（车辆工程专业论文）城市公共交通乘客信息服务系统的研究.pdf

青岛理工大学工学顶士学位论文 摘要 城市公共交通具有覆盖面广、经济快捷的特点，目前仍然是绝大多数出行者 的首选方式。但是面对迅速发展和不断更新的城市公共交通网，如何通过一种快 捷、方便、直观的方式寻找到一条合理的乘车路线或换乘方案，成为一个比较困 惑的问题。为了城市居民和外地旅客更加方便地选择公交方式出行，对公共交通 乘客信息服务系统进行研究非常必要，也是城市信息化建设中一个不容忽视的研 究课题。 本课题基于公交基础信息系统及公交乘客出行的特点，对城市公交乘客信息 服务系统进行了研究。 ( 1 ) 城市公交网络具有不同于一般实际网络的特点，所以本课题并没有将其 抽象成图论中具有拓扑性质的网络图，而是采用公交网络的数据库数学表达方法 存储公交信息。查询系统数据库以a c c e s s 进行描述，以a d o n e t 与数据库进 行连接访问，实现了对公交站点、公交线路及乘车方案等的查询。 ( 2 ) 公交乘客出行路径选择模型是公交乘客信息服务系统的关键技术。本课 题通过对公交乘客出行心理的研究及最短路径的几种经典算法的研究分析，确立 了以换乘次数最少为首要优化目标，分别以出行时间最少、出行距离最短、出行 费用最少及舒适度最好为第二优化目标的公交乘客出行路径的算法及模型。 ( 3 ) 以青岛市为例，以m a p i n f o 地理信息系统平台为基础，利用v b n e t 语 言编程开发了基于g i s 的站台触摸屏公交查询系统。该系统可以提供给公交出行 者操作简单、快捷、直观的出行指导。 城市公交乘客信息服务系统的建立，需要很多相关技术的支持。地理信息系 统作为一类功能强大的空间数据管理和空间信息分析工具已用到了各行各业。本 文利用这项技术，开发了公共交通乘客信息服务系统，实现了查询结果的直观、 可视化显示。 关键词： 最优路径算法；地理信息系统；公交网络；换乘： 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t u r b a np u b l i ci r a f f i ch a sc h a l a e t e f i s t i c so f w i d ec o v e r a g e ，l o wp r i c ea n ds h o r t c u t i t i ss t i l lt h ef i r s tc h o i c ef o rm o s tp e o p l ea tp r e s e n t h o w e v e ri ti sac o n f u s e dp r o b l e mh o w t of i n da1 0 9 i e a lt r a v e lr o u t eo rt r a n s f e rs c h e m eb yaw a yt h a ti sc o n v e n i e n ta n dv i s u a li n t h ef a c eo ff a s td e v e l o p i n ga n dc o n t i n u a l l yu p d a t i n gu r b a nb u sn e t w o r k f o rp e o p l e c h o o s i n gp u b l i ct r a f f i ct og oo u tm o r ec o n v e n i e n t l y , s t u d yo nt h ei n f o r m a t i o ns e r v i c e s y s t e mf o rp a s s e n g e r si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y , a n di ti sa l s oat a s k t h a t c a n tb en e g l e c t e di nt h ep r o c e s so f i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n b a s i n go nb a s i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dp a s s e n g e r st r a v e lc h a r a c t e r i s t i c si np u b l i c t r a n s p o r t a t i o n , as t u d yo ni n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e