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浙江工业大学硕士学位论文 城市多模式交通网络特征建模及其应用研究 摘要 随着经济的发展，私家车的数量逐年增长，而道路的增加速度已经不能满足用户出行 的需求，城市交通问题日益突出。政府对公共交通建设很大程度上缓和了这种供求不平衡， 但同时也导致了多模式交通问题的产生。研究多模式交通路网建模以及路径诱导问题有助 于合理利用现有路网资源，协调多种交通模式共同发展，为用户出行提供方便，具有现实 意义。本文的主要工作和研究成果如下： 1 针对杭州市多模式交通路网非平面特征建模问题，利用分层思想将路网划分为物理 层、逻辑层和应用层三层，考虑多模式特点，采用线性参照和动态分段技术解决网络重叠 问题。在多模式交通路网建模过程中，首先对物理街网进行矢量化，将其作为线性参照系 统和基础路网；然后，在街网基础上动态分段，根据模式和属性特点抽象成多条道路，设 计转向表及其限制因素构建路网连通性规则：应用层网络构建在逻辑层之上，结合用户现 有出行方式，将公交车、快速公交车( b r t ) 、地铁、私家车等具体交通模式作为属性因素 融入到路网中；在多模式路网模型拓扑关系构建方面，先对物理层基础街网进行拓扑修正， 而后在应用层上分层构建各模式网络拓扑，再根据各模式路网间的空间关系和步行可达 性，协调完成整体路网的拓扑构建。 2 针对多模式特征路网的实际应用，首先介绍d i j k s t r a 和a 宰这两种经典的最短路径算 法，并结合实际路网，采用数据预处理的方式减少不必要的计算点，以此提高算法的运算 效率；以多模式公交换乘问题为重点，介绍多模式特征路网下的网络分析功能；考虑用户 出行选择，将换乘次数作为首要约束条件，详细介绍了多模式公交换乘流程，并设计相关 数据结构，实现算法流程。 “ 3 研究开发多模式交通信息发布系统。应用w e b g i s 计算模式搭建数据库、应用服务 器( a r c g i ss c r v e r ) 、网络服务器和客户端四层体系架构；并设计系统功能和用例模型，利 用a r c g i ss e r v e rj a v aa d f 框架实现系统的w e b 发布。 关键词：多模式，路网建模，网络分析，公交换乘，w c b g i s 浙江工业大学硕士学位论文 f e a t u r e b a s e dm o d e l i n ga n da p p l i c a t i o no f u r b a nm u l 月i m o d a lt r a n s p o rt a t i o n n e t w o r k a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h en u m b e ro fp r i v a t ec a r si n c r e a s e sy e a rb yy e a r b u t t h er a t eo fi n c r e a s eo fi n f r a s t r u c t u r ec a r ln ol o n g e rm e e tt h en e e d so fu s e r s t r a v e l i n g s o ，u r b a n t r a f f i cp r o b l e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t h ei n v e s t m e n ti np u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m f r o mg o v e r n m e n tc a ne a s eu pt h i si m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n d b u tm u l t i m o d a l t r a n s p o r t a t i o np r o b l e mi si n d u c e d t h er e s e a r c ho fm o d e l i n ga n da p p l i c a t i o no fm u l t i m o d a l t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kc a nh e l pu st ou t i l i z et h ec u r r e n tl i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e ，a n dc o o r d i n a t e t h ed i f f e r e n tm o d e so fm u l t i m o d a ln e t w o r k i t ss i g n i f i c a t i v ef o rt r a v e l i n go fc i t i z e n t os o l v et h ep r o b l e mo