（管理科学与工程专业论文）智能交通系统的共用信息平台的研究.pdf

摘要 摘要 发展智能交通系统是解决城市交通拥挤等交通问题的有效途径之一。共用信 息平台建设是智能交通系统的关键组成部分，它是进行指挥调度、车辆监控、方 便用户出行、有效进行路径规划和路径诱导等的基础和平台。目前的共用信息平 台技术，主要基于c o r b a 的共用信息平台、基于j 2 e e 的共用信息平台和虚拟共用 信息平台等，其中以基于c o r b a 的共用信息平台应用较为广泛，但其在实际应用 中也存在一些问题，如成本较高、开发周期比较长等。因此，智能交通系统的未 来发展方向之一，就是继续研戈和完善共用信息平台技术。 信息处理是共用信息平台的核心功能之一。其方法和技术研究在世界上属于 正在开发的领域，现在应用较多方法和技术包括数据质量控制、数据集成、数据 压缩和抽样存储、数据融合，但还没有一个完备的解决方案。存在不完整的、含 噪声的和不一致的数据是海量交通数据所形成的交通数据库的共有特点。论文对 此类数据预处理进行了分析和研究。通过对故障数据识别的研究，提出一种数据 质量控制算法。其目的是提高数据质量，从而提高信息处理的效率和结果的质量。 论文在分析讨论基于c o r b a 的共用信息平台、基于j 2 e e 的共用信息平台以及 虚拟共用信息平台的基础上，结合当前的发展趋势和各自特点，提出了基于c o r b a 的分布式数据库与数据融合集成化综合数据库共享为基础的共用信息平台体系框 架。在交通信息交换接口层，提出了异构数据库数据交换的方法以及系统接入新 系统时接口的设计；在交通信息处理层，重点讨论了采用路网点位交通参数与g i s 图表的映射，实现路网空间数据的组织与数据库存储管理，并采用基础交通数据 融合出路网相关点位的交通拥挤度及事故状态信息，丰富和充实了路网交通数据； 在信息应用服务层，系统通过信息融合和信息挖掘能对子系统提供基本服务和高 级服务等数据服务。该体系结构能较好地消除信息孤岛现象，使系统信息能够得 到共享提高信息的利用率。 最后，通过对信息融合技术的研究和分析，提出一种面向i t s 共用信息平台 的数据融合和事故融合的实现方法，这种方法在技术上是可行的，具有一定的实 用性和广泛的应用价值。 关键词：智能交通系统；共用信息平台；信息融合；体系框架 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) i so n eo fe f f i c i e n t w a y st os o l v et h ep r o b l e m so fu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t p a r t so fi t s ，c o n u n o ni n f o r m a t i o np l a t f o r m ( c 口) c a r lb r i n gc o n v e n i e n c e t op a s s e n g e r s ， i m p l e m e n tr o u t eg u i d a n c e ，c a r r yo nv e h i c l e sm o n i t o r i n ga n dd i s p a t c h v e h i c l e s a t p r e s e n t , t h e r ea r es e v e r a lc o i n l n o ni n f o r m a t i o np l a t f o r mm e t h o d s ，s u c ha sc o r b a ， j 2 e e ，v i r t u a lc o m m o ni n f o r m a t i o n ，a l lo fw h i c hb a s e do nc o r b ac o m m o ni n f o r m a t i o n p l a t f o r mi su s e df r e q u e n t l ye x c e p tf o rt h eh i g h e ri n v e s t m e n ta n dt h el o n gp e r i o d d e v e l o p m e n t t h e r e f o r et h et e c h n o l o g yo fc i ps h o u l db es t u d i e da n dp e r f e c t e di n f u t u r e a so n eo fc o r ef u n c t i o n so fc 1 e , t h es t u d yo fd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sa n d t e c h n i q u e si sc o n t i n u i n gi nt h ew o r l d ，t h em e t h o d sa n dt e c h n i q u e si n c l u d e ：d a t aq u a l i t y c o n t r o l ，d a