（工程力学专业论文）道路交通指路标志标识系统建模的理论与方法.pdf

道路交通指路标志标识系统建模的理论与方法 专业：工程力学( 智能交通方向) 博士生：黄敏 指导教师：余志教授 摘要 指路标志的主要功能是传递交通路网的信启、，为道路使用者提供诱导服务。 合碑地设置指路标志能平滑交通，提高道路通行能力。本论文的目标是为指路标 志j 目、以系统的建模研究建立一个理论框架。论文提出了指路标志项的概念，州+ 对 其进行了数学描述，即定义了指路标志项的状态函数集，并明确给出指路标志标 以系统建模的定义。基于研究的需要，论文还进一步从多个角度剥指路标志项进 行了分娄。接着，论文指出交叉口是指路标志标识系统建模的关键，分析了交叉 | _ j | 2 向特 i f ：，定义了1 日荚交义i 函数。结合巴述的基础性工作，沦文利用交叉口函 数的远算，建立：了两个指路标志标识模型实例：旅游景点标识模型和公路嗍上城 镇指蹄柄、志没胃模型。在建模过程中，论文提出了指路标志设置的邻近结点搜索 法、区域连j ! j i 法和抛镇指路标志的分级设置等方法。为了更好地将上述的模型、v 川fi - t 一算机仿真q 一1 ，沦文利用数据建模技术，建立了指路标志项和上述两个应j = | 实例的数据模型，包括e r 图和关系数据模型。最后，论文介绍了旅游景点标识 系统的设计与主要构建步骤。文巾所建的示例模型表明，论文提出的基于_ 指路标 志琐的数学定义及交叉口函数方法适用于指路标志标识系统建模，并且陔建模方 法是有效、刊行的。 关键吼建模，路网拓扑结构，交叉口，指路标志 t h e o r ya n dm e t h o d o l o g y f o rm o d e l i n g r o a dg u i d es i g ns y s t e m m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：h u a n gm i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry uz h i a b s t r a c t f h em a i nf u n c t i o no t g u i d es i g n si st oi n f o r mt h er o a du s e r sw i t ht h et r a f f i c n e t w o r ki n l b r m a t i o n ，a n dg u i d et h e mt ot h ed e s t i n a t i o n s i fg u i d es i g n sa r ed e p l o y e d r e a s o n a b l y i tw i l lm a k et h et r a n cm o v em o r es m o o t h l ya n de f f e c t i v e l y f h i st h e s i s a i m st oc r e a t eat h e o r e t i c a lf r a m et b rm o d e l i n gg u i d es i g ns y s t e mf i r s to fa l l ，t h e c o n c e p to fg u i d es i g ni t e mi sp r o p o s e d ，a n dt h es t a t e f u n c t i o n sa r ed e f i n e da st h e m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n0 1 1g u i d es i g ni t e mm e a n w h i l e ，t h em a t h e m a t i c a ld e f i n i t i o n o fg u i d es i g ns y s t e mm o d e l i n gi sp r e s e n t e db a s e do nt h ed e f i n i t i o no fg u i d es i g ni t e m f u r t h e r m o r e ，t h eg u i d es i g ni t e m sa r ec l a s s i f i e di n t os e v e r a lc a t e g o r i e sf r o md i f f e r e n t a s p e c t st h e n ，i t sp o i n t e do u tt h a ti n t e r s e c t i o ni st h ek e yp o i n ti nm o d e l i n gg u i d es i g n s y s t e m ，f i l ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r s e c t i o n st h a t r e l a t et og u i d es i g ns y s t e mm o d e l i n g a r ea n