基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法

摘要

本发明公开了基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法，属于城市事故预警技术领域，在城市公共空间范围内的手机基站的实时数据进行搜集处理，通过数据清洗、空间连接、数据映射、基于空间面积的手机用户数量再分配等步骤，通过运算得到城市公共空间人流密度，并及时发出预警或警告信号。本发明处理方法简单易行，便于实时监测城市公共空间的人群密度，避免城市公共空间局部人口过密而引起的踩踏事故发生。使用本发明方法，可实时预警城市公共空间踩踏事故，并及时提示相关人员启动应急措施，具有实际的社会应用价值，减少踩踏事故带来的危害。

说明书

技术领域

本发明属于城市事故预警技术领域，具体涉及基于手机定位数据的城市公共 空间踩踏事故实时预警方法。

背景技术

城市公共空间是市民活动的重要场所与载体，主要包括开敞性(室外)公共 空间及封闭式(室内)公共空间，开敞性公共空间主要包括绿地公园、市民广场 等，封闭式公共空间主要包括展览馆、体育馆、文化馆、重要交通枢纽(火车站、 汽车站、机场等)。近年来，随着我国综合国力的增强，市民生活水平逐步提高， 城市公共服务设施逐步完善，城市建设了大量高品质的公共空间，大大丰富人民 物质精神生活。但是，城市公共空间具有瞬时集聚大量人群、且疏散缓慢的特点。 尤其在节庆和重大事件(会展赛事)，城市公共空间会出现人流瞬间集聚的现象， 如上海迎新年发生的群体踩踏事故。这给城市交通系统、基础设施系统、应急保 障系统带来了巨大压力，埋藏下极大的管理和安全隐患。

踩踏事故是公共空间重大安全事故中的主要类型。集会期间，公共空间会在 短时间集聚大量的人群，而人群密度一旦超过了临界值，人群就处于极大的风险 之中。国内外标准认为：当人群密度超过5人/平方米时，可将其视为连续介质， 人群中产生的扰动，如突然停电、谣言传播、自宽敞空间进入较狭窄的出入口、 不同方向人群汇聚等，会带来拥挤、阻塞、混乱、碰撞等现象，这些扰动将以波 的形式在人群中传播，将带来大量的伤亡。

在城市公共空间人流实时估计和管理方面，现有的人流密度监测方法主要有 摄影图像识别法、红外线识别法、刷卡记录法等，具有数据容量过大，精确度低 的缺点。本发明提供基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法， 运用大数据的方法实行人群智能感知，实时监测人流密集度。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事 故实时预警方法，克服现有调查方法的不足，充分利用现有的手机定位数据，为 城市规划领域研究城市公共安全提供了全新的视角及较为便捷的计算方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法，包括以下步骤：

1)对手机定位数据进行清洗得到包含移动用户识别码、信令小区和时间字 段的数据表，并将其录入地理信息处理模块；

2)根据信令小区编号，将清洗后的手机定位数据分配到每个信令小区，并 对每个信令小区的手机用户数量进行统计；

3)根据城市用地形态将信令小区划分为子信令小区，基于用地面积将每个 信令小区的手机用户数量分配到其子信令小区单元，再对这些子信令小区单元按 地块单元编号进行汇总，得到地块单元的手机用户数量；

4)根据地块单元的手机用户数量以及用地面积，计算目标公共空间地块单 元的人流密度；

5)根据人流密度P_i是否超过阈值来判断人流密度状态是否为危险运行状态， 预警当人流密度P_i大于5人/平方米为危险人流密度状态，发出红色警告信号；反 之，当人流密度P_i小于5人/平方米时，代表人流密度为绿色安全运营状态。