t aa g g r e g a t i o n ，d a t ac o m p r e s s i o na n ds a m p l i n gs t o r e ，d a t af u s i o n , b u tt h e r ei s n os e l f - c o n t a i n e dm e t h o d so rt e c h n i q u e t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a f f i cd a t a b a s ei st h a t 吐l e yi n c l u d el a r g eo fh a l f - b a k e da n di nc o n s i s t e n td a t a d a t ap r e p r o c e s s i n gi sa n a l y z e d a n ds t u d i e di nt h i sp a p e r t h r o u g hs t u d yo ft h er e c o g n i t i o no ff a u l td a t a , ad a t aq u a l i t y c o n t r o la l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d i t sp u r p o s ei st oi m p r o v ed a t aq u a l i t y , t h e r e b y i m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c yo fd a t ap r o c e s s i n ga n dt h eq u a l i t yo ft h er e s u l t s t h r e ek i n d so fc o m m o ni n f o r m a t i o np l a t f o r ms y s t e mf r a m e w o r ki sd i s c u s s e di nt h e p a p e r , a n dan e wc o m m o ni n f o r m a t i o np l a t f o r ms y s t e mf r a m e w o r k i sp u tf o r w a r do nt h e b a s i so ft h ec u r r e n tt r e n d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe a c h , w h i c hi sb a s e do nd i s t r i b u t e d d a t a b a s ea n dd a t af u s i o n o nt h el a y e ro fd a t ae x c h a n g e ，t h r o u g hi d e n t i f y i n g i n f o r m a t i o nf o r mm a r k i n g ，i tr e a l i z e st h ei n f o r m a t i o nf o r m a tc o n v e r s i o n ；o nt h el a y e ro f d a t ap r o c e s s i n g , t h ef o u n d a t i o nt r a n s p o r t a t i o nd a t ai su s e dt of u s et h et r a f f i cc o n g e s t i o n a n da c c i d e n tc o n d i t i o ni n f o r m a t i o no ft h er o a d ，a n dt h er o a dt r a n s p o r t a t i o np a r a m e t e r m a p p i n gt ot h eg i sg r a p hi s u s e dt oo r g a n i z ea n dm e m o r yd a t a ；o nt h el a y e ro f i n f o r m a t i o na p p l i c a t i o ns e r v i c ea n dl e v e l ，t h es y s t e mc a np r o v i d ec o u p l e ts y s t e mb a s i c d a t as e r v i c ea n dh i g h - l e v e ls e r v i c et h r o u g hd a t af u s i o na n dd a t am i n i n g t h i ss y s t e m s t r u c t l l r ec a ne l i m i n a t et h ei n f o r m a t i o ni s o l a t e di s l a n dp