（交通信息工程及控制专业论文）基于道路要素的分层路网数据模型及其应用.pdf

中山大学硕士学位论文 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 专业：交通信息工程及控制 硕士生：董倩文 指导教师：余志教授黄敏讲师 摘要 智能交通系统i t s 可以有效地缓解日益严重的交通问题以及它所带来的环境恶化问 题，研究和开发i t s 具有很重要的意义。路网数据模型给出了对路网的描述和存储方案， 是实现i t s 应用的i j 提和基础。本文的目标是建立可以满足i t s 应用需求的路网数据模 型，并将其用于具体的i t s 应用中。 论文回顾了国内外已有的g i s t 数据模型，分析了i t s 应用对路网数据模型的要求， 提出了基于道路要素的分层路网数据模型。要素是现实世界中的地理实体，道路要素是 与道路相关的地理实体，道路要素在该模型中是表达、存储和组织路网的基本单位。根 据要素的抽象程度不同，该模型在概念上分为三层。模型第一层对立交进行了抽象，概 括地表达路网的拓扑结构；第二层模型描述路网中所有的线形地物，建立道路之间的拓 扑连接关系；第三层模型将车道作为要素看待，建立车道之间的拓扑关系以及车道和道 路之间的对应关系，能够描述交叉口和道路中细致到车道的交通组织情况。不同层次的 要素之间建立了对应关系，以保证整个模型的整体性。该模型在描述道路物理网络的基 础上，支持对交通规则和约束的描述，能够描述道路交通网络。 论文从概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型等方面对基于道路要素的分层 路网数据模型进行了设计与研究，并使用线性参考系统技术，对该模型进行了具体的物 理实现。结合上述基础性工作，论文设计并实现了两个应用实例：最短路径选择和交通 标线布设方案的自动生成，以验证论文提出的基于道路要素的分层路网数据模型及其建 模方法是可行的、有效的。 关键词：智能交通系统，路网数据模型，分层，车道，线性参考系统 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 t h e d e s i g na n di m p l e m e n to f r o a df e a m r eb a s e dm u l t i l e v e ld a t am o d e l f o rr o a dn e 觚o r k s m 句o r ：t r a f j f i ci n f b 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 ：d o n gq i a n w e n s u p e r v i s o r ：p r o f y uz h i ，l e c t r h u a n gm i n a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r 2 u l s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) c 觚e f 佬c t i v e l ya l l e v i a t e 也ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s t r a 硒cp r o b l e m s2 u sw e l la st h ee n v i r 0 啪e m a ld e g r a d a t i o nt h et r a m cp r o b l e m sb r o u g h t ，s oi t s o fg r e a ti m p o 栅c et or e s e a r c ha r l dd e v e l o pi t s r o a d1 1 e t w o r k d a t am o d e lg i v e st h e d e s c r i p t i o na 1 1 ds t o r a g es c h e m eo fr o a dn e t w o r k ，w h i c hi sap r e r e q 哪s i t e 绷l df o u n d a t i o nf o r t h er e a l i z a t i o no fi t sa p p l i c a t i o n s t h eg o a lo ft l l i sp 印e ri st oe s t a b l i s ht h er o a dn e t v 旧r kd a t a m o d e lt h a tm e e tst h en e e d so fi t sa p p l i c a t i o n s ，a i l dt 0u s et h em o d e lf o rs p e c i f i ci t s 印p l i c a t i o n s t h ee x i s t i n gg i s td a t am o d e l sa r er e v i e 、da i l dt h er e q u i r e m e n t