ff e a t u r e b a s e dm o d e l i n go fn o n - p l a n a rm u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k ，h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei su s e d t h en e t w o r ki sa b s t r a c t e di n t op h y s i c a ll e v e l ，l o g i c a l l e v e la n da p p l i c a t i v el e v e l c o n s i d e r i n gt h em u l t i m o d a lc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cs e g m e n t a t i o n a n dl i n e a rr e f e r e n c i n gt e c h n i q u e sa r eu s e dt os o l v et h eo v e r l a yp r o b l e mo fn e t w o r k i nt h e m u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r km o d e l i n gp r o c e s s ，v e c t o r i z a t i o no fs t r e e ti sp r e p a r e df i r s t i t i su s e da sl i n e a rr e f e r e n c i n gs y s t e ma n db a s i cn e t w o r k t h e n ，t h es t r e e ti sa b s t r a c t e di n t om a n y r o a d w a y sa c c o r d i n gt ot h em o d e sa n da t t r i b u t e su s i n gd y n a m i cs e g m e n t a t i o nt e c h n i q u e t h e t u r n i n gt a b l ei sd e s i g n e dt oc o n s t r u c tt h er u l e so fc o n n e c t i v i t yo fn e t w o r k t h ea p p l i c a t i v el e v e l o fn e t w o r ki sd e s i g n e da b o v et h el o g i c a ll e v e l i tc o n t a i n ss e v e r a lt r a n s p o r t a t i o nm o d e ss u c ha s b u s ，b r t , m e t r oa n dp r i v a t ec a r i nt h ep r o c e s so fb u i l d i n gn e t w o r kt o p o l o g y , t h eb a s i cs t r e e t n e t w o r ki np h y s i c a ll e v e li sc o r r e c t e df i r s t t h e n ，t h en e t w o r kt o p o l o g yi sc o n s t r u c t e di ne a c h m o d ei na p p l i c a t i v el e v e l a n dt h e na c c o r d i n gt ot h es p a t i a lr e l a t i o n s h i pa n da c c e s s i b i l i t yo f d i f f e r e n tm o d e so fa p p l i c a t i v en e t w o r k , t h et o p o l o g yo fo v e r a l ln e t w o r ki sc o m p l e t e d f o rt h ea p p l i c a t i o no ff e a t u r e b a s e dm u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ，d i j k s t r aa n da 譬 s h o r t e s tp a t ha l g o r i t h mi si n t r o d u c e ds i m p l yf i r s t t h e nt h ed a t ao fn e t w o r ki sp r e t r e a t e dt oc u t d o w nt h en u m b e ro fn o