路標(biāo)管理系統(tǒng)中的本體構(gòu)造和規(guī)則查詢

徐 丹，黃智生，張笑非，王東升，張絳麗

(1.江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.阿姆斯特丹自由大學(xué)，荷蘭阿姆斯特丹)

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人均汽車擁有量的不斷提高，交通安全和交通阻塞也成了日益嚴(yán)重的社會(huì)問題.作為重要的道路安全附屬設(shè)施，交通標(biāo)志牌上所表達(dá)的信息在規(guī)范交通行為、指示道路狀況、保障道路功效、引導(dǎo)行人和安全駕駛等方面具有重要的作用［1－2］.

因此，國家規(guī)范對(duì)于交通標(biāo)志的分類、外觀以及如何設(shè)置做了詳細(xì)的規(guī)定.我國于1986年首次發(fā)布道路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置的國家標(biāo)準(zhǔn)［3］，隨著交通的發(fā)展，分別于1999年和2009年頒布實(shí)施了修訂版［4－5］.

中國城市的發(fā)展和擴(kuò)張速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上許多城市.新路的修建，興趣點(diǎn)的頻繁變換，都將導(dǎo)致路標(biāo)系統(tǒng)的相應(yīng)變化［6］.在此過程中會(huì)有一些路牌得不到及時(shí)更換，傳達(dá)錯(cuò)誤或無效的信息.此外，還有一些交通標(biāo)志沒有遵循國家標(biāo)準(zhǔn)，隨意設(shè)置，如路標(biāo)位置混亂，路標(biāo)信息不一致(邏輯矛盾)，路標(biāo)不規(guī)范或欠缺等［7］.因此，需要對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行定期的管理和維護(hù).如今，交通標(biāo)志系統(tǒng)的管理和維護(hù)主要依賴于手工記錄和檢查，這對(duì)交通管理部門來說是一項(xiàng)復(fù)雜的工作.此外，在進(jìn)行此類復(fù)雜和不斷重復(fù)的工作時(shí)很容易犯錯(cuò)誤.因此，有必要設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)能自動(dòng)維護(hù)和更新的路標(biāo)管理系統(tǒng)［8］.

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)語義驅(qū)動(dòng)的路標(biāo)管理系統(tǒng)(SeRSM)，該系統(tǒng)主要包括兩部分功能，一是路標(biāo)的規(guī)范性審核，即驗(yàn)證現(xiàn)有的道路標(biāo)志是否符合國家標(biāo)準(zhǔn).另一個(gè)功能是指路標(biāo)志的有效性審核，即驗(yàn)證指路標(biāo)志的一致性和正確性.系統(tǒng)流程如圖1所示.首先，將已有的地理數(shù)據(jù)，如開放街道地圖(OSM)、興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)和路標(biāo)數(shù)據(jù)通過中介本體集成在一起［9］;其次，將交通規(guī)則從國家標(biāo)準(zhǔn)中提取出來，并用LarKC平臺(tái)支持的SPARQL查詢表達(dá);最后，將數(shù)據(jù)和規(guī)則導(dǎo)入LarKC平臺(tái)［10－11］，用于語義數(shù)據(jù)處理和推理.

圖1 系統(tǒng)流程圖

1 本文方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

路標(biāo)信息的設(shè)置與審核常常需要考慮到周圍道路的布局(如是否有交叉口等)，這就需要考慮周邊道路的信息，即地緣空間信息.由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和萬維網(wǎng)的發(fā)展，特別是城市地圖與道路信息系統(tǒng)的不斷完善，很容易把這些地緣空間信息納入到路標(biāo)管理系統(tǒng)中［7］.本系統(tǒng)中用到的數(shù)據(jù)主要有來源于開放街道地圖(Open Street Map，簡稱OSM)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)、來源于百度地圖的興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù)以及由本項(xiàng)目組采集的路標(biāo)數(shù)據(jù).所有的數(shù)據(jù)通過中介本體集成在一起［12］.語義技術(shù)能充分利用現(xiàn)有的多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為以語義三元組形式表達(dá)的Ntriple數(shù)據(jù).基于此，可方便地把這些地緣空間信息轉(zhuǎn)換成語義數(shù)據(jù)，為路標(biāo)管理系統(tǒng)的知識(shí)管理和推理提供基本條件［13］.