a l ) ，z e d ，a n dt h e ns o m ei n t e r s e c t i o nf u n c t i o n sa r ed e f i n e da c c o r d i n gt ot h e m b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，t h eg u i d es i g nm o d e l sf o rs c e n i cs p o ta n dt o w n so n h i g h w a yn e t w o r ka r ec r e a t e db ya p p l y i n gt h ei n t e r s e c t i o nf h n c t i o n s i nt h o s em o d e l s ： s o m em e t h o d sa r e p r o p o s e d i nt h e p r o c e d u r eo fm o d e l i n gg u i d es i g ns y s t e m ， i n c l u d i n gm e t h o do fs e a r c h i n gt h ea d j a c e n tn o d e s ，m e t h o do fa r e a sc o n n e c t i o na n d l n e t h o do fh i e r a lc h yi nd e p l o y i n gg u i d es i g n i no r d e rt ob u i l dt h em o d e lf o rc o m p u t e r s i m u l a t i o n ；s o m ed a t am o d e l i n gt e c h n i q u e i sd i s c u s s e di nt h i st h e s i st h e e n t i t y r e l a t i o n s h i pm o d e l sa n dr e l a t i o n a lm o d e l so fg u i d es i g ni t e m sa n dt h er e l a t e d a p p l i c a t i o nd a t am o d e l sa r eg i v e n f i n a l l y t a k e nt h eg u i d es i g nm o d e lf o rs c e n i cs p o t a sa ne x a m p l e ，t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e ma r ei l l u s t r a t e d 7 f h em a t h e m a t i c a ld e f i n i t i o n so fg u i d es i g ni t e m sa n di n t e r s e c t i o nf u n c t i o n sa f e p r o v e dt ob ef e a s i b l ea n de f f e c t i v ei nm o d e l i n gg u i d es i g ns y s t e m | r a mt h ea p p l i c a t i o n m o d e l sc r e a t e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：m o d e l i n g ，t o p o l o g yo fr o a dn e t w o r k ，i n t e r s e c t i o n ，g u i d es i g n s v 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着利会经济的发展，交通拥挤、交通事故、环境污染、能源短缺等变通问 题成为世界各国共同丽临的问题。无论是发达国家，还是发展中国家，部毫不例 外地承受着不断加剧的交通问题的困扰。这f 一几年来，我困机动车梢有量及道路 交通量急剧增加。尤其是在大城市，交通 斟j 挤阻塞以及由此导致的交通事故的增 加，环境污染的加剧，是我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，已成为国 民经济逍一步发展的瓶颈问题。综合运用先进的传感器、信息通讯、网络、自动 控制、交通工程等技术的智能交通系统备受推崇，彼认为是解决交通问题的最佳 途径。事。典上，作为个智能化的、高效、环保的综合交通运输体系，智能交通 系统确实能改善交通运输系统的运行情况，提高运输效率和安全性，减少交通事 故，降低环境污染。 近年来，我国很多城市的道路交通网络迅速发展完善，而作为附属工程的交 通标志系统的完善和更新则相对滞后，严重影响了道路交通网络的交通功能和效 率，也不利于与圈际化标准的快速接轨。人们也日渐意识到在大力发展智能交通 系统的同时，也应该重视交通基础管理设施的建设。