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浙江工业大学硕士学位论文 区域交通流残缺信息修复与时空分布特性分析 摘要 交通流机电检测系统是智能交通系统的重要部分，采集获得的交通流信息为城市交通 规划和交通管理提供重要基础信息，是交通诱导系统有效实现的保证。然而，由于天气、 施工损坏、线路故障、处理错误、无检测器等原因，交通流信息的采集会出现不完备和缺 失的情况，即交通流信息残缺。为了获取完整的交通流信息，深入探索交通流分布规律， 亟需研究对这些残缺信息进行修复的技术方法。 根据对交通流信息残缺的分析可以分为信息部分残缺和信息完全残缺。对信息部分残 缺修复提出了s a r b f 神经网络拟合方法，先在空间数据库中通过自相关性分析，找出与 信息残缺路口相关性较强的路口对象，再从属性数据库中选取各参加修复路口的历史数据 参加神经网络训练。对信息完全残缺修复采用了拉格朗日插值法，在插值之前对参加修复 的路口进行空间分布分析并对其编码，取此编码作为插值节点。 采用上述方法获得区域完整的流量数据后，用b 样条曲面拟合方法对这些数据进行时 空分布拟合时，发现波动突变现象，通过对交通流模型的分析得到描述孤立子的运动方程， 验证了城市交通流孤立波的存在，并提出正负孤立波的概念。这为交通管理部门制订诱导 预案提供了新途径，有助于实现城市交通流抑峰平谷的宏观调控服务，充分利用道路资源。 本文所获得的研究成果在浙江省重大科技专项项目“城市智能交通诱导系统的关键技 术研究与应用”的研发过程中已经得到了实践检验，并开发了杭州市基于w e b g i s 的交通流 残缺信息修复系统，验证了本课题研究所获得的理论成果和算法的可行性和准确性。 关键词：残缺信息修复，时空分布，神经网络，交通流理论，孤立子 浙江工业大学硕士学位论文 m e n d i n gd e f e c t i v ei n f o rma t i o na n da n a l y s i s o ns p a t i a l t e m p o r a ld i s t r i b u t i o no f r e g i o n a lt r a f f i cf l o w a bs t r a c t t r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o ne l e c t r o m e c h a n i c a ld e t e c t e ds y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r ti n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h ec o l l e c t e dt r a f f i cf l o wi n f o r m a t i o ni st h eg u a r a n t e eo fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ng u i d a n c es y s t e m ，p r o v i d i n gi m p o r t a n tb a s i s h o w e v e r , t h et r a f f i ci n f o r m a t i o ni s u s u a l l yc o l l e c t e db yt h es e n s o r sb u r i e da tt h en o d eo f t r a f f i cg r i d ，h o w e v e r , d e f e c t i v ei n f o r m a t i o n i sa l w a y so c c u r r e dd u et ot h es e n s o rf a i l u r eo fc o n s t r u c t i n g ，t r a n s m i t t i n go rp r o c e s s i n ga n dl a c k o fs e n s o r t h e r e f o r e ，i no r d e rt op r o v i d ec o m p l e t ei n f o r m a t i o nt od i s p l a ya n de x p l o r et h el a wo f t r a f f i cd i s t r i b u t i o nd e e p l y , t h ed e f e c t i v ei n f o r m a t i o nn e e dt ob em e n d e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h ed e f e c t i v ei n f o r m a t i o nc a nb e d i v i d e di n t oi n c o m p l e t e i n f o r m a t i o na n dn o n i n f o r m a t i o n ，w h i c hc a nb er e p a i r