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指路标志标识系统的数据模型及应用研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：张小兰 指导教师：陈晓翔教授黄敏讲师 摘要 指路标志标识系统的数据模型主要包括交通路网数据模型和指路标志数据 模型两个部分。本论文的目标是建立良好的指路标志标识系统数据模型，并应用 于广州市城市路网的指路标志标识系统中。 论文首先介绍了面向指路标志标识系统的平面路网数据模型。其次，针对现 代交通中出现的越来越多的立体交叉口，提出将立体交叉口抽象为复杂结点，从 而建立基于复杂结点的面向指路标志标识系统的非平面路网数据模型。然后，论 文在通用的指路标志数据模型的基础上，结合实际的应用，建立了内环路上的指 路标志数据模型和立交桥上指路标志的数据模型。 接着，论文介绍了在构建指路标志标识系统过程中所涉及的关键技术和算 法，包括利用线性参考的方法确定指路标志的位置：通过指路标志标识系统建模 来确定指路标志所应指示的内容，并给出了立交桥、内环路上指路标志标识系统 建模示例。 最后，论文介绍了基于g i s 的非平面路网指路标志标识系统，该系统实现 了立交桥上、内环路上指路标志的自动生成。由此表明，论文所提出的指路标志 标识系统的数据模型是有效的、可行的。 关键字：指路标志；路网；路网数据模型；指路标志数据模型；线性参考 r e s e a r c ho nd a t am o d e lf o rg u i d e s i g n s y s t e m a ndi t sa p p l i c a t i o n m a j o r ：t r a f f i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n ga n dc o n t r o l n a m e ：z h a n gx i a o l a n s u p e r v i 暑o r ：p r o f c h e nx i a o x i a n g , l e c t r h u a n g m i n a b s t r a c t d a t am o d e lf o rg u i d es i g ns y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：r o a dn e t w o r kd a t am o d e l a n d g u i d es i g nd a t am o d e l t h i st h e s i sa i m st oc r e a t ea n e wd a t am o d e lf o rg u i d es i g n s y s t e ma n da p p l yi tt ot h eu r b a ng u i d es i g ns y s t e m f i r s t l y , p l a n a rn e t w o r kd a t am o d e l o r i e n t e dg u i d es i g ns y s t e mi si n t r o d u c e d i ti sb a s e do nt h et r a d i t i o n a ln o d e - a r ed a t a m o d e lb yi n t r o d u c i n gt h r e er e l a t i o nt a b l e si n t ot h et r a d i t i o n a ln o d e a r ct o p o l o g yt a b l e t h e ya r en o d e - - a d j a c e n tn o d e sr e l a t i o n , n o d e - a n g l e so fa d j a c e n ta r c sr e l a t i o na n d n o d e - c o n n e c t i v es t a t eo fa d j a c e n ta r e sr e l a t i o n a sm o r ea n dm o r er o a di n t e r c h a n g e s b u i l ti nm o d e mc i t y , an o n - p l a n a rn e t w o r kd a t am o d e lb a s e do nm u l t i n o d ei sc r e a t e d i nt h i sm o d e l ，t h er o a di n t e r c h a n g ei ss i m p l i f i e da sm u l t i n o d e t h e n , b a s e do nt h e u n i v e r s a lg u i d es i g nd a t am o d e la n dc o m b i n e dw i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ef