若道路管理设施不尽完善， 它将会成为发展智能交通系统的绊脚石，并限制了智能交通系统更好地发挥其作 用。 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。道路交通标志系统作为现代交通导向系统的重要组成 部分，它在道路交通管理中发挥着重要的作用，是大力发展智能交通系统的基础。 合理的道路标识系统能为交通参考者提供直接准确的导向服务，提高道路通行能 力，降低交通捌堵带来的负面影响。 我固有国家标准g b 5 7 6 8 一1 9 9 9 道路交通标志和标线用于规范交通标志 $ j 、线的实施与哎留，标准主要规定厂交通标志物理设计方面的规则，包括标牌的 大小、版式、颜色、图文表示、安装设置等。但标准的内容仍不能很好地满足应 用需求，如标准中没有明确列出应如何确定指路标志需提供的指示信息。近年来， 国内不少城市已意识到道路标志的重要性，纷纷出台政策法规来更新和完善现有 的交通标志系统。为了进一步完善交通安全设施，规范道路交通标志标线，2 0 0 5 年公安部交管局还颁布了公路交通标志标线设置指南、摊捧新增道路交通# j 、 志标线和城市道路交通标志和标线的设置。系统地、规范地剥交通标志进 行研究已成为一个迫切的研究课题。 1 2 国内外交通标志的研究状况 在过去的几十年里，交通标志一直是一个研究热点。一般束说，个完善、 有效的交通标志系统应满足多方面的要求： 从工程学的角度看，交通标志的规格、字体大小、标志版面的组织安排、杯 志设置的位置、标志所处位置的光照程度、背景是甭复杂等，这些要素都要符合 相关的标准规范，使交通标志能清晰地传递指示信息； 从人类工程学的角度看，要考虑什么因素影响驾驶员获取交通标志要传递的 信息，如标志的版面或字体的颜色、图形符号或文字符号的使用等，研究口m j 舰 范化上述因素，使标志的指示信息更容易被道路使用者接收并i r 确理解： 从数学逻辑的角度上看，综合考虑多方面冈素，建立指路标志的数学模型， 在理论上确定要设置标志的地点及标志应提供的指示信息，使标忐能有效合理地 设置，实现标志的诱导功能。 因此，有关交通标志的研究电十分广泛，本节介绍国内外交通标志的j ? 目关应 用研究状况。 交通标志作为基本的交通管理设施，已被不少国家纳入国家标准中进行规范 管理。我国现行的国家标准g b 5 7 6 8 1 9 9 9 道路交通标志和标线规定了交通 标志和标线的分类，给出了标志标线的设计、制造、设置、施：r 等要求，它是交 通标志标线的总体设置规则。美围联邦公路管理局( f h w a ) 和田家统一交通控制 设备委员会颁布的统一交通控制没备手册( m u t c d ) i 引中规定了包括交通杯志 在内的道路交通控制设施的安装和维护的标准。其它类似的标许l ：规范还有f i 夺的 道路标i i ，、2 - p 7r 夕等。 除了交通标志的标准规范外，还有学者从多个角度对交通标志进行研究。 不少学者研究找出影响着交通标志被注意程度的因素，并提出一些改良的措 施，以提高交通标志的受关注度1 3 1 1 4 州。这些研究指出路侧广告等与交通无关的 物体，交通标志的信息含量、交通标志类型，交通标志背景复杂程度、交通标志 是否显著、交通流密度等因素都影响着交通标志的被关往程度。研究同时指出可 采取下列措施束增加交通标志的吸引力：精简交通标志的信息量、降低其冗余度： 用增加标志牌数及川隔一定距离来解决硅示大量信息f e 勺问题：增加标志大小；增 ：i | j 标志与背景的埘比度；标志上用线条较耜的图文，将标志置于驾驶员容易看到 的地方等。 e l l s 和d e w a r 指出驾驶员理觯符号标志或文字标志的速度的差异【f ”，s p e r b e r 等【”、c a i m e v 和s l e s s 吵y o u n g 利w o g a l t e r 9 1 ，l i u 4 1 的研究进一步表明，与使 h j 文字比较，使用图形符号z 日, e e , ，f f 。1 加驾驶员对交通标志的记忆能力。s h i n a r 和 d r o l y l 叫的研究了标志在夜晚利白天的亮度和照明度，指出由于晚上标志的背景 复杂度降低，1 刭此使得交通标志在夜晚比在白天更容易被注意到。c h a p a n i s 【| 1 1 测试了标志觏色对驾驶员认知度的影响。 另有部分研究是针对驾驶员个人特征进行的。l u o m a 和r a m a i l2 】发现驾驶员 剥速度标志的回忆能力与其年龄性刖无关。有学者的实验说明了驾驶员回忆、认 知交通扬i 志的能力与以下圜素有关：驾驶员的紧张程度1 ，驾驶员的动机m i h5 l 。 e 和d e w a r i ，h a l p m n i m 分别指出驾驶员理解标志含义的速度、标志的认读距 离与驾驶员的反映时间相关。a i m a d a n i l7 ) 的研究指出驾驶员对标志的理解力与 交通市故率无关。m i l o s e v i c 和g a j i c 8 f 做了大量的实验，得出交通标志的受关注 程度与驾驶员的年龄、驾驶经验可能高度相关。a i m a d a n i 【一j 7 1 研究了驾驶员个 人特征，如驾驶经验、事故率、年龄、婚姻状况、性别、国籍、驾驶教育程度和 月收入等，与他们对交通标志的理解能力之f j 的关系，实验表明驾驶教育程度、 驾驶经验、性别、月收入和国籍明显影响驾驶员对交通标志的理解。 