mf o rp a s s e n g e r si nu r b a np u b l i c t r a n s p o r t a t i o ni sc a r r i e dt h r o u g hi nt h i sd i s s e r t a t i o n ( 1 ) u r b a nb u sn e t w o r kh a sc h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yp r a c t i c a ln e t w o r k , s om a t h e m a t i cm e t h o do fd a t a b a s et os t o r ep u b l i c 恤伍ci n f o r m a t i o ni si n t r o d u c e d , a n d b u sn e t w o r ki sn o tt r a n s f o r m e dt on e t w o r kc h a r tw i t ht o p o l o g yc h a r a c t e ri nc h a r tt h e o r y b yu s i n ga c c e s sd a t as t o r a g es t r u c t u r ea n da d o n e tt oc o n n e c ta n dv i s i tt h e d a t a b a s e ，t h es y s t e ma c h i e v e sb u ss t o pq u e r y , b u sr o u t eq u e r ya n dt r a v e lp a t hq u e r y ( 2 ) t h ec h o i c em o d e lo ft r a v e lp a t hf o rp a s s e n g e r si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o ni st h e k e yt e c h n o l o g yi ni n f o r m a t i o ns e r v i c es y s t e mf o rp a s s e n g e r si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n t h eo p t i m a la l g o r i t h ma n dt h em o d e lf o rp a s s e n g e r st r a v e li se s t a b l i s h e dt h a tt h e p r i m a r yo b j e c ti st ou s et h el e a s tt r a n s f e rt i m e s ，t h es e c o n di st ou s et h el e a s td i s t a n c e ，o r t h el e a s te x p e n s e s ，o rt h eb e s tc o m f o r t ( 3 ) b a s i n go nt h ep l a t f o r mo fm a p i n f og e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n db y u s i n gv b n e tt op r o g r a m p u b l i c 仃；疆丘ct o u c h - s c r e e nq u e r ys y s t e mi nb u sp l a t f o r m b a s i n go ng i si nq i n g d a oe i t yi sf i n i s h e d t h es y s t e mc a no f f e rs i m p l ea n dq u i c kt r a v e l g u i d a n c ef o rp a s s e n g e r si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n m a n yt e c h n o l o g i e sa l en e e d e dt oe s t a b l i s ht h es y s t e m g i sh a sa l r e a d yb e e nu s e d i nm a n yf i e l d sa sap o w e r