so ft h ei t s a p p l i c a t i o nt or o a dn e t 、) v o r ka r ea n a l y z e d t h e n ，t h ef - e a t u r e - b a s e dm u l t i 1 e v e ld a _ t am o d e lf o r r o a dn e t 、v o r ki sp r o p o s e d f e a n u n ei st h eg e o g r 印m ce n t 时i nr e a lw o r l d ，w h i l er o a df b a t u r ei s t l l eo n er e i e v a mt or o a dn e 铆o r k s ，w h i c hi s l eb 2 l s i cu 1 1 i to fn l ed a t am o d e lt 0e x p r e s s ，s t o r e 锄do r g 觚i z er o a dn e t w o r k s t h er o a dn e 佩，o r kd a t am o d e li sd i v i d e di n t ot h r e el e v e l s a c c o r d i n gt ot h ea b s t r a c t i o nd e g r e e so fd i f - f e r e mf l e a t u r e s i n t e r c h a n g e sa b s t l a c t e d ，m ef i r s t l e v e le x p r e s s e st h et o p o l o g ys 仃u c t u r eo fr o a dn e t w o r kg e n e r a l l y 1 1 1 es e c o n dl e v e ld e s c 舶e s a l lm el i n e a rf e a t u r e si nr o a dn e t w o r k ，a i l de s t a b l i s h e st l l et o p o i o g i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n r o a d s t h e “r dl e v e lt a k e sal a n ea saf e a t u r e ，a i l de s t a b l i s h e st i l er e l a t i o nb e t w e e nl a n e sa n d r o a d s ，嬲、v e l l 嬲m et o p o l o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nl a n e s ，t 0d e s c r i b et l l e 仃a m cn o ws i t u a t i o n i ni n t e r s e c t i o n sa n di nd e t a i l e dl a n e s c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n sb e t w e e nf i ea t l 叮e so fd i f f e r e n t l e v e l s 御ee s t a b l i s h e d ，t oe n s u r et h ei n t e g r i t yo ft h ew h o l er o a dn e t 、v o r kd a t am o d e l b e s i d e s d e s c 曲i n gt h ep h y s i c a lr o a dn e t 、o r k ，t 1 1 ed a t am o d e ls u p p o r t st 1 1 ed e s c r i p t i o no ft r a m cm l e s a n dc o n s t r a i n t s ，w i l i c hh e l pi td e s c r i b em er o a dt r a l l s p o r tn 娟o r k r o a d - f e a ：t u r e - b a s e dm u l t i l e v e lr o a dn e t w o r kd a t am o d e li sd e s i g n e da n dr e s e a r c h e di n t e m so fc o n c e p td a t am o d e l ，l o g i c a ld a t am o d e la i l d p h y s i c a l d a t am o d e l w i t ht i l e t e c h n o l o g yo fl i n e a rr e f e r e n c es y s t e m ，t l l em o d e li sp h y s i c a l l yr