h e n o m e n o nw e l l ，e n a b l e st h e s y s t e mi n f o r m a t i o nt ob es h a r i n ga n de n h a n c et h ei n f o r m a t i o n u s e f i n a l l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd a t af u s i o nt e c h n i q u e ，ar e a l i z a t i o no fc o m m o n i n f o r m a t i o np l a t f o r mf o ri t sd a t af u s i o na n da c c i d e n ti n t e g r a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d ， t h i sm e t h o di st e c h n i c a u yf e a s i b l e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ：c o m m o ni n f o r m a t i o np l a t f o r m ：d a t a f u s i o n ：s y s t e mf r a m e w o r k 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曾窍鹏 日期：渺缪年月乒日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位乎文作者签名、膏殇 日期：2 p d 多年月弘日日期：2 p d 荔年月弘日 明 躲鲁落 日期：a 掰年f 月，f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 多年来，国内外的实践经验证明，单纯依靠修建道路基础设施和传统的管理 方式来解决交通问题，不仅成本昂贵环境污染严重，而且缓解交通拥挤的效果也 十分有限。电子技术、通信技术、计算机技术和自控技术的发展，为解决交通问 题提供了新的思路，即用地是有限的，道路扩容和升级是趋势，而且更应该采用 现代化的技术手段来对城市交通进行更有效的控制和管理，提高交通的舒适性，最 大限度地发挥现有道路系统的交通效率。智能运输系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ，i t s ) 就是解决这一矛盾的途径之一，其重要性正被越来越多的人所认可。 中国智能交通系统体系框架研究报告中对智能交通系统给出了如下定义：在 较完善的基础设施( 包括道路、港口、机场和通信等) 之上，将先进的信息技术、 通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效地集成，并应用于地面运输 系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、准确、高效的运输系统。 智能交通系统是一项巨大的综合性系统工程。通过对智能交通系统技术的研 究开发和应用，将目前单独存在的车辆、道路、环境、信息融合，将各种交通运 输手段融合，逐渐使交通系统化，使之真正成为快速、准时、安全、便捷和舒适 的交通运输体系。正是由于智能交通系统的复杂性导致现有的部分智能交通系统 各自为政，没有实现互通互连，交通“信息孤岛 问题很突出，信息分散，利用 率不高，已经成为一些城市发展i t s 的瓶颈。这是因为以下两个原因，首先，由于 我国i t s 起步较晚，相关的规范基本还是处于研究和制定阶段，各城市建设i t s 时 可供参考的太少。其次，各种新技术层出不穷。由于建设和实施的阶段性、技术 性，导致大量的数据采用不同的存储格式，并且系统采集的数据大多仅仅只应用 于某一个子系统，“信息孤岛 现象极为严重。而消除信息孤岛的根本办法是对资 源进行统一规划，研制一体化智能信息处理平台，以达到资源共享和协同工作目 的。因此，统一规范地组织和存储各种数据供i t s 子系统使用，可以充分利用已采 集的数据，实现交通信息资源的共享和融合，保证投资效益以及为更综合广泛的 应用提供基础；同时，能够适应新系统信息接入和应用加载，这对提高整个i t s 系 统性能极为关键。 i t s 实现的基础是信息化的实现，其最终的服务对象不仅包括出行者，还包括 运输机构、关联企业等等。其中，信息化是实现智能交通系统的各项功能的核心 和关键之一。这里提出的共用信息平台是进行系统信息集成的重要手段，它将为 各种相关子系统提供引导接入策略和信息共享服务。它将对整个城市交通信息各 第一章绪论 2 系统共用数据组织结构和传输形式进行规范，并形成一个对共用数据进行组织、 存储、查询、通信等管理服务的数据仓库系统。共用信息平台是i t s 进行整合的 技术保障。其具体组成可包括交通信息公用基础设施、交通信息公用数据仓库、 交通信息公共数据规范和标准、应用系统开发共享软件库等。