f u lt o o lo fs p a t i a ld a t u mm a n a g i n ga n ds p a t i a li n f o r m a t i o n a n a l y s i s t h i sa d v a n c et e c h n o l o g yi su s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt oe s t a b l i s hi n f o r m a t i o n s e r v i c es y s t e mf o rp a s s e n g e r si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o na n da c h i e v ei n t u i t i o n i s t i ca n d v i s u a ld i s p l a yr e s u l t k e yw o r d ：a l g o r i t h mf o ro p t i m a lp a t h ；g i s ；b u sn e t w o r k ；t r a n s f e r i l 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 公共交通系统是城市交通系统的重要组成部分。由于公共交通对交通资源的 高效利用，使得通过大力发展公共交通，实行公交优先成为缓解日趋严重的道路 交通紧张状况的必然选择。随着城市范围的逐步扩大，人们在城市中各个地方活 动的频度不断增加，城市公共交通在现代化都市生活中起着越来越重要的作用， 无论是发达国家还是发展中国家，都在积极地研究和发展公共交通设施和服务， 以满足市民乘车的需要。 目前，我国各大城市公共交通建设发展迅速，从公交网络、车辆规模和交通 形式等方面己基本能够满足人们出行的需要，但是从公共交通服务的角度来说， 人们在选择、使用公共汽车和提高公共汽车使用效率方面还存在很多问题。无论 是城市当地的居民还是因工作、学习、旅游所需来到一座陌生城市的外地旅客， 要想通过公共交通实现出行的目的是比较困难的。通过查找城市旅游图、公交时 刻表、公交线路图或通过询问身边的当地居民，同时考虑出行费用的多少、转换 乘是否方便、到达目的地需要多少时间等因素来规划出行，而且又要寻找公交车 的停靠站点。仅仅就这一过程足以让出行者放弃乘坐公交车的念头，改换其它的 交通方式。 如果能提供一种服务，为乘客的公交出行提供基本的公交信息及最优乘车方 案的查询，将极大地方便他们的出行和生活，同时减少不必要的交通流量，提高 交通运输的效率。 1 2 系统研究的目的和意义 先进的公共交通系统( 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 ，a p t s ) 就是在公 交网络分配、公交调度等关键基础理论研究的前提下，利用系统工程理论和方法， 将现在通信、信息、电子控制、计算机、网络、g p s 、g i s 等高新科技集成应用于 公共交通系统，并通过建立公共交通智能化调度系统、公共交通信息服务系统、 青岛理工大学工学硕士学位论文 公交电子收费系统等实现公共交通调度、运营、管理的信息化、现在化和智能化， 为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公共交通服务，从而吸引公交出行，缓解 城市交通拥挤，有效解决城市交通问题，创造更大的社会和经济效益。 先进的公共交通系统( a p t s ) 主要以出行者和公交车辆为服务对象。对于出行 者而言，a p t s 通过采集与处理动态信息( 客流量，交通流量，车辆位置，紧急事 件地点等) 和静态交通信息( 交通法规，道路管制措施，大型公交出行生成地的 位置等) ，通过多种媒体为出行者提供动态和静态公共交通信息( 发车时刻表，换 乘路线，出行最佳路径等) ，从而达到规划出行、最优路线选择、避免交通拥挤、 节约出行时间的目的。对于公交车辆而言，a p t s 主要实现对其动态监控、实时调 度、科学管理等功能，从而达到提高公交服务水平的目的。 乘客信息服务系统是先进的公共交通系统( a p t s ) q b 的重要组成部分。乘客信 息服务系统中以提供公交信息服务为主的部分称为公交乘客信息服务系统。该系 统包括车载信息服务、控制中心信息服务及站台信息服务。 在我国大部分城市公共交通系统中，地铁、电车等还尚未成为主要的交通工 具，而公共汽车是市民大众出行的主要交通工具，具有重要地位。 所以课题建立的系统将以城市公共汽车系统为例，研究服务于乘客的具有动 静信息的乘客信息服务系统，即公共交通乘客信息服务系统。