（地图制图学与地理信息工程专业论文）面向路段的交通仿真空间数据模型研究.pdf

摘要 摘要 空间数据模型在交通仿真的研究中占有重要的地位，采用恰当的空间数据模型不仅可以大大地 提高仿真的效果，有效地表现交通的特征，也可以得到更准确的仿真结果。为了提高仿真的效果， 论文讨论了适用于路段交通仿真的描述道路特征的g i s t 空间数据模型。 本文提出了适用于路段交通仿真的道路特征模型；分析了空间数据模型的概念，g i s t 数据模型 的组织形式及关键技术；分析了道路特征对于交通仿真的影响；并详细设计了道路特征模型的概念 模型、逻辑模型，物理模型和数据结构。道路特征模型通过使用动态分段的技术，保留了线形数据 的参数，解决了传统模型在描述道路时丢失道路线形数据的问题。然后，从开发的角度。利用v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 和e s r i 公司的二次开发组件- a r c g i s e n g i n e 编写了面向路段的交通仿真程序，并详细介 绍了模拟中的车辆定位算法，通过计算机仿真动画直观地反映出道路特征模型对仿真的影响。为道 路特征模型的具体应用提供了参考。实验结果表明：本文提出的道路特征模型和对道路模型的概念 模型设计，逻辑模型设计和数据库设计，可以较好的适用于交通仿真。 关键词： g i s t 、微观交通仿真、车道布局、仿真模型、系统设计 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a t i a ld a t am o d e li sv e r yi m p o r t a n ti nt h er e s e a r c ho ft h et r a f f i cs i m u l a t i o n u s ef i t t a b l es p a t i a ld a t a m o d e li sh e l p f u lt od e s c r i b et h ec h a r a c t e r so f t r a f f i c ag o o ds p a t i a ld a t am o d e lc a nn o to n l yi m p r o v et h e t r a f f i cs i m u l a t i o ne f f e c tb u ta l s og e tm o r ea c c u r a t e dr e s u l to ft r a f f i cs i m u l a t i o n t h i sp a p e ri sr e s e a r c ho n t h eg i s ts p a t i a ld a t am o d e lt od e s c r i b et h ec h a r a c t e r so ft h er o a d s u c hs p a t i a ld a t am o d e li sf i tt ot h e i i 墒cm i c r o - s i m u l a t i o n 。 t h i sp a p e rp r o p o s et h er o a dc h a r a c t e rm o d e lw h i c hi sf i tt ot r a f f i cs i m u l a t i o n0 1 1t h es e c t i o no ft h e h i g h w a y , a n a l y s i st h ec o l l c e p t i o no f t h e & a p t i a ld a t am o d e la n dt h ek e yt e c h n i q u eo f t h eg i s td a t am o d e l i ta n a l y s i st h er o a dc h a r a c t e r se f f e c to i lt h ew a f f i cs i m u l a t i o na n dd e s i g nt h er o a dc h a 矗i c t e rm o d e l s c o n c e p t i o nm o d e l , l o g i c a lm o d e l , p h y s i c a ld a t aa n dd a t a $ 1 2 1 c t u r ei nd e t a i l e d t h er o a dc h a r a c t e rm o d e lu s e d y n a m i cs e g m e n tt e c h n i c a lt os a v et h el i n e t y p ed a t ao f r o a d t h i sw a ya v o i d sl o s i n gt h el i n e t y p ed a t ao f t h e m a d a n dt h e n i tu s ev i s u a ls t u d i o2 0 0 5a n de s r ic o m p a n y sc o m a r c g i se n g