e a l i z e d b a s e do n 让l e 、v o r k a b o v e ，t 、7 l ，o 印p l i c a t i o ne x a m p l e sa r cd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ：s h o r t e s tp a t hs e l e c t i o na n d t l l ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft i a m cm 玳i n g s s e n i n gs c h e m e s ，t op r o v em a tt h ep r o p o s e dd a t a m o d e l2 l r l di t sm o d e l i n gm e m o da r ef e a s i b l ea n de f i f e c t i v e 一i i 中山大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o n a t i o ns y s t e m s ；r o a dn e t w o r kd a t am o d e l ；m u i t i - l e v e l ； l a n e ；l i n e a rr e f e r e n c es y s t e m i i i 论文原创性声明内容 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：孙 日期：研年6 月厂日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 ， 学位论文作者签名：童镐& 导师签名：孕移假 日期：川年6 月r 日日期：川年6 月r日 中山大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会经济的发展，城市化速度的加快，日益严重的交通问题已经成为世界各国 面临的共同问题，这其中不仅包括发达国家，也包括越来越多的发展中国家【l 】。各国在 探索解决交通问题的过程中，提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a i l s p o n a t i o ns y s t e m s ， 简称i t s ) 的概念。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术 以及计算机处理技术等有效结合的系统工程。它适用于整个运输管理体系，使人、车、 路密切配合，从而建立起一种在整个社会范围内的全方位、实时、准确、高效的运输综 合管理系统【z j ，达到“保障安全、提高效益、改善环境、节约能源 的目的。 在当今世界上，走在i t s 研究前列的是美国、日本和一些欧洲国家。i t s 的最早起 源可以追溯到2 0 世纪6 0 年代美国的电子路径诱导系统研究【1 1 ( e i s ：e l e c t r o i l i cr d u t e g u i d a n c es y s t e m ) 。8 0 年代后半期美国的智能化车辆与高速道路系统【3 1 ( i n t e l l i g e n t v e i l i c l eh i g h w a ys y s t e m ，简称i v h s ) 、欧洲的道路交通安全设施高效率安全计划 ( p r o g r 锄f o r ae u r o p et r a m cw i t hh i 曲e s te m c i e n c y 觚du n p r e c e d e n t e ds a f e t y ， p r o m e t h e v s ) h 、以及日本的路车间信息系统( r o a da u 幻m o b i l ec o m m u i l i c a t i o n s y s t e m ，简称r a c s ) 1 5 j 等开发计划是i t s 形成的基础。美国等国i t s 研究的一个鲜明 的特点便是产学研紧密结合，政府、公司、研究机构通力合作，从而可以高频率的推出 卓有成效的i t s 研究和实际应用。 我国智能交通系统的研究起步较晚，研究较多的是交通信号控制系统，并逐步发展 了交通监视系统、交通信息动态显示系统、交通诱导系统的研究和实际推广。由于我国 经济发展速度快，交通问题和与之相关联的环境问题恶化严重，在我国研究和开发i t s 有很重要的意义。 智能交通系统需要多种技术加以实现，交通地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o n l l a t i o n s y s t e m t r a i l s p o r 眦i o n ，简称g i s t ) 作为地理和交通数据存储及应用的支持系统，是最 关键的技术之一。其中，g i s t 数据模型给出了对路网的描述和存储方案，对i t s 应用 的实现有着至关重要的影响。