（通信与信息系统专业论文）基于行程时间预测的城市公交导航服务系统及其关键技术.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文通过分析国内外城市公共交通智能系统的发展现状以及城市公交服务系 统的服务模式，发现城市公交导航系统中的行程时间预测是当前智能交通领域的 一个开放性课题，而这对缓解交通压力、提倡绿色出行具有重要意义。 针对城市公交导航系统的行程时间时效性特点，本文通过分析已有的行程时 间预测模型，采用基于g p s 的公交探测车行程时间数据采集方法，分别研究行程 时间数据预处理、行程时间模型和路线平均行程时间模型，创新性地提出了适用 于城市公交导航服务系统的基于统计分析的行程时间概率预测模型，为城市公交 导航服务系统的行程时间预测提供了新的思路。 本文研究表明，线路样本总体行程时间均值符合正态分布，可将总体行程时 间均值的置信度、置信区间以及线路样本在各状态分析时段内的行程时间概率分 布作为行程时间预测信息。本文以我国大中型城市的典型公交路线为验证对象， 重点研究了普通和快速公交的行程时间预测案例，验证了本文提出的行程时间概 率预测模型的可行性和可靠性。 本文重点突破传统行程时间预测模型、行程时间数据预处理、城市公交拓扑 网络关键元素建模等理论和技术难题，提出了基于最小换乘次数的公交换乘算法， 并通过设计、构建和实现城市公交导航服务系统，最终解决了城市公交导航服务 系统的路径导航及行程时间预测问题。 最后，基于j a v ae e 、e j b 架构以及x m l 中间件平台，本文分别实现了基于 c l i e n t s e r v e r 架构的城市公交导航服务系统p t n s e n g i n e 、p t n s q a s 软件平台。 关键词：公交行程时问预测，概率模型，公交导航，服务系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a t u so fd o m e s t i ca n df o r e i g nu r b a np u b l i ct r a n s p o r t i n t e l l i g e n ts y s t e m sd e v e l o p m e n t , t h em o d eo fu r b a np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns e r v i c es y s t e m s e r v i c e ，a n df i n d st h a tt h en a v i g a t i o ns y s t e mo fu r b a np u b l i cl 瑚a s p o r tw i t ht r a v e lt i m e p r e d i c t i o ni sac u r r e n to p e ni s s u ei nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n , w h i c hi st o a l l e v i a t et r a 伍cp r e s s u r ea n di si m p o r t a n tt op r o m o t eg r e e nt r a v e l f o rt h en a v i g a t i o ns y s t e mf o ru r b a np u b l i ct r a n s p o r tt r a v e lt i m ec h a r a c t e r i s t i c so f t i m e l i n e s s ，t h i sp a p e rr e v i e w st h ee x i s t i n gt r a v e lt i m ep r e d i c t i o nm o d e l s i tu s e s g p s b a s e dp r o b ev e h i c l et r a v e lt i m ea c q u i s i t i o nm e t h o d s ，a n dt h e ns t u d i e sd a t a p r e p r o e e s s i n go f t r a v e lt i m ea n da v e r a g et r a v e lt i m em o d e lt h el i n et r a v e lt i m em o d e l ， s t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h es a m p l ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a v e lt i m e ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l yi t i n n o v a t i v e l yp u t sf o r w a r df o rap r o b a b i l i