e db ys a r b fn e u r a ln e t w o r kf i t t i n g m e t h o da n dl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o nm e t h o dr e s p e c t i v e l y t h ef i r s ts t e po fs a r b fn e u r a ln e t w o r k f i t t i n g m e t h o dt 0r e p a i rt h e i n c o m p l e t e i s s e l e c t i n g t h ed a t a - c o m p l e t ei n t e r s e c t i o n sb y a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i si ns p a t i a ld a t a b a s e ，t h e no b t a i nt h er b fn e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gs a m p l e d a t ao fp a r t i c i p a t e di n t e r s e c t i o n st om e n dt h ed e f e c t i v ed a t a w h e nt h en o n - i n f o r m a t i o ni s r e p a i r e db yl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，t h ei n t e r p o l a t i o nn o d e sa r es e l e c t e db ys p a t i a l e n c o d i n gi ng i s w h e nt h es p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no ft r a f f i cf l o wi sa n a l y s i s e d ，t h ej u m p i n g p h e n o m e n o nh a p p e n e di nf l u c t u a t i o nw h i c hi so b t a i n e df r o mf i t t i n gt h ec o m p l e t et r a f f i cf l u xd a t a b yb - s p l i n es u r f a c ef i t t i n gm e t h o d a f t e rd r a w i n gs o l i t o ne q u a t i o nb ya n a l y z i n gt r a f f i cf l o w m o d e l ，t h eu r b a nt r a f f i cs o l i t o ni ss e a r c h e do u t ，a n dt h ec o n c e p t i o no fp o s i t i v ea n dn e g a t i v e s o l i t o ni sp r o p o s e d ，s e r v i n gf o rr e l i e v i n gt r a f f i cj a m ，p r o v i d i n gan e ww a yt om a k eg u i d a n c ep l a n a n df u l l yu s i n gr o a dr e s o u r c e sb yr e p r e s s i n gp e a ko rf i l l i n gv a l e d u r i n gt h er e s e a r c ho nt h ei m p o r t a n tv r o j e c tf o rk e ys u b j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e - 1 1 - 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ek e yi s s u e si nu r b a ni n t e l l i g e n c et r a f f i cg u i d a n c es y s t e m ( 2 0 0 6 c1310 0 ) ，t h e s et h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o v ea r ep u ti n t op r a c t i c ea n dp r o v e db y d e v e l o p i n gh a n g z h o ut r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：d e f e c t i v et r a f f i ci n f o r m a t i o nm e n d i n g ，s p a t i a la n dt e m p o r a ld i s t r i b u t i o n ，r b f n e u r a ln e t w o r k ，t r a f f i cf l o wm o d e l ，s o l i t o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：违蘸毛日期：年f 月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密隧。 ( 请在以上相应方框内打“”) 箩月 s 只 e l 么e t 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 交通是社会发展和人民生活水平提高的基础。随着国民经济的快速发展，机动车辆的 快速增长，交通流量的飞速攀升，交通拥堵成为城市交通中的突出问题，严重影响了人民 的日常生活、制约了经济的发展。面对越来越拥堵的交通，有限的资源和财力以及环境压 力使建设更多的基础设施受到限制，大量修筑道路基础设施己不能完全解决交通运输紧张 问题。城市交通拥堵、交通事故、交通环境恶化等问题已经成为世界性的难题。为了应对 挑战、解决问题，世界各国开始了智能交通系统的研究和应用。 1 1背景资料 1 1 1 智能交通系统 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 是目前交通运输发展的趋势， 它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有 效地集成，并运用于交通的管理与控制，是一种在大范围、全方位发挥作用的，实时、准 确、高效的综合交通运输管理系统1 】【2 】。i t s 可以有效地利用现有交通设施、减少交通负荷 和环境污染、保证交通安全、提高运输效率，故日益受到各国的重视。 本世纪六十年代末期，美国开始了智能运输系统( i t s ) 方面的研究，之后，欧洲、 日本等也相继加入这一行列。经过近3 0 年的发展，美国、欧洲、日本成为世界i t s 研究的 三大基地。8 0 年代后期，在这些国家和地区取得了一些研究成果，并逐步将一些研究成果 应用于生产实际，实践证明，i t s 有着巨大的社会与经济效益，是交通运输发展的趋势。 我国的i t s 研究起步较晚，但i t s 理论研究与技术产品开发也正在紧随国际交通运输发 展趋势【3 1 。从2 0 世纪8 0 年代后期起，我国开始了i t s 基础性的研究工作，包括优化道路交通 管理、交通信息采集、车辆动态识别等，9 0 年代开始建设交通指挥控制中心。目前已经建 立或正在研究开发的智能交通系统图1 1 所示【4 1 。为了从整体上规范我国的智能交通系统建 设，国家完成了“智能交通系统体系框架 的研究和编制工作，并正在进行“智能交通系 统标准框架”的进一步研究和修编工作。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 1 我国已建或正研发的智能交通系统 1 1 2 城市智能交通诱导技术 城市交通诱导系统( u r b a nt r a f f i cf l o wg u i d a n c es y s t e m ，u t f g s ) 是智能运输系统i t s 研究的一个重要方面，是基于电子、计算机、网络和通信等现代技术，通过分析实时交通 信息来获得诱导信息，并进而引导道路使用者行走最佳路径【5 1 。这种系统的特点是把人、 车、路综合起来考虑，通过诱导道路使用者的出行行为来改善路面交通系统，防止交通阻 塞的发生，减少车辆在道路上的逗留时间，并且最终实现交通流在路网中各个路段上的合 理分配。 目前国外发达国家的交通诱导系统一般有三个部分构成：车辆定位采集模块、通信模 块和驾驶员决策支持模块。车辆定位模块的功能是跟踪车辆在路网中的位置，也就是交通 信息的采集，其输出即包括车辆当前的绝对位置，也包括车辆在电子地图中的相对位置。 通信模块负责完成车辆与交通信息中心的数据交换。驾驶员决策支持模块的功能是进行最 优路径的计算和路径引导信息及其它信息的显示。总的来说，就是以各种信息通讯手段为 基础，综合考虑车辆、道路的一体化集成，实现交通参与者、车辆、交通基础设施、管理 者之间的无缝衔接。比较典型的系统有以下几种6 】【8 】：美国密歇根州的v i i 系统、美国的城 市道路引导系统t r a n s g u i d t 系统、德国的a l i s c o u t 系统和日本的d r g s 系统等，均以 车辆和信息的双向通信为手段进行信息的采集、传输与利用，属于技术密集型项目，而且 车载设备较多，使用成本偏高。 我国对交通诱导与服务系统的研究起步较晚，主要由一些科研院所、学校及少数公司 进行探索性研究实验，目前处于定位系统、信息融合与处理、双向通信等问题的研究阶段。 吉林大学在交通预测、交通分配等方面开展了大量研究，取得了一些成果；北京工业大学 浙江工业大学硕士学位论文 交通研究中心在车辆定位、监控与导航关键技术方面开展了多项研究，重点包括：城市交 通网络及其拓扑关系的表达，g p s d r 组合定位数据融合，基于g s m 进行数据通信等；四 维公司、大通公司和鞍山科信、南大善邻、西安东强、上海卫导与三吉等公司通过与国外 合作或引进或独立研制，做了大量的工作，取得了一定进展。