i n et od e v e l o pat r a f f i c s i m u l a t i o np r o g r a mf i t t e dt os i m u l a t et h es e c t i o no ft h eh i g h w a ya n dv e h i c l eo r i e n t a t i o na l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dd e t a i l e d l y t h r o u g ht h i sw a y , i tc a ns h o wt h ee f f e c to f t h er o a dc h a r a c t e rm o d e l t h er e s u ro f t h ee x p e r i m e n ts h o w st h et o a dc h a r a c t e rm o d e lc a l lf i tt h et r a f f i cs i m u l a t i o nb e t t e r k e yw o r d s ：g i s ：t r a f f i cs i m u l a t i o n ：r o a dc h a r a c t e r m o d e l ：s i m u l a t i o nm o d e l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：耷! 竺 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着我国经济的飞速发展，交通问题已成为制约社会经济发展、人民生活水平提高的 主要因素之一。因此，必须对复杂的交通现象进行分析、研究，把握其内在规律，为各种交通问题 的解决提供理论方法和技术手段。对于简单的系统，可以通过微积分、概率论、代数方程等解析方 法求解；对于复杂的系统，解析方程难以建立，或未知量过于复杂难以求解，此时通常借助仿真求 解。交通仿真法可以在一定的交通理论模型上，通过实测数据对各种交通现象进行详细的、可重复 的模拟，从而为交通问题的研究提供更为科学的方法。 交通仿真中的数据类型大体分为静态交通信息和动态交通信息两类。静态交通信息是指包括道 路信息、交通附属设施信息、停车场信息、车辆管理信息等不随时阅变化的信息，它又可以分为基 础数据( 如道路路网数据等) 和车辆数据( 如车辆违章历史数据等) ；动态信息主要指各类实时采集 到的交通信息，如交通流量信息、视频监控信息、车辆位置信息、实时速度信息等。 交通系统正是一个复杂的大系统。交通仿真就是利用计算机对所研究交通系统的结构、功能、 行为以及交通控制者一人的思维过程和行为特征进行比较真实地重现 1 4 1 。 面向路段的交通仿真，就是利用一定的模型让计算机自动产生与路段上的实际交通流具有相同 分布特征的随机数。通过对随机数的排序、检验形成随机变量，通过对这些随机变量的数值计算、 逻辑推演和检验来模拟车辆在路段上运行时的跟驰、换车道等各种行驶行为。 根据模型描述程度的不同，交通仿真可以分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真。宏观模型适用 于描述系统的总体特征；中观模型对交通系统的要素及细节的描述程度位于宏观模型和微观模型之 间：微观模型对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高，并试图通过真实反映系统中的所有个 体的特性来反映系统的总体特征。 宏观模型、中观模型与微观模型的主要区别是从不同的角度和方法来描述交通流。 宏观模型着重从全局角度来研究系统特征，通过流量一密度关系来控制交通流的运行，模型不 追踪单个车辆的移动。宏观模型对于描述整个道路网络的全部流量是有效的，但宏观模型不能刻画 瓶颈的动态变化，也很难兼顾每车辆驾驶员的行为。 中观模型对交通系统的要素及行为的细节描述程度较高。既可以描述宏观交通流模型中采用的 时间与空间状态特性( 如密度、流量与速度) ，又可以保留微观模型中的核心数据。不过，与微观 模型相比，中观模型只能部分刻画“人一车”的行为。 微观模型以车辆单元为分析单位，细致地反映车辆的跟车、换车道行为。以车辆单元间的相互 制约关系为函数关系，确定车辆菜一对刻具体的位置、速度和加速度等车辆参数。微观模型可以给 出单个车辆的详细结果，包括实际速度、旅行时间、排队时间等。不过这种模型在一定程度上受仿 真车辆数量、计算机的c p u 及内存容量的限制。 东南大学硕士学位论文 三种模型各有利弊，有各自不同的应用范围。总的来说，当没有真正认识到交通流的复杂逻辑 关系，或是逻辑关系太过复杂以至有太多的参数无法标定时，微观仿真结果会比宏观和中观仿真结 果准确的多。 正是由于上述微观模型相对于宏观模型和中观模型的优势，近年来的交通仿真越来越倾向于微 观模型的研究和应用。 根据扫描方式( 仿真模型的推进方式) 的不同，交通仿真可以分为时间推进方式和事件推进方 式。扫描方式控制整个仿真时间的进程。 时间推进方式即是以等长的时段为时间扫描步长，每一步长对系统更新一次，不断推进车辆单 元的运行，以实现动态的交通流。