a c t s ，g u i d e s i g nd a t am o d e lo nt h ef r e e w a ya n do nt h ec l o v e r l e a fi n t e r s e c t i o na r ec r e a t e d a n d t h e n ，t h ek e yt e c h n i q u ea n da r i t h m e t i ci n v o l v e di n t h eg u i d es i g ns y s t e ma r e i n t r o d u c e d t h e ya r eu s i n gt h em e t h o do f t h el i n e a rr e f e r e n c es y s t e mt od e t e r m i n et h e p o s i t i o no ft h eg u i d es i g n , u s i n gt h eg u i d es i g nm o d e lt od e t e r m i n et h eg u i d a n c e i n f o r m a t i o np r o v i d e db yg u i d es i g n s f u r t h e r m o r e ，g u i d es i g nm o d e l so ft h ef r e e w a y a n dc l o v e r l e a fi n t e r s e c t i o na r eb u i r f i n a l l y , t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h e a p p l i c a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e d b yd e s i g n i n gt h eu r b a ng u i d es i g ns y s t e mi n g u a n g z h o ua n dt a k i n gt h ea p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t i o no fg u i d es i g n so nf r e e w a ya n d c l o v e r l e a fi n t e r s e c t i o na sa ne x a m p l e ，t h et r a n s p o r t a t i o nr o a dn e t w o r kd a t am o d e la n d g u i d es i g nd a t am o d e lf o rt h eg u i d es i g ns y s t e mp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ra r ep r o v e d t ob ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：g u i d es i g n s ；r o a dn e t w o r k ；r o a dn e t w o r kd a t am o d e l ；g u i d es i g nd a t am o d e l ； l i n e a rr e f e r e n c es y s t e m i i i 1 1研究背景 第1 章绪论 目前不断建成的新路、不断扩大的路网以及不断产生的新城市，为我国的经 济建设带来了更加活跃的经济增长点，同时也给公路规划、设计、管理部门提出 新的挑战。即在不断有新路通车，路网不断扩大、延伸的情况下，如何使司机全 面了解各条道路的通达地点，了解最新的路网组成，从而能够准确迅速到达目的 地，这已经成为道路交通各相关部门的一个重要课题。科学、准确、合理的指路 标志就是解决这一问题的至关重要的手段。因此，在对路网进行深入分析，对交 通流量进行深入细致的调查基础上，科学、合理地设置指路标志，及时正确地提 供给出行者有效的路线信息，使不熟悉路线信息的驾驶员能够仅通过指路标志的 指引驾车就能顺利到达目的地，这具有非常重要的意义【”。 在我国，对于指路标志设置的相关规则，是依照中华人民共和国国家标准道 路交通标志标线( g b 5 7 6 8 1 9 9 9 ) ，但国家标准基于全国范围内的统筹考虑，对 不同区域的具体设计缺乏针对性。国标中的第8 条是用于规范指路标志设置 的。但国标只是做出如“设在距交叉路口3 0 5 0 米处”的规定。然而，指路标志 牌上应标示的内容( 目的地或道路) 对交通诱导来说显得更为重要。由于国标中 没有相关的规定，施工单位在布设路标时，工程人员主要是凭经验或地方的条文 来确定指路标志上应指示的内容。这样做成现行的指路标志存在着各种问题，指 路标志指示的内容常常不规范，指示信息严重缺乏，整体布局缺乏足够的系统性， 所传递的信息的连续性和完整性也不尽如人意，常常导致驾驶员在交叉口的茫然 无措，从而影响了整个指路标志系统的交通指引和诱导的效率，对指路标志的管 理也极为不便。