w i c k e n 指出人类在短时间内对信息的接收能力是有限的1 2 ”。因此，若交通 标忐所含的信息量过大，则容易被忽略。更进一步，有学者从人类工效学的角度 去研究交通标志的图形表达，并提出了一个计算图标信息量的数学模型口。l i u 通过史验说明增力标志信息含量会减慢驾驶员搜索信息速度，感到更大的精神压 力，从而1 i 能确效地接收标志的指示信息nd i n g u s 的研究表明，驾驶员在接收 交通标志信息时采取短时多次看标志的方法，能更有效地获取交标志的信息1 2 2 1 。 l i u 则指出在获取交通标志的指示信息时，熟练的驾驶员适合采用提, f z i 浏览标志 信息的频率，同日_ j 缩短读取标志信息的时m 的策略，而新手就适合用降低浏览标 志信息的频率，并延长阅读标志信息的时间的策略，这样更有利于交通标志信息 的接收“。 1 3 指路标志的应用研究状况 参照我国的国标，交通标志按其功能可分为警告标志、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。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帆指 示道路编号及方向；指示至目的地之罩程及距某出口的距离，指示备出口编号等 i x aj 。 指路标志在现代公路交通与城市交通中部发挥着重要的作用。随着社会经济 的快速发展，人们对交通运输的需求闩益增加，促使交通运输与民众的日常生活 关系更加密切。因此，有关交通运输的公路工程在不断的兴建或扩建中。以广东 省为例，截至2 0 0 5 年底，广东省的公路通车总里程为1 l1 5 万公罩，其中高速 公路是3 1 4 0 公罩，公路密度达到6 4 7 8 公里百平方公坐。交通网络的发丛，很 大程度上满足了人4 r j x , l 交通运输的需求。同时也使得道路密集、纵横交借并形 成了复杂的路网。别一般的道路使用者而言，要驱车前往同的地，除了本身的经 验外，主要是根据地图和路网上指路标志捉供的指示信息柬确定 j ：驶路径。 城市交通管理的目的是保证交通的安全、畅通。城市道路交通管理殴施是进 行城市道路交通管理的重要条件，足实现道路交通管理科学化、现代化、规范化 的重要保征。指路标志是城市交通管理设施的一个组成部分。指路标志的殴胃：队 况直接影响车辆行驶、行人行走的有效性，间接影响交通安全，是城市风貌、城 市文明的重要组成部分，反映了城市交通管理水平。一般来说，城市指路标志应 根掘实际需要，结合具体情况合理设置： 指路标志的设置与交通设施应是胁调的 目的是保证交通畅通和行车安全：i j 时， 互相不矛盾的，并保i t e # 旨弓f 信息是连续 不问断的；为了使指路标志信息容易被道路使用者获取，指路标志应设在容易看 见的位胃，且要考虑标志的照明及反光等问题口4 i 。在畅通工程城市道路交通 管到旧j 价指标体系翠，把指路标志的设置作为评价城市道路交通管理设施的基 本指标。计价要求在市区任意选择二点，利用城市交通图和指路标志，能够乘出 租车从点到另点”。 由于指路标志在交通诱导中发挥着重要的作用，固内的很多城市在设置指路 标志的实践中，积累了不少的经验，纷纷摊出相关的措施来改进和完善地方上指 路标志指示系统。到2 0 0 5 年底，- 1 e 京实现了列二、三、四、五环路全线的统一 编号，这些统编号刊使司机按“号”索骥找到路，同州，指路标志的改营实现 了多级预告功能，从两公里、一公罩，一直到儿百米分别进行预告。上海市市政 局、l 柯交警总队修订了上海市高速公路、城市快速路及城市高架路交通标志标 线技术总则，从2 0 0 6 年1 月份丌始启动上海市高速公路指路标志系统工程，其 重点是改变高速公路指路标志传统的“路指路”模式，采用更人性化的“路指地 名”新模式，使高速公路指路牌具有更好的方向性，便于驾驶员识别；另改善 重j 量是解决指路标志巾地名信启、缺失问题，地名信息将分为三级，使指路标志地 点指示层次分明，信息保持系统性、连贯性和均衡性。为配合广州市道路交通网 络的i ! 速发展，改善指路标志系统指引不够清晰的问题，市规划局在2 0 0 5 年h j 台了市区道路交通指路标志系统改善方案研究，并己通过“重点部门、大型公 建及旅游景点指路标志系统前，局方案研究”的评审，广州市的道路交通指路标志 系统的改善工程l ! ，将有步骤、有计划地向前推进。 m 此可知，如何合理地设置指路标志，最大限度地实现其诱导功能，是一个 值得研究的课题。在众多的研究中，不少学者着重从应用的角度考虑【2 7 l 【2 8 】， 结合吱际情况，分析了指路标志在道路管理中的作用，给出了指路标志在城市或 公路网上的应用示例，明确指路标志的设置原则应包括：从交通组织的角度出发， 确定指路标应提供的指示信启、：指路标志应该根据道路的不同等级和功能，分层 次i 5 芝截：指龉标志的殴胃应该符合连贯性与整体性：与人类工程学的要求相吻合， 使道路使用者能迅速了解标志的含义，并能做出相关的反应。 有学者探讨了指路柄；志在区域性交通组织中的作用。研究指出交通拥堵多发 生在瓶颈处，百 以在道路瓶颈禁限措施的上游设置指路标志，提n 进行预示分流， 指引不熟路的司机绕过道路瓶颈，从而减少干用堵。