d et h a ti sn e e d e dt oc o m p u t e ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e s et w o a l g o r i t h m s n e t w o r ka n a l y s i so nm u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki si n t r o d u c e df o c u so nt h e i i 浙江工业大学硕士学位论文 t r a n s f e rp r o b l e mw i t hs e v e r a lp u b l i cv e h i c l em o d e s a c c o r d i n gt ou s e r s c h o i c e s ，t h eu p p e rl i m i t o fm o d a lt r a n s f e r si sc o n s i d e r e d 懿t h ep r i m a r yc o n s t r a i n t t h e nt h ep r o c e s so ft r a n s f e rp r o b l e m w i t hs e v e r a lp u b l i cv e h i c l em o d e si sd e s i g n e dd e t a i l e d l y a n dr e l a t e dd a t as t r u c t u r ei sp r o p o s e d t oc a r r yo u tt h et r a n s f e ra l g o r i t h m a tl a s t , f o u r - t i e sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hi n c l u d e sd a t a b a s es e r v e r , a p p l i c a t i o ns e r v e r , w e bs e r v e r a n dc l i e n t , i sd e s i g n e df o rm u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o ns y s t e mb a s e do n w e b g i sm o d e l ，t h ef u n c t i o nm o d e la n du s e rc a s em o d e li sd e s i g n e d ，a n da r c g i ss e r v e rj a v a a d ff r a m e w o r ki sa l s ou s e dt od e v e l o pt h es y s t e mu l t i m a t e l y k e yw o r d s ：m u l t i m o d a l ，n e t w o r km o d e l i n g ，n e t w o r ka n a l y s i s ，m o d a lt r a n s f e rw i t hp u b l i c v e h i c l e s ，w e b g i s 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：腻 日期：。一，年，月1 f 日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 日期：毒研年f ，月万日 日期：0 0 - l l 年月乃e t 椒n 名名签签者师作导 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 城市交通是一个纵横交错的网络，具有复杂的空间属性、时间属性和非时空属性，构 成要素之间的拓扑关系、层次关系错综复杂，是一个具有复杂性、多层次性、反馈性等特 点的复杂大系统【l 】。随着社会的进步和人民收入的增加，小汽车走入千家万户，由于对汽 车的偏爱带来了大量严重的问题：交通和停车空间的制约、交通阻塞、道路安全问题、人 际隔离和环境危害。这些问题反而限制了汽车的发展空间。在美国，由于对空气质量的忧 虑导致了1 9 9 0 年的洁净空气法( c l e a na i ra c t ) 和1 9 9 1 年的“冰莱”法案( i s a ) 的 诞生。在荷兰，1 9 7 5 年由于意识到汽车在空间局促的地方难以发展其作用，因而鼓励使 用自行车。在法国，2 5 年前就开始优先发展公共交通运输系统，特别是巴黎的地区快线 r e r 。建设铁路的巨大财政需求，及对连接低密度地区和给予生活节奏以最大灵活性的交 通方式的要求，导致公共交通服务更为多样化；中等城市中的新型轻轨、轻轨火车连接 城市外围和中心区、无轨电车、双燃料汽车、出租车、电动车、自行车等。尽管在事实上 没有一种交通工具能够和小汽车想媲美。