故有必要建立一套描述指路标志的统一规范，借助信息技术，由 计算机生成城市道路网络的指路标志，建立城市路网指路标志标识系统。这样的 系统可减少人工设置标志的随意性，且更有利于路网交通标志的管理。如：由计 算机自动生成路网上的交通标志，检验现行路面上的标志的正确性、合理性：动 态路标的生成等。 在构建指路标志标识系统时，第一步是如何在计算机中表达、存储交通道路 l 网络和指路标志所包含的指示信息，也就是如何确定交通路网宅间数据模型和指 路标志的数据模型。然而，目前对于指路标志标识系统的研究大多从应用的角嚏 考虑，未考虑交通网络空间数据模型的重要性，通常是预先设定数据模型，在此 基础上完成系统建芷。这显然会对指路标志标识系统的进一步发展与完善产生极 大的不利影响。因此，从空l 日】数据模型的角度出发，对指路标志标识系统的路网 数据模型进行研究是一个迫切的研究课题。同时，指路标志是传递路网信息的， 如何对指路标志所包含的指示信息进行完整的描述，并通过计算机的方式再现出 来，也是个值得研究的方面。 1 2指路标志的国内外研究状况 道路交通标志是用图形符号、文字向驾驶员及行人传递法定信息，用以管制、 警告引导交通的安全设施。交通标志按其功能町分为警告标志、禁令标志、指示 标志、指路标志、旅游区标志和道路施工安全标志。其中，指路标志是传递道路 方向、地点、距离信息的标志，它是交通标志的重要组成部分口】。 指路标志要实现的功能包括：于交叉路口给道路使用者指示通往目的地的方 向；沿途指示通往目的地的方向及途径：在道路分流或合流处指示驾驶员通往目 的地的正确车道或方向：指示道路编号及方向；指示至目的地之里程及距某出口 的距离，指示各出口编号等【3 】。目前，对指路标志的研究十分广泛。我国现行的 国家标准道路交通标志标线( g b 5 7 6 8 1 9 9 9 ) 【2j 规定了指路标志的分类，给出 了标志的设计、制造、设置、施工等要求，它是指路标志设置的总体设置规则。 美国联邦公路管理局( f h w a ) 和国家统一交通控制设备委员会颁布的统一交通控 制设备手册( m u t c d ) f 4 1 q h 规定了包括指路标志在内的道路交通控制设施的安装 和维护的标准。 除了指路标志的标准规范以外，还有学者从多个角度对指路标志进行研究。 有针对标志本身的，如交通标志的形式、规格及设置等，考虑这些因素对驾驶员 获取信息的影响【5 】 6 】；有针对指路标志布设的，李友钦 7 1 提出通过将引导指示的 道路、都市加以分类，并了解其与指示标志间的关系，以及考虑驾驶员对指路标 志的生理反应与指路标志布设基本原则的拟定，并利用刚络分析中的最短路径方 法选择布设路径；也有针对指路标志标识系统建模研究的，黄敏【8 】从数学的角度 2 对指路标志进行了描述，提出了指路标志项的概念，并从多个方面系统地对指路 标志项进行了分类，建立用于指路标志标识系统建模的工具一交叉口函数。这 些都为建立指路标志系统提供了理论参考和实践工具。 另有学者从系统方法上进行研究 9 1 ，对北京市道路交通标志指路系统进行划 分，根据城市主干道包括封闭式快速环路、快速联络线、高速公路的功能和特点 分析，提出了主要交通枢纽( 主要交通集散点) 的概念。将交通枢纽分为主要交通 枢纽和次要交通枢纽，并以此为基础，建立起三级出口预告的城市封闭式快速环 路指路系统、立交桥指路系统。 还有研究指出完善指路标志系统是交通导向系统发展的一个自然的历史过 程，并结合道路交通标识系统配置与导向系统信息化的关系，探讨了包括指路标 志系统在内的道路交通静态导向系统的组织功能、导向作用和服务水平，寻求满 足道路交通发展、以及i t s 发展要求的道路交通导向设计规则【l o l 。 有学者探讨了指路标志在区域交通组织中的作用。研究指出交通拥堵多发生 在瓶颈处，可以在道路瓶颈禁限措施的上游设置指路标志，提前进行预示分流， 指引不熟路的司机绕过道路瓶颈，从而减少拥堵。研究还强调，指路标志系统的 组织应该信息渐变和信息连续。对于高等级道路，如高速公路、城市快速路等， 应实现指路信息的渐变，应该提前预示，留给司机足够的反映时间；指路标志上 的地点信息应该有必要的搭接，即指路信息接力，不能出现指路信息简短而导致 驾驶员迷失方向【“】。 总的来说，指路标志的功能是把路网的信息传递给交通参与者，从而实现 其诱导功能。因此，规范、合理地设置指路标志是十分重要的。随着交通运输建 设的发展，道路交通网络日趋复杂，应该考虑将路网数据输入计算机，参照指路 标志的相关规范，按照既定的原则，由计算机自动生成路网上的指路标志，并加 入人工管理，可减少完全由人工设置标志的随意性，更有利于路网指路标志的更 新与维护这种借助计算机构建指路标志模型，并将其应用到实际的指路标志设 置中，已成为指路标志应用系统的发展趋判引。 1 3 指路标志标识系统的介绍 指路标志标识系统是结合路网的拓扑结构和交通网络的服务规则，对道路网 3 络中的道路、桥梁、隧道、标志点等地物特征生成导向指路标志，并能随实际条 件的变化而自动更新，用以辅助道路中指路标志标牌的布设、制作、维护、史新 的管理信息系统1 8 1 。目前，对指路标志标识系统的研究常常包括以下几个疗面： ( 1 ) 指路标志通用设置规范研究。