研究还强制，指路标志系统的 组织应该信息渐变和信息连续。别于高等级道路，如高速公路、城市快述蹄等， 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蚓；指路杯志| 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。 另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 午旱，并结合道路交通标识系统配置与导向系统信息化的关系，探时了包括指路标 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 。 总的乘晓，指路标志的功能是把蹄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寸分重要的，它能为道路使用省 提供准确的诱导服务、减少交通拥堵。国标中的第8 条是用于规范指路糊、忐 设置的。但国标只是做出如“设在距交义路1 ：33 0 5 0 米处”的规定。然而，指路 标志牌上应标示的内容( 同的地或道路) 对交通诱导来说显得更为重要。由川= c ： 标中没有相关的舰定，施工单位在布设路标时，工程人员主要是凭经验或地方的 条文束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，指路标志的指示内容常常不规范，指示信息严重缺乏，整休确，局缺乏足够的 系统性，所传递信息的连续性和完整性电不尽如人意，常常导致驾驶员在交叉 1 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晌效率，列 日j i ! ，、 志的管理也极为不便。因此，宵必要建立一套系统的关于指路标志的珲沦来规范 标志的构建。 另外，现今的信，目、技术得到快速的发展，并| = = _ 趋成熟。应咳考虑建立指路标 志的计算机应用标识系统；、指路标志应用系统能参照相关的设置规范，按照既定 的原则，山计算机自动生成路网上的指路标志。综合运用指路标志应用系统，门 辅以人工管理，这样可减少完全凭经验设置标志的随意性，更有利于路网指龉l ，j 、 志的更新与维护。这种借助信息技术，规范指路标志的设置及相关引导信息，必 将成为指路耪l i 忐应用系统的发展趋势。 1 4 指路标志系统的介绍 指路标志系统是结合蹄网的拓扑结构和交通网络的服务划则等要素，对道路 网络中的道路、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、更 新的系统，其目的是为道路使用者提供清晰的指引，提高交通网络的整体通行效 率。 总的来晚，与指路标志系统相关的研究常常包括以下几个方面： 1 1 指路标志通用设置规范研究。主要包括标志的版丽形式设计，图文符号 表达，分类标准，设计制造工艺，安装实施等内容。该研究要结合交通 心理学干交通行为学进行，其目的是让道路使用者更好地接收标志信息， 并在驾驶行为叶i 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刑交通进行诱 导，因此，立何合理地设置指蹄标志，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目标。指路标志标 识系统建模是本沦文研究的重点，其具体含义将在下面解释。 3 1 指路标忐标识系统数据模型的研究。建立适于指路标志标识系统建模的 数据模型是在计算机中构建指路标志标识系统的关键环声之一，即虫何 刘指路标志、道路网络、交通服务规则等数据进行组织与描述，使数据 有利于在计算机中仔储和运行。 4 ) 指路标志系统评价体系研究。评价体系的目的是列指路标志布设的有效 性进行评估与分析，主要包括两方面：指路标志是否设置在适当的地方， 是否能给出准确、有效的诱导信息；指路标志的设计的形式、设置的环 境是否有利丁道路使用者接收与理解等。 论文的研究围绕着指路标志标识系统建模展开的，涉及到上述第2 ) 、3 ) 方面 的研究内容。下面利用系统的概念，对指路标志标识系统的含义进行解释。 系统足一些元件的组合，这些元件共同作用以完成给定的任务。系统各元件 之问通过输入输出建立联系。”3 。指路标志标识系统如图i - 1 所示。标识系统的输 入是路网的拓扑数据、交通网络的服务规则等要素针刈4 i 同的应用背景( 如为 旅游景点设置指路标志) 进行建模，系统的输出是满足应用需求的指路标志的布 设方案( 如璎求指示的路径为最优路径) ，包括指路标志设置的位置和应该提供的 指示信息。在不产争混淆的情况下，下文也将指路标志标识系统简称为标识系统。 _ 鹿片需求 蹿阿 变通网 蹄名、 输入 网卜1 指路标志标识系统 1 。5 论文的研究内容与目标 输出 指路标志柑璇力案) 从论文1 2 和1 3 节的讨论可知，现时对指路标志等交通标志的研究主要集 中在标志的通刚设置规范方面，很少研究是针对指路标志标识系统展开的。但如 何对道路或目的地等对象进行标识是指路标志实现诱导功能的重要体现，因此， 本论文的研究将罔绕指路标志标识系统建模进行。 