s t i ct r a v e lt i m ep r e d i c t i o nm o d e lb a s e do i l s t a t i s t i c a la n a l y s i s ，w h i c hi sa p p l i c a b l et ou r b a np u b l i ct r a n s p o r tn a v i g a t i o ns y s t e m s t h u s ，i tp r o v i d e san e ww a yf o rt r a v e lt i m ep r e d i c t i o n t h i ss t u d ys h o w st h a tt h es a m p l ep o p u l a t i o nm e a ni s s u b j e c t e dt on o r m a l d i s t r i b u t i o n t h ec o n f i d e n c el e v e la n di n t e r v a lo ft h es a m p l ep o p u l a t i o nm e a n , t h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o ni nt h ec e r t a i ns t a t u sa n a l y s i st i m ep e r i o do fd a y , w i l lb eb o mt h e p r e d i c t e di n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , b u sr o u t e so ft h et y p i c a ll a r g ea n dm e d i u mc i t i e si n c h i n aa n dt h eg e n e r a la n db r tt r a v e lt i m ep r e d i c t i o nc a s e sa 坨s t u d i e di no r d e rt o v 嘶匆a n dd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dt r a v e lt i m ep r o b a b i l i t ym o d e li sf e a s i b l ea n d r e l i a b l e f i n a l l y , b a s e do nj a v ae e ，e j ba r c h i t e c t u r ea n dx m l m i d d l e w a r ep l a t f o r m ，t h e p a p e ri m p l e m e n t sp t n s e n g i n e ，p t n s q a ss o f t w a r ep l a t f o r mo ft h eu r b a np u b l i c t r a n s p o r tn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e dc l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e k e y w o r d s ：p u b l i ct r a n s p o r t a t i o nt r a v e lt i m ep r e d i c t i o n , p r o b a b i l i s t i cm o d e l ， p u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i o n , s e r v i c es y s t e m 2 山东大学硕士学位论文 符号说明 3 g a 、厂l b l 玎 d b d t d e j b g i s g p s g p r s g i t s a p t s n m e a p t n s q a s x m l 3 r d g e n e r a t i o n a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t e b u sr a p i dt r a n s m i t d a t a b a s e d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n e n t e r p r i s ej a v ab e a n s 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 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e i n t d l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n p u b l i ct r a n s p o r t