这包括标志的版面形式，图文符号表达， 分类标准，设计制造工艺，设置规则等统一规范的研究。这些研究要结合交通心 理学和交通行为学进行，其目的是为了道路使用者更好地接收标志信息，并在驾 驶行为中运用。 ( 2 ) 指路标志标识系统建模的研究。指路标志最重要的功能是对交通进行 诱导，如何合理地设置指路标志，使其达到最好的交通疏导效果，带给出行者最 大的便捷，是指路标志标识系统建模的研究重点。指路标志标识系统建模是指建 立数学模型来确定指路标志的设置，它将涉及到指路标志的数学描述，建模所用 的数学工具，具体建立的模型等多方面的内容。 ( 3 ) 指路标志标识系统的数据模型研究。由于指路标志是由自计算机生成的， 这将涉及到如何对指路标志、道路网络、交通服务规则等数据进行描述与组织， 使数据利于在计算机中存储和运行。这就是需要建立能适用于指路标志标识系统 的数据模型，使其利于指路标志标识系统建模。 ( 4 ) 指路标志评价体系研究。指路标志设计的效果如何需要用一系列的指标 和，疗法进行评估，这需要一套科学的评价体系。评价应该包括两大方面的内容： 指路标志是否在适当的地方设置并给出准确、有效的诱导信息；指路标志的设计 的形式、设置的环境是否有利于道路使用者接收与理解等。 论文的研究主要是围绕着指路标志标识系统数据模型展开的，涉及上述第( 3 ) 方面的内容，旨在建立面向指路标志标识系统的路网数据模型和指路标志的数据 模型。 1 4论文的研究内容与目标 由论文1 3 节的介绍可知，指路标志标识系统是以现有道路网络为基础，结 合一定的交通规则，以计算机自动生成的方式对道路网络中的重要地物实现指路 标志的导向显示。可见，指路标志的生成是基于道路网络基础之上的，任何指路 标志都是对应于它所在道路。因此，要建立指路标志标识系统，首先必须将交通 4 道路网络转换为计算机和算法能够识别的信息，并以合理的结构组织和存储起 来。同时路网又是一个庞大的系统，包含了大量方方面面的信息，存储哪螳信息， 舍弃那砦信息，才能保证指路标志标识系统的需要，这些都是本文所要研究的内 容。同时，我们还应充分考虑到路网的复杂性，如各种形式的立交、采用不同管 制措施的路口、单行线、路口的禁转、主辅路并存的道路等等，这些特殊情况如 何处理。也是应当着重研究的内容。 此外，要在计算机中自动地生成指路标志，就需要对指路标志牌上的各种指 示信息( 如方向、距离等) 进行描述，然后通过计算机仿真确定指路标志的布设 方案。因此，指路标志数据模型研究也是本文研究的重点。 有关论文的研究工作有以下几点需要说明： ( 1 ) 指路标志作为传递道路方向、地点、距离信息的标志，其中有部分是 专门针对交叉口所设置的，是用来为道路使用者提供导向服务的。一般地，当路 网中出现交叉口时，道路使用者最需要知道的是交叉口分岔各道所能通向的道路 或目的地。从另一个角度来看，如果驾驶员在一条没有交叉口的道路上行驶，从 理论上根本不需要设置指路标志为道路使用者指引。由此可知，要设置指路标志 的根本原因是路网中出现了交叉口，交叉口是设置指路标志的关键。文中主要研 究的是指针对交叉口设置的指路标志。 ( 2 ) 论文的研究的路网数据模型是为指路标志标识系统服务的，因此描述 的路网信息都是跟指路标志标识系统息息相关的，跟指路标志标识系统不相关的 路网信息将不被描述。 ( 3 ) 在指路标志牌中，有对道路进行标识的，也有对地点进行标识的。要 对地点进行标识，就必须建立这些地点和路网之间的关系。考虑到数据的限制， 本文所做的研究都只是针对道路进行标识。 ( 4 ) 本文假设两个结点之间只有一条有向弧段，各有向弧段都可以由起始 结点和终止结点表示。 论文的研究目标是：建立良好的路网数据模型和指路标志数据模型，满足指 路标志标识系统建立的需要。同时通过建立广州市城市路网的指路标志标识系统 来验证论文所提出的数据模型的合理性。 5 1 5论文的结构大纲 本文由以下几个部分构成： 第一章：绪论，即本章。介绍了指路标志的作用、指路标志标识系统的定 义及应用研究现状，指出建立面向指路标志标识系统的路网数据模型和指路标志 数据模型的重要性。 第二章：g i s t 数据模型的研究进展。从应用的角度简述tg i s t 数据模型 的意义及其研究发展的自身特点；然后从传统数据模型、线性参考数据模型、基 于车道的数据模型出发评述了国内外g i s t 数据模型的进展。提出在建立面向指 路标志标识系统的路嘲数据模型时，将在传统结点一弧段数据模型基础上进行改 进。 第二章：指路标志标识系统的数据模型。首先，在传统的弧段一结点数据 模型基础上拓展了结点一邻近结点拓扑关系，引入结点一相邻弧段夹角关系，结 点一相邻弧段连通关系，建立了面向指路标志标识系统的平面路网数据模型。接 着，考虑到路网中出现越来越多的立体交叉，论文也建立了面向指路标志标识系 统的非平面路网数据模型。最后，在通用的指路标志数据模型基础上建立了内环 路、立交桥上指路标志的数据模型。 第四章：指路标志标识系统中主要算法及关键技术。介绍了在指路标志标 识系统中的几个关键技术。提出利用线性参考的方法来确定指路标志的位置；利 用指路标志标识系统建模来确定指路标志牌的指示信息，并给出两个建模示例。 第五章：基于g i s 的非平面路网的指路标志标识系统的构建。