利用共用信息平台 资源和技术的支持，将为实现社会化交通信息增值服务创造基础条件，其目的是 通过政府集中建设项目的技术及设施优势，通过技术服务和设施使用服务，形成 交通信息的流通枢纽，并以此为依托实现系统的规范化与资源共享目标。 对共用信息平台的规划及设计应明确逐步扩展的系统各部分之间的相互衔接 关系，确定功能和接口衔接要求和相关技术标准，并研究和确定投资及运行机制 盘蟹 号手o 共用信息平台是通过对共用数据的采集( 如道路使用状况、交通状况和交通 管理数据等) ，为智能交通系统的信息使用者提供不同的服务，满足管理者和使用 者对共用信息的需求( 如车辆调度计划制定时对交通状况信息的需求) 。同时，通 过共享信息支撑政府部门间和行业管理与市场规范化管理方面协同工作机制的建 立，如通过共用安全数据为交通运输管理提供支撑。 1 2 研究的目的、意义和研究内容 1 2 1 建设共用信息平台的障碍和问题 建设共用信息平台的障碍 1 ) 管理体制障碍 i t s 建设涉及众多行业领域，是社会广泛参与的复杂系统工程，行业间的协调 很复杂。同时，中国目前还没有类似国外统管大交通的运输部，由于i t s 除了涉及 公路、铁路、水路、航空等交通部门外，还涉及公安、消防、环保、急救、物流 等行业和部门，现行条块分割的管理体制给i t s 的集成带来了很大困难。 2 ) 经济条件制约 由于国民经济的快速发展，其对于交通运输的需求也急剧增长，致使车和路 的矛盾越来越突出。虽然i t s 的建设和使用已受到了社会各界的普遍关注，但我国 基础设施数量缺口很大，在一段时期内主要还要以修路来解决交通问题。因而按 照分地区、分阶段发展的特点，需有选择地进行一些i t s 应用系统的建设。 3 ) 技术限制 i t s 是多学科交叉应用的典型，信息技术的高速发展为i t s 共用信息平台的建 设提供了良好的技术条件。i t s 共用信息平台建设中的关键技术有：信息源接口和 信息标准技术、数据融合技术、数据仓库技术和数据挖掘技术等。近年来，各大 城市建设并应用一批i t s 子系统，为i t s 共用信息平台的建设提供了基础和可能。 第一章绪论 3 要解决的主要问题 1 ) 兼容性问题 各种异构平台的兼容性问题是共用信息平台要解决的主要的问题之一，这是 所说的异构包括异构网络、异构计算机、异构操作系统、异构数据库等环境。平 台就是要实现“透明”的信息共享和访问，难度很大。 2 ) 现在系统的集成的问题 由于我国特有的条块分割的管理体制的制约，导致现有的i t s 子系统是按部 分、分地区、分阶段建设的，因而各个管理单位都有针对自己不同需求的i t s 子系 统及只为该系统识别的数据格式，如何利用历史数据和实现现有系统的集成就成 为平台建设的理由之一。实现已有系统的移植和新系统的引入就成了平台迫切要 解决的问题之一。 1 2 2 研究的目的和意义 从国内外经济发达城市的经验来看，合理的路网规划和建设是基础，解决“通 的问题，将智能交通系统作为有效的基本管理工具和手段，配合一定的组织机构 及法律、法规，解决“管 的问题，同时，智能交通系统所采集和计算的有关动 态交通信息，又可为路网规划、建设及评估提供充分的科学依据，避免人工调查 工作量大，数据不全面，且数据动态性差等弊端。显然，智能交通系统是解决路 网效能问题的关键，尤其是在路网交通流量接近饱和及路网管理高度复杂的情况 下，高效的智能交通系统就成了解决路网管理问题、充分发挥路网通行效能、降 低管理成本的根本途径。这就是国内外经济发达城市高度重视智能交通系统的原 因所在，但智能交通系统是一项涉及管理、电子、通讯、计算机、自动控制、人 工智能、机械、数学等诸多学科的复杂系统工程，从总体来看，智能交通系统建 设投资较大，应用要求较高，发展也很快，基本是以特定的技术手段实现局部的 某些功能，造成各类应用系统繁多、功能重叠、标准各异、不易整合的弊端，只 实现了比较好的“管 ，距离人们所期望的终极目标尚有距离，仍有一些关键问 题还需继续研究，成熟而公认的整体性系统还未出现，而且目前国家也未出台有 关建设和技术规范。在此情况下，充分吸取国内外经济发达城市实施智能交通系 统的经验教训，通过对智能交通技术发展趋势的正确把握及各类智能交通系统结 构的分析，以合理的系统组合结构和技术路径实现积木式发展，杜绝重复建设， 尽快形成具有重庆特色的智能交通系统，以较低的成本达成高标准建设目标，实 现路网科学建设、管理及充分发挥路网通行效能、降低管理成本之目的，就成了 重庆城区公路网科学管理、建设、规划的根本解决途径。 1 2 3 研究内容 本文的研究内容如下： 第一章绪论 4 根据i t s 交通数据的特征，对数据的故障识别、质量控制算法、数据的补 充进行研究。 研究数据处理的流程，分析路网上点位数据的时空规范化，数据格式标准， 数据冲突，数据故障，交通拥挤度判别以及交通事件的判别等问题的原因并提出 解决方法。 分析共用信息平台数据库的实现方式，并对异构数据库的互通以及路网数 据的存储进行研究。 通过对各城市i t s 共用信息平台实现技术的研究，提出一种新的共用信息 平台的体系结构，保证对已有子系统的兼容性，并为以后的发展留出空间。 针对当前信息融合实现困难的问题，设计一种信息融合的方法，对速度， 流量，占有率等主要数据进行融合。 