a t i o nn a v i g a t i o ns y s t e m q u e r ya p p l i c a t i o ns y s t e m e x t e n s i b l em a r k u pla n g u a g e 第三代移动通信技术 自动车辆定位 快速公交 数据库 文档类型定义 j a v a 企业b e a n 地理信息系统 全球定位系统 通用无线分组服务 图形用户接口 智能交通系统 ， 先进公共交通系统 美国海洋电子协会 公交导航系统 查询应用系统 c 可扩展标记语言 3 山东大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 随着国民经济的高速发展和城市化进程的加快，城市人口和机动车数量大幅 增加，城市交通堵塞以及由此引发交通事故和环境污染大幅度的增加，给人们的 工作和生活带来了种种不便与损害，已经成为制约城市可持续发展的主要瓶颈。 而我国人口众多、土地资源有限这一基本国情决定了单纯地依靠扩展城市道路和 城市规模来解决城市交通问题是不可行的。因此，在有限的时空资源中，如何较 快地、有效地提高城市道路的利用率是解决城市交通堵塞问题的关键所在。对造 成交通拥堵、交通安全及交通环境污染等问题内在机理的研究，以及如何提高改 善城市交通已引起许多科研工作者的广泛关注。 城市公共交通作为城市交通的重要组成部分和载体，以其覆盖面广、经济快 捷的特点，是绝大多数出行者的首选方式，也是各地城市，政府大力发展的一种 交通方式。城市公共交通网络和服务的改善将很大程度上带动城市交通的发展和 人们生活水平的提高。 2 0 0 9 年在丹麦首都哥本哈根召开的世界气候大会，将“低碳 推向了世界经 济的前沿，“低碳交通 成为了城市交通领域的重要发展方向。“低碳交通” ( l o w - c a r b o nt r a n s p o r t a t i o n ) 就是在日常出行中选择低能耗、低排放、低污染的交 通方式，这是城市可持续交通发展的大势所趋，目前城市中主要的低碳交通方式 以公交、地铁、轻轨等方式为主【i 】。而作为“低碳交通”的典型交通方式，城市公共 交通成为了有效利用城市道路，缓解交通压力的重要手段，发展城市公共交通愈 加迫切。 自2 0 世纪以来，很多城市采取了发展城市交通的手段的措施，其中发展 i t s ( i n t e l l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e m ，智能交通系统) 是提高城市道路利用率的一种有 效手段，是解决城市交通堵塞问题的根本途径之一。建设智能公交系统是一个典 型应用，即利用电子、信息、通信、计算机、g p s 、g i s 等高新技术，将交通系 5 山东大学硕士学位论文 统中的人、交通设施和交通工具有机联系起来，建立智能公交系统【2 】，如公交优先 系统、公交查询系统、智能化行车系统等，为乘客提供实时的更多更全面的出行 信息，更好地为乘客服务。 在智能公交系统中，公交导航服务系统( 公交查询服务系统) 是目前最贴近 乘客日常生活的，也是最能让乘客亲身体会公交服务水平高低的服务系统。因此， 如何给乘客提供一个良好的平台，让乘客选择或是推荐合适的乘车方案出行，以 节约乘车时间，缩短到达目的地的乘坐距离，减少乘坐的票款成本，才是提高公 交服务水平最值得关注的问题之一。 更为重要的是，行程时间是乘客关心的重要方面，即智能公交系统在提供乘 车方案的同时能够提供行程时间，这有利于乘客对行程和交通拥堵状况的充分了 解，以选择最佳的行程方案，有助于行程安排。因此行程时间的预测也是智能公 交系统中的重要一环。 1 2 城市公共交通智能系统国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 自八十年代以来，欧美各国已经开始利用先进的信息技术建设智能交通系统， 并投入了相当大的人力和物力，并已经取得了优异的成果，在国际上出于领先地 位。 美国城市公共交通管理局( l r m t a ) 启动了名为“a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ( a p t s ) 一的先进公共交通系统【3 1 。a p t s 可以显著提高公共交通服务水平， 吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出行模式，从而带来减少交通拥挤，空气污 染和能源消耗等一系列社会效益。 日本城市公共交通系统智能化的发展过程经历了3 个阶段：7 0 年代末开始应 用的公共汽车定位系统，即公共汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用的运行管 理系统，其中包括乘客自动统计、运行监视和运行控制；9 0 年代初开始应用的综 合管理系统，其中包括后勤业务改进和经营支援系统 4 1 。东京都交通局在1 9 8 1 年 规划了城市公共汽车综合运输控制系统( c t c s ) 【5 l ，将公共汽车定位系统用于各 6 山东大学硕士学位论文 种目的。这个系统以公共汽车定位系统为基础，由以精确公共汽车服务为目标的 公共汽车运营管理系统和提高业务效率为目标的办公管理系统构成。