总体而言，公共交 通信息服务系统需要具备如下功能特征： ( 1 ) 具有公交运行基础资料的采集能力和手段，保证系统的资料源基础。这 些基础资料包括：以公交站点上下客人数为主的交通需求资料、公交车辆运行车 速及站点停靠时间资料、车辆驾驶状态资料等。考虑到公交运行的特殊性，这些 资料的采集主要由公交车辆车载设备承担。 ( 2 ) 数据管理和分析能力，包括操作型数据管理和分析型数据管理。其目的 是保障日常运营的高效管理、规划和调度的科学决策分析，以及对公众提供高质 量的信息咨询服务。 ( 3 ) 对用户友好、高效的信息发布能力，包括为公众提供公交信息服务( 例 如车辆到站时间预测、车辆满载状态情况通报、根据起迄位置和服务要求的出行 路线查询等) ，对管理者提供的实时系统状态查询、历史资料分析服务，支持决策 者制定交通发展政策及规划的宏观信息分析等。 ( 4 ) 为支持科学管理和决策所必需的系统仿真分析和系统状态预测能力。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 所以本课题将结合国内外研究现状，针对国内现有系统中存在的问题，以提 供给公交出行者更加完善及人性化的公共交通信息服务为目标，研究城市公交乘 客信息服务系统。 1 3 国内外研究现状 美国，在城市公交网络系统上投入了极大的财力，构建了利用计算机网络和 先进的通信系统的智能运输系统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 ) ，从而实现了大 范围内全方位发挥的实时、准确、高效的运输综合管理，使人、车、路密切配合， 和谐统一，大大改善了交通环境。 对于公交站台信息服务而言，现在美国、德国的站台智能候车亭可以提供比 较完善的服务。候车亭内配有信息查询台，可以查到去目的地的最佳乘车路径。 在信息查询台上输入要去的地点，查询台能在最短的时间内把线路图画出来。上 面会标出从这个候车亭出发到目的地的最佳路线，以及最佳乘坐车辆。而且会将 沿途的著名商店、景点一一显示出来。如果用户对其中的某个景点感兴趣，只需 要点中它就可以看到详细介绍，而且这种信息查询台能够提供英、法、德、西等 多种语言服务。 而国内在这方面的起步较晚，但是各地政府都给予了极大的重视。北京、上 海、广州、重庆等地对城市交通线路的咨询做过一些研究和开发，相继建立了网 上公交查询系统，但是效果不理想。主要存在下面几方面的问题脚： ( 1 ) 基于点对点的固定查询，使乘客的咨询受到限制。目前的查询系统只能 供乘客进行固定站点查询，也就是乘客必须明确始末站点的站名。当乘客并不明 确他所在位置有哪些公交站点或者目的地周围的站点，就不能实现任意两点之间 的交通咨询。 ( 2 ) 预先编排数据库的方式，不能满足城市交通网络日益扩大、交通道路不 断变化的需要。采用资料库存放公交信息是可取的，但是如果把一个大城市所有 的乘车与换乘方案全部存入数据库，当交通线路和交通站点不断增加时，会引起 乘车与换乘方案的组合爆炸。而目前的系统有很多是预先将换乘方案直接存入数 据库的。 ( 3 ) 没有地图显示能力，人机接口和人机交互能力比较差。以往的系统由专 人进行操作，咨询的结果只有文字说明，不能结合城市交通图对所咨询的线路进 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 行直观、形象的描述，不便于咨询者对结果的合理选择和判断。 ( 4 ) 可查询内容单一，查询方式落后。现有的查询限于公共交通服务，不能 对城市中的地理信息和资源进行查询。没有使用触摸屏等方便的设备，缺乏灵活 性和直观性。 ( 5 ) 查询方式单一，尤其不能提供人性化的模糊查询。 ( 6 ) 现有的系统提供的优化目标查询或者从最少换乘次数最少，或者从出行 距离最短，出行时间最少等单一优化目标，不能提供按照乘客自己的意向选择自 己的优化目标，从而来选择最优出行路径。 现在的车载信息服务及控制中心信息服务中的很多相关技术已经相对成熟， 而国内大部分城市公交站台的信息服务功能却没有充分的发挥出来。所以论文的 重点是研究基于g i s 的站台触摸屏公交查询系统的实现。 1 4 论文的主要研究内容 本文基于目前国内外系统的研究现状，以公交乘客出行路径优化为研究的核 心，重点研究作为公共交通乘客出行路径优化基础的公交信息( 公交站点、公交线 路等) 表达方法与存储结构、最优路径目标模型的建立以及适合于城市公共交通乘 客信息服务系统的最优路径算法，并在此基础上建立城市公交信息数据库及在城 市电子地图上完成公交信息的表达，利用可视化编程技术v i s u a lb a s i c n e t 开发系 统软件。