1.2 本體構(gòu)造和數(shù)據(jù)整合

本體的目標(biāo)是為了捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，提供對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)知的詞匯，并且從不同層次的形式化模式上給出這些共同詞匯和詞匯之間的明確關(guān)系［14］.因此，本體的用途包括交流、共享、互操作、重用等.本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)集包含大約500萬條三元組數(shù)據(jù)，需要采用本體技術(shù)把這些海量語義數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以組成一個(gè)有機(jī)的整體.

路標(biāo)管理系統(tǒng)中涉及的本體概念主要有路標(biāo)、道路、車輛和興趣點(diǎn)，概念之間的關(guān)系如圖2所示.道路是比較復(fù)雜的概念，將其劃分成節(jié)點(diǎn)元、連接元、道元和路元.興趣點(diǎn)和交通標(biāo)志都屬于節(jié)點(diǎn)元;節(jié)點(diǎn)元可以作為連接元的起點(diǎn)或終點(diǎn);多個(gè)連接元組成道元;路元?jiǎng)t由多個(gè)道元組成，表達(dá)了一條多方向的道路.根據(jù)百度地圖的分類，興趣點(diǎn)包括教育類、醫(yī)療衛(wèi)生類、餐飲類、交通設(shè)施類、住宅小區(qū)類、旅游景點(diǎn)類、休閑娛樂類、商務(wù)大廈類、名稱標(biāo)注類等.車輛分類包括大型車、小型車、貨車、客運(yùn)三輪車、貨運(yùn)三輪車、公交車、摩托車等.交通標(biāo)志可以指示興趣點(diǎn)的方向和距離，以及各種車型的限行時(shí)間和速度.

圖2 路標(biāo)管理系統(tǒng)本體概念之間的關(guān)系

交通標(biāo)志作為重要的交通輔助設(shè)施，其顏色、形狀以及設(shè)置地點(diǎn)都應(yīng)遵循國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.常見的道路交通標(biāo)志有4種:禁止標(biāo)志、警告標(biāo)志、指示標(biāo)志和指路標(biāo)志.每種標(biāo)志均可通過標(biāo)志的顏色，形狀和內(nèi)部圖符來表示，圖3詳細(xì)描述了交通標(biāo)志的本體構(gòu)造.

圖3 交通標(biāo)志本體

以十字交叉路口警告標(biāo)志為例，其生成的OWL文件可表示如下:

1.3 規(guī)則提取和表示

規(guī)則提取.我國現(xiàn)行的交通標(biāo)志標(biāo)準(zhǔn)是《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線 －第2部分:道路交通標(biāo)志》(GB5768.2—2009)［5］.從中提取了60 多條關(guān)于交通標(biāo)志設(shè)置的規(guī)則.這些規(guī)則可分為5類:

1)交通標(biāo)志的設(shè)置地點(diǎn)

a.在小學(xué)，幼兒園，少年宮等附近應(yīng)設(shè)置注意兒童標(biāo)志;

b.在會(huì)車有困難的狹窄路段的一端應(yīng)設(shè)置會(huì)車讓行標(biāo)志.