介绍了系统 的总体设计、系统平台的选择，以及面向指路标志标识系统的平面路网数据的生 成方法。最后给出了两个应用示范将论文第三章提出的面向指路标志标识系 统的非平面路网数据模型应用于内环路、立交桥上的指路标志的自动生成系统 上，实现了指路标志的自动生成。 第六章是本文的终篇，归纳了论文的主要研究工作，总结了论文的 = 要创 新点和贡献，以及不足之处，对将来可能的进一步改进及发展趋势做出补充。 6 第2 章gi $ - 1 数据模型的研究进展 第一章中论述了在计算机中建立指路标志标识系统的迫切性，当在计算机中 建立指路标志标识系统时，将会涉及如何将路网中的数据在计算机中组织和存 储。本章将对交通地理信息系统数据模型的发展进行总结回顾。 2 1 数据模型 数据模型是对现实世界的抽象描述，它将事物的信息以一定的逻辑架构组 织，存储在数据库中【1 2 1 。数据模型在数据库系统中占着重要的位置，它决定着 系统能为用户提供的决策分析功能。数据模型包含3 个方面的要素：1 数据对象 或实体集，它们是构建数据库的基础；2 对实体进行限制的一系列完整性规则： 3 应用于实体运算的操作符旧。 一般来说，数据模型按不同的应用层次可分为3 种类型，其抽象程度从高到 低分别为：概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型。 2 1 1 概念数据模型 概念数据模型是用户数据需求的扼要描述，它是一种面向客观世界、面向用 户的模型，与具体的数据库管理系统无关。概念数据模型试图以用户可理解、且 独立于系统移植的方式来描述客观世界。一个概念数据模型常包含详细信息，如 数据类型、数据类型的关系、关系与数据值的限制。由于概念数据模型与系统无 关，其描述语言不涉及系统技术细节，这使得数据分析员可确保模型能达到用户 的数据需求实际上，概念数据模型通常是语义模型，它更关心数据的含义。 概念数据模型的表示方法有很多，其中最常用的是p e s c h e n 在1 9 7 6 年提 出的实体关系模型( e n t i t y r e l a t i o n s h i pm o d e l ，e rm o d e l ) 1 1 4 1 ，以及在实体关系模型 基础上发展起来的扩展实体关系模型( e x t e n d e de n t i t y r e l a t i o n s h i pm o d e l ，e e r m o d e l ) 。这两种模型常以框图的形式描述，对应的框图被称为实体关系图( e r 图) 或扩展实体关系图( e e r 图) 。 7 e r 图的主要包括三个要素：实体、属性和关系【1 5 】。实体就是具有公共性质 的可区别的现实世界对象的集合，实体是e r 图的主要描述对象。属性就是描述 实体或关系的性质的数据项，同一类型的实体具有相同的属性；每个实体属性描 述了实体在数据唪中的相关性质。关系描述了实体之间的联系：关系也町以具有 属性。 e r 图有多种表示方法，这咀主要参照e l m a s r i 和n a v a t h e 的著作，简要 列出e - r 图的表示方法。如下图2 1 所示，用矩形框代表实体，菱形框代表关系， 实体的属性和关系的属性都用椭圆表示，以壹线连接于它所属的实体或关系。实 体间的关系类型以数字在实体旁列出。 臣奠三三 _ 习 ( b ) 图2 - 1 实体关系图( e r 图) 简单的实体关系模型还不能充分描述现实世界，因此，在实体关系模型的基 础上产生了扩展实体关系( e x t e n d e de n t i t y r e l a t i o n s h i p ，e e r ) 模型，它用e r r 图 表示。e r r 图包括了子类型、超类型、一般化、特殊化等的概念。图2 2 给出了 e r r 图的例子。子类型是对某一实体类型特殊化而得到的。图中实体“男学生” 和“女学生”是实体“学生”的子类型。反过来，对某些实体类型进行一般化呵 得到超类型。实体“出行者”是由实体“公路使用者”和“铁路使用者”的一般 化而得到的超类型。图中的符号“d ”和“o ”描述了子类型之间的关系。如果子 类型是不相交的，即一个实体实例只能属于一种子类型，则用符号d ( d i s j o i n ) 表示。符号“o ”表示实体类型是可以重叠( o v e r l a p p i n g ) 的，即一个实体实例町以 属于一个或多个子类型。 8 2 1 2逻辑数据模型 图2 - 2 扩展实体关系图示例 逻辑数据模型是一种面向数据库系统的模型，将概念模型转为系统支持的数 据模式。目前成熟地应用在数据库系统中的数据模型有层次数据模型、网状数据 模型和关系数据模型( 或简称关系模型) 。 e e c o d d 在1 9 7 0 年发表了论文“a r e l a t i o n a l m o d e l o f d a t a f o r l a r g es h a r e d d a t a b a n k s ”，首先描述了关系数据模型及其原理，并把它应用于数据库系统中。由 于关系模型是建立在严格的理论( 关系代数学) 基础上的，其概念容易理解，关系 数据库结构简单灵活，便于掌握和使用。因此，关系模型很快就流行起来，并得 到了广泛的应用。