本文将以路网数据模型为核心研究内容，根据i t s 应用对 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 路网数据模型的要求，建立基于道路要素的分层路网数据模型，为i t s 应用的实现奠定 基础。 1 2 智能交通系统简介 要建立面向i t s 应用的路网数据模型，首先需要对智能交通系统的研究内容有一个 深入的了解，并了解i t s 应用对路网数据模型的要求。 1 2 1 智能交通系统研究内容 智能交通系统的体系结构往往会根据各个国家的不同情况而有所不同。不过各国的 研究基本上都从适应本地区域交通信号控制系统、车辆信息与路线导航系统出发。目前 智能交通系统的研究主要包括以下7 类【6 - 7 】： ( 1 ) 先进道路交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a m cm a l l a g e m e n ts y s t e m s ) 安装在道路沿线的各种探测器将收到的情报信息传送到交通控制中心进行处理分 析。计算出各处的车流容量车流速度等交通信息参数，用电子显示牌等提供给出行者。 ( 2 ) 先进旅行信息系统a t i s ( a d v a i l c e dt r a v e l e ri n f o m a t i o ns y s t e m ) 运用各种先进的通信、信息技术向利用私家车、公交车或同时利用这两种车辆的旅 行者提供道路上有关的交通情况或为到达目的地所需要的各种信息的系统。 ( 3 ) 先进公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ) 为减少城市交通量而应用的电子通讯系统，其目的是适应出行者需求，可随时传呼 出租车、公共汽车等。提供的实时信息包括：公共交通拥挤程度、票价、公交车辆到站 时空信息、换乘信息以及停车状况等。 ( 4 ) 先进车辆控制系统a v c s ( a d v a i l c e dv e l l i c l ec o n t r o ls y s t e m ) 应用先进的电子通讯和控制技术，使汽车能自动地选择最佳路线和合理车速安全行 驶，向驾驶员提供信息、指示、告警等，使驾驶员按优化路线和合理车速行驶。 ( 5 ) 营运车辆运营系统c v o s ( c o i n m e r c i a lv e m c l eo p e r a t i o ns y s t e m ) 通过纸上作业自动化，增强运输企业的生产能力、提高装备与设施的使用效率等措 施来减少管理者与承运人的开销；通过新技术的应用，更好地执行载重规定等运输规章， 减少基础设施的维护保养和更新费用；并通过商用车辆的智能化，改进其运输安全性和运 营效率。 ( 6 ) 不停车自动收费系统e t c ( e l e c 仃0 1 1 i c st o uc o l l e c t i o n ) 为了减少道路收费口处的交通拥挤，加快车辆通过收费口的速度而建设。系统采用 车载装置纪录代付款协议等信息，插入i c 卡后，当通过电子收费口时，利用收费口通 中山大学硕士学位论文 信天线与车载设备之间的通信，在计算机收费系统和i c 卡双方均完成对通行费的纪 录，从而实现电子结算收费。 ( 7 ) 事故管理系统c m s ( c o l l i s i o nm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 事故管理系统通过缩短事故探测、紧急救援和恢复正常交通等的时间，来减轻交通 事故所引起的交通拥塞的影响。 1 2 2 智能交通系统平台 智能交通系统是一个由实现各种不同功能的多个子系统有效集成而形成的复杂大 系统，而各子系统间的互连互通、有效集成是发挥大系统效能的重要前提条件。智能交 通系统综合平台就是为实现各i t s 子系统间的数据共享、实现深层次的信息融合和知识 发现而提供的综合平台【。 图1 t s 综合平台的结构及关键技术 智能交通系统综合平台应包含以下几个功能模块：数据库管理模块( 包括g i s t 和 非交通数据) 、交通仿真及其测试模块、中间件平台、信息交换及其接口、操作系统和 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 硬件平台。在智能交通系统综合平台的建设过程中，需要众多技术的支持，关键技术包 括g i s t 技术、数据融合技术、数据挖掘技术、数据仓库技术、人工智能和专家系统技 术、接口技术等。智能交通系统综合平台的功能模块在以上关键技术的配合下通过公共 共享数据库，将所有道路交通信息置于同一平台和操作环境下集中管理和调度，完成实 时数据采集、传输、处理和动态显示，以及服务信息组织管理、信息抽取、交通应用运 算和信息分发，提供基于g i s 的可视化信息表达功能。图1 1 是i t s 综合平台的基本结 构及关键技术【8 j 。 1 2 3 智能交通系统应用对路网数据模型的要求 上文已经提到，智能交通系统是一个由实现各种不同功能的多个子系统有效集成而 形成的复杂大系统，在本文中，每一个智能交通子系统或子系统的一个功能称为一项智 能交通系统应用。 