1 3 论文结构 论文分析了现有共用信息平台的研究现状及相关技术，分析了数据预处理的 流程和方法，综合多种信息技术，提出了一种基于c o r b a 的新的共用信息平台 体系结构，研究了异构数据库的信息交换以及海量数据的存储，并设计出一种信 息融合的方法，可以对交通数据和交通事件进行融合。 本文的安排如下： 第一章：介绍论文的研究背景、目的、内容和意义以及建设i t s 共用信息平 台的必要性和先进性，分析了当前建设共用信息平台的障碍和问题。 第二章：概述共用信息平台的研究现状，并对中国四个主要城市的研究和实 施情况进行了介绍。此外，介绍本研究将涉及的相关技术，包括：x m l 技术，中 间件技术，分布式数据库系统，数据仓库等。 第三章：分析了i t s 交通数据的特征以及数据故障的识别，提出相应的预处 理方法。设计了数据质量控制算法。探讨了时间点修正、数据的时空规范化以及 数据的补充等问题。 第四章：基于对现有共用信息平台体系结构的分析，提出了基于c o r b a 的分 布式数据库与数据融合集成化综合数据库共享为基础的共用信息平台体系框架及 实现方法。在交通信息交换接口层，提出了异构数据库数据交换的方法以及系统 接入新系统时接口的设计；在交通信息处理层，重点讨论了采用路网点位交通参 数与g i s 图表的映射，实现路网空间数据的组织与数据库存储管理，并采用基础 交通数据融合出路网相关点位的交通拥挤度及事故状态信息，丰富和充实了路网 交通数据；在信息应用服务层，系统通过信息融合和信息挖掘能对子系统提供基 本服务和高级服务等数据服务。该体系结构能较好地消除信息孤岛现象，使系统 第一章绪论 5 信息能够得到共享提高信息的利用率。 第五章：通过对信息融合技术的研究和分析，提出一种面向i t s 共用信息平 台的数据融合和事故融合的实现方法，这种方法在技术上是可行的，具有一定的 实用性和广泛的应用价值。 第六章：总结与展望。 1 4 本章小节 论文之始，本章首先概述了当前我国城市存在的交通问题，提出了发展共用 信息平台的意义和实现交通信息化的必要性。从而，引出了进行共用信息平台建 设的必要性和重要性。而后，介绍了论文的写作思路，阐述了论文研究的主要目 的、内容与意义，为后续章节的研究与叙述奠定基础，指明方向。 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 6 第二章it s 共用信息平台的研究现状和相关技术 2 1 国内外相关研究现状 2 1 1 概述 共用信息平台( c o m m o ni n f o r m a t i o np l a t f o r m ，c i p ) 自被提出至今，由于交通、 i t 技术的发展和外在的推力，得到了飞速的发展。近几年，c i p 更是成了国内外 研究的热门领域，综观c i p 的研究群体，大致可以分为如下4 类：学者、研究机 构研究人员，公共组织，企业，提供c i p 产品、服务的软件厂商。 由于不同群体的研究目标不同，他们对c i p 的研究重点自然不甚相同，很明 显学者、研究人员比较注重c i p 理论研究，而企业和软件厂商则注重c i p 的实施 应用，接下来就回顾一下学者、研究人员对c i p 的研究现状。 近几年来，研究c i p 的国内外学者越来越多，关于c i p 的文章、著作也越来 越多，作者对中国学术期刊全文数据库、中国优秀博硕士学位论文全文数据库等 1 9 9 4 年至2 0 0 6 年的文献进行检索，有关的文献有2 0 0 多篇。通过分析这些文献发 现学者主要从下述几方面在研究c i p 。 c i p 概念、范围 c i p 在中国i t s 中的重要性已获得了i t s 业界人士的广泛认同，并成为i t s 领 域研究的热点。它与国外交通信息系统的概念不同，它在很大程度上是各子系统 的整合，如何通过信息平台实现各子系统之间信息的采集、存储、管理和传输成 为实现先进的交通信息系统各项功能的核心和关键。对于c i p 的概念，有许多不 同的说法，主要有以下几种： 1 ) c i p 的确切含义是对整个高速公路管理信息系统共用数据组织结构和传输 形式的一种规范化定义，以及一个对共用数据进行组织、存储、查询、通讯等管 理服务的数据仓库系统。 2 ) 共用信息平台是一个智能交通系统与各个子系统之间信息交互和共享的载 体，它不但从各个子系统获取各种交通行为信息，并对其进行综合处理后，以全 局和系统的角度利用这些信息，为各个交通子系统的服务提供依据和指导。 3 ) i t s 共用信息平台是一种整合i t s 各子系统信息资源，按一定标准规范完 成多源异构数据的接入、处理、分发等功能，并面向应用服务且能支撑i t s 业务 的物理系统。 c i p 模式 大部分学者由原先的感性、笼统的讨论c i p 的模式分层、不同集成层次模式选 择过渡到了模式的设计、实现。如徐效美、张国才提出了企业应用集成常见的模 式以及不同集成层次集成模式的选择问题，而郝伟伟，黄承明，朱健，董德存等 第二章1 t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 7 则介绍了美国c 2 c ( 一个中心到另一个中心) 工程模块化构建方法，并详细阐述了 该方法在我国智能交通共用信息平台建设中应用的可能性和实际意义乜j 。 