各个数据库厂商纷纷研制出自己的关系数据库管理系统，如 o r a c l e ，m i c r o s o f ts q ls e r v e r ，i b md b 2 和i n f o r m i x 等。 根据c o d d 所提的定义，关系型数据库是指一些相关的表和其他数据库对象 的集合。一个关系数据库常被分解为多个数据表，每一个表又被进一步分为行( 记 录) 和列( 字段) 。信息被存放在这些二维表格结构的表中，表中的行对应的是实体 的一个实例，列对应的是实体的属性。一般来说，每个关系表都会包含一个主键， 用以标识表中每一个记录。在数据库中，表之间是相互关联的，其关联性是由主 键和外键的关系实现；数据库不但包含表，还包含了其他数据库对象，如视图、 存储过程、索引【1 引。 2 1 3物理数据模型 物理数据模型是一种面向计算机物理表示的模型，此模型给出了逻辑数据模 型在计算机上物理结构的表示。它关心数据在系统中的实际物理存储情况，如数 9 据记录被存储在什么地方、与读取数据相关的索引系统等。物理数据模型。般不 是系统用户最关心的，也不是本文的讨论重点，故不在这里详述。 2 2g i s - t 数据模型研究进展 2 2 1 交通地理信息系统的定义 一般说，交通地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m f o r t r a n s p o r t a t i o n ，g i s t ) 是收集、存储、管理、综合分析和处理交通地理的空i 日j 信息和交通信息的信息系统。或者说，它是以与道路等交通关联的各类空间数掘 和属性数据为基础，在计算机软硬件技术支持下，实现对道路地理信息和交通信 息的收集、存储、检索、处理和综合分析，以满足用户需要的计算机系统。也町 以说，它是g i s 技术在交通领域的延伸，在传统g i s 基础之上，加入了交通的 几何空间网络概念及线的叠置( l i n eo v e r l a y ) 和动态分段( d y n a m i c s e g m e n t a t i o n ) 等技术，并配以专门的交通建模( t r a n s p o r t a t i o nm o d e l i n g ) 手段 而组成的专门系统。总之，它将先进的地理信息技术、数据通讯传输技术、电子 传感与控制技术，以及计算机数据处理技术等，有效地集成运用于整个地面运输 管理体系，而建立起地一种大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的 综合运输和管理系统。可以实现运输工具在道路上的运行管理，从而使公众能高 效地使用各种交通运输设施和节约能源的现代化先进的综合性技术系统【l ”。 2 2 2 g i s t 数据模型研究进展 交通网络的表达在g i s t 中处于非常重要的地位，不仅交通设施管理、道路 交通信息管理需要良好的数据结构，而且在路网规划、车载导航及路径优化等方 面还需要拓展传统g i s 数据结构。数据是g i s 系统的基础，数据模型则用束表 达数据之间的联系与逻辑组织形式。由于交通信息种类繁多，具有自身的特点， 需要合理的形式进行组织，因此研究g i s t 数据模型具有重要的意义【2 0 】。随着 g i s 在交通领域的应用与发展，美国、日本和西欧等发达国家相继发展了若干 g i s t 数据模型，下面对目前影响比较大的g i s t 模型进行回顾。 ( 1 ) 传统g i s 的数据模型 1 0 传统的g i s 以结点弧段的形式来表达交通网络，也叫平面数据模型【2 ”。此模 型在g i s 领域得到广泛应用，成为早期g i s 表达交通网络模型的一个主流。结点 和弧段( 1 i n k ) 是模型的两个基本元素，结点是弧段的起终点，而弧段通常是将两 个结点连接起来，所有路段上的属性直接作为弧段的字段存储。如图2 3 ，在图 2 3 ( a ) ，路口被简化为一个结点，只能很有限的描述路口信息。 土t ( a ) 单点表示 ( b ) ，匪农4 图2 - 3 路网交叉口表述示意图 在路口的各种转向限制信息，如有些地方甚至禁止左转或右转，为了能更好 的描述这些信息，s h e f f i ( 1 9 8 5 ) 在此基础上进行扩展，用四个结点来表示路口， 这样每个路口就有四个结点和1 2 条有向弧段表示，如图2 3 ( b ) ，虽然数据量 大幅上升，但能很好的表达路口的转向信息。 结点一弧段数据模型最大的优势就是它的简单与易于应用，大多最优路径算 法都是基于结点一弧段模型的，被广泛接受和应用，包括一些国家的道路地图数 据库，如美国人口调查局的t i g e r 及其前身d i m e 文件、地质调查局的数字线 画图( d l g ) 、a r c i n f o 。 但是，该模型通常把一条属性相同的道路分离成独立的i v 段，数据库中需要 存储”份相同的属性数据，存在数据冗余现象，数据完整性和一致性的维护难度 增加，在进行网络分析时需要遍历的结点数大量增加，影响了网络分析速度；其 次，在该模型中要素与属性是一对一的关系，当线性地物的某一部分( 段) 或某 几部分具有不同的属性值时，它就是将该线性地物在属性变化处打断，形成一系 列新的小弧段，与每个变化的属性相对应1 2 2 1 这样会导致整个线性系统变得难 以管理、更新困难，而且在属性段有重叠的情况下，将会更加复杂。 