北京市交通诱导系统采用无 线寻呼、无线公网、集群等通信系统实现交通诱导信息平台与车载导航终端之间的信息传 输。杭州市建成的交通诱导系统主要分为两部分：行车诱导系统和停车诱导系统。行车诱 导系统通过监控探头等方式获得路网的交通状况，以调频广播、诱导屏的形式发布给交通 参与者，引导交通参与者行走最优路线；停车诱导系统对景区、大型卖场等人员聚集区的 停车场资源进行统一调配，对进入一定区域的车辆进行诱导，达到减少车辆在道路上的滞 留时间【7 1 。 1 2 问题的提出 城市智能交通诱导系统根据数据的传输可以分为数据采集层、数据处理层、数据发布 层，三层紧密相连，缺一不可。基于i n t e m e t 的数据发布层就是在交通诱导系统发布中使 用w e b g i s 技术，将动态交通流信息和静态地理信息结合直观地展现在出行者和管理者面 前。本文在数据i n t e r n e t 发布层的基础上开发了基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统， 实现区域交通流残缺信息修复和时空分布显示。 交通流量动态信息主要是依靠在路网交叉口埋设的检测器获得的，基于w e b g i s 的交 通流残缺信息修复系统在直观地显示交通流信息时，把路网交叉口的交通流信息看作属性 数据，把交叉口的地理位置看成空间地理数据。然而，随着科技的进步和道路交通事业的 发展，目前在我国( 甚至一些世界发达国家) 的一些大中城市，其路网的密度越来越大， 而且路网的节点( 这里指交叉口) 数目越来越多，使得带有检测器的交叉口数量还达不到 全部交叉口的十分之一，使得不少路口的属性数据都存在缺失现象；而且由于施工损坏、 线路故障、处理错误等原因，也都使得数据中存在不完备现象。为了完成对城市路网交通 流的动态描述，实现对整个路网流量的时空分布研究，就必须对这些缺失和不完备信息进 行修复，最终为实现城市交通流诱导和缓解交通拥堵提供决策依据。 对于探索整个交通的特性规律，需对其交通时空分布分布特性做进一步的分析研究。 因此，在一个时间段t 内，长为l 的区域范围内，用区域交通流残缺信息修复获得区域全 部的交通流量数据后，采样各交叉口的流量数据以形成一个时间、距离和流量的三维空间 上散布的样本集，用曲面拟合的方法对散乱点进行拟合，探索区域交通流的时空分布特性， 3 浙江工业大学硕士学位论文 为城市交通诱导系统也提供了一定的依据，具有重大的学术意义和研究价值。 1 3关键技术及研究现状 本文研究内容涉及的关键技术有：w e b g i s 技术、区域交通流残缺信息修复、基于散 乱点的曲面拟合，下面分别对这三方面的研究现状进行总结。 1 3 1w e b g i s 技术研究现状 w e b g i s 是利用互联网( i n t e m e t ) 来扩展和完善地理信息系统功能的一项新技术，是由地 理信息系统和互联网技术相结合而产生的一种新方法。作为g i s 在网络上的应用，w e b g i s 具备了地图编辑、图形显示、测量操作、空间分析打印等所有g i s 的功能【9 】。 地理信息系统技术经过近三十年的发展，已经逐步进入了计算机技术主流，从而能够 在更广泛的领域为更多的用户提供空间信息服务【1 1 】。w e b g i s 新的发展趋势是g i s 技术 和i n t e m e t 技术新的发展方向的体现，其发展趋势包括以下几个方面：地理标记语言、开 放式地理信息系统、一体化的空间数据管理与分析、基于分布式计算的w e b g i s 、网络虚 拟地理环境、移动通信技术扩展g i s 应用。 表1 - 1w e b g i s 技术开发类型比较 技术类型优点缺点 客户端小，处理大型g i s 操 网络传输和服务器的负担重；存在同步多 作分析的功能强，充分利用 请求问题；作为静态图像，j p e g 和g i f 是 c g i 方法 服务器现有资源客户端操作的唯一形式 具有c g i 模式的优点，而且 不像c g i 那样每次都要重需要依附于特定的w e b 服务器和计算机平 s e r v e ra p i 方法 新启动，其速度较c g i 快很台，其他缺点同c g i 多 服务器和网络传输的负担 需要先下载安装到客户机上；与平台和操 轻；可直接操作g i s 数据，作系统相关；对于不同的g i s 数据类型， p l u g - i n 方法 速度快需要有相应的g i sp l u g i n 来支持 与操作系统相关：需要下载、安装，占用 执行速度快：具有动态可重 存储空间；安全性较差；对于不同的g i s a c t i v e x 技术 用代码模块数据类型，需要相应的g i sa c t i v e x 控件来 支持 与平台和操作系统无关；实 g i s 数据的保存、分析结果的存储和网络资 时下载运行，无需预先安 源的使用能力有限；处理较大的g i s 分析 j a v aa p p l e t 方法装；g i s 操作速度快；服务 任务的能力有限 器和网络传输的负担强 浙江工业大学硕士学位论文 目前，用于开发w e b g i s 的方法有许多种：c g i 方法、服务器应用程序接e l ( s e r v e r a p i ) 方法、插f 牛( p l u g i 1 1 ) 法、a c t i v e x 技术、j a v aa p p l e t 方法等【1 2 】【13 1 。