其中的信息 查询系统、安装在主要公共汽车终点站，显示了乘客所需各种信息，包括到某一 目的地的路线和行车期间的交通状况；公交和铁路系统为了向乘客提供从火车转 乘公共汽车的信息服务，安装在火车站前面的信息显示牌显示进站汽车的出发时 间在晚上8 点以后，当公共汽车服务开始减少时，汽车的出发时间根据乘客需要 转乘火车的到站时间进行调整。 进入2 1 世纪以来，日本又提出了“第二代i t s 的概念1 6 ，并将实现智能化 道路( s m a r tw a y ) 作为其国家战略。其n t td o c o m o 和k d d i 的第三代移动通 信系统都已经开始商用，基于新一代的3g 通信的i t s 信息服务系统用户开始快 速增加，手机已开始提供一些类似导航仪的地图形式的交通信息。“第二代i t s 以浮动车技术作为数据采集来源，建设了行人信息支持系统，此系统还充分考虑 了残疾人、老年人的外出情况。 国外公交信息的发布内容和方式也逐步呈现多样化的特点。2 0 0 4 年，德国柏 林市已在所用公交车上安装了卫星定位系统，市民可通过手机短信掌握公交车的 堵车和晚点情况。2 0 0 5 年1 2 月，g o o g l e 在美国推出公交线路地图查询服务t r a n s i t t r i pp l a n n e r ，该服务除给出公交线路图之外还提供公交时间表及其它相关信息， 并会对该线路乘车费用及驾车费用进行对比。g o o g l em a p s 可分别实现起始地到目 的地的驾车、公交、步行的导航。2 0 0 8 年，法国巴黎的公交查询网站推出：最环 保出行方式查询。人们只要在网站搜索栏中分别输入起点和终点，就可以找到使 这段旅程排放的二氧化碳量最小的交通方式。 总体上，现有系统多数只是基于路径方案提供的，没有提供行程时间预测， 即导航查询系统只是提供了公交线路图以及车站的基本信息，但没有提供线路的 参考行程时间。 1 2 2 国内研究现状 国内在城市公交导航服务系统方面的起步较晚，但大部分城市也都做出了很 大努力，提出了“优先发展城市公共交通 的交通政策。然而目前大多数城市在 7 山东大学硕士学位论文 公交线网布局规划、公交站点设置以及公交换乘枢纽设计等方面还存在一定的不 合理因素，换乘比率高是我国城市公交出行的一个普遍现象。 对城市公交导航系统的研究主要包括以下几个方面： l 、公交导航服务系统缺少行程时间预测 目前，鲜有提供行程时间预测功能的城市公交导航服务系统。 2 、公交信息数据挖掘及建模技术研究 公交网络节点众多，车、路、站的关系复杂，对公交信息进行数据挖掘和合 理建模决定了公交导航引擎系统的性能。目前国内系统大多将公交信息抽象成大 规模网络，将站点抽象为网络节点，线路抽象成边，并将数据存储在邻接矩阵中。 当前系统的主要缺陷体现在： 对站点抽象时依靠g p s 数据确定相邻站点的关系，信息采集方式复杂、不 易更新维护，受g p s 采集精度和网络的影响较大，且导致算法复杂，查询速度慢。 大多数查询系统在数据的存储方面是将属性数据和空间数据分开存储的。 将属性数据存储在关系数据库中，而空间数据以文件的形式来存储，不利于 数据的维护和更新。 3 、公交导航路由选择查询算法研究 时下众多城市的电子地图产品都把实现公交网络最优路径查询作为其重中之 重，以期使电子地图能够更好地满足用户的需求，但多数对公交导航查询算法的 研究仍以经典的d i j k s t r a 算法或其改进算法【刀【明【9 】f 1 0 1 【l i 】( 最短路径算法) 为基础， 在最短路径的基础上做改进，其最终离乘客的实际需要还有一段距离，往往不能 满足乘客的出行需要。多数查询系统的最优路径选择是以路径最短为基础的，但 多数公交乘客认为，最少换乘才是关键问题。当前系统的主要缺陷体现在：大多 数公交查询系统建立所采取的算法是以“空间距离”最短来实现，并没考虑公交 乘客的在选择公交线路时是以公交换乘为第一考虑要素的。 8 山东大学硕士学位论文 1 3 已有行程时间预测研究综述及分析 1 3 1 已有行程时间预测模型研究 行程时间是指车辆在两个点之间的路段或路线上的行驶时间。一般有两种方 式来计算行程时间【1 2 j ：路段测量和定点测量。在路段测量方法中，应用测试车或 者车牌匹配等直接测量；在定点测量中，可以用路上或路边的定点探测设备间接 测量并估计，如用环形线圈监测、激光探测器和摄像头等。一般来说，路段测量 方法可以提供更精确的交通数据，而定点测量可以提供实时的交通数据。 目前，基于以上两种行程时间测量和采集方法，国内外学者对行程时间预测 方法做了大量的研究，大致可分为历史趋势、线性回归、卡尔曼滤波、支持向量 机、神经网络、人工智能1 3 】【1 4 1 1 5 】【1 6 1 1 1 7 1 1 8 1 等。 h o f f m a nq ( 1 9 9 0 ) j 9 】等提出一种基于实时数据和历史数据的行程时间预测模 型，由探测车在设有路标的路段上行驶，通过定位仪器测出实时的交通及路况信 息信息，包括车辆的实时行程时间、路段拥塞等，并以此作为实时行程时间预测 的方法。 r i c ej ( 2 0 0 1 ) 例提出了一种以探测器、视频、或测试车测得的当前路段行驶 时间为依据，根据线性回归方法预测未来某一特定时段的行程时间。 