然而，一个合理的城市交通应是平衡发展的，兼 具多种交通方式，使人们较少的依赖小汽车。同时也要保留小汽车的一席之地，使之发挥 最恰当的功能。这种交通策略的核心是使人们在恰当的地方能够方便地进行多种方式间的 转换。多模式的存在和协同作用能充分发挥各种交通模式的优势，从而建立合理的交通系 统【2 】。 g i s 技术具备的强大空间数据操作、管理与分析功能使之与交通网络分析的结合成为 必然 3 1 。在传统g i s 基础上，加入几何空间网络概念及线的叠置和动态分段技术【4 】，并配 以专门的交通建模手段而组成的g i s t 逐步成为数字交通和g i s 应用的一个热门发展方 向【5 1 。作为缓解现代城市交通问题的有效技术手段，g i s - t 可以存储、管理和更新城市交 通网络的空间数据，辅助城市交通线路规划、交通管理。现代交通的多模化、立体化发展 使得交通现象越来越复杂，逐渐暴露出g i s 在城市交通领域应用中存在的许多问题。目 前，路网空间数据绝大多数采用基于传统结点一弧段形式的平面数据模型【6 】来表达交通网 络，国外著名g i s 软件如a i c g i s 、m a p l n f o 、g e n a m a p 、a u t o d e s k 等对城市道路的处理均 建立在该数据模型上，通过层来构筑路网的空间关系。该模型要求在所有路段的相交处必 1 浙江工业大学硕士学位论文 须产生结点，即使在立交、高架或跨越情况也不例外，很多被广泛应用的最优路径算法都 是基于平面数据模型，但是该模型无法准确表征交通网络复杂拓扑关系，存在数据冗余现 象，在进行路径优化时需要遍历大量结点，严重影响空间网络分析效率同。此外。对于小 比例尺、宏观的城市路网数据处理来说，传统结点一弧段平面数据模型基本能满足要求， 道路交叉口完全可以用结点代替。但是对于大比例尺，特别是城市道路的数据处理时，复 杂交通对象( 如立交桥、天桥) 不仅不能忽略，而且在大型城市的路网数据中占相当大比 例，是城市道路数据处理中最难以解决的部分。针对传统结点弧段数据模型的缺点，国 内外学者提出了非平面数据模型f 5 一。非平面数据模型放弃了平面强化过程，要求物理上 不相交的道路之间不产生结点，避免非拓扑结构结点产生及立体交通网络中不可能的转 向。然而，在城市交通网络中，大部分路段交叉点确实存在，非平面数据模型的优势不大， 而平面数据模型在保持结点一弧段拓扑关系的一致性、拓扑自动化及网络分析中的优势被 完全放弃【引。 针对上述存在问题，本文主要研究融合多模式交通方式，合理利用各模式优点，实现 道路资源优化利用。在保证交通特征几何完整性的前提下，提出适于表达城市路网基于特 征的g i s - t 非平面数据模型，在保持拓扑关系一致性、拓扑自动化的同时，将网络拓扑和 几何数据分开设计，减少道路冗余属性数据；在数据模型研究基础上，实现城市路网几何 拓扑特征的提取、构建、简化；提出多模式交通网络路径优化算法，进一步为交通路径诱 导提供分析能支持。本文旨在充分协调个体交通与公共交通之间、交通方式多模式间的转 换，社会服务与公共设施的可达性，公共活动场所建设的质量，信息技术的应用等，为城 市迎接现代化挑战奠定基础。 1 2 课题研究现状 1 2 1g i s t 研究现状 2 0 世纪世界上第一个g i s 系统由加拿大测量学家r f t o m l i s o n 提出并建立【9 - l o 】，主要 用于自然资源的管理和规划。2 0 世纪9 0 年代，美国、日本和西欧等发达国家开始应用 g i s 研究智能车辆道路系统i v h s ，进而发展为现在各国都在研究的i t s 。交通地理信息 系统g i s t 在i t s 中应用，极大提高了现代化条件下的交通管理水平和交通网络的运行 效率，同时也成为各国在i t s 战略实施过程中的一种模式。在欧美日等国家，各地方交通 部门纷纷采用g i s t 技术建立交通管理系统、出行信息系统、商业车辆运行系统、车辆 自动定位系统及车辆自动识别系统等，并尝试通过互联网络实时发布交通信息。在这些方 浙江工业大学硕士学位论文 面，欧洲的代表性系统有：s o c r a t e s 、e u r os c o u t 、t r a f f i c m a s 汛；美国的代 表性系统有：t r a v t e k 、a d v a n c e 和f a s t t r a c 等：日本的代表性系统有v i c s 和 a t i s 1 1 】，截止9 0 年代中期，美国、德国、瑞典、丹麦已基本实现交通信息网络化数据库 管理系统。 g i s t 在我国交通领域的应用起步比较晚，直到上世纪9 0 年代中期还只限于公路数 据库的建立和管理，在城市交通领域，也只限于在现有的g i s 平台上进行二次开发，完 成静态路段查询及检索，在动态性很强的城市交通信息发布方面还少有研究。自从2 0 世 纪9 0 年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始 跟踪国际上i t s 的发展，交通部将i t s 的研究纳入了公路、水运科技发展“九五”计划和 2 0 1 0 年发展纲要【1 2 】，“十五”期间，8 6 3 计划把加强地理空间信息的开发利用作为发展重点 之一，以市场和应用为导向，重大产品、系统或工程为核心组织实施。