(shù)控制和地圖轉(zhuǎn)換等功能。通過(guò)地圖操作功能幫助用戶熟練操作地圖，使用戶更加方便地查看地圖信息。

以GIS 工具作為分析平臺(tái)得到的分析結(jié)果可以展示在電子地圖上，并制作成專題地圖的形式供決策人員參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于數(shù)據(jù)來(lái)源多，數(shù)據(jù)量大，很難用純手工方式或基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢的方式來(lái)管理與分析海量的城市交通數(shù)據(jù)，本文提出使用空間數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的Spatial OLAP 技術(shù)對(duì)城市交通數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與管理，可以從時(shí)間、空間等多維角度對(duì)城市交通數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，并以地圖和圖表的形式對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化展現(xiàn)，可大大提高城市交通管理效率，為決策者提供決策支持。