g i s t 来源于地理信息系统( g e o 伊a p h i ci n f o m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 和交通信息系 统( t m s p o r t a t i o ni n f o m a t i o ns y s t e m ，简称t i s ) 的集成【9 。1 0 】。一般认为，g i s t 是在传统 g i s 基础上，加入了交通的几何空间网络概念、线性参照和动态分段等技术，并配以专 门的交通建模手段而组成的专门系统。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【l l 】。 g i s t 作为地理和交通数据存储及应用的支持系统，是实现智能交通系统应用甚至 建设智能交通系统平台的关键和基础。g i s t 系统的主要功能有： g i s 的基本功能地图的放大、缩小、漫游、编辑地图、测量等； 管理交通网络信息中各类信息，分析各类信息之间拓扑关系； 处理交通网络中随时间和空间变化的实体信息； 综合运用多种信息，为i t s 的其它子系统做决策( 例如为导航系统提供最佳路径) 。 由g i s t 系统的主要功能可以看出g i s t 数据模型是其核心。几乎g i s t 系统所有 的功能都是基于交通地理信息系统的基本数据模型展开的，所以路网数据模型的设计方 案对于上述功能的实现有着至关重要的影响。 对智能交通系统的研究内容进行分析，总结得出这些应用对路网数据模型提出了以 下要求： ( 1 ) 能够准确地描述复杂路网的线形地物，包括各种立体交叉； ( 2 ) 建立道路之间的拓扑连接关系； 中山大学硕士学位论文 ( 3 ) 描述车道的属性和车道之间的连通转向关系，建立车道与道路的对应关系： ( 4 ) 能够支持对交叉口和道路中细化到车道的交通组织的表达； ( 5 ) 描述路网中的要素的时间状态，以描述动态事件。 在众多i t s 应用中，本文将主要关注几个使用较为广泛又具有代表性的应用，包括 交通设施的智能化管理、车辆导航、交通信号控制、交通信息发布等。 1 3 研究内容与目标 论文以建立满足i t s 应用的路网数据模型为目标，分析i t s 应用的特点和对路网数 据模型的要求，提出基于道路要素的分层路网数据模型，对其进行物理实现，并通过两 个实验验证模型的有效性及建模方法的正确性。本文考虑的i t s 应用包括交通设施的智 能化管理、车辆导航、交通信号控制、交通信息发布等，所以需要设计一个满足各项应 用的路网数据模型。 有关论文的研究工作有以下几点需要说明： ( 1 ) i t s 应用目前主要应用在城市中，所以论文所研究的路网数据模型主要针对城市 路网，也可推广应用到其它道路网络上；而且本文所研究的只是道路网络，道 路之外的区域暂时不在模型的考虑范围内。 ( 2 ) 论文将提出基于道路要素的分层路网数据模型并给出相关要素的定义，这些要 素将在后文继续使用，含义均与定义一致。 ( 3 ) 论文提出的基于道路要素的分层路网数据模型是基于多种i t s 应用对路网数据 模型的要求而提出的，但主要基于车辆导航和交通设施智能管理的需求。由于 每个i t s 应用有各自的特点，所以将该模型用于其它具体应用时，可能需要进 行一定的修改。 ( 4 ) 论文中的实验的目的是验证路网数据模型的合理性和可行性，所以在实验中， 并不刻意追求路径选择算法的效率和标线显示的效果。 论文的研究目标包括理论与应用两个方面。 理论的角度：分析i t s 应用对路网数据模型的要求，结合交通网络的服务规则，对 路网要素进行合理地描述和组织，建立基于道路要素的分层路网数据模型，以满足i t s 应用。 应用的角度：以基于道路要素的分层路网数据模型为理论基础，探讨路网数据在计 算机中的组织和存储，构建对应的三层交通路网。通过在该交通路网上进行路径选择和 交通标线布设方案的自动设置这两个实验，将理论与应用进行初步的结合。 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 1 4 论文结构大纲 本文由以下几个部分构成： 第一章：绪论，即本章。指出路网数据模型对智能交通系统的作用和意义，介绍了 智能交通系统的研究现状和i t s 平台，并简单介绍了i t s 应用对路网数据模型的要求。 第二章：g i s t 数据模型的研究进展。从应用的角度简述了g i s t 数据模型的意义 以及其研究发展的自身特点；然后从结构的角度，依次分析了传统数据模型、线性参考 数据模型、基于车道的数据模型、面向对象数据模型，评述了国内外g i s t 数据模型的 特点和它们各自适合的应用。 第三章：基于道路要素的分层路网数据模型的设计。基于i t s 应用对路网数据模型 的要求，介绍了基于道路要素的分层路网数据模型的具体设计，给出该模型的概念数据 模型。该模型以道路要素为表达、存储和组织路网的单位，根据道路要素的抽象程度不 同，模型划分为三个层次。第一层路网数据模型对立交进行抽象，概括地描述路网的拓 扑结构；第二层模型建立道路之间的拓扑关系，描述路网中的所有线形地物；第三层建 立车道之间的拓扑关系，并描述路网中交叉口和道路中细致到车道的交通组织。不同层 次的要素建立了对应关系，以保证模型的整体性。