时间扫描法是微观交通仿真的基本方法。 事件推进方式即是以预定事件的出现作为确定仿真步长的依据，事件不出现，系统不更新。更 新仿真程序的事件，必须是对仿真具有重要意义的事件。 事件扫描法只反映具有重要意义的事件，因此具有一定的局限性，不适宜于需要更真实地反映 车辆连续动态特性的情况；而时间扫描法不存在这样的缺陷，可以描述每一步长所有车辆的动态特 性，能更真实的反应道路的交通情况。 地理信息系统( 即g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计算机硬件、软件系统的支 持下，以地理空间数据库为基础，采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气 层在内) 与空间和地理分布有关的数据，为地理研究和地理决策服务的空间信息系统0 7 1 。地理信息 系统所具有的强大的数据采集、数据管理、图形显示功能，尤其是空间分析功能，可以很方便地实 现对数据的集成管理，g i s 数据库弥补了传统的关系数据库的不足，满足了对复杂的基础数据的管 理以及数据可视化方面的要求。 然而，在交通仿真应用方面，传统的g i s 却遇到了一些问题。比如，道路是一种线性构造物， 传统的地理信息系统一般将其处理成线性地理特征( 直线或折线) 。而线性构造物是以弧段为基本单 位进行存储和管理的。在建立所有弧段空问数据库的同时，建立了描述这些弧段的属性数据库。对 空间数据库中的每条弧段，属性数据库中仅有一条记录与它相对应。也就是说弧段是线性地理特征 属性数据库的基本单位。同一弧段上的所有位置都具有相同的属性特征。然而在微观交通仿真中， 一条弧段上不同的位置可能对应有多种不同的属性，因此对道路不能进行简单抽象。 交通系统具有天生的地理属性，系统中充满了空间信息。在道路设施统计分析、交通路网分析、 交通仿真、交通规划设计方案的优化与评价中，都涉及到空间数据。g i s 是分析处理该类数据的有 效工具。由于其空间特征和应用兴趣的独特性，将g i s 在交通中的应用强化为一个专用名词g i s - 1 删。 与许多其它的g i s 应用相比，g i s t 具有一个核心的研究对象，即所研究区域内的道路网络。 交通系统中的道路网络是复杂的，它们具有如下特征： ( 1 ) 道路网络常常是多模式的，穿越许多不同的辖区，且对不同类型的用户或管理者有不同的 逻辑视图； ( 2 ) 道路网络常常需要表达注入的交通事故、路面质量等事件； ( 3 ) 同一道路网络在不同的地图比例尺下可能有不同的表现形式； ( 4 ) 常常需要表达网络数据与非网络数据间的关系。 2 蔓二皇竺丝 其实，实际道路网络的特征属性与用计算机表达它们的数据模型之间，存在着巨大的鸿沟。首 先，许多g i s 软件只能识别预先定义的简单几何元素( 点、线和多边形等) 。其次，许多现有的g i s 在描述一些交通特征对将不同交通特征表示在不同的g i s 图层的表示方法导致了实体间逻辑信息 的丢失。 目前还没有一个完整的适用于微观交通仿真，描述道路特征的g i s - t 空间数据模型。因此，本 文运用地理信息系统理论与技术、运用空间数据库管理与应用技术，研究能够准确描述对车辆行驶 产生影响的道路线形特征的空间数据模型，实现对车辆运行特征的准确描述，并开发了相应的基于 g i s - t 的微观交通仿真系统。 1 2 研究现状 1 2 1 交通仿真 目前国外在交通仿真研究方面已经进行了有效的、比较成熟的工作，并开发了众多的交通仿真 软件。其中一些软件已经实现了产品化和商业化。从2 0 世纪6 0 年代开始出现交通仿真以来，纵观 其整个发展过程，大致经历了6 0 年代、7 0 至8 0 年代、8 0 年代末至今3 个较为明显的阶段， 在6 0 年代，交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目的。因而宏观交通仿真模型 被广泛使用，但模型的灵活性和描述能力都较为有限，加上当时计算机性能较低，所以仿真结果的 表达也就不够理想。在这个阶段最具代表性的当属英国道路与交通研究所t r r l 的d l 罗伯逊于 1 9 6 7 年开发的，用于确定定时的交通信号参数最优值的道路交通流仿真软件t r a n s y t ；g e r l o u g h 在1 9 6 3 年建立的用于道路两络信号配置的t r a n s 模型；美国联邦公路局f h w a1 9 5 6 - 1 9 6 6 年研制 的s i g o p 仿真系统。 7 0 8 0 年代，由于计算机的迅速发展，计算机仿真模型的精度也得到了提高，功能也更加多样化 了。同时，微观交通仿真模型也得到了较大的发展。这期间的典型代表是美国联邦公路局开发的 n e t s i m l 2 1 1 模型。该模型是一个描述单个车辆运动、应用时间扫描法的网络微观交通仿真模型。 该模型对道路几何条件的描述也很灵活。n e t s i m 模型经过多次版本升级，其功能日趋强大，广泛 应用于交通控制和管理系统方案优化、交通设计方案优化以及交通工程相关领域的理论研究方面， 迄今为止，n f t s i m 模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。