目的是通过研究和开发将我国目前的城市公共交通乘客信息服务系统水 平有所提高。 根据论文选题的基本思想和所参与的“公交乘客信息服务系统应用研究”项 目的内容，同时考虑到论文广度与深度，论文的主要研究内容有：城市公共交通 信息服务系统的基本内容、构成及所用到的关键技术；公交信息表达方法、存储 结构及公共交通信息服务系统数据库的建立；最优路径优化的基本方法分析及其 在公交换乘中的应用；城市电子地图上进行公交信息的建立；系统人机交互界面 设计及整个系统功能的实现。 1 5 本章小结 本章简要分析了城市公共交通信息服务中存在的问题，结合国内外对于城市 公共交通乘客信息服务系统研究现状，介绍了城市公共交通信息服务系统，讨论 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 了研究系统的目的和意义，介绍了论文的主要研究内容。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章城市公共交通乘客信息服务系统的构成及关 键技术 2 1 前言 城市公共交通信息服务系统是指一个城市各类公共交通信息服务的集合。一 个城市所有公共交通系统的交通信息，包括地下轨道交通信息系统、地面轨道交 通信息系统、地面公共交通信息系统、城市空中交通信息系统、城市水上交通信 息系统等。 城市公共交通信息系统的服务目标主要有两点： 为该城市居民大众出行提供可选择的、准确的公共交通信息。 为城市的交通管理者提供有效的交通管理依据。 对于运营者而言，要求其必须可以向公交使用者提供准确及时的必要信息， 提高自身工作效率，优化管理；而对于公交使用者而言，则要求可以获得并利用 信息，指引个人出行，并向运营者反馈信息，促进智能公交的信息化。 2 2 城市公共交通乘客信息服务系统的分类 2 2 1 基于信息类别的公交乘客信息服务系统 按照提供的信息类别可分为静态交通信息系统和动态交通信息系统两大部 分。 2 2 1 1 静态交通信息系统 静态公共交通信息是指能提供标准的、预定的交通信息。如公共巴士线路、 行车时刻表、民用航空的航线航班时刻表、铁路列车客运时刻表等。 对于静态交通信息而言，其构成主要依赖于对拥有资源的应用。大部分都是 在已有的资料基础上，采用较为经济的方法来实现。例如：新开一条公共汽车交 通线路时，其静态信息反映出的始发站、终点站的位置，沿途站点的位置和数量， 线路所配备车辆的数量、车型及发车间隔等。其主要依据的经济原则是所投入的 资源、客源的分布、交通网络的实际情况及历史资料或者是经验资料。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 1 2 动态交通信息系统 ；各种交通系统在实际运行过程中产生的信息为动态交通信息。这类信息系统 事实上对市民大众出行有更大的和更实际的作用，对一个城市的交通效率、交通 调度有着直接和更实际的用途，对一个城市的交通有着更深远的影响。 然而对动态信息而言，其信息的来源则是依据当时的状态，换而言之是依据 某一特定区域人流变化的资料，这个资料信息才是有效的反映交通状态的信息。 对城市交通的管理者和调度者来说，这个动态的信息更具有实际意义，在人 流变化时，合理地调配有限的资源，使城市交通更趋向合理化，确保城市交通畅 通及有效，并使其产生更大的经济效益。 由于城市交通系统的特性和城市区域人流分布的多样性，在各种交通信息系 统中，准确地获取动态交通信息是十分困难的。因此，获取动态交通信息是整个 交通信息系统最重要也是最关键的环节。 2 2 2 基于空间环境的公交乘客信息服务系统 按照提供服务的空间环境不同可分为出行前公交乘客信息系统、车边路边的 公交乘客信息系统、车上公交乘客信息系统和综合公交乘客信息系统。 2 2 2 1 出行前公交乘客信息系统 在乘客出行前为其提供准确和及时的信息。使乘客可以根据这些信息进行决 策，选择出行时间和出行路线。 2 2 2 2 车边路边的公交乘客信息系统 通过电子信号、闭路电视等媒介为出行乘客提供信息，包括实时车辆到离信 息，也包括传统的静态服务信息。车边路边信息服务主要是通过电子站牌，能 实时接收调度中心发来的各个车辆的位置信息，能动态地显示离本站最近的车辆 行驶的进程、到站所需要的时间。 2 2 2 3 车上公交乘客信息系统 在车上，通过视觉与听觉多种媒介为乘客提供相关的信息。其发展趋势为： 车上公交信息系统与车站路边乘客信息系统相结合；车上公交信息系统与 车辆自动定位系统相结合。车内信息服务主要是车内电子显示板、能动态地显示 车辆的位置信息、到站所需要的时间、还能显示车辆换乘信息，方便乘客到站换 乘。