c i p 架构及实现技术 随着i t 技术的发展，用于架构的方案选择也比较多。当前，c i p 架构主要采 用中间件来实现。李吴，袁理；杜荣华等均提出了基于c o r b a 的c i p 的实现方案聆1 。 章威，徐建闽等提出了基于j 2 e e 的软件体系结构h 1 。王卫疆，陈芳信，汪秉文等 提出了基于j 2 e e c o r b a 的i t s 共用信息平台软件总体架构的设计与实现3 。另外， 刘卫宁，孙棣华，宋伟，熊志宏等提出了虚拟共用信息平台实现信息的共享和集 成吲。 a g e n t 技术是软件工程和人工智能领域的研究热点，a g e n t 是指模拟人类行为和 关系、具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务的程序。杜荣华等提出了基 于a g e n t 技术的i t s 共用信息平台模型a i t s m ( a g e n t - b a s e ai t sm o d e l ) ，基于该模型 提出了一种公用信息平台架构并实现了某大型i t s 系统【7 j 。 国外在智能交通系统的建设中，普遍重视信息技术的广泛应用、系统的集成 和集成信息平台的建设。 日本警视厅开展的u t m s 项目，在原有交通指挥中心的基础上，交通管理综合 集成系统( r r c s ) 以交通管理地理信息系统为基础，将交通管理及应用系统，如 先进的动态交通信息系统，动态路径诱导系统，公交车优先系统以及紧急救援系 统等，综合集成为一个整体。通过先进的感应器收集动态交通信息，进行数据融 合，最终实现对信号灯的最优控制和自动化交通信息发布。i t c s 是u t m s 的核心 系统与集成环境。 在美国，a t m s 的指挥中心就是a t m s 的综合集成系统。它通过通信控制机从 系统公路的传感器得到数据，经中心处理计算机处理并发布出来。其可以实现事 故检测和交通诱导。目前它的研究主要集中在以下几个方面：实时交通分析系统， 动态交通分配系统，事故检测与反应系统等。 在新加坡，经过2 0 多年的规划和建设，智能交通系统已经基本成形，包涵十 几个不同的子系统，为保障交通畅通发挥了巨大的作用。它采用中心数据库方式， 结合中间件技术和开放式数据库互联技术，建成跨越不同数据库服务器、不同操 作系统的应用程序接口，实现交通流信息、交通管理信息、交通地理信息、交通 控制信息的集成。但是，由于其建设跨度较大，因此，系统开销比较大，数据重 复采集的问题比较严重。 在我国，i t s 共用信息平台的研究已经成为交通领域研究的热点问题。在国家 i t s 建设示范城市中，都有关于i t s 共用信息平台研究的子项目，在一些城市，甚 至已经进入实施阶段。 一 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 8 2 1 2clp 的技术实现 基于c o r b a 的交通共用信息平台的实现 c o r b a 是在不同平台、不同语言之间实现对象通信的模型，它为分布式应用环 境下对象资源共享、代码重用、可移植和对象间相互访问建立了通用标准，同样 也为在大量硬件、软件之间实现互操作提供了良好的解决方案。基于c o r b a 的i t s 共用信息平台如图2 1 所示聆1 。 cc oo rr b b a a 代通 理 信 模 块 数 据 处 理 模 块 圄 l 数据库i 、- 图2 1 基于c o r b a 的交通共用信息平台的实现 f 磁1r e a l i z a t i o no fc i pb a s e do nc o r b a 采用这种软件总体架构的优点是：c o r b a 在标准上非常健全，互操作性和开放 性都是最好的，适用于庞大、复杂的分布式应用。在c i p 的建设中，由于各子系统 都很复杂，而且相对独立，在平台、操作系统、数据源类型等多方面都不相同， 要整合各个孤立的信息源成为完整的c i p 是非常复杂的工作，而c o r b a 能为这种融 合提供最方便而完备的接口支持。其缺点是：庞大而复杂，并且技术和标准的更 新相对较慢，在具体的应用中使用不是很多。 基于j 2 e e 的软件体系结构 i t s 共用信息平台需要与多个己建子系统连接，并收集和发布数据。同时， 它要提供充分的扩展性，以便实现在建和待建的子系统实现有效连接。这些子系 统实现技术不同，实现的功能各有差异，对数据的安全性和实时性要求也各不相 同。在物理上，这些子系统可能分布在不同的地理位置上，因此平台的软件具有 团圆困圆圈 c o r b a 通信模块 c o r b a 通信模块 回圆圈圈 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 9 比较明显的分布式特性。为了提供良好的系统扩展性和跨平台特性，平台软件基 于j a v a 实现，进行分布式部署。如图2 2 所示h 1 。 获取数据接口 层 内部结构层 对外信息服务 接口层 巨固匝圃 臣困 区巫因区因 图2 2 基于j 2 e e 的软件体系结构 f i 醇2c i ps o r w a r es y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nj 2 e e 采用这种架构的优点是技术成熟，实现方法可以有多种。