对比其各优缺点如表1 1 所示。 1 3 2 交通流残缺信息修复技术 目前，国内外对交通流量残缺信息修复的方法主要都是针对存在部分历史数据的残缺 情况，主流实施策略有：聚类分析法【14 1 、主成分分析法，逐步回归分析法【1 5 】【1 6 1 ，e m 方法、 d a 方法【1 7 】【1 8 】，灰色系统理论预测，灰色神经网络预测【2 0 】等。对比其各优缺点如表1 2 所示。 表1 2 交通流残缺信息修复方法比较 方法思路 缺点 利用路网中各路口流量的相似系数，把只利用同类交 聚类分析法 各路口流量逐个地合并成一些子集，直至整叉口的交通流量和 个总体都在一个集合内为止，再对聚类的结 主要对无检测器交 果用一元线性回归 叉口影响大的有检 通 测器交叉口的交通 从有检测器交叉口实际检测到的数据 过路网 流量去预测无检测 开始，视其对无检测器交叉口交通流量作用 中各路 器交叉口的交通流 的显著程度，从大到小地逐个引入回归方 口的流 逐步回归分析法 量，势必会造成交 程，每一步都要进行f 检验，以确保每次引 量数据 通流量信息的遗 入新的显著性变量之前回归方程中只包含 来获得 失，从而对预测的 显著的变量。直至既无不显著变量从回归方 信息残 结果产生影响 程中剔除，又无显著变量选入回归方程时为 缺路口 止。 流量和 利用有检测器交叉口实际检测到的数 完整路 工作量很大， 主成分分析法 据构造主分量，通过多元线性回归分析将无 口流量 主分量选择需要主 检测器交叉口交通流量与主分量联系起来， 之间的 观判断，带来误差 从而对无检测器交叉口交通流量进行预测 关系， 没有考 计算路网中可用的交通流数据的平均 率各路 值和协方差矩阵，将平均值作为残缺数据的 口的空 值和修复计算的起始值，用由不同模式的残 间关 收敛速度与数 e m 方法 缺数据生成的不同的回归方程计算的估计 系，运 据残缺率有关，残 值替换修复的平均值，重新计算平均值和协 算量较 缺率高则收敛速度 方差矩阵；重复进行回归方程的计算和插补 大 慢，特别是针对庞 过程，直到平均值和协方差矩阵收敛为止。 大的路网交通流量 首先插入残缺数据的起始值；采用平均 数据，收敛速度慢， 值和协方差矩阵计算残缺数据的回归系数；计算时间长 利用回归系数计算残缺数据的估计，并随机 d a 方法 抽取一个回归方程的残差分布；随机抽取所 浙江工业大学硕士学位论文 有数据点估计平均值和协方差矩阵的后验 分布，重复上述步骤直至随机抽取收敛 灰色系统理论预用自适应g m ( 1 ，1 ) 模型，根据信息只通过信息残缺路口的 测 残缺路口有限的历史交通流量数据对残缺历史数据来预测该路口的流 数据进行预测量，没有考虑路网中其他路 选择不同长度的历史数据构建不同的 口流量数据对修复数据的影 灰色神经网络预 灰色预测模型，对于不同的灰色预测模型得 响，不能很好体现交通突发 状况对该路口区域带来的实 测 到的预测结果再使用神经网络进行组合 时影响。 1 3 3 基于散乱点的曲面拟合 基于散乱数据构造光滑拟合曲面在许多领域都有重要的应用，比如工业制造、生物医 学、c a d 、气象信息、地质勘探等。长期以来，都有很多学者从事这方面的研究，并且发 展和形成了许多方法，应用于不同的场合【2 1 】 2 2 】【2 3 】【矧。 基于散乱点的曲面拟合方法主要有：函数拟合法、三角参数域拟合法、两步拟合法、 蒙皮曲面生成拟合法等。函数拟合方法计算简单、容易实现，三角参数域拟合法适应性强， 构造灵活，能处理任何形式的散乱数据点，且能同时实现数据的缩减和三角网络化，但是 计算量大，实现比较困难，而且空间直接三角剖分的理论和方法还需进一步完善，限制了 其应用范围。蒙皮曲面生成拟合法一般应用在光刀切割面，使用受限很大。两步拟合法将 一个复杂问题分解成两个简单的问题来处理，即先利用函数曲面拟合方法对散乱点进行预 处理，再用矩形参数域拟合技术得到最终拟合曲面，适用范围广。 在对交通路网状态进行实时估计中，通常在一定的时间范围和一定区域内获取交通流 信息，形成三维空间散乱数据点，对其拟合通常采用最小二乘法和b 样条插值法等【5 9 柳】。 1 4 课题来源、研究内容及论文组织结构 1 4 1 课题来源 近几年来，杭州市社会、经济的发展和城市化进程步入了快车道，城市交通事业发展 尤为迅速，道路交通状况不断改善，同时，经济发展与道路状况的改善又诱发了大量新的 交通需求。因此，尽管采取了新建扩建道路、修建了大量交通设施等措施，杭州市的交通 拥堵状况仍较为严重。结合杭州市委、市政府提出的“游在杭州、住在杭州、学在杭州、 创业在杭州 、“构筑大都市、建设新天堂”的奋斗目标，杭州市智能交通示范工程目前大 力构建综合交通信息系统、面向混合交通的交通控制系统、智能化交通管理系统和先进的 浙江工业大学硕士学位论文 公共交通系统。 