d i n g , y ( 2 0 0 2 ) 2 1 】等提出了一种基于卡尔曼滤波器的行程时间预测方法。 c h u r lh s i nw u ( 2 0 0 4 ) 2 2 l 等根据支持向量机的较强的泛化能力，提出了一种 基于支持向量机的行程时间预测方法，并证明其具有较好的时间序列分析功能。 c h i e n ( 2 0 0 3 ) 田1 建立了人工神经网络模型来预测公交车到达时间，引入了一 个调节系数来修正预测模型。该算法建立使用的数据都是通过c o r s i m 软件获得 的。 r a n h e ej e o n g ( 2 0 0 4 ) 1 2 4 1 等采用神经网络模型对公交车行程时间进行预测，但 是神经网络方法计算时需要较长时间，致使实时性不强，因此作者提出了实时服 务模型来代替实时预测模型，即采用历史a n n 训练参数的情况下用新的a v l ( 自 动车辆定位) 数据来预测公交车行程时间。 另外，在行程时间预测方面，国内学者也已经做了一些研究。 9 山东大学硕士学位论文 杨兆升( 2 0 0 1 ) 2 5 1 根据历史趋势方法、非参数回归模型、时间序列方法、神 经网络、卡尔曼滤波等已有预测方法，提出了在不同交通状况下适用不同方法的 综合行程时间预测模型。 孙喜梅( 2 0 0 2 ) 瞄1 等提出了一种基于随机服务系统理论，给出了进入路段( 含 信号交叉口) 车辆数服从p o i s s o n 分布的实时动态公共交通站点问行程时间预测的 基本模型和公式。 上面的研究一般都是把交通数据分为三类：历史数据、当前数据和未来数据 1 2 7 】，一般来说，行程时间预测可以分为两类：统计模型和分析模型。统计模型是 数据驱动的方法，通常使用历史和当前的交通流量的时间序列，诸如行程时间， 速度等。 f ( t - n )雄一2 ) f ( t 1 )熟+ 1 ) 熟+ 2 ) t - nt 2t 1tt + lt + 2 当前 未来预测 图3 1 典型的行程时间预测方法 如图3 1 是一般的行程时间预测方法。假设当前时间是f ，给定- j ，心， t - n 时刻的历史行程时间佑矽，册矽，弦矽，可以预测t + l ，t + 2 ，时刻的行 程时间。 1 3 2 已有行程时间预测模型分析 以上行程时间预测模型，通过模型复杂度的改进，都在特定的方面对行程时 间预测准确度上有所提高。但是，上述行程时间预测模型依然存在一些问题： ( 1 ) 上述模型旨在消除影响交通情况的纷繁复杂的因素，如天气，小巷混合 动力汽车，意外发生率，上下班时间等，并认为这些是“噪声一。事实上，这些因 素发挥着重要的作用，而不应被忽略。 ( 2 ) 上述行程时间模型，大部分的数据采集都是由少数的探测车获得，行程 时间样本量少，均为小样本情况下的模型预测，更多的适用于小样本数据情况下 的行程时间预测。 1 0 山东大学硕士学位论文 i i i i i 量曼! 鼍量舅詈詈詈詈量量詈量皇鲁置詈| 一 ( 3 ) 没有深入分析大样本数据条件下的样本特征，比如样本空间内的行程时 间概率分布、置信度及置信区间等。 另外，对于本课题所开发的城市公共交通导航系统来讲，其在行程时间预测 方法方面由相应的需求特点： ( 1 ) 乘客使用公交导航服务系统一般都是发生在行程之前的若干分钟、若干 小时甚至若干天之前，因此公交导航系统没有必要采用乘客查询时( 而不是行程 过程中) 的实时行程时间数据，因为这将增加整个系统的复杂性。 ( 2 ) 本课题所研究的公交导航服务系统中的行程时间预测，是基于路线的行 程时间预测，即乘客需要得到的应该是乘坐某条具体线路、在起始站点和终止站 点之间的行程时间的预测值，而不关心在某一路段的行程时间。 因此，针对本系统的以上特点，最佳的提高行程时间预测准确性的方法是增 加历史数据量，提出一种完全基于历史数据的统计分析方法，完成行程时间预测。 另外，公交导航服务系统提供的行程时间预测应是站点间的时间预测，可以 是始点和终点之间，也可以是线路上任意两个站点间的行程时间。这种行程时间 可以归结为路段行程时间预测。 1 4 本文研究内容 论文以行程时间预测方法的数据采集、分析、处理、预测等方面为基础，以 大中型城市公共交通系统为研究对象，以济南市为验证平台，围绕城市公共交通 行程时间预测方法、城市公交网络拓扑分析及车、路拓扑网络海量数据挖掘、公 交网络建模及路径选择等理论研究难点问题，建立公交与站点等基础设施信息融 合及服务信息发布、查询的综合平台，提供高效多样的出行路径选择方案。主要 分为以下几个方而： l 、分析目前城市公共交通的国内外发展现状，主要围绕美国、日本等国家的 城市公共交通的发展历程和趋势展开。 2 、分析行程时间预测方法理论研究的发展历程，简要介绍了历史趋势、线性 回归、卡尔曼滤波、支持向量机、神经网络等预测方法，指出了其不足之处，并 提出了基于统计分析的概率预测方法，以济南市公交车为对象进行仿真、验证和 山东大学硕士学位论文 分析，揭示了行程时间在工作r 、周末以及平峰、高峰等不同特征值下的变化规 律，并进行了比较分析。 3 、城市公交网络拓扑分析及关键模型数据挖掘。简要分析了城市公交系统中 车、站的网络拓扑关系，并根据车、站的属性对其建模。 