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 4 综合公交乘客信息系统 综合公交乘客信息系统是以上几种方式的综合运用。它的特点是集合两个或 多个服务系统的实时或静态资料，并通过多种方式收集、合并、校正和传递这些 信息【3 】o 2 3 城市公共交通乘客信息服务系统的构成 课题研究的系统将是一个包括动静态信息的综合公交乘客信息服务系统，包 括车载信息服务、控制中心信息服务及站台信息服务，三部分之间信息要实现互 相交流，更好的为公交乘客服务。论文将从车载、站台以及控制中心三方面分析 服务于公交乘客的信息服务系统，重点是进行基于g i s 的站台触摸屏公交查询系 统的设计和实现。 2 3 1 车载信息服务 车载系统是城市公共交通乘客信息服务系统最基本的组成部分。公交车辆既 是乘客的运载体，又是交通信息的收集体。它应该包括导航定位功能模块、通信 功能模块、信息显示模块、电子收费与乘客计数模块等。 其中导航定位模块可以实现车载系统的自身定位，从而使控制中心能够实时、 动态地了解和掌握每个车辆的运行位置和运行状态；而车载通信模块是实现车内 实时信息服务的重要组成部分。通过与控制中心及站台间的实时信息通讯传送及 接收各种信息并提供给车内的乘客。其主要功能有两个：首先是将车辆信息传送 到控制中心，如车辆编号、行驶路线、地理位置、运行速度、乘客人数、交通状 况：其次是接收来自控制中心的信息；包括市内交通状况信息及调度命令，其中 交通状况信息通过车内显示系统提供给乘客。 2 3 2 控制中心信息服务 控制中心是城市公共交通乘客信息服务系统中的核心部分。所有的调度命令 及交通信息都是由控制中心经过通信系统发出的，其中信息服务中心负责汇总从 各个移动车辆收集到的实时交通信息，经过对这些信息进行分类处理加工后，再 发送到公交车辆和车站显示系统，为公交乘客服务。 从各移动公交车辆收集到的信息包括：车辆编号、上下车人数、乘客人数、 车辆位置和速度、即将到站。向移动车辆发送的信息包括：预计前方到站时间、 r 青岛理工大学工学硕士学位论文 前方到站公交换乘信息、前方交通拥挤程度等。向车站显示系统发布的信息包括： 即将到站的车次、到达时间、车内乘客数、公交换乘指南等i t 。 2 3 3 站台信息服务 城市公交站台通过智能电子站牌以及站台触摸屏公交查询系统为公交乘客提 供公交信息服务。 ( 1 ) 智能电子站牌 通过接收控制中心的信息，显示即将到站的车次、到站时间、车内乘客人数 等，是对传统站牌的技术更新和功能开拓。主要是向等候车辆的出行者提供车辆 实时位置、到达车站的剩余时间、道路交通状况、时间等信息，还可以根据实际 需要发布一些其它相关信息。 ( 2 ) 基于g i s 的站台触摸屏公交查询系统 国内现有的城市公交查询系统大多以网上发布的形式供乘客进行查询，其服 务范围带有很大的局限性，最为突出的是国内城市中的公交站台服务并没有得到 很好的发挥和利用。所以提高城市公交站台信息服务将会极大提高整个城市公交 乘客信息服务的水平，也必将会给城市公交乘客带来方便的公交信息服务。所以 开发基于g i s 的站台触摸屏公交查询系统非常必要。 该系统的体系结构及实现过程如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统体系结构及实现过程框图 基于g i s 的站台触摸屏查询系统需要城市公交空间数据库的合理设计作为基 础，并在城市电子地图上建立公交信息图层，结合有效的智能搜索算法，在简单 方便的人机交互界面上完成查询。其中各部分的实现具体过程如下： 空间数据库的设计与录入 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 如果直接用图论中描述网络图的方法来描述公交网络，是一件比较困难的事。 随着数据库技术和计算机技术的发展，数据库的运算效率大大提高，用数据库来 表示公交网络完全可以满足要求。文中采用数据库来描述公交网络图，利用 a c c e s s 数据库建立公交站点表、公交线路表、公交线路一站点表描述公交网络， 另外，首先要对城市道路编号、站点编号、公交线路编码、公交线路段标识。 城市g i s 上公交信息的建立 结合城市交通地图对所咨询的公交线路、站点进行直观、形象的描述，便于 乘客对结果的合理选择和判断。 在原有城市的电子地图上建立城市公交信息图层，包括公交站点、公交线路 等图层。 智能搜索算法的确立 公交线路和站点组成了一个复杂的网络结构。如何从这个网络中找到一条最 优的乘车方案，必须采取一种有效的方法。而最优的乘车方案又有多方面的要求， 如：乘车时间最短、换乘次数尽量少、经过的路程最短等，通过实际调查认为换 乘次数少是最期待的目标，所以本系统重点研究以换乘次数最少为最优目标确立 搜索算法。 