其他一些研究成果还包括；1 9 7 1 年， e b l i e f e r m a n 建立了用以描述个别车辆运动的u t c s 1 模型；1 9 7 4 年，日本科学警察研究所开发了 m i s t r a n 模型，用以研究转弯车辆与横穿道路的步行者之间的相互影响；1 9 7 6 年，英国剁兹大学 开发了用于平面交叉口交通信号控制的s a t u r n 宏观模型。 8 0 年代末以后，由于早期计算机性能及发展水平限制，当时开发的交通仿真模型主要用在大中 型计算机以及图形工作站上，而且几乎都是采用面向过程的传统的软件开发方法。大多数都是采用 f o r t r a n 语言或专用的仿真语言为开发工具，仿真模型也很难真正体现复杂的交通现象。系统的通用 性、交互性、可维护性，扩展性都较差。自2 0 世纪年代末以来，随着计算机技术的迅速发展和 软件开发技术的进步，i t s 成为了国外研究的热点。世界各国都展开了以i t s 为应用背景的交通仿 东南大学硕士学位论文 真软件的研究与开发，从而出现了一大批评价和分析i t s 系统效益的仿真软件。如表1 1 所示 表i - 1 典型交通仿真系统及模型 隧用领域j 麓编通黼汛篝流酶霰益，? 瓮鞑黼谶淼系菇海奔方躺籀澄罐：氍琴秽嘲 灿。 ” o * 觚”a 。，|，。f 7 * 美国c o r s h m m t s i m p h a r o ss h i v a t r a n s i m st h o r e a u i n t e g r 棚o nd y n a s m a r tv m i mk r o n o sd y n a m i t a v e n u e 英国e a c u l a p a d s i m p a r a m i c ss 1 0 s m i 德国s s 【mu t o b a h nm i c r o s i mp l a n s i m - ts i m n e t a k t i s t 典型交通仿 法国e m i ss i m d a cs i t r a - b + a n a t o l l 真软件及模 西班牙g e t r m ， i m s u n 2 型 瑞典m i m i c 芬兰h u t s i m 荷兰f l e x y t l l 日本e l r o s em i c i s n n e t s t r e a ms t r e a m 描述的交通车辆排队及溢出、车辆交织、交通事故、公交运行、行人冲突、停泊车辆、天气状况、寻找停车场、 现象和对象自行车，摩托车等 描述的交通固定信号控制、自适应控制、匝道汇入控制、静态路径诱导，动态路线诱导、事故处理，公交车优 控制和管理先控制，可变标志控制、收费口、自动道路系统无人驾驶车辆、停车地诱导等。 运行效益指标：行驶速度、行驶时间、拥挤程度、行程时间变化性，公交运行正常率等# 安全性指标：车头时距、超车、车辆冲突次数、车辆与行人冲突等； 指标评价环境指标：尾气排放置、路旁污染程度，噪声水平、空气质量等； 舒适性指标：乘坐舒适性等： 技术性指标：油耗等。 大部分软件采用文本输入格式来描述诸如，点、路段，交通信号，路径、车辆到达率等，但也有少 软件的输入 数几个软件提供了路网拓扑结构和几何数据的图形输入界面。 输出界面 大部分软件具有动画演示输出功能，但也有少数模型只提供数据库格式的输出形式。 硬件条件大部分软件可在p c 机或u n i x 系统上运行，有个别在v a x 和r e 6 0 0 0 机以及s u n 机上运行。 路网大小从5 0 个节点、1 0 0 0 辆车，到2 0 0 个节点、上万辆车，有的甚至可处理3 0 0 0 个节点，1 0 0 路网大小 万辆车，但采用的是并行处理机制。 取决于路网大小和计算机性能。一般来说仿真软件的运行速度为实际时间的1 - 5 倍，更快一些可达 运行速度 到1 5 - 2 0 倍，但也有慢于实际时间的。 基本的仿真几乎所有的仿真软件均采用面向对象的编程技术，绝大部分采用了时间扫描的描述方式，且多为微 技术观仿真。 目前在国内部分城市应用的s c a t s 系统和s 0 0 0 7 系统都是对道路网络实时协调控制的自适应控 制系统，所以可以认为是一种实时的交通控制系统。它们都包含一个用于联机计算的实时交通预测 4 第一章绪论 模型，可以对交叉口停车线断面上的车流图式、车辆受阻排队情况以及拥挤程度做出定量的预测。 由于它们均是基于路口的实时检测，因此国内展开了很多基于神经网络、模糊控制、遗传算法等的 实时交通流量预测及行程时闻预测，进而对交通进行控制和诱导。这些方法都是通过对路口处流量 的检测，进而估计预测路段上流量以及路段上的行程时间。由于路段上流量及行程时间对实时交通 控制，尤其是区域交通控制的重要性，因此上述方法由于预测模型的准确性和有效性很难达到要求 而不能真正应用到实际的动态交通控制管理中。 与国外相比，由于我国国情的限制，长期以来交通仿真并未引起有关部门的重视。随着世界各 国广泛开展对i t s 的研究，我国交通界也逐渐认识到了在我国开展i t s 研究的重要性。与此同时， 作为i t s 核心技术之一的交通仿真也受到了极大的关注。9 0 年代以后，国内交通工程界逐渐注意到 交通仿真研究的重要性，一批科研单位开始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果。