j 2 e e 技术使得可以 容易地连接已经拥有的应用程序和系统，并将这些能力带到了w e b 、手机和设备。 j 2 e e 提供了j a v am e s s a g es e r v i c e ，以便以采用松耦合、异步的方式来集成不 同的应用程序。j 2 e e 也提供了c o r b a 支持，以便通过远程方法调用来紧密地链 接系统。其缺点是投资周期长，成本高。 智能交通系统虚拟共用信息平台的研究 重庆大学提出了虚拟共用信息平台( v i r t u a lc o m m o ni n f o r m a t i o np l a t f o r m 。 v c i p ) 的概念，对v c i p 的体系结构和运行机制进行了研究，并提出了基于v c i p 的出行信息原型系统。虚拟是指平台在物理层面上是分布的，带有异构性，但是 从各子系统的角度看，它又是一个透明的集中处理平台。v c i p 并不完全是在现有 的i t s 各子系统之外重新搭建的，而是通过分布式计算的相关技术，将主要任务 分散到各i t s 子系统中阳1 。 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术l o 图2 。3 虚拟共用信息平台的体系结构 f i 9 2 3s y s t e ms t r u c t u r eo f v i r t u a lc i p 图2 3 给出了i t s 虚拟共用信息平台体系结构框架。v c i p 的主要任务是实现信 息管理、控制、传输和接口以及信息的共享和集成的协作等功能。各i t s 子系统、 其他区域系统和信息服务系统通过相应的接入代理接入v c i p 。基于中央数据登记 簿，v c i p 只是执行控制、管理和协调的功能，例如，接入控制、访问控制、用户 管理、服务监督控制、授权、数据标准等。这样，v c i p 的大部分实现都在各个应 用子系统上，平台上只保存少量关键数据，大量的数据源来自各i t s 子系统。 各子系统通过v c i p 进行的信息交互和功能协作受平台管理系统的制约。系统 间信息交互时都是通过接入代理与v c l p 发生联系，有新的子系统需要接入时，只 需有相应的代理和授权就可以实现，不必改变v c i p 的底层结构，因而平台有良好 的开放性和可伸缩性。智能代理组件在v c l p 管理规则的控制下定义交换数据的结 构标准，在信息交换过程中起到了屏蔽异构的作用。由于数据交换不直接通过控 制中心，交换将更加有效快捷。 v c i p 与基于中间件技术的c l p 实现模式有很多相似的特点。如各i t s 子系 统可以自主地决定是否接入v c i p 或是c i p 。采用集中与分布相结合、融合与独 立并存的机制。各子系统按照其机制、体系结构实现各自的功能，在体系结构上 保证了i t s 各子系统在协调运作的同时，具有高度的自主性。同时，分布式的服 务将大大提高系统的稳定性和可靠性。提供跨平台异构数据的转换与集成。 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 l l 在运作模式和体系结构上是开放的，任何愿意遵守其运作模式规则和技术标准的 i t s 子系统都可以接入。接入机制使得当有新的子系统接入平台时，并不需要对平 台进行重构。考虑到平台系统安全和商业模式的需要，对i t s 各子系统提供的 信息资源进行数据类型管理，同时，对应用这些信息资源进行权限分级管理。数 据类型管理与权限分级管理相结合，确立了平台的服务水平管理。 其关键技术中央数据登记簿标准草案将在支撑技术里做简要介绍。 2 1 3 信息融合 信息融合在单纯数据采集融合( 即一次融合) 阶段称为数据融合，是研究多 种信息的获取、传输与处理的基本方法、技术、手段以及信息的表示、内在联系 和运动规律的一门技术1 。它是一个新兴的技术领域，它给交通信息加工和处理提 供了一种很好的方法，信息融合技术的最大优势在于它能合理协调多源数据，充分 综合有用信息，提高在多变环境中正确决策的能力，而这种优势恰恰在i t s 领域能 够得到充分发挥。下面介绍几种常用的融合方法。 基于卡尔曼滤波技术的基础交通信息融合方法 卡尔曼滤波用于实时融合动态的低层次冗余多源数据，该方法用测量模型的 统计特性递推决定统计意义下的最优融合数据估计。如果该系统具有线性的动力 学模型，且系统噪声和传感器噪声是高斯分布白噪声模型，那么卡尔曼滤波为融合 数据提供惟一的统计意义下的最优估计，卡尔曼滤波的递推特性使得系统数据处 理不需要大量的数据存贮和计算。由于卡尔曼滤波采用了较灵活及适应性较广的 状态空间模型的系统分析法以及递推算法，从而使之便于在计算机上实现，大大减 少了计算机存储量和计算时间，因而得到了广泛的应用1 。基于卡尔曼滤波上述特 点，可以利用其建立模型进行多传感器交通信息的融合。包括基于空间相关性的交 通流量滤波融合模型，联合滤波交通流量融合模型，集中滤波交通流量融合模型。 基于空间相关性的交通流量滤波融合模型是对不同检测断面检测数据的融合。联 合滤波交通流量融合模型和集中滤波交通流量融合模型是对同一检测断面多个同 步检测设备检测数据的融合。