交通信 l h t e m e tn l 广播媒体 i 诱导屏ii 短信平台车载设备 息发布 与服务 交通流信息通信服务公共平台 予系统 行车路 线优化 个性化行车路线的获取 典型行车路线的获取 子系统 g i s 地理信息 信息融 l 残缺信息的修复 i 合与预交通流短时预测信息融合处理 测子系 统 数据预处理 感应线圈法ii 视频检测法l 浮动车法 l o d 分析法 图1 2 本文研究内容在整个项目中的地位 本文研究内容来源于浙江省重大科技专项“城市智能交通诱导系统的关键技术研究与 应用 。该项目旨在完善和改进目前的交通流诱导系统，把人、车、路综合起来考虑，通 过诱导驾驶员的出行行为来改善路面交通系统，防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上 的逗留时间，并且实现交通流在路网中各个路段上的负载均衡。本文研究内容在整个专项 中的地位及与其它各部分的关系见图1 2 所示( 见图中的残缺信息的修复和交通信息 i n t e m e t 发布) 。 1 4 2 研究内容 本文在对通过建立基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统将交通流信息直观显示给 交通参与者，发现路网交叉口交通流信息残缺现象。以道路车流量为例，在对其进行修复 后，对其进行了区域时空分布特性的研究，为整个诱导平台提供完整、有效的流量数据， 并为交通管理部门进行管理规划提供参考性信息，对解决我国城市交通诱导中存在若干问 题有着重要的意义。技术路线如图1 3 所示，主要研究内容如下： 1 研究区域交通流残缺信息修复方法，在分析造成城市交通流残缺原因的基础上， 提出交通流信息完全残缺和交通流信息部分残缺的概念，并以修复道路车流量为例，相应 地采用插值法和提出s a r b f 神经网络拟合法进行修复，有利于对交通流数据的分析和深 层次的挖掘，实现对交通的宏观面控。 7 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 3 本文研究技术路线 2 研究城市区域交通流的分布特性，通过对区域交通道路车流量时空数据的b 样条 曲面拟合，发现一种特殊规律波动，结合对交通流模型的分析求解，探索城市交通流中的 孤立子现象，并提出正负孤立波的概念，为建立城市交通流模型提供了一个新途径。 3 建设基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统，实现交通流残缺信息修复和交通 流时空分布特性分析，并对两种残缺信息修复方法获得的结果进行对比验证。 1 4 3 论文组织结构 本文将从分析交通流信息入手，在分析动态信息中，提出了交通流动态信息部分残缺 和完全残缺的概念，并结合静态信息的空间数据库，分别给出s a r b f 神经网络拟合方法 和插值法对其进行修复；在修复获得的区域完整数据后，用b 样条曲面拟合方法进行拟合 以研究区域交通流时空分布特性。最后，使用w e b g i s 技术把城市交通流信息从空间和属 性两方面结合管理，结合交通流动态信息和静态信息，实现以地图为载体的城市交通流信 息系统。 - 8 浙江工业大学硕士学位论文 图1 _ 4 为论文整体结构示意图，各章节的主要内容安排如下： 图1 _ 4 论文整体结构 第一章绪论：简单地介绍智能交通诱导系统的发展概况、本文研究内容的引出及若 干关键技术，并阐述了本文研究内容的项目背景、研究意义以及研究内容，最后给出论文 的组织结构。 第二章交通流信息：分析了交通流动态流量信息，提出了交通流信息完全残缺和部 分残缺的概念，并结合对静态的空间地理信息的分析，提出基于w e b g i s 的交通流残缺信 息修复系统将交通流信息有机结合，为后续研究提供了基础地理平台。 第三章区域交通流残缺信息修复方法：以修复道路车流量为例，对其部分残缺信息 修复提出空间自相关性分析和神经网络拟合的方法，对其完全残缺信息修复采用插值法。 第四章城市交通流分布特性研究：对区域交叉口的交通流流量时空分布数据用b 样 条曲面拟合，并参考已有交通流模型可得孤立子解，分析城市交通流中孤立子的现象。 第五章基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统实现：通过w e b g i s 技术开发基于 w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统，实现交通流残缺信息修复和交通流时空分布特性分 析，并提出了a j a x + s e r v l e t + m a p x t r e m e j a v a 的实现结构，充分利用a j a x 的异步传输功能， 提高了客户端响应速度，减轻了网络传输和服务器负担。 第六章总结与展望：对本文所做的工作进行了总结概括，并对其中的不足部分提出 了展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章交通流信息 2 1引言 交通流信息分为动态信息和静态信息两大类。动态信息主要指随时间变化的交通数 据，如道路上的车流量、平均速度、拥堵状态、事故状态等，一般来源于各种路面检测器， 如环形线圈、微波检测器、视频检测器、信标车辆等，或人工报告，如电话报警、交通巡 逻报告等。静态信息主要指不随时间变化的道路现状数据，如道路的电子地图信息、检测 器及各种交通管理、控制设备的安装和配置信息等。基础交通信息采集依靠各类检测设备， 包括环形线圈、微波检测器，视频检测器、信标车辆、g p s 车载记录信息等。 