但总的 来说，目前国内的仿真研究仍较为零散。往往只局限于解决单一问题，而很少从整个交通环境的大 系统来考虑，甚至至今没有成功的商业化产品进入应用领域。 国外的交通仿真研究已有相当多的商业软件面世，远远领先于国内的交通仿真研究。一方面， 从目前的应用效果上看，国外的仿真软件有其自身的适用范围，并不能很好的应用于中国的交通工 程实践。另一方面，各国的道路设施往往也有其自身的特点，而各国的仿真软件主要是根据其本国 的道路设施构建的。因此国外的仿真软件往往不能很好的应用于中国的情况。就我国而言，还是应 该根据中国具体的道路环境特征，发展具有自主知识产权的交通仿真系统。从国内的研究状况上看， 除了要研究交通模型以外，还要加强道路模型的研究。 1 2 2g i s 空间数据模型 从表1 1 中可以看到，大部分交通仿真软件的输入界面采用文本输入格式来描述诸如，点、路 段、交通信号、路径、车辆到达率等。而g i s 技术的引入将可以大大简化交通信息的输入。g i s 技 术的引入必然会涉及到g i s 空间数据模型的研究。 国外从2 0 世纪6 0 年代初就开始进行g i s 、g i s t 的相关研究。在g i s t 线性数据模型研究方 面，有欧洲标准化组织制定的地理数据文件标准( g e o g r a p h i cd a t af i l es t a n d a r d ， 简称g d f ) ， v o n d e r o h e 的n c h r p 2 0 - 2 7 ( 2 ) 数据模型，d u e k e r b u t l e r 的e n t e r p r i s e g i s - t 数据模型。但在模型的 实现方面，这些组织和学者所提出的g i s - t 数据模型并未能在国际上著名的一些g i s 应用系统软件 ( 如a r c g i s ，m a p l n f o 、a u t o d e s k 等) 中应用。这些著名的g i s 软件对网络的处理一般是建立在弧 段( a r c ) 与节点( n o d e ) 基础之上，通过层来构筑网络空间关系。 在我国，g i s 理论与技术在交通运输规划与管理中的应用还不多，主要是建立了相关的以电子 地图为基础的交通地理信息系统。目前，国内部分学者对地理信息系统在交通运输、规划与管理中 的应用进行了相关研究f 杨兆升，2 0 0 0 ；赵鸿铎，2 0 0 1 ；张山山对面向对象的城市交通规划时空数据 模型进行了相关研究f 张山山，2 0 0 3 ：李清泉等对g i s - t 线性数据模型研究现状与趋势进行了分析 研究【李清泉，2 0 0 4 1 ；石建军等对交通地理信息系统数据模型的研究进展进行了研究【石建军等。 2 0 0 4 1 ；王艳慧和陈军对道路网络多尺度数据建模进行了初步研究；杨晓光对中国交通信息系统基本 5 东南大学硕士学位论文 框架体系进行了相关研究【杨晓光，2 0 0 0 1 。从研究的内容看。对g i s t 空间数据库的研究还处在实 验与基本理论阶段，没有经过应用系统的实际检验，也没有系统地研究适合我国交通规划、建设与 管理的g i s t 数据模型：空间数据管理仍然建立在g i s 之上，也没有提出针对于道路网络的具体的 解决方案 4 1 。 1 2 1 3 交通仿真中g l s t 的应用 g i s t 最早在美国得到了应用。美国f h w a 于1 9 8 8 年初步建成基于g i s 的全国公路数据库， 美国f t a ( f e d e r a lt r a n s i t a d m i n i s t r a t i o n ) 从1 9 9 4 年开始建立国家公交地理信息系统，1 9 9 2 年纽约 肯尼迪国际机场将g i s 用于研究标志、标线与机场道路的最佳配置。美国d o t ( d e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ) 在全国级的交通规划研究项目t m i p ( t r a v e im o d e li m p r o v e m e n tp r o g r a m ) 中，将 o l s 技术在出行需求分析模型中的应用作为一个重要内容，并让部分州展开应用研究。p o r t l a n d m e t r o 市在交通规划中将g i s 用于数据收集、空间分析和结果显示，改进了出行预测模型的建模方法与技 术；n o r t hc a r o l i n e 在交通规划中将g i s 技术用于环境分析；m a n i c 运输部进行基于g i s 的州际出行 需求预测模型研究：s o u t h e r nc a l i f o m a 在1 9 0 , o 年完成了交通模型与g i s 数据集成的研究。到目前， 已经举办了数次g i s - t 国际会议，著名的t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h 将其2 0 0 0 年度的p a r t c 作为g i s t 论文专集出版。