论文的主要工作是为指路标志标识系统构建一个数学框架，其内容包括：列 标识系统进行数学定义与描述：给出标识系统建模的工具：在上述的理论基础下， 针列特定的应用背景，建立标识系统的数学模型。此外，论文还探讨了在计算机 中构建指路标志标识系统的相关问题。 有关论文的研究工作有以f 儿点需要说明： 1 ) 尽管论文建立了几个指路标志的标识模型，但论文的工作重点在于构建 指路标志标识系统的数学框架。在此框架f ，根据不同的应用需求和目 的i 可建立更多的标识模型。 2 ) 沦义的研究对象是路网中的指路标志。指路标志的主要功能是传递路网 信息，也就是说，指路标志是道路问连通关系( 即路网拓扑结构) 的描述。 因此，论文将基于路网的拓扑结构对指路标志标识系统进行研究。 3 ) 建立指路标志标识系统的数学模犁可从两个方面理解：根据指路标志所 处的位置去确定它需要提供的指示信息：对指定的道路或地物特征，如 城镇、旅游景点等，确定相关指路标志要设置的位置。建模的最终目标 是保证指示信息的整体性和连贺性，使指路标志能有效地发挥诱导功 能。总的来说，在指路标志标识系统的数学模型建立后，就可以利用该 模型，通过计算机仿真确定指路标志的布设方案，使其满足应辟需求。 论义的研j t 日标包括理论与应用两个方面。 理论的角度：结合蹄网拓扑结构和交通网络的服务捌则等要素，为指路标志 标识系统构建一个数学框架，为具体的标识系统建模提供方法； 应用的角度：探讨与标识系统建模相关的数据存计算机中的组织和存储，从 而使得由计算机自z 为生成路网的指路标志成为可能。 1 6 论文的结构大纲 论文的结构如幽1 2 所示，论文首先阐述了指路标志标识系统建模的理论基 础，作为理论与训算机应用的连接，沦文给出了与标识系统建模相关的数据模型， 最后讨论了基于g i s 平台指路标志标识系统的构建。具体的结构虫f 所述： 第一章，即本章，介绍交通标志的应用研究现状，着重对指路标志进行了讨 论，指出建立套指路标志研究方法的重要性，并介绍了文章的研究目标与内容。 要对指路标志标识系统进行建模，首先应该用数学的语言把标【只系统描述清 楚。由十路网和指路标志是标识系统蕈要组成部分，所以沦文布第_ 章中结合路 蚓的拓扑结构，给出指路标志和标识系统建模的数学定义。此外，基于研究的需 要，第二章还从多个角度对指路标志进行分类并归纳。 在第三章中，论文指出交叉口是设置指路标志的关键，并定义了，用于描述路 刚交叉r 特征的交叉口函数。通过交叉l i 函数的运算，可以确定指路标志的布设 方案，从饰实现对标识系统进行建模。第二、三章是建立指路标志标识模型的基 础。 在第四章，结合实际的应用背景，利用交叉l 函数的运算，建立了两个指路 标志标识模型：旅游景点的指路标志标识模型和城镇指路标志的分级没置模型。 在第五章，结合指蹄标志的各种应用示例模型，讨论了标识系统的概念数据 模犁和逻辑数据模犁，为存计算机中构建指路标志标识系统打下耩础。本事连接 着理沦模型和应用系统，起着从理论到计算机应用的衔接关系。 在第六章，以旅游景点标识模型为例，探讨了基于g i s 平台的指蹿标志自动 标识系统的构建的主要步骡及相关技术问题。 第七章是本文的终篇，归纳了论文的主要研究：亡作，总结了论文的主要创新 点和贡献，) f 对指路标志标识系统的研究前景和可扩展方向做出了论述。 应该指出的是，论文的研究是一种新的尝试，其中的许多定义、函数和建模 方法都足本文首次提出的，如指路标志项、交叉口函数等。这些将会在论文的相 应部分进行详细的沦述。 计算机应用 理论框架 第5 章 l 基于g l s 平台旅游景点 i - 3 动标识应用系统f 第6 章 ：二：二二二_ 上二二：二： j 一 标识系统的 数据模型 ；三e j 第2 章 第3 章 图i 一2 论文结构图 标i _ 【 系统建模的 应用示例 第4 章 第2 章指路标志的数学描述 本论文的讨论是围绕着指路标志标识系统建模展开的，因此，有必要先从数 学的角度解释清楚什么是指路标志，什么是标识系统建模。本章作为纶文的理论 女t 7 f i l l l ，将结合路刚的拓扑结构，用数学的语言对指路标志进j j 定义，并阐明指路 标志标识系统建模要解决的问题，为后面的章节打基f | ：l 。 2 1 路网的数学描述 路网，即道路阀络，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，【曳是对指路标志进行数学定义与建模的基础。路网的数学描述源 - 1 j 幽沦，中的图，木节将结合图论雨i 网络分析理论，简啦回顾道路网络的各种数学 表述模型。 21 1 图论的基本概念 幽沦研究了集合中各元鬃的关系，特则是连通关系。称g ：( 旷e ) 是一个图， 如果i ，是个m 宁有限集合；e 是中元素对组成的有限集合。图用数学的结构 去表示实体删的联系。通常，称y 为顶点集，顶点集代表着集合罩的成员：称e 为边集，边集是的边拙述了点集的逻辑关系或物理连接关系。 根据边集中的边是否有向可以把图分为无向图和有向圈两种。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，顶点唰的关系是单向的。 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1 1 ，即边相交处存在着交点；非平面图独立于数学平面，即边相 交处可以不存在任伺交点“。 