其模型的输入向量均为多个检测设备的数据检测到 的交通状态参数。集中滤波模型简单，适用于对少量输入的结合。输入太多，会使 计算的维数成倍增加，计算变得复杂。集中滤波融合和联合滤波融合均适用于正常 交通状况下动态交通参数的融合。这两个模型经模拟数据验证，不论在预测精度方 面还是计算速度方面都能够满足交通实时决策的需要。 基于综合统计分析的基础交通信息融合方法 统计分析方法是对交通参数融合的经典方法，这里主要采用智能加权平均，指 数平滑法，利用平均值的递推估计算法对交通参数进行融合。 1 ) 加权平均法及其在交通信息处理中的应用 第二章i t s 共用信息平台的研究现状和相关技术 1 2 加权平均法是一种简单，直观的融合多传感器低层数据的方法，利用由一组传 感器提供的冗余信息进行加权平均计算，并将加权平均值作为信息融合值。自适应 加权平均的数据融合算法，是在总均方误差最小这一最优条件下，根据各个传感器 所得的检测值以自适应的方式寻找其对应的权值，使融合后的x 达到最优。多传感 器数据融合值应为 x = 形墨 i = 1 式( 2 1 ) 形= 1 式( 2 2 ) i = 1 总均方误差为 盯2 = 形2 砰 式( 2 3 ) i = 1 式( 2 ) 中盯2 是各加权因子形的多元二次函数。根据多元函数求极值定理，可求 出当加权因子为 亩可2 喜寿 了= 盯一7 i 嘭智 式( 2 4 ) 时，仃2 是最小值。 2 ) 利用指数平滑法对基础交通信息进行融合计算 设某路段的车流量的时间序列为h ，v 2 ，m ，则一次指数平滑公式为 k 1 - - a v , + ( 1 一口) k 等 式( 2 5 ) 式中，为第t 周期的一次指数平滑值：口为加权系数，0 a l 且r z ，z 为整数) ，则乙时刻对 应的数据值定义为 x w 瓦= l式( 3 8 ) ( 2 ) 当t w 叠( 0 一瓦，0 + ) 时，则表明这部分数据不在用户定义的限值范围内， 不予保留。 这样就完成了时问点的修正工作。 第二步，完成数据格式的标准化，根据规则消除数据冲突。 第三步，利用丢失数据和错误数据的判别规则对实时i t s 数据进行判别( 错误 数据判别规则根据阈值和交通流理论得出) ，得到丢失数据和错误数据。 第四步，利用线性插值法或同期历史数据平均法对错误数据进行修正，得到 错误修正后的数据。 第五步，用线性插值法或同期历史数据平均法对丢失数据进行补齐，最终得 到完整的数据。 3 4 数据的补充 这里所说的数据的补充与前面故障数据中所说的补充是不同的，主要是指在 没有固定交通参数检测器的地方，而交通诱导又要用到整个系统的交通参数，所 以必须对交通参数进行补充。补充的方法可以用移动车的数据，也可以用历史数 据，另外也可以根据o d 矩阵进行推导补充。下面简要介绍一下o d 矩阵的概念。 动态o d 矩阵主要是描述不同时段路网中各起讫点之间的交通出行量，它反 映了时变的动态交通需求。它是i t s 重要组成部分先进的出行者信息系统 ( a t i s ) 和先进的交通管理系统( a t m s ) 的基础数据输入，一方面在a t i s 的动态路径 第三章数据的预处理3 3 导航系统中，通过输入动态o d 矩阵将路网上时变的交通需求动态分配到各个路 段，为驾驶员提供丰富的驾驶信息另一方面在a t m s 的交通控制系统中，通过 对动态o d 矩阵的定性与定量分析，为制定相关交通管理策略提供科学依据，交 通管理人员可以采取合理的交通措施来减少交通拥挤、提高行车安全，还可以估 计现有交通设施上的交通需求、校验出行预测模型、分析新建线路或设施的可行 性等。 用于建立o d 反推的模型主要有最小二乘估计模型、极大熵模型、贝叶斯统 计模型、极大似然估计模型、双层规划模型。自上世纪8 0 年代，开始有一些学者 进行动态o d 反推的研究，多数是在静态o d 反推模型的基础上引入了时间变量， 但也有学者认为动态o d 并不是静态o d 的简单外推，它有和静态o d 反推完全不 一样的一些特征，对于某一个检测器，同一时段内属于不同o d 对的车辆到达该 检测器的时间是存在差异的，因为到该检测器的距离不一样，利用这个特征，可 以获得比静态o d 估计中更多的观测信息。纵观国内外学者的研究成果，可以总 结出o d 反推研究的结构框架，如图3 1 所示。 图3 1 反推研究的结构框架 f i 9 3 1o ds t u d ys y s t e ms t r u c t u r e 通过对交通问题的描述，明确o d 反推的目的，根据研究需要对现实交通状 况( 交通环境、交通流等) 进行简化，定义有关概念和假设条件，结合相关理论 的表述建立o d 反推的模型，并设计快速、有效的算法求解上述模型，如果算法 经过检验是可靠的，就可以进一步应用到实用软件中，或者将能够实现某一算法 的程序嵌入到智能交通系统相关子系统中。 3 5 处理模块功能设计 根据处理的信息不同分为数据格式转换、修正、平滑三个步骤。信息处理后 的数据存放到数据库或数据仓库中，可以做统计、数据融合、数据挖掘、生成发 布和查询数据。 第三章数据的预处理 表3 2 数据处理步骤 t a b l e 3 2s t e po fd a t ap r o