本系统将分枝定界法思想、动态规划中多阶段决策问题及图论中广度优先搜 索方法结合运用，采用集合的逐步向外扩展和两个集合之间逐渐逼近的搜索算法， 并结合具体情况在两个集合逼近过程中采取灵活处理。 人机交互界面设计 人机交互界面是公交乘客获得公交信息的直接媒介，所以人机交互界面的好 坏，直接影响到系统的性能咨询效果。本系统将采用触摸屏查询方式，通过简单 方便、形象直观的交互式界面和菜单，乘客可根据自己的实际情况和需要利用下 拉菜单选择起始站点，也可以在城市电子地图上点出起点和终点位置。查询结果 将给出以换乘次数最少为首要最优目标，乘客自己选择的次要优化条件为第二优 化目标的乘车方案，并在城市电子地图上同步显示乘车方案路径。 系统的实现 该系统的建立采用a c c e s s 数据库进行城市公交站点、公交线路等的录入， 通过比较求解最优路径的经典算法，结合城市公交网络的固有特点确立了公交查 询的优化算法，并以a d o n e t 与数据库进行连接访问，利用v b n e t 实现该系 青岛理工大学工学硕士学位论文 统的公交站点查询、公交线路查询、最优乘车方案查询以及主要公交场所的信息 查询功能，并在相应的城市电子地图上直观显示。 2 4 系统的关键技术 为建立公共交通乘客信息服务系统，需要具备以下功能特征：基础资料的采 集能力，保证系统资料源的获得，主要由公交车辆车载设备承担；数据管理和分 析能力，保障日常运营的高效管理以及规划调度的科学分析；信息发布能力，为 公众提供公交信息服务；系统仿真分析和状态预测能力。其技术支持主要包括下 面几部分。 2 4 1 数据库系统 数据库是管理资料的一种新技术。其目标是解决数据管理中资料的获取、编 码、组织、存储、访问和处理等问题。数据管理是数据处理的中心问题。是指对 资料的组织、编码、分类、存储、检索和维护。而数据处理是指对各种形式的资 料进行收集、存储、加工、分析和传播等一系列活动。其目的是从大量原始资料 中提取、整理和分析出有价值的信息，供决策参考。 城市公交信息服务系统是提供信息、帮助人们进行环境控制和决策的系统。 数据库技术将城市公交信息服务系统中大量的资料按一定的数据模型组织起来， 提供资料存储、维护、检索和处理等功能。从而使公交信息服务系统能方便、快 捷、准确的从数据库中获取所需的信息 5 1 。 2 4 2 地理信息系统 地理信息系统( g i s ) 是一种采集、储存、管理、描述和分析与地球表面及空 间地理分布有关的资料的信息系统，是充分利用计算机技术分析和处理海量地理 资料的通用技术。它从2 0 世纪6 0 年代以来取得了迅速的发展，并广泛地应用于 资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一 个跨计算机科学、地理学、测量学、地图学、系统工程等多学科、多方向的研究 领域。 该项技术在公交信息服务系统中起着重要的作用，它的应用使查询结果在电 子地图上可以直观显示。这部分在第五章中将详细讨论。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 3 全球卫星定位系统 全球卫星定位系统( g p s ) 是当今世界精度最高的一种以人造卫星为基础的星 基无线电导航系统，是美国国防部来用于军事目的的第二代全球定位系统。它允 许用户在不被建筑物或其它障碍阻挡的地球表面的任何地点进行定位。g p s 不仅 可以提供位置资料，还具有输出时间和速度资料的能力。它可在全球范围内为海、 陆、空各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。g p s 具 有全球地面连续覆盖、定位精度高、立即寻址速度快、抗干扰性能好、保密性强、 提供三维坐标、操作简便、全天候作业等特点。 2 4 4 最优路径经典算法 根据公交乘客选定的最优目标，按照一定的算法，确定公交乘客出行的最优 路径，并且将查询结果在电子地图上直观显示，这就是基于g i s 的站台触摸屏公 交查询系统的最主要的功能也是本系统核心研究内容。要实现该功能首先必须确 定最优路径算法。 最优路径源于最短路径，最短路径最初是指一个网络图中两个结点之间总距 离最小的连接起止点边的序列，它是图论中研究的一个重要问题。在基于g i s 的 站台触摸屏公交查询系统中路径优化问题可以借鉴图论中的经典算法及其它算法 思想，并结合公交网络自身的特点求解最优路径。 论文将重点研究分析经典最短路径算法d i j k s t r a 算法、启发式搜索算法及图论 中的搜索算法深度优先搜索算法、广度优先搜索算法，并借鉴运筹学中分枝定界 法思想及动态规划的思想，确立适合于公交网络最优查询的算法。 