除了学术界的认可和实际项目上的应用之外，美国的c a l i p e r 公司的交通规划软件 t r a n s c a d 也已经融入了简单的g i s 功能，并能够同m a p l n f o 等通用g i s 软件之间进行数据的交流。 西班牙的t s s 公司的仿真软件a i m s u n 也提供了一些g i s 功能，能够将电子地图中的空间数据部 分的引入到仿真数据中，从而将电子地图作为仿真的背景进行处理。 1 9 9 5 年我国国家重点科研攻关项目“g i s 在公路信息系统中的应用研究与开发”着手研究基于 g i s 的公路信息系统。g i s 为i t s 提供了数字化平台。g i s 、g p s 与i t s 的集成是目前交通运输领域 研究的一个热点。上海市综合交通所于1 9 9 4 年开始研究用于支持综合交通规划的g r t 系统，实现 了d i s 软件a r c l n f o 与交通规划软件e m w e 2 的数据联系与共享。8 6 3 计划的“g i s 支持下城市交 通需求分析系统开发”将城市g i s 和交通需求模型分析结为一体进行研究。 g i s 正在和交通工程迅速的结合。而在实际应用过程当中，也对g i s 提出了新的要求。但不论国 内、国外，g i s 同交通仿真系统进行的结合都处于探索阶段。尽管一些仿真软件。如a i m s u n ，已 经能够利用g i s 中的数据。但需要注意的是，这种方法也仅仅是将道路的一部分坐标引入仿真环境， 并没有完全解决交通仿真系统所在数据管理方面所存在的问题，也不具备g i s 的分析功能。 1 3 研究内容 本文的研究目的是设计一个能够为微观仿真提供全面、准确的道路特征信息的g i s t 数据模型。 通过该模型，仿真中的车辆可以准确获得它在每一位置的道路特征信息，并通过这些特征信息影响 车辆在下一时间步长的速度、加速度等信息。从而提高仿真的精确度。为此，做了以下几个方面的 工作： 1 详细比较t g i s - t 空间数据组织模式，并介绍了g i s - t 线性数据的相关处理技术一动态分段 6 第一章绪论 和线性参照，最终选择在节点弧段模型基础上利用动态分段技术进行拓展来建立本文提出 的道路特征模型。 2 详细考虑了在微观仿真中对仿真结果产生影响的道路特征因素。 3 通过对已有的道路模型的分析比较，结合前述的分析提出道路特征模型，并对该模型的概 念模型、逻辑模型和物理模型进行了详细设计。 4 在m i c r o s o f tv i s u a ls t u i d o2 0 0 5 平台上选用a r c g i se n g i n e 进行二次开发，来实现对路段的微观 仿真，并按照输入模块、仿真模块和输出模块，详细介绍了在相应模块中的主要技术问题 和技术难点并给于了解决方案。 本研究的核心就是研究用于描述道路特征的交通地理信息系统( g e o g r a p h i ci 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 ，简称g i s t ) 空间数据模型( s p a t i a ld a t a m o d e l ) 的概念数据模型设计、逻辑数据 模型设计、物理数据模型与数据结构设计。 通过本课题的研究，不仅可以加强仿真系统中的数据管理。更详细地描述道路特征，增强微观 交通仿真的准确性。而且可以通过g i s 的引入，加强图形交互功能，使仿真的输入、输出变得简单。 同时也为g i s 技术提供了更广阔的应用空间。在道路特征模型的研究与设计中，数据模型设计及数 据管理是设计过程的基础，动态分段技术及其在模型中的应用是设计中的关键点和难点。 本文旨在从g i s t 空间数据模型的角度出发，思考如何设计道路特征模型，使得微观仿真的结 果更加精确，实现g i s 技术与交通仿真的结合。为开发基于g i s 的路段微观仿真软件提供一定的参 考基础。 针对基于g i s 的微观交通仿真的关键技术问题，对道路特征模型、数据结构进行了详细设计。 利用g i s 技术构筑交通仿真系统的信息平台，不仅能够使交通信息在空间上直观地显示出来，而且 能为这些信息的深层次挖掘和后续信息服务及辅助决策提供空间属性上提供支持。此外，地理信息 系统多样化的直观输出方式，能大大加强仿真结果的直观性，提高决策的科学性和准确性。 7 东南大学硕士学位论文 第二章g i s t 空间数据模型分析 微观交通仿真必须在g i s t 空间数据模型的支持下才能顺利进行。耳前已有的一些道路交通网 络数据模型，虽然它们的基础对象是道路，但各种应用系统对路网的定义方法各不相同。本文从面 向路段的微观交通仿真中对g i s - t 的要求、应用角度出发，介绍了空间数据模型并分析比较了两种 g i s - t 空间数据模型的组织形式的特点；然后，研究了空间数据模型的组织形式为道路特征模型 所选用的数据模型的组织形式提供了依据；最后深入详细地分析了现有g i s - t 线性数据处理的关键 技术，主要包括线性参照基准的建立、动态分段等，是道路特征模型设计的理论准备。 2 1 空间数据模型 数据模型的概念来源于计算机领域，但完全可以用于空间信息描述。空间数据模型是一组由相 关关系联系在一起的实体集，其中包括几何数据模型和语义数据模型l i ”。几何数据模型用于描述空 间实体或现象的几何位置与空间关系；语义模型用于描述空间实体或现象的非空间关系在内的专题 信息及时态信息。