4 、详细介绍城市公交导航服务系统的设计与实现过程。对系统架构及各模块 的具体实现和结果给出了清晰的说明。 5 、总结了城市公交导航系统的特点以及一些不足之处，并对系统的改进作了 展望。 1 5 论文组织结构 第一章：分析问题提出的意义和城市公交智能系统的国内外研究现状，对已 有的行程时间预测研究作了综述。 第二章：对基于行程时间预测的城市公交导航服务系统进行概述，并简述相 关理论和技术基础。 第三章：创新性地提出了基于统计分析的行程时间预测概率模型，并做了详 细阐述。 第四章：详细介绍了基于行程时间预测城市公交导航服务系统的设计方案。 第五章：介绍了城市公交导航服务系统的实现结果。 第六章：对已有工作进行总结和展望。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章基于行程时间预测的城市公交导航服务系统 2 1 城市公交导航服务系统概述 本课题将公交系统智能化，构建多态的公交导航服务平台，为乘客提供方便 准确的出行信息，在提高每个乘客出行效率的同时也提高了整个公交网络的运行 效率，缩短了整体的出行时间和出行距离，是缓解城市日益加剧的交通压力、减 少交通堵塞的好方法，对降低城市污染，改善交通环境也都有很大作用。 基于行程时间预测的城市公交导航服务系统的主要目标是为乘客提供高效多 样的出行路径选择方案，形成实用性便民产品，最终为我国城市公共交通智能化 管理和居民出行路径选择提供科学、合理的理论研究依据和验证平台。 本系统应实现公交线路、公交站点基本信息的查询，提供高效的站点到站点 的公交出行方案，并可依据换乘次数最少、出行站点数最少等多种因素进行最优 路径选择，并预测出行路径方案的行程时间，为乘客提供最优出行方案；系统支 持w e b 、站台查询机等多种查询方式，并集成g i s 地理信息系统，人机交互多样 化且人性化。 城市公交导航系统以对城市公交路网的拓扑网络( 如图2 1 ) 的详细分析为基 础，对公交线路( 车) 、路段、站点等关键元素建模，分析其代表性属性。 图2 1 城市公交网络拓扑图 1 3 山东大学硕士学位论文 2 2 城市公交导航服务系统中的行程时间预测 行程时间预测一般分为基于路段( 1 i n k - b a s e d ) 与路线( p a t h b a s e d ) 两种方法 2 8 1 1 2 9 1 1 3 0 ，1 3 节所述的几种都是基于路段的行程时间预测方法。基于路段方法的行 程时间预测研究存在局限性，即其一般都是利用几个路段时间相加来得到整条路 线的行程时间，忽略了在路段之间的行程时间。c h e nm a n ds c h i e n 3 i 】将这两种 方法做了比较，认为不能简单的将路段时间相加而得到路线时间。 城市公交导航服务系统，解决的是基于路线的行程时间预测方法，因此，必 须根据公交网络的拓扑结构，寻找行程时间的测算标准。本文的第三章对此作了 详细推导。 2 3 城市公交导航服务系统架构 本项目为公交导航系统的设计，开发一种可以完成公交线路查询、公交站点 查询以及站站之间换乘查询，并可以提供预测的行程时间的城市公交导航服务系 统。其中，城市公交导航服务系统软件部分的设计主要采用c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式，s e r v e r 采用j a v a e e 架构，c l i e n t 采用基于g i s 和d e l p h i 的设计模式，服 务器与客户端通信协议为t c p i p ，并采用了w e b s e r v i c e s 技术。数据库建模主要 围绕公交车次、站点、路线的属性的拓扑关系来展开，数据库采用m y s q l5 0 1 3 2 j 。 服务器与客户端之间的数据交换格式为x m l 。 1 4 图2 2 城市公交导航服务系统架构图 山东大学硕士学位论文 2 4 城市公交导航服务系统相关理论及技术基础 ( 1 ) j a v ae e 技术【3 3 】 j a v ae e ( j a v ap l a t f o r m ，e n t e r p r i s ee d i t i o n ) 是s u n 公司推出的企业级应用程 序版本。这个版本之前称为j 2 e e 。能够帮助开发和部署可移植、健壮、可伸缩且 安全的服务器端j a v a 应用程序。j a v ae e 是在j a v as e 的基础上构建的，它提供 w e b 服务、组件模型、管理和通信a p i ，可以用来实现企业级的面向服务体系结 构( s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，s o a ) 和w e b2 0 应用程序。 本文的城市公交导航服务系统，即采用了j a v ae e 架构中的e j b 模式。 本课题所涉及到的j a v ae e 技术主要有： j d b c ( j a v ad a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 提供连接各种关系数据库的统一接口，可以 为多种关系数据库提供统一访问，它由一组用j a v a 语言编写的类和接口组成。 