6)根据短时间(30分钟内)人流密度快速上升值是否超过阈值，进行预判 和预警，如人流密度短时间(30分钟内)增加超过阈值，则发出橙色预警信号。

7)实时显示人流密度状态为危险的公共空间并发出警报。

所述步骤1)中对手机定位数据进行清洗的步骤包括：

1.1)建立原始手机定位数据中包含的手机信令数据的属性数据库，导入数 据；

1.2)将用户在设定的时隙内出现次数最多的信令小区认为是该用户在该时 隙内所在的信令小区进行数据提取；

1.3)选出信令数据中包括移动用户识别码、信令小区和时间在内的与用户 移动性相关的字段并进行错误与缺失信息的清洗。

所述步骤2)中包括：

2.1)借助地理信息处理模块的泰森多边形功能，生成手机信令小区的空间 范围，并得到各个信令小区的手机用户数据与该空间范围一一映射的关系；

2.2)汇总每个信令小区的手机用户数量，并将此手机用户数量存储在每个 信令小区的面图元中。

所述步骤3)中包括：

3.1)根据实际测绘与卫星影像图，绘制有空间坐标的矢量建筑并标准建筑 层数，导入地理信息处理模块并存储为面图元；

3.2)借助地理信息处理模块，基于清洗后的手机定位数据获得手机信令小 区的空间范围和小区手机用户数量；

3.3)根据城市用地分类将信令小区形态与城市用地形态进行叠合，划分子 信令小区，同一信令小区范围内的子信令小区具有相同用地属性并从属同一信令 小区；

3.4)根据各个子信令小区内的用地面积统计得到各个信令小区内的用地面 积；

3.5)基于用地面积测算信令小区内各个子信令小区的手机用户数量；

3.6)根据各个子信令小区内的手机用户数量统计各个城市用地内的手机用 户数量。

所述步骤4)中包括：

4.1)根据地块单元的建筑底面积以及建筑层数得出建筑单体的建筑面积；

4.2)对地块单元内所有建筑单体的建筑面积进行汇总得到地块单元的总建 筑面积；

4.3)用地块单元的手机用户数量除以地块单元的总建筑面积得到目标公共 空间地块单元的人流密度；

所述步骤5)中包括：运用地理信息处理模块对人流危险状态进行警告判断： 其中，P_i为目标公共空间地块单元的人流密度，若P_i〉5，则计P_i-value为1；否 则计P_i-value为0，并存储到目标公共空间地块单元的面图元中。

所述步骤6)中包括：运用地理信息处理模块对人流危险状态进行预警判断： 其中，T_i为目标公共空间地块单元的人流密度短时间增加值，若T_i〉2，则计P_i-value 为2；否则计P_i-value为0，并存储到目标公共空间地块单元的面图元中。

所述步骤7)中包括：在实时显示模块上，显示P_i-value为1的公共空间位 置并发出红色警告信号；在实时显示模块上，显示P_i-value为2的公共空间位置 并发出橙色预警信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于手机定位数据的城市公共空间踩 踏事故实时预警方法具有如下优点：1)动态性与实时性：传统城市公共空间踩 踏事故的实时预警方法具有工作周期长、数据更新慢的缺点，因而缺乏时效性， 本发明针对性提出基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法，利 用可以实时更新的手机定位数据计算，实现了城市公共空间人流密度的动态监测； 2)准确性与高效性：传统城市公共空间踩踏事故的实时预警方法，本发明从手 机定位数据入手，更直接的监测市民的真实分布，且数据可及时更新，避免了传 统预警方法人眼判别带来的误差以及时耗；3)共时性：传统城市公共空间踩踏 事故的实时预警方法，主要对单一场所进行检测预警，本发明可同时对全城多个 公共空间进行监测，提供了更为全面的视角，便于有关部门更迅速而全面的做出 统筹决策。

附图说明

图1为基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法的流程图；

图2为基于用地面积对手机用户数量进行再分配方法流程图；

图3为实施例显示效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本 发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发 明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于手机定位数据的城市公共空间踩踏事故实时预警方法，主 要包括如下步骤：

S1：对手机定位数据进行清洗并录入地理信息处理模块；

S2：将清洗后的定位数据分配到每个信令小区，并对每个信令小区的手机用 户数量进行统计；

S3：基于用地面积将每个信令小区的手机用户数量分配到其子信令小区单元， 并按居住地块单元进行汇总，得到居住地块单元的手机用户数量；

S4：计算目标公共空间地块单元的人流密度；

S5：判断目标公共空间地块单元人流状态是否需要报警；

S6：判断目标公共空间地块单元人流状态是否为预警状态；

S7：实时显示危险的公共空间并发出警报。

下面以上海市域公共空间踩踏事故实时预警方法为例，详细说明本发明方法 的具体处理过程。

1)对获取的上海市手机定位数据进行清洗处理，录入地理信息处理模块(如 ArcGIS等软件)。其中手机定位数据可以从运营商处获取，定位数据的清洗可以 通过数据库软件、Excel、地理信息处理模块中的编辑器工具等。可按照如下步 骤进行数据清洗：

1.1)原始数据输入：建立上海市手机信令数据的属性数据库，生成表格及 字段。

1.2)用户与信令小区匹配：以一段时间(如1个小时)为一个时隙，将用 户在一个时隙内出现次数最多的信令小区认为是该用户在该时隙内所在信令小 区。

1.3)选出信令数据中与用户移动性相关的属性/字段，如：移动用户识别码 (MSID)，信令小区(CellID)，时间(Time)，时间(Event)等。

1.4)越界数据清洗。

A查询研究范围的经纬度坐标(GoogleEarth)。

B编辑命令，将表格内对应经纬度信息超过研究范围坐标的字段，予以删 除。

1.5)MSID(即IMSI)错误信息清洗。

A查询MSID数据正确格式(总长度不超过15位，同样使用0～9的数字。 其中MCC是移动用户所属国家代号，占3位数字，中国的MCC规定为460； MNC是移动网号码，由两位或者三位数字组成，中国移动的移动网络编码(MNC) 为00)