2)交通標(biāo)志之間的關(guān)系

a.解除禁止超車標(biāo)志應(yīng)和禁止超車標(biāo)志成對(duì)使用;

針對(duì)目前的 “雙積分”政策，積分成為商業(yè)資源改變了企業(yè)生產(chǎn)決策函數(shù)，本文建立了考慮積分交易時(shí)的企業(yè)利潤函數(shù)以及社會(huì)福利函數(shù)，通過 “新能源汽車CAFC得分效率決策——續(xù)航里程研發(fā)決策——產(chǎn)量決策”三階段博弈，求得了研發(fā)合作與研發(fā)競爭兩種情形下的最優(yōu)產(chǎn)量、續(xù)航里程研發(fā)量以及新能源汽車CAFC得分效率，并對(duì)兩種情形下的最優(yōu)續(xù)航里程研發(fā)量、總利潤以及社會(huì)福利進(jìn)行了比較。主要研究結(jié)論如下：

b.最低限速標(biāo)志不應(yīng)單獨(dú)使用，應(yīng)與限速標(biāo)志設(shè)置在同一標(biāo)志桿(牌)上.

3)交通標(biāo)志的內(nèi)容

a.指路標(biāo)志中各個(gè)方向指示的目的地?cái)?shù)量不宜超過6個(gè);

b.限速標(biāo)志的限速值不應(yīng)小于20 km/h.

4)交通標(biāo)志的并設(shè)

a.同一標(biāo)桿上的交通標(biāo)志不應(yīng)超過四種;

b.警告標(biāo)志不宜多設(shè)，同一地點(diǎn)需要設(shè)置兩個(gè)以上的警告標(biāo)志時(shí)，原則上只設(shè)置其中最重要的一個(gè).

5)交通標(biāo)志距離預(yù)告點(diǎn)的位置

a.交叉路口預(yù)告應(yīng)設(shè)置在交叉路口前300米到500米;

b.警告標(biāo)志至危險(xiǎn)地點(diǎn)的距離取決于道路的設(shè)計(jì)時(shí)速.

規(guī)則表達(dá).由于篇幅所限，只顯示部分SPARQL查詢的例子，如圖4所示.(a)是規(guī)則“在幼兒園附近應(yīng)設(shè)有注意兒童標(biāo)志”的SPARQL查詢.在“大地幼兒園”附近查找“注意兒童”標(biāo)志，如果結(jié)果是空則說明此處沒有按規(guī)定設(shè)置注意兒童標(biāo)志.(b)是規(guī)則“最低限速標(biāo)志不應(yīng)單獨(dú)使用，應(yīng)與限速標(biāo)志共同出現(xiàn)”的SPARQL表達(dá).首先單獨(dú)查找所有最低限速標(biāo)志和限速標(biāo)志，然后比較它們是否設(shè)置在同一地點(diǎn).(c)是規(guī)則“讓行標(biāo)志應(yīng)單獨(dú)設(shè)置”的SPARQL查詢.首先，查找所有的讓行標(biāo)志，然后對(duì)于每個(gè)讓行標(biāo)志檢查在同一地點(diǎn)是否存在其他標(biāo)志.(d)是規(guī)則“指路標(biāo)志中各個(gè)方向指示的目的地?cái)?shù)量不宜超過6個(gè)”的SPARQL語句.首先，找到所有的指路標(biāo)志，然后計(jì)算每個(gè)標(biāo)志的目的地個(gè)數(shù).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 部分交通標(biāo)志規(guī)則的SPARQL表達(dá)

選擇鎮(zhèn)江市作為實(shí)驗(yàn)樣本.鎮(zhèn)江和其他眾多中國城市一樣，經(jīng)歷著快速的成長和發(fā)展.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集包含大約500萬條三元組數(shù)據(jù)，其中包括300萬來自O(shè)SM的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，150萬源自百度地圖的POI數(shù)據(jù)以及30萬項(xiàng)目組自行采集的鎮(zhèn)江交通標(biāo)志數(shù)據(jù).

本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示.將所有三元組數(shù)據(jù)導(dǎo)入LarKC平臺(tái)的數(shù)據(jù)加載服務(wù)器.交通標(biāo)志規(guī)則首先轉(zhuǎn)換成SPARQL查詢，然后輸入到LarKC平臺(tái)的SPARQL查詢終端進(jìn)行處理.應(yīng)用程序ITSJUST建立在Jetty服務(wù)器上，用戶可通過Web瀏覽器訪問該應(yīng)用程序.