j d b c 为工具数据库开发人员提供了一个标准的a p i ，据此可以构建更高级的工具 和接口，使数据库开发人员能够用纯j a v aa p i 编写数据库应用程序，同时，j d b c 也是个商标名。 u b i 蚓( e n t e r p d s ej a v a b e a n s ) 使得开发者方便地创建、部署和管理跨平台的 基于组件的企业应用。 j n d i ( j a v an a m i n ga n dd i r e c t o r yi n t e r f a c e ) 提供从j a v a 平台到的统一的无缝 的连接。这个接口屏蔽了企业网络所使用的各种命名和目录服务。 j b o s s l 3 5 1 是一个基于j 2 e e 的开放源代码的应用服务器。在城市公交导航服务 系统中，j b o s s 负责部署运行p t n s e n g i n e 。 ( 2 ) m a p x 3 6 l m a p x 是美国m a p i n f o 公司开发的功能强大的基于a c t i v e x ( o c x ) 技术的 g i s 可编程控件。它使用与m a p l n f op r o f e s s i o n a l 一致的地图数据格式，并实现了 大多数m a p l n f op r o f e s s i o n a l 的功能。m a p x 为开发人员提供了一个快速、易用、 功能强大的地图化组件。在v b ，d e l p h i ，p o w e r b u i l d e r ，v c 等可视化开发环境中， 只需在设计阶段将m a p x 控件放入窗体中，并对其进行编程，设置属性或调用方 法或相应事件，即可实现数据可视化、专题分析、地理查询、地理编码等丰富的 地图信息系统功能。 在本文的城市公交导航服务系统中，m a p x 提供车辆、线路、站点导航等信息 1 5 山东大学硕士学位论文 的地图显示。 ( 3 ) x m l 3 7 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 即可扩展标记语言，其自描述性使其非 常适用于不同应用间的数据交换，是数据交换的国际标准。 对于x m l 的数据交换、存储，本系统使用d o m 模型网作为一种用于x m l 的变成工具和结构，d o m 定义了对于x m l 数据交换文档的访问方法，修改手段。 d o m 采用树形结构来表示x m l 数据，并使用任何语言和任何操作系统。 在本系统中，x m l 用作城市公交导航服务系统客户端( p i n s q a s ) 与服务 器引擎( p t n s e n g i n e ) 间数据交换的格式。 ( 4 ) w e b s e r v i c e s l 3 9 w e b s e r v i c e s 的主要目标是跨平台的可互操作性。为了达到这一目标， w e b s e r v i c e s 完全基于x m l ( 可扩展标记语言) 、x s d ( x m l s e h e m a ) 等独立于平 台、独立于软件供应商的标准，是创建可互操作的、分布式应用程序的新平台。 本系统由p t n s e n g i n es g t v c r 启动w e b s e r v i c e s 服务，供客户端进行w e b 访问。 2 5 本章小结 本章对城市公交导航服务系统进行了概述，并重点分析了城市公交网络的特 点，设计了城市公交导航服务系统的架构，最后，对本系统的相关理论及技术基 础进行了详细介绍，并描述了其在本系统中的应用。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章基于统计分析的行程时间概率预测模型研究 3 1 基于g p s 的公交探测车行程时间数据采集方法 常用的交通数据信息采集技术有两种1 4 0 4 ，分别是定点检测器技术和探测车 技术。探测车技术是伴随着i t s 新技术应用而在近几年发展起来的新型交通流信 息采集技术，能够对传统的交通流采集技术进行有益的补充。所谓探测车技术， 是指安装有定位和无线通信装置的普通车辆( 如出租车、公交车、配送车辆等) ， 通过无线网络能够实时地与交通信息中心进行信息交换，从而达到对路网交通流 状态采集和监控的口的。其最大的优点在于覆盖范围广、全天候、连续性和直接 采集行程时间，速度信息等。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统可以实现对探测车的定位1 4 2 】。 n m e a 0 1 8 3 4 3 】是美国国家海洋电子协会制定的一套定义g p s 接收机输出的标准 信息的协议，是目前g p s 接收机最通用的数据输出格式，一般以串口形式提供。 g p s 接收机厂商解析卫星星历报文，并将星历报文信息以n m e a 0 1 8 3 协议输出。 它定义了多种不同的g p s 导航数据格式，主要包括g g a 、r m c 、z d a 、g l l 、 g s a 、g s v 、v t g 等数据格式，它所支持的导航定位数据采用a s c i i 码，以“$ ” 起始， 结束，以逗号隔开数据流，数据流长度从3 0 1 0 0 字符不等，中 间的数据包含大量导航定位信息，通常以每秒间隔选择输出，最常用的格式为 “$ g p g g a ，它包含了定位时间、纬度、经度、高度、可用卫星数、差分状态和校 正时段等。 