本文研究区域交通流残缺信息修复方法与时空分布特性分析，立足于w e b g i s 的基础平 台、已建成的空间地理信息系统和动态交通流数据库。本章分析了交通流动态流量信息、 静态的空间地图信息，并提出将其结合的基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统，为后续 研究奠定基础。 2 2 交通流动态信息 交通流动态信息采集是交通诱导系统有效实现的基础。交通流动态信息是城市交通规 划和交通管理的重要基础信息，通过全面的、丰富的、实时的交通流动态信息不但可以把 握城市道路交通的发展现状，可以对未来发展进行预测，为城市交通规划和交通管理部门 的正确决策提供科学依据。 2 2 1交通流采集系统 交通流数据采集系统不仅对城市的交通规划、路网建设、交通管理、交通诱导系统功 能的实现非常重要，而且也是城市交通进行有效管理的最重要的基础和前提【2 5 1 。 交通流量采集系统包括设置在路口的流量采集硬件、流量收集服务器、流量分析服务 器、存放流量数据的数据库服务器以及为终端用户提供的显示服务器。在规模比较大的城 市，路口比较多，通常把城市分成一些较小的子区。每个子区有各自的路口流量采集硬件 浙江工业大学硕士学位论文 和流量收集服务器。而流量分析服务器通过接收各个子区的流量收集服务器上的信息，综 合地对整个城市的路口以及道路状况进行分析口6 】【2 7 】【2 8 】。不同的硬件分别负责不同的功能： 1 流量采集硬件：包括各种不同的传感器，以及把传感器采集的信号转换成交通信 息的硬件系统。 2 子区的流量收集服务器：每一个子区有一个流量数据的中转服务器，负责对该子 区中所有路口和道路的流量信息进行统计，并完成一些简单数据转换工作，然后提交给流 量分析服务器。 3 流量分析服务器：负责对原始的流量信息进行分析。 4 数据库服务器：把流量数据以及一些分析后得到的状况信息存放在数据库中，以 备作为历史数据使用。 5 显示服务器：为终端用户提供各种路口信息，比如，大屏幕的数字地图显示、路 口视频信息的显示、路口拥塞程度的显示、交通模拟系统的显示等。 流量采集硬件指的是在路口或道路上的流量采集设备，比较常用的有感应线圈、超声、 激光、视频检测等。 2 2 2 交通流信息残缺的分析 交通流信息通过传感器的采集到流量收集服务器，经过流量分析服务器进行分析，最 后存储在数据库服务器，都需要光纤或其他传输介质的传输，一旦出现线路故障，就会使 部分交通流信息遗失；流量收集服务器、流量分析服务器对交通信息的处理也会出现错误。 而且，随着经济的增长，交通出行者对基础设施的要求也不断提高，道路翻新、新建道路 对已有线路带来的施工损坏；不可避免。由于天气关系、施工损坏、线路故障、处理错误 等原因，使得检测得到的数据中存在不完备现象，对这种情况称为交通流信息部分残缺。 随着科技的进步和道路交通事业的发展，目前在我国( 甚至一些世界发达国家) 的一 些大中城市，其路网的密度越来越大，而且路网的节点( 这里指交叉口) 数目越来越多， 使得带有检测器的交叉口数量还达不到全部交叉口的十分之一。例如在杭州市，道路车流 量信息主要是通过s c a t s 系统采集的，而装有s c a t s 系统且投入使用的路口仅占全部路 口3 0 左右。由于无检测器造成的流量数据缺失称为交通流信息完全残缺。 2 2 3交通流车流量数据 不同的采集硬件采集得到的流量数据也不同，其中车流量数据是最重要的也是最基础 浙江工业大学硕士学位论文 的动态数据，也是本文中区域交通流残缺信息修复的对象。所谓车流量，指的是在单位时 间内，通过一个车道某横截面的车辆数量。许多控制系统中对流量的定义稍有不同，比如 针对车辆长度及车型不同，有些控制系统把它们统一换算成标准长度的车辆数，即一辆公 交巨龙可能被换算成两辆标准车辆。时问单位若以1 日为单位时，称其为日交通量( 辆 日) ，以l 小时为单位时，称其为小时交通量( 辆，j 、时) ，也有采用5 分钟为单位的5 分钟 交通量等。同时，流量也常表示为上行和下行两个方向的交通量，车行道、超车道等不同 车道的交通量，交叉路口处直行、右转、左转等不同流向的交通量。对其数据库的设计一 般如表2 1 所示。 表2 - 1 流量数据库设计 字段名类型长度( b )描述 是否主键 编号是 r o a d c 呻s s l dv a r c h a r 25 0 路口编号 外键 监测方向 否 车辆转向标示( 1 c o n t c a l l5 0 向左，3 向右2 否 直行标示) 8记录时间否 车辆流量 否 通过对杭卅l 城市交通的历史车流量数据的分析，初步发现特点如下： 1 时间上的周期性，某一路口的交通流量基本呈现周期性的变化。图2 1 为杭州市某 两路口2 0 0 8 年某一周的交通流量变化图，表明了交通流量变化的周期性。 2 空间上的相关性，由于流量的连续性。如图2 1 两路口流量图所示，相邻两个路口 的流量的变化规律相似性较大。 鲺i i _ _ 触 _ li i f _ | 。