實(shí)驗(yàn)主要考慮4條道路:學(xué)府路、正東路、夢溪路、天橋路.其中學(xué)府路和天橋路是幾年前建成的新路，正東路和夢溪路建成已有十余年的時(shí)間.4條路共有215個(gè)交通標(biāo)志牌，包括384個(gè)交通標(biāo)志，其中有46個(gè)標(biāo)志牌設(shè)置不當(dāng).這里需要區(qū)分一下交通標(biāo)志牌和交通標(biāo)志的概念，1個(gè)交通標(biāo)志牌上可能有多個(gè)標(biāo)志，只要其中1個(gè)標(biāo)志存在問題，就認(rèn)為該標(biāo)志牌有問題.

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，在全部215個(gè)交通標(biāo)示牌中，系統(tǒng)成功找到42個(gè)有問題的交通標(biāo)志牌，漏檢了4個(gè).漏檢的交通標(biāo)志牌包括顏色或形狀不規(guī)范的交通標(biāo)志，或其設(shè)置地點(diǎn)涉及高度信息的交通標(biāo)志.這是因?yàn)椋煌?biāo)志顏色和形狀的自動(dòng)審核需要借助模式識(shí)別的方法進(jìn)行識(shí)別;另外，我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)只有二維信息，所以對(duì)于設(shè)置地點(diǎn)涉及高度信息的交通標(biāo)志無法審核其正確性.表1顯示各種問題以及相應(yīng)的交通標(biāo)志牌的個(gè)數(shù).表中信息過載是指標(biāo)志牌上承載過多信息，如指路標(biāo)志目的地過多;并設(shè)問題是指不正確的并設(shè)，如同一地點(diǎn)交通標(biāo)志過多或需單獨(dú)設(shè)置的交通標(biāo)志和其他標(biāo)志并設(shè);指路標(biāo)志不一致是指指路標(biāo)志內(nèi)容邏輯矛盾或無效;不規(guī)則的交通標(biāo)志是指顏色或形狀不符合國家標(biāo)準(zhǔn);設(shè)置地點(diǎn)錯(cuò)誤包括交通標(biāo)志設(shè)置地點(diǎn)錯(cuò)誤和交通標(biāo)志缺失2種情況.

表1 錯(cuò)誤種類以及相應(yīng)的交通標(biāo)志牌數(shù)

3 結(jié)論

提出一種基于語義技術(shù)的路標(biāo)審核方法.首先，將路網(wǎng)數(shù)據(jù)、百度POI數(shù)據(jù)以及交通標(biāo)志數(shù)據(jù)通過中介本體集成在一起.其次，將國家標(biāo)準(zhǔn)分成5類，并用SPARQL查詢表達(dá).最后，采用LarKC平臺(tái)進(jìn)行語義數(shù)據(jù)的處理和推理.在鎮(zhèn)江的一些道路上進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以成功地檢測出大部分有問題的交通標(biāo)志牌.

需要指出的是，存在一些與我們的研究類似的工作.在文獻(xiàn)［12］中，Lee等人使用語義技術(shù)開發(fā)首爾的路標(biāo)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)側(cè)重于指路標(biāo)志的有效性審核.在文獻(xiàn)［7］中，以城市米蘭為實(shí)驗(yàn)樣本，使用語義技術(shù)提供移動(dòng)環(huán)境下的路徑規(guī)劃服務(wù).

本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于:使用LarKC平臺(tái)驗(yàn)證現(xiàn)有的道路標(biāo)志是否符合國家標(biāo)準(zhǔn).下一步工作將構(gòu)建更加完整的本體，使之涵蓋與交通運(yùn)輸相關(guān)的各種概念.此外，將為本系統(tǒng)開發(fā)更多的推理支持.

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