在此期间，国内各 省市、自治区及地市交通管理部门也采用g i s t 技术成功开发了宏观交通管理信息系统、 运营管理信息系统及更高层次的交通信息系统，如国家发展与改革委员会综合交通运输信 息系统、黑龙江综合运输g i s 、广东省综合交通管理g i s 、全国铁路客运g i s 、江苏省智 能化交通g i s 等。随着网络时代的到来，具有交通地图发布功能的w e b g i s 应用而生， 进一步促使i t s 向大众化出行服务发布的方向迈进。江苏省公路交通地理信息系统同时支 持c s 模式和b s 模式，以a r c g i s 系列产品为平台，使用o r a c l e 数据库存储数据，实现 了全省公路数据在i n t e m e t 网络上的发布；北京市开发了基于a r c g i s 的交通地理信息发 布系统；上海交警支队和上海虹云信息技术有限公司联合开发的基于a r c i m s 的上海市道 路交通综合信息发布系统，系统采用基于i n t e m e t 的w e b g i s 技术，为上海市民和驾驶员 提供最新的交通管理信息。 1 2 2 路网模型研究现状 国内外关于路网的空间网络模型研究大多是以图论为研究基础的。路网能比较容易的 被建模为图，这样网络上的空间问题就能被转化为图论问题。图建模的方法是非常重要的， 因为该方法描述了模型反映真实生活的接近程度。在采用由结点和边组成的常规图模型为 路网建模时，交叉路口和端点由结点表示，连接这些结点的道路由边表示。简单的表示法 可以用无向图附加连通矩阵来表示路网，无向图表示了道路和交叉路口，连通矩阵则表示 了这些道路的连通状况，但这种方式不能表示道路的单向线等重要的信息。因此有很多研 究使用有向图表现路网。 浙江工业大学硕士学位论文 空间网络的最重要的概念是对象之间的连通性【1 3 】，通过图的表示，这样的要求常规 图模型可以完成。但是路网具有特殊性，很多查询要受限于它的交通信息，所以交通信息 也是同样需要被表示的。使用常规图模型很难构建有转弯限制的模型【体1 5 1 ，很多不同的方 法被用来建模转弯代价和限制。k i r b y 和p o t s 1 6 】使用了一种扩展的网络表示法。每个交叉 路口分裂为虚结点，由虚边连接。转弯代价被指派到虚边。这种方法的问题是图中的结点 和边大量增加。这增加了数据存储量以及大多数空间问题的计算时间，因为这种空间问题 的复杂性是图中结点数的函数。 为了处理这个问题，j i a n g 等【1 7 1 提出一种基于连接的数据结构，一个结点连接表被用 来表示路网的连接性，另一个连接表被用来表示路网的连通性和转弯限制。类似的结构有 很多 1 8 - i 9 】，如蔡先华等人 2 0 1 提出的几何网络点一弧矢量数据模型和王杰臣等人【2 1 】使用的 结点一弧段联合结构表示法。相对于扩展的网络表示法，这类表示法在存储规模上是有了 一定的减小，但在路网规模达到一定程度时，某些算法的运行时间将急剧增加。 w i n t e r 等人【2 2 】提出了一个可供选择的方法。他们介绍了伪二重图的概念，交叉路口 或端点间的路段被建模为结点，这些路段间的连接被建模为边。相对于扩展方法，存储的 结点数量减少了。而且模型可以支持没有修改过的图查询，例如d i j k s t r a 算法。伪二重图 方法也允许u 型转弯和循环遍历出现在算法的计算结果中，使用扩展方法通常是排除这 些特性的。然而，即使在伪二重图中，为了表现真实道路情形，结点有时也不得不被分裂。 分裂结点增加了数据的存储量和图算法的计算时间。而且伪二重图的计算基于基础图，要 存储两张图这也增加了数据的存储。 为了解决表示转弯限制这个问题，f e n g 等人【2 3 】提出了一种超点模型，采用了一个复 杂的结点表示法来减少数据库中结点和交通弧的冗余。这种表示法能较好的表示道路约 束，而且对于各种查询算法也有很好的支持。这种方法将路网重点集中在交叉口，不能很 好的对现实中立体化、多模化的道路进行建模。 陆峰等人【2 4 】通过分析交通网络特性，提出了一种适合城市交通网络数据表达与操作、 基于完整交通特征的g i s 数据模型，以弥补传统基于弧段节点的g i s 数据模型在城市 交通网络建模中的不足，并在此基础上将传统的交通网络平面图表达模式升华到非平面模 式，设计了基于特征的交通网络非平面数据模型的概念建模与逻辑建模方法，为相应的数 据结构与数据库实现奠定了基础。此种方法能较好的体现交通特征，同时有效避免数据冗 余，论文采用特征建模的方法构建路网模型。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 多模式交通研究现状 文献【2 5 】研究多模式网络对象模型时，将网络分为物理层、逻辑层和应用层，抽象出 子网、超网等模型，并加入模式转换约束条件和时间限制等，针对该模型，提出多模最短 路径算法。a n g e l i c a t 2 6 - 1 等人在超图理论的基础上，提出多模网络最短可行超路径问题 ( s v i - i p ) ，在预期时间和最多模式转换次数两个限制条件下，为用户选择最佳出行路线提 供支持；l a r s 【2 7 2 8 】等人在有向超图的基础上，研究了k 最短超路径问题，并用各种再优化 技术改进实际应用中将会碰到的计算复杂性极差的情况。 