该模型在充分描述道路几何网络的基 础上，加载了交通规则和约束，实现了对复杂道路交通网络的描述。 第四章：基于道路要素的分层路网数据模型的实现。本章介绍模型实现的软件平台 和关键技术；设计了基于道路要素的分层路网数据模型的逻辑数据模型和物理数据模 型，并分层对模型进行物理实现，实现对应的三层路网。由此表明，论文所提出的基于 道路要素的分层路网数据模型及其建模方法是可行的、有效的。 第五章：基于道路要素的分层路网数据模型的应用。本章设计了两个应用实验：最 短路径选择和交通标线布设方案的自动生成。其中，在交通标线布设方案的自动生成的 实验中，建立了交通标线的数据模型，通过规则约束和路网数据的匹配，使用线性参考 方法实现了交通标线的自动设置。两个应用均以基于道路要素的分层路网数据模型为理 论基础，由此表明论文所提出的模型具有很好的应用性。 第六章：总结。本章归纳了论文的主要研究工作，总结了论文的主要创新点和贡献 以及不足之处，并对将来可能的进一步改进及发展趋势做出了一定的补充。 中山大学硕士学位论文 第二章g is t 数据模型的研究进展 本章将对数据模型的概念进行介绍，并对已有的g i s t 数据模型进行系统的探讨与 客观的分析，为模型的建立进行理论的铺垫。 2 1 数据模型与建模 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i l 引。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：l 、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 f 1 3 】 o 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。数据建模过程遵循从最高( 概念数 据模型) 到最低( 物理数据模型) 的这样一个程序，但一般应用研究首先确定数据模型特 征，选用合适的物理数据库和软件操作平台，在此基础上理清概念，包括所包含的实体 及其关系，决定所需数据；与软件平台相结合，建立逻辑数据模型，并建立底层次的物 理数据建模，在软件平台上应用物理数据模型，进行数据模型的表达和应用分析【1 4 】。 2 1 1 概念数据模型 概念数据模型是对用户数据需求的一种简练描述，它是人们对客观事实或现象的一 种认识，有时也称为语义数据模型。不同的用户由于在关心的问题、研究对象、期望的 结果等方面存在着差异，对同一客观现象的抽象和描绘会形成不同的用户视图，称为外 模式。概念数据模型是考虑用户需求的内容，用统一的语言描述、综合、集成的用户视 图。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。概念数据模型的表示方法有很多，其中最常 用的是p p 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 i a t i o n s h i pm o d e l ，e rm o d e l ) 【1 5 】。 实体关系模型通过实体关系图( e r 图) 来表达概念数据模型，用以表达数据实体 ( e m i t ) ，) ，数据属性( p r o p e 啊，a t t 曲u t e ) 和数据关系( r e l a t i o n s h i p ) 三个基本概念概括数据 的基本结构，从而描述静态数据结构的概念模式【l6 1 。实体就是具有公共性质的可区别的 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 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库中的相关 性质。关系描述了实体之间的联系，也可以具有属性。 e - r 图有多种表示方法，根据e l m a s r i 和n a v a t h e 的著作【1 7 1 ，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则用椭圆表示，以直线连接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。e r 图具体如图2 1 所示。 图2 - 1 实体关系图( e - r 图) 2 1 2 逻辑数据模型 逻辑数据模型是一种面向数据库系统的模型，将概念数据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 f c o d d 在1 9 7 0 年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【l 引。关系数据模型是以二维表为基本单位的关系数据的组织，该二维表必须是不可再 分的表，每一个表由行( 记录) 和列( 字段) 组成。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。关系数据模型可以通过关 键字使二维表之间建立链接，进行关系运算，从而进行深入的数据分析与数据挖掘。由 于关系数据模型建立在关系代数的基础上，具有坚实的数学基础，通过关键字的设置， 可以将各种“关系 进行链接、管理、分析，从而方便进行各种运用和数据挖掘。