一一 ( 2 ) 基于线性参考( l i n e a rr e f e r e n c i n gs y s t e m ) 的数据模型 基f 传统g i s 数据模型中要素与属性是一一对应的关系，难以支持一对多的 关系。针对这点，1 9 8 7 年由美国威斯康星交通厅的戴维弗菜特首先提出动态 分段的思想。以动态分段技术为摹础，许多交通部门都纷纷建芷自身的线性参照 系统。而学者们也纷纷提出相应的基于线性参照系统的数据模型。如荚国的 n c h r p ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) ，g i s te n t e r p r i s e 等。 n c h r p 模型是1 9 9 4 年8 月在密尔沃基举行的n c h r p2 0 2 7 学术会议上 提出的。模型引进基准层，分为地图表达层、网络拓扑层和基准层。基准层由锚 固点和锚固段组成，可连接各种网络和多种地图表达，实现不同数据问的共享。 每一个刚络模型都有很多的l r m ，而商业数据库都是基于不同的l r m 建它的， 因此提供了一个数据集成的方法。n c h r p 模型因其稳固的理论而得到好评，尤 其是模型对于适应多网络和多种地图表达的贡献。然而，n c h r p 模型应用困难、 不灵活，尤其是对于线性皋准层的维护【2 3 1 。 d u e k e r 和b u t l e r ( 1 9 9 7 ) 提出了一个通用的企业数据模型e n t e r p r i s eg i s t 数 据模型，模型表达了一个从简单到复杂模型的实体关系设计过程，包括事件数据、 拓扑、地图几何据和线性革准。此模型以事件为中心。同时，事件可直接与网络 模块、地图几何模块、线性基模块连接，即事件参照可直接建立在摹准模块上， 网络拓扑和基准完全分开【2 4 1 。 线性参考体系在应用中会出现体系本身难以克服的弊病：逻辑上的路径不连 续；交通设施难以唯一定位，末端成圈状的道路不能进行唯一的线性表达，斜坡 难以线性表示。 ( 3 ) 基于车道的导航数据模型 导航数据模型迎合了智能交通系统( i t s ) 的发展，使g i s t 数据模型能够维 护弧段和结点的拓扑关系，交通要素的二维地理参照和事件的线性参照。尽管动 态分段功能支持弧段的位置信息，并不能表达弧段的几何信息，如：斜坡、立交 桥。此外，由于各个车道的交通管制不同，需要导航。数据模型对每个弧段加入 相应的车道信息，用于二提供转向、障碍、交通状态等信息，便于分析和模拟。f o h l 等人于1 9 9 6 年。g o t t s e g e n 等人于1 9 9 4 年分别对弧段一结点数据模型进行了优化。 第种疗法是如果车道的数量有变化，就在变化点处加一结点，这种方法增加了 1 2 数据存储，而且通过更新现有的数据库来反映车道的变化极为繁琐第2 种方法 是把车道的数量当作属性来存储。虽然这种方法更易于存储，然而却不能辨别具 体哪一条车道发生变化。表达路口及平行车道连通性的一种考虑是在数据表中将 一条车道在路口的转向作为车道的属性，将平行车道间的限制用弧段的属性表 达。f o h l 等人于1 9 9 6 年提出了基于导航的数据模型【2 5 i 。构建i t s 数据模型的另一 种考虑是建立三维数据模型，此模型可以消除线性定位参照体系带来的弊病。 目前，对车道的数据模型研究较多，用以改进模型的不足之处，增加其实用 价值。f o h l 等人的基于车道的导航数据模型没有对车道按方向进行聚合，导致 在网络分析中效率的损失。陆锋【2 6 l 把综合车道作为基本建模单位，虽然降低了 数据冗余，提高了网络分析效率，但丢失了针对车道的若干属性信息。左小清 2 7 1 提出的通过对同向车道的聚合来提高网络分析的效率，降低数据冗余，同时又以 车道作为建模的基本元素，准确描述车道的属性信息，既考虑了网络分析的速度 效率，又顾及了车道的属性信息，扩展了已有的道路数据模型。 ( 4 ) g i s t 时空数据模型 g o o d c h i l d 提出o l s t 的进展划分为3 个阶段：地图视图、导航视图和行为视 图。时态属性在满足g i s t 向导航视图的发展中起着举足轻霉的地位，完善的 g i s t 时守数据模型巫待发展。文献 2 8 2 9 1 对四维时宅数据建模进行了探讨。张 山山【3 0 l 针对现有数据模犁的局限性，对时宅过稃模拟模型与- g i s 结合的方法进行 了分折和探讨，提出，一个城市交通规划的面向对象的时窄数据模型。对城市交 通规划时宅数据模型的设计疗法，交通规划基础信息的匦要素、线要素、点要素 的时窀表达及规划方案信息管理进行了研究。 2 3g i s - t 数据模型中存在的问题 论文2 2 中介绍几种g i s t 数据模型，虽然数据模型有很多，但是由于太复 杂i f i 】难以设计或应用太模糊，大范围推广应用的较少。下面列出几个 要的问题 3m l ： ( 1 ) 标准、术语的不统一。虽然目前已经制定出一些标准，如f g d c 的n s d i 、 g d f 等，但还存在一些不确定或模糊的定义，甚至存在没有涉及的内容。