刖r孵 哪j ijfif fv 1vv h 目b 目 图2 1 a 路口a 的流量图图2 1 b 路口b 的流量图 图2 1 相邻两路n 的流最图( 流最单位：辆5 分钟) - 1 2 - o * t o 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 交通流静态信息 在分析交通流动态信息的基础上，利用g i s 技术把城市交通流信息从空间和属性两方 面结合管理，结合交通流动态信息和静态信息，实现以地图为载体的城市交通流信息系统。 2 3 1g i s 技术 地理信息系统( g i s ) 以空间数据为研究对象，在实现对空间数据的存储和操作的基础上 进行空间分析和应用。以往受关系数据库不支持空间数据管理的现状，传统的g i s 软件采 用分离的方式管理数据：空间数据采用文件形式和目录结构，属性数据由内置的关系型数 据库进行管理。分离体系结构造成空间数据管理效率低下，无法获得数据库系统的有效支 持。它的数据共享性差，使其在网络方面无法得到有效拓展的。目前，随着数据库技术不 断发展，大型关系型、对象关系型、纯对象关系型数据库在完整性、安全性、标准化、开 发性、可扩充性等方面日益完善，有些还支持空间数据和自定义数据类型。这样可以将空 间数据和属性数据有机地结合起来，按照数据库行驶实现对数据地存储和管理。在此基础 ， 上，实现便利的空间索引、查询和各种空间分析操作。 建立空间数据库的目的是将分幅、分层生产的海量影像数据进行整理，使之符合统一 的规范和标准，并对数据进行有效组织、管理，便于空间数据的查询、分发及其它应用。 建库之后的数据是标准化、规范化的，采用统一的编码和统一的格式。从应用的角度讲， 建立数据库的总体目标是能够管理多比例尺、多分辨率、多数据源的空间数据，能够作到 在局域网或广域网进行查询、调度、漫游以及数据分发等功能。 2 3 2g i s 的功能 g i s 的应用主要表现在以电子地图的形式，直观的表现背景地物信息，并具有图文互 查，综合分析，辅助决策等能力。尽管要解决的专题对象不同，但作为一个实用的g i s 系 统，概括起来应具有如下功能： 1 地图编辑功能：用橡皮筋技术画线、圆矩形多边形等，可以在图上标注不同大小 点阵的汉字和特殊字符，移动图形，旋转图形拷贝图形，图形移位图形压缩等，并能够方 便的对图中的空间目标和属性进行修改、插入、删除等操作。 2 图形显示功能：既可以是属性查询，又可以是图形查询，或者是图形一属性之间 的交叉查询，查询方式可以是分层检索也可以是定位检索，区域检索和条件检索等。 3 测量操作功能：能测量两点之间的距离以及目标区域的面积等。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 4 空间分析功能：系统具有连通、邻接、相交、包含等空间拓扑关系的分析能力。 5 打印功能：系统具有对于查询结果和统计分析结果的打印功能。 总之，g i s 是一个以地理数据为研究对象以空间数据库为核心，采用多种数据分心与 建模方法，集图形与信息为一体，具有数据输入采集、编辑、存储、管理、空间分析、查 询、输出和显示等功能，适时提供多种空间和动态资源与环境信息，并为系统用户进行预 测，检测，规划管理和决策提供科学依据的计算机应用系统。 2 3 3 g i s 电子地图基本数据要求 基于w e b g i s 的交通流残缺信息修复系统要求地图提供的数据包括： 1 面状数据：行政区划、水系、植被、支队大队辖区范围。 2 线状数据：高速公路、国道、省道及相连的城市主干道；公路属性包括：长度、 车道数、设计通行能力、路面情况、紧急停车带宽度。 3 点状数据： ( 1 ) 公安机关：市局、消防支队、交警支队、交警大队。 ( 2 ) 高速公路：匝道口、服务站、互通口、收费站、事故多发路段、桥梁、隧道和里 程标志。 ( 3 ) 国、省道：主要路口、收费站、事故多发路段、桥梁、隧道。 ( 4 ) 重点单位：机场、码头、高速公路管理中心。 ( 5 ) 交通设备：信号机、摄像机、交通违法监测记录系统前端设备、公路车辆监测记 录系统前端设备、诱导标志、流量采集设备、测速设备。 数据存储包括空间信息的存储、属性信息的存储，空间信息的存储要求电子地图交通 应用图层1 ：5 0 0 数据保存在o r a c l e 数据库，电子地图交通应用图层1 ：1 0 0 0 0 以o r a c l e 数据 库及文件形式存放，各种比例( 包括：1 ：5 0 0 、l ：1 0 0 0 0 ) 的空间数据都要建立关联表。属 性信息的存储包括各种比例( 包括：1 ：5 0 0 、l ：1 0 0 0 0 ) 交通应用电子地图的属性信息要求 在o r a c l e 数据库中实现独立建库。 电子地图支持的坐标系中，定位参考系包括平面坐标系、投影方式、高程基准及深度 基准。平面坐标系要求：本项目的电子地图各种比例的地图数据都要支持w g s 8 4 经纬度 坐标系、8 0 西安坐标系。高程基准及深度基准：高程基准采用“1 9 8 5 国家高程基准 。 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 基于w e b g i s 的交通流信息系统- 随着国民经济的持续快速健康发展，人民生活水平不断提高，汽车保有量的高速增长， 百姓出行需求日益增多，出行方式也有很大变化，驾乘私家车出行的比例不断提高。只要 有出行，就有了解道路交通状况的需要，就有根据道路交通状况去选择出行线路，合理安 排出行的需求。为科学合理地疏导交通，要求我们及时向社会发