因此， 关系模型很快成为主流市场产品数据库，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 r 怕m i x 等【1 9 】。 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，如数据记录被存储 中山大学硕+ 学位论文 在什么地方、与读取数据相关的索引系统等。物理数据模型一般不是系统用户最关心的， 也不是本文的讨论重点，故不再详述。 2 2g i s t 数据模型及其研究进展 2 2 1 图论基础 道路数据模型来源于图论。图论研究了集合中各元素的关系，特别是连通关系。一 般用u 2 l ，也，表示图，其中y 是一个非空有限集合，代表结点的集合( 点集) ，e 是y 中结点之间的边( 或弧段) 的集合( 边集) 。 根据边集中的边是否有向可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，顶点间的关系是单向的。 按相交的边是否必需产生交点，图可分为平面图和非平面图，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平面，即边相交处可以不存 在任何交点l i 3 。 2 2 2g i s t 数据模型的研究进展 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，数据模型则用来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1 2 0 】。随着g i s 在交通领域的应用与发展，国内外 相继发展了若干g i s t 数据模型，下文将对目前影响较大的g i s t 模型进行回顾。 ( 1 ) 传统弧段结点模型 s h e m 结合图论的理论，用结点和弧段来描述交通网络，也就是传统的结点一弧段 表示法，该模型被称为结点一弧段数据模型 2 l 】。结点( n o d e ) 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 2 ( a ) ，路口被简化为一个结点，只能很有限的描述路 口信息。为了描述路口的各种转向限制信息，s h e 街在此基础上进行扩展，用4 个结点 来表示路口，这样每个路口就有4 个结点和1 2 条有向弧段表示，如图2 2 ( b ) ，这种表示 会导致数据量大幅上升。 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 ( a ) 单点表示( b ) 扩展表示 图2 2 传统弧段一结点模型中交叉口表达示意图 由于此模型简单易用，在g i s t 领域得到了广泛应用，成为道路交通系统表达模 型的一个主流。很多最优路径算法都是基于结点一弧段模型的，而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 砸文件、地质调查局的数字线画图 ( d l g ) 、a r c i n f o 也纷纷采用该模型。 然而，该模型存在以下缺陷：首先，由于该模型要求在所有路段的相交处必须产生 结点，以致模型很难表达真实世界中的立交或者隧道等交通实体，虽然可用打破拓扑的 一致性或增加转向表来解决此问题，但前者会破坏数据库的完整性，后者缺乏效率。其 次，传统平面模型基于一个假设，那就是每一条弧段的特性是没有变化的，然而模型中 弧段所代表的现实路段，不同位置上的车流量、车道数都有可能不一致【lo j 。再次，该模 型中要素与属性是一对一的关系，当线形地物的某一部分或某几部分具有不同的属性值 时，它就将该线形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，导致整个线性系统变得难以管理、更新困难【l 引。 ( 2 ) 非平面数据模型 随着城市交通的发展，两条道路立体交叉而互不相通的情况越来越普遍，为了减少 数据冗余，发展了非平面数据模型。非平面数据模型同样由弧段和结点组成，与传统的 平面弧段结点数据模型最本质的区别在于几何表达和网络建模要素表达方式上的不 同。对于几何数据表达，非平面数据模型除了记录道路的真实起终结点外，在路线交叉 处一般不产生结点，如图2 3 ，使得几何数据库中所需维护的数据大幅度减少【l 引，很好 地保持了交通要素的几何完整性，使地理编码更加有效。在网络建模要素上，平面强化 的限制使得平面数据模型的建模要素只能是平面图中的结点与弧段，而不是完整的交通 湃川 h川 中山大学硕士学位论文 要素本身，势必把一个完整目标分割成许多小的目标，导致整个道路实体的操作与分析 效率不高。非平面数据模型则将整条道路作为一个几何对象存储，允许道路之间存在高 差，避免了非拓扑结点的产生及立体交通网络中不可能的转向，更真实地表达了现实世 界的交通网络。但该模型在实现难度上比传统弧段结点模型大，而且同样将道路作为 路网的基本要素，而忽略了对车道的描述，难以支持复杂的交通应用。 