由于 种种原因，遵循这些标准的机构或组织也不多。目前同一个术语在不同模型中的 1 3 意义不同，或者有螳模型中没有定义这个术语这给数据的共享和维护带来困难。 ( 2 ) 缺乏面向用户的线性定位参照方，法。虽然育若i 线忭参照方 上，f 夫 多是针刘备豁j 的号业人员，如公路街珲部f 】以6 k + 1 2 0 8 9 求丧1 j 菜桥棠仔公 路i ：的化簧，酱通f jf ，难以坪解。再嚣，传统的鬯稃搪和哩群点乃t 上艰婚心1 退 路嘲络的，曼化，并h 需蛰刘野外的鬯群掂迸 r 维护，在强稃擗稀疏豹城巾和伙村 地【小能有效的得到运脂。 f 3 ) 对交通分析的支持小够。如路径规划、分析需嬖有出行( o d ) 信息， g i s t 模璎需安表达父通o d 佑息。大多g i s 软件足把变通流爷作为嘲络j ：路 段的秘件存储。模掣并小能商接存储o ，d 信息，有屿类似转向表的结构疗储 0 d 信息， f i 楚g i s 软件没有提供处理、硅衣、连接和分析这止e 数锯的功能。 r 4 ) 筹种数掘摸璎各有优缺点，在做具体的应用时，需对模犁进行改进。 考虑刨4 专绕结点一弧段模犁简薄、易f 麻朋，而且大多最优路狰算法都足培 于结点一弧段模硭，论文在建菹匦汹指路标志f ，i 、识系统的路刚数据横犁，将存 t 统结点一弧段数据模型莘础上进行改进。 1 4 第3 章指路标志标识系统的数据模型 要在路网中自动生成指路标志的布设方案，必须将路网和指路标志转换为计 算机和算法能够识别的信息，并以合理的结构组织和存储起来。如何存储、表达 路网也就是建立路网数据模型是构建指路标志标识系统的基础。其次，要将指路 标志的布设方案在计算机中显示出来，必须研究如何在计算机表达指路标志所指 示的信息，如距离、方向等，也就是指路标志的数据模型。 本章首先从地理空间数据模型的角度出发，探讨面向指路标志标识系统的平 面路网数据模型和非平面路网数据模型。接着从指路标志的角度出发，研究指路 标志标识系统的指路标志数据模型。 3 i 路网的数据模型 路网，即道路网络，是由道路纵横交错编织而成的。路网是进行众多交通网 络分析的基础，也是生成指路标志标识系统的基础。从路网的直观结构考虑，很 自然地会想到用图来表示路网。交叉口对应结点，两交叉口之间的路段对应边或 弧。路段的某种量化属性作为权，这样用一个赋权图就可以初步地描述路网。下 面首先介绍本论文中与图论有关的一些基本概念。 3 i i 图论的有关内容 图是描述网络的重要方法，一般用g = ( 矿，e ) 表示图，其中y 是非空集合， 代表结点的集合( 点集) ，是矿中结点之间的边( 或弧) 的集合( 边集) 。在图 中，表示一个线性特征的有序弧段集合称为路径，例如边( 或弧) 序列 尸= ( 岛，乞，e n ) ，其中= ( v ，v j ) 。路径是有向弧的序贯集合。在给定图g = ( 矿，e ) 后，对g 的每条边气= ( v ，) 相应的有一个实数，这样的图称为赋权图，称 为边( v ，v ，) 的权，表示为g = ( 矿，占，矿) 。 1 5 根据边集中的边是否有向町以把图分为无向图和有向图两种。无向图中，顶 点之间的关系是双向的，而有向图每条边都有起点终点，顶点日】的关系是单向的。 按相交的边是否必需产生交点，图可分为平面图和 甲卣图，平面图能嵌入 于一个数学平面中，即边相交处存在着交点；非平面图独立于数学甲面，即边相 交处町以不存在任何交点i l ”。 如果给图中的每条边都赋于一个或多个权莺，则这个图被称为加权图或网络 【3 2 】。这时点被称为结点，边被称为弧段。弧段的权重町以是静态的，即不随弧 段上流的变化而改变，如把弧段的长度作为权值赋哥弧段；权重也町以是动态的， 即随着路网中流的改变而改变，如以弧段代表交通路段，把路段上的瞬时交通流 量作为权重赋f 弧度。 图论是网络描述的数学摹础，图论表示法是网络最直接的表述，它常应用在 多种交通模型中，如最短路径、最优路径模型、车载导航系统等。 3 1 2 路网的数据模型 道路网络可以用图论中的图来表示其概念模型。在道路网络中，用结点表示 交叉口和道路的起止点，用边表示路口间的道路，边的权是道路的实际长度。类 似图论，路网中每个结点有一个唯一的标识，通过连接弧段的两个结点标识可以 确定弧段。路网中的弧段也町以分成有向和无向的。若弧段是有向的，则用有序 的结点对町以表明交通流的方向【1 3 】。 由路网的概念数据模型叮知，描述路网的基本要素有两大类：点状实体一结 点，线状实体一弧段，他们之间的实体关系图如下图3 一l 所示： 图3 - 1 路网e r 图 1 6 3 2 面向指路标志标识系统的路网数据模型 论文第2 章简述了g i s t 数据模型的意义及其研究发展的自身特点，在分析 了各种数据模型的优劣后，提出在建立面向指路标志标识系统的路网数据模型 时，将在传统弧段一结点数据模型基础上进行改进。 在传统的弧段一结点数据模型中，道路间的拓扑关系通过弧段一结点关系表 隐式表达。通过判断两条弧段是否有共同的起点或终点，来判断它们之间的拓扑 邻接关系。但是指路标志是要向道路使用者传递道路方向、地点、距离信息，不 可避免地，它将会受到路段连接关系、转向限制、障碍等交通规则的影响，而仅 仅依靠传统弧段一结点数据模型是无法表达的。 3 2 1面向指路标