国内对于多模式交通的研究多数停留在多模式的交通系统框架、多模式的收费问题 等。张华歆等人【2 9 】研究了多模式交通网络的拥挤道路收费问题，建立了双层规划模型，同 时设计了一个基于步长加速法和惩罚函数法的启发式算法，并求解算例。吴信才等人p u j 针对出行者的多模式复合出行需求，设计了一种支持多模式的复合交通网络模型，基于该 模型提出了构建多模式复合网络拓扑关系的几何捏合模型，并给出了详细的拓扑生成算 法。该模型将不同模式的子网络纳入到一个统一的图结构中，为多模式复合路径分析服务 提供高效的数据组织。但是，在国内对多模式交通网络最短路径算法研究较少。 综上所述，国内外对路网模型的研究，重点在路网连通性表达和交叉口转向限制方面， 忽视了路网基础上交通工具多模式的特点；而对多模式网络以及其应用的研究，鲜有真正 建立在路网的基础之上。本文参阅国内外对于路网模型和多模式交通网络研究成果，融合 他们的优点，将经典成熟的算法和模型应用到实际交通网络中，构建真正的多模式交通网 络系统，为用户出行提供决策支持。 1 3 课题研究内容 论文结合浙江省科技攻关计划项目基于特征建模的城市交通w e b g i s 发布服务系统 研究与开发，旨在研究基于特征的g i s t 非平面数据模型，考虑杭州市多模式交通的实际 情况，构建基础路网数据模型；提出适用于多模式交通路网模型的实用路径优化算法，为 公众出行提供决策支持。 1 构建基于多模式交通特征的g i s t 非平面数据模型 交通网络模型的复杂性源于交通数据实体的多态性。通过对现代城市交通网络特性的 分析，设计适合城市交通网络g i s 表达、分析的数据模型，将传统用以表达交通网络的弧 段一节点的数据模型用基于交通特征的数据模型代替，并据此将传统的交通网络平面图表 达模式上升到非平面模式，融入多模式交通方式的概念将路网分层设计，研究基于多模式 浙江工业大学硕士学位论文 交通特征的非平面数据模型的建模方法，为相应的数据结构与数据库实现奠定理论基础。 2 研究城市多模式交通网络路径优化算法 网络分析功能是交通信息处理系统的一种重要组成部分，其中网络分析中的最短路径 算法是g i s t 交通网络分析中研究的重点和热点问题。结合用户需求，以换乘次数最少、 路线最短、时间最短、站点最少等为目标，结合实际需要，考虑杭州多种公共出行方式、 多模式交通网络存在的特点，充分利用各模式优点，使其协同作用，为公众出行提供最优 决策。尽可能地提高路径优化算法的效率，使算法适用范围更大，运行更灵活，也是论文 研究开发的一个主要内容。 3 开发基于g i s - t 的多模式交通网络发布平台 针对基于g i s t 的多模式交通网络应用平台关键问题，在交通信息发布方面应用 w c b g i s 计算模式，采用数据库、应用服务器、网络服务器和客户端四层体系结构。根据 w e b 应用的特点和网络的状况，采用混合模式来实现g i s 功能在客户端和服务器端的空间 处理功能分配：在客户端实现技术方面，采用基于x m l 规范的w e b g i s 客户端实现技术， 客户机通过远程过程调用达到负载均衡，有效避免c g i 形成的瓶颈；同时在客户端采用增 量更新方式解析、生成矢量图形，有效减少网络传输的数据流量。 1 4 论文组织结构 全文由6 章组成，具体包括： 第一章，绪论。首先对论文的背景及意义进行介绍，研究多模式交通路网以及在此基 础上的应用给用户带来的方便和效益。而后，介绍国内外学者专家在本课题相关方面的研 究现状。最后，对国内外研究现状进行分析归纳，提出本文需要研究的内容和目标。 第二章，路网建模关键技术。首先介绍路网建模中所需关键技术一线性参照和动态 分段技术；然后，对国内外现有的路网模型进行归类分析，设定评价标准对其进行评价， 总结出本文所要采用的适合杭州市现状的非平面特征模型的特点。最后，简要介绍了路网 矢量化技术和w e b g i s 发布技术。 第三章，多模式交通路网特征建模。首先针对杭州市区多模式的交通特征进行分析， 结合用户出行方式，提出多模式特征路网建模的重要性。然后着重描述路网分层设计思想， 将路网抽象为物理层、逻辑层和应用层三层，进行详细建模。最后，进行多模网络拓扑的 构建和修正。 第四章，多模特征网络路由分析。主要介绍路网基础上的网络分析与应用，主要包括 浙江工业大学硕士学位论文 最短路径分析等，并提出数据预处理的方法以减少计算点来改进经典算法的效率。然后着 重介绍多模式环境下公交换乘算法，详细描述其流程，并设计相关数据结构帮助实现。 第五章，基于w e b g i s 的多模路网发布系统。为以上路网建模和分析的系统实现，采用 先进的w e b g i s 技术对多模式交通路网进行w e b 发布和分析。 第六章，总结和展望。对全文进行了总结，并结合技术发展提出了可进一步研究的方 向。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章路网建模关键技术 数据是g i s t 的关键，路网对于整个交通信息系统来说，既是基础也是重点。