B编辑命令，将表格内对应错误的字段，予以删除。

1.6)Time错误信息清洗。

A查询Time字段中表示小时数的信息。

B将不在1～24区间的错误字段选中，予以删除。

1.7)CellID缺失信息清洗

A查询CellID对应的信令小区位置(对应表格由运营商提供)。

B将没有对应信令小区位置的CellID字段选中，并予以删除。

2)利用地理信息处理模块中的“空间连接”工具，将手机定位数据分配到每 个信令小区，并对每个信令小区的手机用户数量进行统计。具体包括：

2.1)借助地理信息处理模块的泰森多边形功能，可以生成上海市手机信令 小区的空间范围，同时各个信令小区的手机用户数据则与该空间范围一一映射。

2.2)汇总每个信令小区的手机用户数量，并将此手机用户数量存储在每个 信令小区的面图元中。

3)基于用地面积对每个信令小区的手机用户数量进行再切分，并且分配到 每个信令小区内的子信令小区单元，再对这些子信令小区单元按城市地块单元编 号进行汇总，得到城市地块单元的手机用户数量。具体包括：

3.1)基于上海实地测绘与从googleearth获得卫星影像图，运用autocad软 件中的“Polyline”命令绘制有精确空间坐标的上海全市域矢量建筑，并以“Text” 命令标准建筑层数。运用地理信息处理模块将autocad绘制的矢量建筑及层数导 入，并存储为shp格式的面图元。

3.2)通过手机信令数据获得手机信令小区的空间范围和小区手机用户数量。

通过手机运营商获得手机信令数据。手机数据包括信令小区数据和手机信令 静态数据。信令小区数据包括了信令小区编号和地理坐标。手机信令静态数据是 某时刻各个信令小区服务手机的数字。当手机发生开机、关机、主叫、被叫、收 发短信、切换信令小区或移动交换中心、周期性位置更新时，手机识别号、信令 成功时间、当时所处的信令小区编号均保存在手机信令数据中。此处的信令数据 使用剔除了用户属性之后的加密手机识别号，不涉及手机用户的个人信息。借助 ArcGIS等软件的泰森多边形功能，可以生成手机信令小区的空间范围，同时各 个信令小区的手机用户数据则与该空间范围一一对应。

3.3)将上海市的信令小区形态与城市用地形态进行叠合，使用地理信息处 理模块中的“相交”命令，叠合获得信令子信令小区形态。

使用地理信息处理模块中的“相交”命令，将城市用地空间形态与手机信令小 区的空间形态进行叠合，两者切割形成的最小空间单元(信令小区被城市道路切 分而成的单元)，即为信令子信令小区。同一子信令小区具有相同城市地块单元 编号和从属同一信令小区的特征，是手机信令数据空间识别的重要过程单元。

3.4)统计各个信令小区内的用地面积M。

根据各个子信令小区内的用地面积，将属于同一信令小区的子信令小区进行 归并，计算各个信令小区内的用地面积。

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{M}_i$

式中，M_i为子信令小区i的用地面积，n为同一信令小区的子信令小区数量。

3.5)基于用地面积测算信令小区内各个子信令小区的手机用户数量。

基于信令小区内相同用地面积的手机用户分布密度相等的假设，同一信令小 区内不同子信令小区的手机用户数量与其用地面积成正比，通过用地面积测算信 令小区内各个子信令小区的手机用户数量K_i。

3.6)统计各个目标公共空间地块单元内的手机用户数量。

根据各个子信令小区内的手机用户数量，将属于同一公共空间地块单元内的 子信令小区进行归并，计算各个用地内的手机用户数量。

${K_i}^{,}{\Sigma }_{i=1}^n{K}_i$

式中，K_i为子信令小区i的手机用户数量，n为同一公共空间地块单元内的 子信令小区数量。

4)计算目标公共空间地块单元的人流密度。

4.1)通过地理信息处理模块统计目标公共空间地块单元的建筑底面积X_j以及 建筑层数F_j,相乘得出其总建筑面积A_j，记录统计结果并储存。

A_j＝X_j*F_j

${\mathrm{AA}}_i={\Sigma }_{j=1}^n{A}_j$

4.2)对地块单元内所有建筑单体的建筑面积A_j进行累加汇总，得到统计该目 标公共空间地块单元的总建筑面积AA_i。

$P_i=\frac{K_i}{{\mathrm{AA}}_i},$

根据3.6)获得的目标公共空间地块单元的手机用户数量K_i’以及4.3)获得的 目标公共空间地块单元的总建筑面积AA_i,计算得到目标公共空间地块单元人流 密度P_i。

5)判断目标公共空间地块单元人流状态是否需要警告。

根据4.2)获得的目标公共空间地块单元的人流密度P_i对人流危险状态进行 判断，若P_i〉5，则计P_i-value为1；否则计P_i-value为0，并存储到目标公共空间 地块单元的面图元中。

6)判断目标公共空间地块单元人流状态是否需要预警。

运用地理信息处理模块对人流危险状态进行预警判断：其中，T_i为目标公共 空间地块单元的人流密度短时间增加值，若T_i〉2，则计P_i-value为2；否则计P_i-value 为0，并存储到目标公共空间地块单元的面图元中。

7)实时显示危险的公共空间位置并发出警报。

在实时显示模块上，显示P_i-value为1的公共空间位置并发出红色警告信号。

在实时显示模块上，显示P_i-value为2的公共空间位置并发出橙色预警信号。