图2 3 非平面拓扑表达 ( 3 ) 动态分段和线性参考模型 由于传统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， 所以许多交通部门和规划机构都纷纷建立了自己的线性参照系统，来描述与道路相关的 随空间变化的设施的属性。其中，f l e t c h e r 2 2 】是最早提出这一种模型的。 线性参考系统由交通网络、线性参照方法和基准三部分组成。线性参照方法( l i n e a r r e f e r e n c em e u l o d s ，l i 己m ) 是在线性要素上的任意未知点的位置可以通过相对于已知点 的距离和方向来确定的方法；它解决了交通网络上事件点的表达和位置确定的问题1 2 3 1 。 线性参考的核心技术是线性参照基准的建立和动态分段技术。动态分段( d y n 锄i c s e g m e 删i o n ) 的实质是将以一维线性参照为基础的属性数据( 称为事件) 与二维参照系 统中的空间数据相统一，从而将道路数据库对应的多个属性数据集与一维路线中任何部 分相关联，而不必随每个属性集的分段不同来修改对应的二维空间中的坐标数据，达到 对道路线性要素及其相关属性进行存储、动态显示、查询和分析的目的【2 4 j 。 一个理想的线性参考系统数据模型应当能支持所有相关的应用，能在各个政府、机 构、企业之间实现数据共享。典型的企业数据模型有n c h r p ( n a t i o n a lc 0 0 p e r a t i v e h i g h w a yr e s e a r c hp r o g r 锄) 模型和d u e k e 玎，b u t l e re n t e r p r i s el r s 模型。 n c h i 冲模型是1 9 9 4 年8 月在密尔沃基举行的n c h i 冲2 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，实现不同数据间的共享。每一个网络模型都 有很多的l i 蝴，而商业数据库都是基于不同的l l 洲建立的，因此提供了一个数据集 基于道路要素的分层路网数据模型及其应用 成的方法。n c h i 冲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，尤其是对于线性基准层的 维护【2 5 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 图几何据和线性基准。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基准模块上，网络拓扑和基准完全分 开【2 6 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。 ( 4 ) 基于车道的数据模型 随着智能交通系统的深入发展，车载导航服务、交通信息服务等基于位置的服务得 到广泛应用，基于道路的应用也在不断地深入，对道路数据的内容和建模要求也越来越 高。而这些应用需要考虑的因素往往与车道密切相关。对车道进行描述的模型大致有以 下几类。 g o t t s e g e n 等人【3 】于1 9 9 4 年提出了传统弧段一结点模型的修改模型。当车道数发生 变化时，打断原有的弧段，增加车流组织变化点。但是，这种方法用于表达一对多的关 系时，导致弧段与结点的数量增加，增大了数据存储的需求。同时，数据更新与车道组 织的变更需要重新构建网络拓扑，工作量繁重。 f o h l 等人【27 j 于1 9 9 6 年提出了基于导航的数据模型，该模型采用线性参考和动态分 段的方法，记录交通组织发生变化( 通常为车道数目变化) 的地点，在相邻两个变化点 间的路段中，车道数目不会发生改变。车道作为属性存储于路段表中。该模型亦可描述 平行车道的连通性和不同路段车道的连通性。此模型的不足是把车道作为属性来存储， 无法直接有效地表达空间关系，需要附加大量的点，依靠点连通表与路段连通表来维持 车道拓扑及车道连通关系，需要大量的数据存储空间。 g d f ( 1 9 9 9 ) 【2 8 】是一个通用标准，它以要素( f e a t u r e ) 为中心，要素是真实世界地理对 象的数据库表达，如建筑或道路。根据要素是由简单还是复杂类型，划分为两层。第一 层包含简单要素，由点、线、面来表达，图2 4 ( b ) 即为图2 4 ( a ) 路网的第一层表达。在第 二层中，对象由多个简单要素表达，描述一些复杂的要素，如图2 4 ( c ) 所示。g d f 对道 路网络的抽象使用弧段结点结构，其中弧段代表道路中心线，每一条道路中心线为无 向弧段。一段道路如果有中央分隔，则被视作两条车行道，车行道为无向的。在g d f 中， 车道仍然作为道路的属性存储。 中山大学硕士学位论文 j 【 j ( 二 厂 ( a ) 图2 4 g d f 中的路网拓扑 l e v e l 2 ( c ) m a l a i l 【r i s a n a c h a l e e 与a d 锄s 【2 9 】提出了具有代表性的道路数据模型，在此模型中，车 道及车道之间的连通关系作为要素表达，车道的位置用线性参考方法确定。该模型采用 有向图，用结点之间的连通关系来定义车道连通性，如图2 5 所示。此模型的突出之处 是：在交通状态变化处，增加适当的结