也有学者认为：空间数据模型是关于g i s 中空间数据组织的概念，反映现实世界 中的空伺实体( s p a t i a le n t i t y ) 及其相互之间的联系，为空间数据组织( d e s c r i p t i o no fs p a t i a l d a t a o r g a n i z a t i o n ) 和空闻数据模型( s p a t i a ld a 扭b a s es c h e i n 鹤) 设计提供基本的概念和方法。 现有空间数据模型认识和理解的正确与否在很大程度上决定着g i s 空间数据管理系统研制或应 用空间数据库设计的成败，面对空阃数据摸型的深入研究又直接影响着新一代g i s 系统的发展d 。 空间数据模型为空间数据组织设计提供了基本的概念和方法。 空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型与物理数据模型三个层次组成口】。其中，概念数 据模型是关于实体和实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型表达概念模型中实体及其关系。而物 理数据模型则描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构。 2 1 1 概念数据模型 概念数据模型是面向用户、面向现实世界的数据模型，是与数据库管理系统无关的，主要用来 描述一个现实对象的概念化结构。概念数据模型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闯题、研究的对象、期望的结果等方面存在着差异，所以 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。g i s 概念数据模型就是考虑用 户需求的内容，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图。目前存在的概念数据模型主要有矢量 数据模型、栅格数据模型和矢量栅格一体化数据模型。 2 - 1 2 逻辑数据模型 逻辑数据模型是用户从数据库所看到的数据模型，它反映数据的逻辑结构。它与数据库管理系 3 第二章g i s t 空间数据模型分析 统有关，而数据库管理系统常以其所用的逻辑数据模型进行分类。关系数据模型就是最常用的逻辑 数据模型。逻辑数据模型设计是在概念数据模型所确定的空间实体及关系的基础上，对其进行逻辑 上的描述。将其具体地表达为数据项、记录等之间的关系，这种表达有多种不同的实现方法。常用 的逻辑数据模型包括层次模型、网络模型、关系模型以及最近兴起的面向目标或称为面向对象模型。 2 - 1 3 物理数据模型 物理数据模型是逻辑数据模型在计算机存储介质上的具体实现，是反映数据存储结构的数据模 型。物理数据模型不但与数据库管理系统有关，而且还与操作系统和硬件有关。逻辑数据模型不涉 及底层的物理实现细节，而计算机处理的是二进制数据，所以必须将逻辑数据模转换为物理数据模 型，转换要涉及空间数据的物理组织、空间存取方法、数据库总体存储结构等。其中，空间数据存 取和查询及查询优化是目前国际g i s 研究的一个重要课题。人们目前将空间定位数据及其属性看作 多维空间中的点，采用栅格文件系统、k i d 树、四叉树、r 树等多维点索引结构进行索引，但是由于 最小边界局限往往重叠嵌套及空间数据具有的复杂性等，还需要研究在空间数据模型和数据结构的 基础上提高g i s 空间数据管理的效率。因而，物理数据模型是g i s 空间数据的具体物理实现过程， 负责对空间数据进行组织、存取、优化等。 2 2g i s - t 空间数据模型的组织形式 g i s 作为一种信息系统，是以现实世界为研究目标，以计算机内部的二进制作为存储载体的。 它将人们对客观世界的理解，经过一系列处理后变成数字形式存储在计算机中。用户一方面希望g i s 数据模型中能够包含充足的数据，另一方面又期望在高层应用时，能方便地提炼出所需要的相关数 据。然而由于交通系统是极其复杂的，这就要求设计出一种高效的数据组织方式，能够兼顾两方面 的要求，既尽可能地包含信息( 包括对未来潜在有用的信息) ，又能方便快速选取满足用户的需求。 目前常见的g i s - t 数据模型有两种，节点弧段数据模型和面向实体的数据模型。 2 2 1 节点- 弧段模型 目前国际上较著名的一些g i s 软件如a r c i n f o 、m a p l n f o 、a u t o d e s k 等对城市道路的处理均建 立在弧段与节点的基础之上，通过层来构筑道路网的空间关系。 在节点- 弧段模型中，数据的空间线性特征是以弧段为基本单位进行存储和管理的。其原理就是 在建立所有弧段空间数据库的同时描述这些弧段所对应的非空间信息的属性数据库，其基本元素是 弧段( a r c ) 和节点( n o d e ) ，由空间点的坐标串构成弧段，弧段的起点和终点称为节点，与该弧线相关 联的任何信息均可贮存在相应的弧属性表中。即对于空间数据库中的每条弧段，属性数据库中至多 存在一条记录与它对应，也就是说弧段是建立线性特征的属性数据库的基本单位，同一弧段上的所 有位置都具有相同的属性特征。 