基于 点、线、面的矢量拓扑数据结构是普通g i s 对交通特征建模的常用实现方式，受传统图 的概念模型限制，使得交通网络建模的基本要素只能是图的基本要素，即结点与弧段，而 不能是完整的交通特征本身，对于处理复杂交通现象和空间分析方法是不够的；此外，现 有的g i s 平面强化特征，使得现代高低错落的交通现象难以表达，使得很多交通模型难 以实现，网络分析效率低下。针对交通特征的非平面建模是g i s t 从地图视图发展到导 航视图基本需求。本章结合国内外研究现状，对非平面路网建模的基础知识和技术进行介 绍。 2 1 线性参照及动态分段 2 1 1 线性参照系统 本文对路网的研究主要针对其线性的特点，用一维曲线描述道路，不对道路的实际宽 度进行建模，侧重线性物体的处理和运输模型的应用。g i s - t 引入线性参照系统( l i n e a r r e f e r e n c i n gs y s t e m ，l r s ) ，在处理线性要素时，对于未知线性要素的位置信息可由已知线 性要素的位置信息与其相对位置关系加以表示或量测，而不是在传统的x 、y 平面坐标系 统中表达，这样大大简化了数据记录【3 1 1 。这是一种直接将多套属性与线性物体的多个组 成部分联系起来的方法。通过线性参考系统，极大地提高了人们对线性物体的理解、查询 和分析能力。 线性参照系统由基准网( d a t u m ) 、拓扑网( n e t w o r k ) 和线性参照方法( l o c a t i o n r e f e r e n c i n gm e t h o d ，l r m ) 组成【3 2 1 ，如图2 1 所示。现实世界的对象由点和线组成，直线 段，曲线是组成公路几个线形的基本单元。线性参照基准的基本元素是控制点和控制段， 控制点代表公路上具有永久性的点位，例如里程桩，控制段由控制点连接而成并且具有偏 移的属性值。网络模型由节点和节点边组成，具有拓扑特性，节点边具有距离以及其他属 性值，用来描述交通信息。路线由一系列有序带方向的网络节点边组成，参考点位于路线 上，其作用是确定线性参照系统中的事件，包括点事件( 如事故发生地点) ，由一个参考 点加上距离偏移值来定位，以及线事件( 如公交线路) ，由起点和终点来决定( 起止点参 浙江工业大学硕士学位论文 考点事件) 。 线疆件 点，件 事件 参考点1 = = = = = = = = = 参考点2 o 节点- 口 路线。 口 节点t 线性参照方法c 卜o 访1 2边2 3边3 4 网络模型c 卜c 卜_ c 卜州) 节点1节点2节点3节点4 线性参照基准 卜? = 耐 = 口 女痢点l 控制段1 控备穗2 控制段2 控毒穗3 现实世界c 卜 叼 点1线1 2点2线23点3 图2 - 1 线性参照系统模型 常用的线性参照基准有两种，一种为公路名称和里程线性参照系。如图2 2 所示， g 2 0 1 、g 9 9 、g 5 4 为道路名，黑色三角形表示里程桩。公路作为一系列空间实体集，通过 公路里程建立线性要素与属性信息间的相互关系可以避免属性信息的相互重叠，便于各种 数据的存储、管理和分析。空间实体以及线性参照系用于生成具有某种属性值的新的空间 实体。动态分段技术不对每一个空间实体给定某种属性信息，而是通过指针与空间实体相 关的属性信息在操作过程中进行匹配。在城市中，缺少类似里程桩的永久参照点，因此该 参考系需要改进才能应用于城市路网。 图2 - 2 公路名称和里程线性参照系 浙江工业大学硕士学位论文 另一种为链一结点线性参照系，此类参考系是模拟传统结点一弧段图模型对现实道路 进行描述，如图2 3 所示，图中节点表示交叉口、道路起始点等。其优点为拓扑表达容易、 直观，而且能运用各种经典图论算法进行计算。但是在城市路网中，两条线路投影交叉， 实际并不产生交点( 高架、地铁等) ，因此该参考系也不能很好的适应城市路网。 图2 - 3 链一结点线性参照系 点3 g 9 9 综上所述，本文结合以上两种参照系的优点，选择以基础街网作为参照系，放弃平面 强化带来的影响，只在街道交叉处设置节点，将街道作为完整的最小单位的特征要素保存， 并以街道的起始点作为参考点，在此基础上进行动态分段。 2 1 2 动态分段技术 动态分段技术是指在不改变要素位置描述的前提下，建立线性要素上任意路段与多重 属性信息之间关联的技术。动态分段技术是按网络重叠的概念发展出来的，其做法是在拓 扑图形上建立路线系统，设施数据作为事件，存储在相应的事件表中。事件表中记录了每 种属性信息的起终点偏移值，根据偏移值可完成对路线的分割及图形显示，但并没有真正 地对图形进行分段。 每条道路都存在多种属性，例如路面质量状况、道路限速、质地、车道数量等等，传 统的数据库设计做法是将每种属性设计成一个字段进行描述，如图2 - 4 所示，一条完整的 道路被分割成1 0 段( 如虚线描述) ，无论对于特征保存还是计算都带来极大的麻烦，不仅 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 浪费存储空间，更使搜索效率太大降低。因此，采用动态分段技术解决该问题，道路作为 完整特征保存。