如果给图中的每条边部赋予个或多个权重，则这个图被称为加权图或网络 矧。这时点被称为结点，边被称为弧段。弧段的权重可以是静态的，即不随弧段 j 二流的变化而改变，如把弧段的蚝度作为权值赋予弧段；权重也可以是动态的， 即随省略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 量作为权重赋予弧度。 图沦是网络捕述的数学基础，图沦表示法是网络最直接的表述，它常被应用 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。 2i 2 网络分析和网络的矩阵表示法 刚络分析是图论研究的扩展，它在弧段上加入了流的运行例。因此，图硷l 扣 的很多概念也呵移植到网络分析中。 在网络分析中，结点表示流产：r 、终止或相交的位霄，r ：i ；弧段是两个结点川 让流移动的通道。弧段t q 以表示现实世界中的物理实体，如路段；或逻矧连接， 如两个城市洲的航线。弧段可以是有向弧段，即流只能在一个方向 _ 通过：也可 以是无向弧段，即流能在两个方向上通过。和图一样，刚络同样可以是平而或非 平面的。交通网络是网络模型的具体体现。 在图论中的集合表示法，同样可应用于j 网络表述中。这时常采用天联矩5 7 - t ： 描述网络中的连通关系。这在用最短路径或其它算法进行网络分析叫非带有效。 关联矩阵也常用于网络的可达性分析，如对邻接矩阵( 定义如下) 进行乘方运算， i 叮以得到网络中各结点对的连通路径数，乘方的次数即为两结点之间止过的步数 【3 u 1 。 设有网络g = ( i v 爿) ，其中_ = o ，l ，”一1 ) 是结点集，而爿= ，是有向 弧段集。下面列出几种常用的网络关联矩阵。 1 ) 邻接矩阵 邻接矩阵是最常见的网络矩阵表示法1 3 ”。邻接矩阵= h l ，是个”，矩 阵，矩阵中的行和列都对应于网络中的结点。 矩阵元素x ，描述了结点一u 结点之问是否有弧段直接连通，满足， f 1 ， 结点j 和结点，之削存在直接连通弧段 2 10 ，结点f 和结点，之间不存在直接连通弧段。 在邻接矩阵中，矩阵的主对角线元素常被定义为0 ，即x 。= 0 。在无向网络 中，邻接矩阵为对称矩阵，即有x ，= 。在有向网络中，邻接矩阵通常是1 i 刺 称的，即有x ，x 当两个结点侧存在多条弧段时，电可用二述矩阵表示，这时矩阵元素x 定 义如下： x ，= 以结点i 和结点为端点的弧度数目。 2 ) 结点一弧段关联矩阵 b e l l 和l i d a 存他们的著作中提出了网络的结点一弧段关联矩阵表示法和弧段， 路径关联处阼 弘j 。 以有向图为例，用z = e 。 结点弧段表示关联矩阵。矩阵的行对应网络中 的结点，矩阵的列对应于网络中的弧段。矩阵元素：。的定义如下： n 结点堤弧段女的起点 z 。= l ，结点f 是弧段的终点。 f0 ，其它情况 上述的各种矩阵表示法都可以作为交通网络的逻辑数据模型。但舣情况 下，不直接利用它们作为物理数据的存储模型。这是因为矩阵表示法只有在网络 是高度连通f 即每一个结点都与网络中其它多个结点邻接) 吲爿有效，否则会引起 庞火的数据冗余。而般的交通网络都是比较稀疏的，即每个结点只有少数几个 结点与之连通，若使用矩阵存储路阀信息，将使得矩阵中存在大量的空元素，白 白浪费存储空间。所以，一般不直接用矩阵表示法柬描述交通网络。 2 13 路网的图沧集合拙述 尽管在2f2 小节罩拙述的儿种网络表示法各具特点，形式多样。但都离不 开同样的主题，就是描述结点与弧段的关系。s h e l l 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，也被称为结点一弧段数 据模型川。这种交通刚络的图论表示法包含着划道路之唰的连通关系且不存在 数摒冗余问题。崮此，本论文采用传统的结点一弧段表示法米描述交通路网。 道路网络是建立指路标志标识系统的基础。文中用道路中，d 线表示现实世界 中的道路，如图2 ，i ( a ) 所示。这里先引入有向图的概念。 g = ( v ，e ) 是有向图，矿= 沁i i = 1 ，月 是g的结点集， = p ，= ( v 女，v 川i = 1 ，m ；v ，v ，y 是g 的弧段集，e ，= ( v v ，) 表示e ，是从v 月 到v ，的有向弧段。称、，。为。，的起点，q 为t 的终点，起点和终点统称为端点。 论文用有向图g 束表示路网，g 中的结点表示路网中的具有一定特征的位 置点，如交叉口、高架路、桥梁和隧道的出入口等；g 中的有向弧段表示两个结 点问的路段。这单引入本沦文关f 路网模型的一个重要假发： 假设任意两条不同的有向弧段不能具有完全相同的起点终点，即两个相邻交 叉口之间相1 | j 流向的路段只有一条。 需要明确的是，嗣道路中心线描述的路网是无向的，如图2 一l ( a ) 所示。但现 实世界中的道路都是有方向的。通过指定无向路段的起点和终点，就可获取对应 的有向路段。如图2 - 1 ( a ) 中，结点和结点v ，组成了一个无向路段，当指定起点、 终点x , j 州就可以扩展成图2 - 1 ( b ) 所示的两条有向弧段e i e ，其巾 e j = ( v ，叱) ，g ，= ( ，v ，) 。