道路网络普遍具有明显的方向流动性( 例如单向通行街道，或一天中不同时段某方向路段的旅 行时间不同) ，因此在基本道路网络节点弧段模型中，一般只处理有向网络( 由有向弧组成的网络) 。 9 东南大学硕士学位论文 支持节点弧段表达的最常用的逻辑数据模型是关系模型。表2 1 给出了图2 1 中简单示例网络 的标准化关系结构。 弧段表 节点表 弧段起点终点其他属性 l l b a k ab l 3 ad lda k ea l 6 ac 节点m属性 a b c d e 转向表 从弧段到弧段转向类型 l ll 6 3 ( 左转) l lk 1 ( 直行) kb2 ( 右行) kk1 ( 禁行) 表2 1 示例道路网络的一般关系 1 0 第二章g l s t 空间数据模型分析 从上面图表关系可以看出，这种节点弧段数据结构在表达上述道路时会存在以下缺陷： 第一，难以直接对完整交通特征进行操作。可以看出，节点一弧段模型只对道路进行简单的抽象， 如果要把完整的道路状况和道路线形表达清楚，需要将该道路分割成若干弧段。这不但增加了数据 冗余，而且由于对线形特征进行整体操作就必须检索所有相关弧段。无疑降低了处理效率。 第二，节点概念的不匹配。在节点弧段数据结构中，节点必须是弧段的起终点。然而现实中的 节点往往是与网络几何特征无关的位置点，如公共汽车站、路面状况、交通管制点等等。在这种情 形下，采用节点弧段数据结构存储此类信息时，必须通过引入假节点的方式将弧段断开。 第三，难以直接对具有多重属性的要素进行操作。传统g i s 的弧段及其属性数据记录是一一对 应的，因此节点弧段数据结构难以表示一对多关系的特征，传统的g i s 只能处理一个固定的属性集 2 2 。2 面向实体的数据模型 与2 2 1 节中的“节点弧段”模型相反，面向实体的数据模型以独立，完整、具有地理意义的 实体为基本单位对地理空阆进行表达。在具体组织和存储时，可以将实体韵坐标数据和属性数据分 别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中。在具体实现时采用的 是完全面向对象的软件开发方法，每个实体( 独立的地理实体) 不仅具有自己独立的属性( 含坐标数 据) ，而且具有自己的行为( 操作) ，能够自己完成一些操作。虽然面向实体的数据模型在内部组织上 可以按照拓扑关系进行，但是这些数据实体的坐标存储之间不具有依赖关系( 点和线之间的坐标存储 无关) ，这是它与“节点弧段”模型的本质不同。 该模型具有实体管理、修改方便、查询检索、空间分析容易等优点，更重要的是它能够方便地 构造用户需要的任何复杂地理实体，而且这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯。 但该模型也有如下缺点： 1 ) 拓扑关系需要临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的，未以拓扑关系为 基础来组织、存储地理实体和表达地理空间，因此拓扑关系并不是一开始就存在的，而是需要时才 l i 缶时推导出，这需要消耗大量的系统资源和效率。 2 ) 动态分段、网络分析效率低。在“节点一弧段”模型中，由于存储了弧段、节点的各种关系表， 能够直接查找任意节点、弧段和多边形的拓扑属性，便于进行动态分段和网络分析等与拓扑关系有 关的拓扑分析，尽管在空间存储上存储拓扑关系会使系统的空间开销成倍增大，但在涉及拓扑关系 的查询和分析上一直具有较高的时间效率。而面向实体的模型显然不具有这方面功能的优势 3 ) 实体间的公共点和公共边重复存储。由于该模型以地理实体为基本单位进行数据组织和空间 表达。对每个地理实体都进行完整存储( 存储到点一级) ，在存储坐标时是各实体独立存储，与其他实 体无任何依赖关系，那么必然导致实体阃共有的公共点和公共边重复存储，造成空间浪费。 4 ) 难以将管理，分析和处理定位到几何要素级。几何要素指点、弧段和多边形等图形，有时构 成同一实体的各个几何要素之间属性差别较大，需要在地理实体的下一级( 即几何要素) 上进行分析管 理“声点一弧段”模型就可以直接进行处理，而面向实体模型则需要首先对相关地理实体进行定位、 分解，因而降低系统在这方面的性能 东南大学硕士学位论文 2 3g i s t 线性数据处理关键技术 g i s t 在微观仿真中需要的主要功能都与道路网络以及与道路网络相关联的道路要素相联系。 与一般的g i s 应用相比，g i s t 应用更多的是处理道路设施及与道路设施相关联的线性要素。 本节主要讨论g i s t 线性数据应用研究的基础，包括当前用于交通系统线性数据管理的线性位 置参照系( l i n e a rl o c a t i o nr e f e r e n c i n gs y s t e m ，l i n e a rl r s ，简称线性l r s ) 和动态分段( d y n a m i c s e g m e n t ) 技术等。 2 - 3 1 线性位置参照系统 在传统g i s 中，地理要素的定位一般采用二维空间参照系( t w od i m e n s i o n a ls p a t i a lr e f e r e n c e s y s t e m ) ，用( x ，y ) 坐标在二维空间建模。对具有静态特征的