车辆通过g p s 车载定位装置，使用无线通信方式( 如g p r s 、3 g 等) 传到中 央数据中心。由车载终端、g p r s 无线通信网络、服务器软件和客户端软件组成。 车载终端由主机模块、天线和可选配件组成，其中主机模块和天线构成了车载终 端的基础部分，可实现实时定位，探测经纬度、时间、速度等功能。 公交车作为探测车辆有其独特的优势1 4 4 1 。主要因为：公交车的路网覆盖率高， 能覆盖到大部分的城市区域；运行时间较长，线路固定能够反映固定线路和地 点的交通流状态，方便建立历史数据库。因此，针对城市公共交通的网络特点， 1 7 山东大学硕士学位论文 g p s h 星 g p s p 星 g p s 卫星 蕊 礴一一一一，：。譬一零、 站点l站点2站点3站点4站点n l站点n 图3 1 公交探测车行程时间采集系统 公交车采集的行程时间数据可以实时的通过3 g g p r s 传输到公交信息中心， 如图3 2 所示。 3 g g p r s 。瑟一i z 穰”7 三一 _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - - - _ 一 i i 蕊啊f 最 公交探测车 公交信息- m 心 图3 2 公交行程时自j 数据传输系统 3 2 公交车行程时间数据采集 3 2 1 典型探测线路选择 本系统所采用的基于统计分析的概率行程时问预测模型，是以济南市公共交 通为研究对象，其行程时间的数据采集由济南市公交公司完成。济南市公交公司 现有约7 0 0 0 辆公交车，其中约9 5 的车辆装有车载g p s 定位装置，可以连续记录 车辆在相应公交线路的到站时间。 以有无专有车道作为划分依据，目前的济南市公交车有两种：普通公交车和 圈 山东大学硕士学位论文 快速b r t ( b u sr a p i dt r a n s m i t ) 公交车。不失一般性，选择1 路公交车和b r t - i 路作为典型线路研究对象。l 路公交车是济南市路线延伸最长、使用最频繁的路线 之一，上行由洪家楼南站到辛西路北口站，共2 5 站；下行由辛西路北口站到洪家 楼站，共2 4 站；b r t - 1 路为快速公交线路，设有专有车道，上行由黄岗路东到全 福立交桥，下行则有全福立交桥到黄岗路东，各经1 7 站。附录a 为济南市l 路、 b r t - 1 路的线路站点信息。 济南市l 路与b r t - i 路的所有公交车均装有g p s 车载定位装置，均能将定位 信息通过g p r s 3 g 与济南市公交公司信息中心实现无线通信，信息中心通过服务 器软件解析定位数据，在对公交车实时监控的同时，亦能记录车辆行程时间数据。 因此，济南市1 路与b r t - 1 路的所有公交车均可作为相应线路的行程时间采集系 统中的探测车，表3 1 为1 路与b r t - i 路的探测车运营信息。 表3 1 济南l 路、b r t - i 路探测车运营信息 泌乏 数量运背时间上行站点数下行站点数 l 路 4 2 5 ：0 0 - 2 2 ：3 0 2 5 2 4 b r l 路 8 5 ：3 0 - 2 1 ：3 01 71 7 3 2 2 行程时间采集结果 1 、1 路公交车行程时间数据 对于l 号线路，其探测的相关信息有以下三个方面： ( 1 ) 选择2 0 0 9 年1 1 月1 6 日 2 0 0 9 年1 1 月2 5 日作为测试时段，共7 天。 其中，2 0 0 9 年1 1 月2 1 2 2 日为周末，其它五天为工作日。 ( 2 ) 1 号线路的4 2 辆公交车作为探测车辆，每天的运营时间为5 ：0 0a m - 2 2 ：3 0 p m ，即测试时间。 ( 3 ) 区分上下行，将l 号线路的上行与下行作为两个不同的研究对象。 ( 4 ) 区分工作同和周末。工作日和周末的交通状况是有区别的【4 卯。 测试7 天后，即可得到l 路公交车的行程时间数据，包括每辆车经过各站点 的时刻，其格式为：站点序号、车牌号、到站时间。 为了直观的显示出行程时间数据的字段信息，选取2 8 6 4 号车在2 0 0 9 年1 1 月 1 9 山东大学硕士学位论文 2 2 日上午7 ：3 0 - - , 1 1 ：3 0 之间测得的到站时间数据作详细说明，如表3 2 。此表为本课 题的行程时间预测模型提供了数据支撑，说明如下： ( 1 ) 站点序号为1 - - , 2 4 ，对应上行站点；站点1 2 9 - 1 5 1 对应下行站点。 ( 2 ) 车牌号为2 8 6 4 ，为l 号线路的4 2 辆公交车之一。 表3 2 到站时间数据节选2 8 6 4 号车 站点序号车牌号 到站时间站点序号 车牌号 到站时间 l2 8 6 4 2 0 0 9 l l 2 27 ：4 21 4 62 8 6 42 0 0 9 ，l l 彪29 ：1 6 22 8 6 42 0 0 9 门l 2 27 ：4 61 4 72 8 6 42 0 0 吖l l 2 29 ：1 8 32 8 6 4 2 0 0 9 门l