各种属性另外建立数据表用偏移量的方式保存各自信息，例如，偏移值 o - 1 8 处车道教为2 。 一 _ _ _ _ ；j - = = = a 一! ；= = 二 r目_ 田2 - 4 属性动态分段示意田 2 o 自 【 三_ = _ = 一 _ 、￥h t 0 7 f 一二! 二_ _ 一 田2 - 5 时闻动态分段示意豳 动态分段的另一个作用是可以用来描述频繁变化的属性信息。例如路面质量状况属 性，随着城市建设，路面状况日益改善，从2 0 0 7 年到2 0 0 9 年，某一道路路面整修使得优 质的道路比例增加，如图2 - 5 所示，按传统数据库设计思想，整条道路需要被重新分段、 保存并赋予新的属性，而事实上，物理道路的其他属性并没有发生改变。采用动态分段技 术，只需要新建一个属性表，修改偏移值并与基准路网进行关联即可，及其方便简单。此 外，还不影响历史数据的保存，为数据挖掘奠定基础。 2 2 路网横型分类殛评价 传统的路阿数据模型是对道路相关信息进行描述的数据模型，它可以支持多种查询操 作。传统的路网信息描述了各路段的起始点、结束点及路段问的连接性。而交通信息不同 于路阿信息，它描述了道路的交通代价、路段约束、路口约束和转弯代价等内容。本文所 构建的路网是传统路网和交通信息的结合，既保留传统路网连通性，又加入丰富的交通信 息。既能应用各种成熟的路径寻优算法，又能支持根据用户需求的多目标、多条件优化计 浙江工业大学硕士学位论文 算。 2 2 1 空间数据模型 数据模型是连接现实世界和计算机世界的桥梁，它是以一定方式组织起来的、有足够 的抽象性和概括性的、对客观事物及其联系的描述【3 3 】。这种描述包括数据内容的描述和 各类实体数据之间联系的描述。事实上数据模型是数据表达的概念模型，是描述数据的手 段。 在g i s 研究领域，由现实世界到g i s 的抽象过程可划分为三个层次表示模型：概念 模型，逻辑数据模型，物理数据模型【3 3 】。根据这种划分，数据建模过程分为三步 3 4 1 ：首 先，定义一种适于描述现实世界的概念数据模型；然后，确定一种数据结构来表达该概念 模型；最后，选择一种适合于实现该数据结构的数据库文件格式。 数据模型是对现实世界中的数据和信息的抽象、表示和模拟【3 5 】。概念数据模型着重 获得对客观现实的一个正确认识，是面向用户、面向现实世界的数据模型。它主要描述系 统中数据的概念结构，按用户的观点来对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一 层抽象。逻辑数据模型将概念数据模型确定的空间数据库信息内容、具体地表达为数据项、 记录等之间的关系。这类模型通常有严格的形式化定义，而且常常会加上一些限制和规定， 以便于机器上的实现。物理模型是数据抽象的底层，主要包括空间数据的物理组织，空间 存取方法和数据库总体存储结构等。索引文件就是常用的存取方法，常规的索引方法有 b - t r e e 、四叉树、r - t r e e 等。 对于空间数据库，数据模型是一条或一组用于标识和表示空间参照对象的规则。空间 数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互联系的概念，它为描述空间数据的组织和设 计空间数据库模式提供基本方法。空间数据模型通常分为两大类：特征模型和场模型。 对于一条道路，可以表示为一条一维的曲线，车站可以表示成零维的点，这些都是特 征模型的例子。特征( f e a t u r e ) 模型适合表示离散的、有固定形状的空间实体，如小区、街 道和城市。这种对象模型是概念化的，可以采用矢量数据结构将其映射到计算机中。 场( f i e l d ) 模型通常用于表示连续的或无固定形状的概念，它是将空间信息看作为空间 采样后转到属性域的一个函数集合【3 6 1 。在计算机中，场模型是用栅格( r a s t e r ) 数据结构来实 现的。栅格数据结构把基本空间划分成均匀的网格。由于场值在空间上是连续的，所以每 个栅格的值一般采用位于这个格子内所有场点的平均值表示。场的其它常用数据结构还有 不规则三角网、等高线和点网格等。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 路网模型分类 路网模型历来是智能交通系统的研究热点，国内外学者将路网模型大致分为2 d 模型 和图模型。 2 d 表示是欧氏空间的一种坐标表示法。2 d 模型【3 刀使用分割段表示，可以基本捕捉 现实世界的所有真实细节，能够方便的对其上的移动物体如( 车辆) 定位。2 d 模型如图 2 - 6 所示，路网由二元组r n 2 d = ( s ，c ) 表示，s 是分隔段或者路段的集合，每个集合 又由一个四元组( p s ，p e ，m ，p r o p ) 表示，其中p s ，p c 用坐标记录路段起始点；c 是一 个连接集合，每个集合元素又由三元组( p ，s 。，m x ) 构成，其中m x 是一个矩阵，用来 表示连接性等规则。 图2 - 62 d 模型 可见，2 d 模型的缺点在于抽象程度不够，需要存储的数据量过多，且因很多空间查 询的计算需要基于路径长或代价，所以这种表示法在查询计算中的应用不是很多。