因此，尽管在下文某些讨论( 如路网几何特征的描述、 交叉i 函数的建立等) 的示意图中，仍然使用无向的道路中心线作示例，但标识 系统的建模都是基于有向路网的。 一一 一一_ i - 一 、t !u ! hj 蚓2 1 路网示意1 刳 2 2 指路标志项的定义及其状态函数集 本节将在路纠的数学模型的基础七，引入指路标志项的数学定义与描述。 22jj 旨路初i 志项的概念 指路标志是传递道路疗向、地点、距离信息的标志，如图2 2 所示。般来 蜕，路网上的指路标志牌会指示一个或多个目的地( 或道路) ，并附有如方向及距 离等的相关佶息。 称被指示的目的地或道路为被标识对象。沦文中提及的目的地是泛指概念， 包括城镇、景点、机场等具有一定特征的地物。 一股来说，被标识对缘虽然被组织显示在l 司一标志牌上，但它们是相互独立 的、各不影响的，凼此可以分别讨论。为简化问题的研究，这里引入指路标志项 的概念。 称每个被标识列豫及其附带信扈( 如方向、距离等) 为指路标志项。通常意 义卜的指路标志( 牌) 是包含一个或多个指路标志项的组合。 画厘霜圄 ( a )( b )( c )( d ) 图2 - 2 指路标志图例 柏一闲2 - 2 中，指路标志牌( a ) ，( b ) 和( c ) 分别包含3 个指路标志项，标志牌( d ) 包含2 个指路标志项。以标志牌( b ) 为例，它包含的指路标志项为向前方向的曹 家渡、向左方向的十六铺和向右方向的五角场。 222 指路标志项的状态函数集 相：第1 章中，已解释了指路标志标识系统建模的含义。总的来说，建立指路 标志的数学：幔型就是面向不1 i j 的需求，根据路刚数据等已知条件，确定指路标志 的布砹万案，即标志的设置位置及逦提供的指示信息。应该强凋的是指路标志给 出的指示信息不是孤立的，它与所处路网的位置是紧密相关的。因此，要确定 个指路标志项，将涉及到多个要素的获取。般来说，每个指路标志项包括下面 所列的两大类要素。 第一类是指路标志项提供的指示信息，它例是道蹄使用者直接可见的，弧 指路标志项指示的被标识对缘的名称、指路标志项的类型、能通i 弼疫标识对缘的 相对方向、被指示对象与指路标志项所在位置的距离、指路标志项所在何置与它 指示的交叉u 的偏移距离、指路标志项要显示的绝对地理方向等。 第二类要素一般不会在标志牌上显示，它们隐含在指路标志项与路网拓扑结 构的关系中。这些要素包括：指路标志项指示的交叉l 、指路标志项所在的路殴 和指路标志项指示的路段。 上述的这些要素可以用 二确定指路标志项，参考这些要素，引入指路标志项 的状态函数集。以s 代表指路标志项，它有如下9 个状态函数： ( 1 ) 指路标志项s 所指示的结点( v e n e x ) ，即指路标志项要指示的交叉口用 ，( s ) 表示： ( 2 ) 指路标志项s 所在的路段( r o a de l e m e n to f l o c a t i o n ) ，用，。，( s ) 表示： ( 3 ) 指路标志项s 指示蹄段( r o a dc l e m e n to f d e s i g n a t i o n ) ，用厂。d ( ，) 表示 f 4 ) 指路标志项5 提供的指示信，n , ( i n f o r m a t i o n ) ，即被标识对象的名称( 如道 路或目的地的名称) ，用 ，( s ) 表示； ( 5 ) 指路标志项s 指示的被标识对象的类型( t y p eo fc o n t e x t ) ，用，：。( s ) 表示， ，：。( s ) = o 表示s 指示的是道路，：，( 5 ) = l 表示s 指示的是目的地等： f 6 ) 指路标志项5 指示前方通往被标识对象的路段相对于它所在路段的方向 ( r e l a t i v ed i r e c t i o n ) ，用，* ( i ) 表示； f 7 1 指路标志项s 指示的被标识对象与它所存位置的距离( d i s i a n c et o d e s t i n a t i o n ) ，用厂( x ) 表示： ( 8 1 指路标志项，所在位置相对于它指示的交叉口的偏移距离( o f f s e lf r o m i n t e r s e c t i o n ) ，用表示正( s ) ； 1 ( 9 ) 指跆标志项y 所指示的绝对地理方向( a b s o l u t ed i r e c t i o n ) ，用。，( s ) 。 j 苎 i 蠢 自忠略 。f 台肥踏 c 一一竺一一0 一一! 生一一。一 、 剀2 - 3 指路标志项丌、意幽 这里给出两个指路标志项的状态函数集作为例子。 例l 在图2 - 3 ( a 、的标志牌中，共有3 个指路标志项。其中左转方向的指跆 标志项j 的状念函数为：，( s ) = 0 ，。( s ) = ( 口，d ) ，。，( s ) = ( d ，c ) ，。r o ) 2 “自忠路”，l 。( ) = “向左”，0 ( s ) 2 2 0 0 m t ：。( s ) = 0 。 例2 在图2 - 3 ( b ) 的标志牌中，共有2 个指路标志项。其中直行方向的指路 标志项_ 的状态函数为：( s ) = 0 ，l ，。，( s ) = ( 爿d ) ，丘d ( s ) = ( 0 ，c