把不同的参考作为最优目标，其需要的资料、对系统的要求、实现的难易程 度、操作的可行性都是不同的，必须针对具体的问题具体分析。关于路径优化的 最优目标问题将在第四章中做进一步研究。 2 5 本章小结 本章从不同分类方式研究了城市公共交通乘客信息服务系统的基本内容及构 成，分析了为建立该系统所要用到的关键技术。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 第3 章城市公共交通乘客信息服务系统数据库的建立 实际网络抽象成图论中具有拓扑性质的网络图是图论中解决许多实际问题的 基础，而城市公交网络具有不同于一般实际网络的特点。本章通过分析城市公交 网络特点，并简要介绍图论中图的相关内容，确定采用公交网络的数据库数学表 达方法存储公交信息。查询系统数据库以a c c e s s 进行描述，以a d o n e t 与数据 库进行连接访问，实现了对公交站点、公交线路及乘车方案等的查询。 3 1 城市公交网络分析 3 1 1 公交网络特点 ( 1 ) 连通性 城市道路网络中的道路交叉口无差异地连接着与该路口连通的多条路段，但 不同公交线路在同一点相交时，公交线路间的连通性是有差别的。这是因为： 两路不同公交线路在空间上的同一站点连通时，因换车而增加了时间消耗；多 条公交线路虽然可以相交于空间上的同一个点，但是该点不一定是公交停靠站点 或者不是同时有站点，因而不同公交线路在此是不连通的。 ( 2 ) 方向性 公交线路的运行是有方向的，一条公交线路有上行和下行两个行驶方向，即 从始发站到终点站和从终点站回到始发站，并且有不同的时间表。大多数公交线 路上下行站点不变，但上下行站点分别位于道路两侧而且位置并不重叠。此外， 在有些城市里，因为路段设置单行线等原因，公交线路上下行路线不完全相同。 因此对于公交线路，要注意上行线和下行线的问题。 ( 3 ) 节点的特性 虽然不同的公交线路在行程上有重叠，但是各自的站点不可能是完全的几何 重叠。在实际通行中必然要求在不同的公交线路之间实现换车以到达目的地，这 就要求相对应的网络图上不同属性的边在节点上的连通，这是公共交通网络分析 的意义。此外，存在着地名和站名不相符的问题，也存在着公共场所的站名并不 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 是公共场所的名称等问题，尤其是同名不同站的问题尤为突出，因此，在研究过 程中特别注意了这些情况。 ( 4 ) 最短路径的意义 道路网络上的最短路径和公交线路的最短路径的意义也不相同。道路网络的 最短路径值要求两点之间路径距离最短即可，或者改进为同时参考道路的速度权 值，获得最优路径。公交网络中每一条公交线路也可理解为一个层次，从一条公 交线路到另一条公交线路的换车活动是有时间消耗的，因而就不能为寻找简单的 路径距离的最短而随意换车，因为换车时间成本成了整个路径最优性的关键因素 之，一【6 】。 3 1 2 实际公交网络抽象成拓扑模型 实际公交线路是有方向的，公交车只能按既定的顺序停靠站点，站点间的路 段长度和道路通畅程度也有差异，因而实际公交网络抽象的拓扑模型是有向带权 图。 在拓扑网络图上不同属性的边在节点处连通，表示乘客可以在该节点处换乘。 换乘必须在公交站点进行，不同公交线路的站点在空间上并不一定完全相同，乘 客在换乘时，一般需要步行一段距离，才能完成换乘。因此，将实际的公交网络 抽象成拓扑网络图时，很多研究者是将空间位置邻近的站点抽象成网络图中的一 个节点。而邻近的站点位置关系又有很多情况，所以作者认为对于一个城市庞大 的公交站点网络，如果全部进行抽象化，实际操作起来并不理想。 由于公交网络具有自身的一些特性，与图论中的网络图存在较大的区别，如 果直接用图论中描述网络图的方法来描述公交网络，是一件比较困难的事。随着 数据库技术和计算机技术的发展，数据库的运算效率大大提高，用数据库直接来 表示公交网络完全可以满足要求。所以课题建立的系统采用了数据库的表达方式 描述公交网络。 3 2 公交网络的实体表达 根据公交网络的特点可以建立线路、站点和道路的拓扑关系。在实际情况中， 公交线路和站点的空间分布在出行换乘搜索中十分重要。因此，公交线路和站点 的表达需要考虑如下的实际情况： 】4 青岛理工大学工学硕士学位论文 公交线路网与基础路网之间的关系； 同一公交站点在道路两边的单个点需要进行表示； 一个公交站点可能有2 个以上的单向站点； 公交线路的上行和下行路线可能不一样。 站点：由于单个公交站点的具体位置在必要的时候需要参与换乘搜索过程， 并给用户提供换乘方案的详细图形解释，公交站点的表达可以采用精确定位与相 对定位相结合的方式。精确定位直接记录站点的坐标，以准确的描述站点的位置。 相对定位分为相对于道路的定位和相对于线路的定位，相对于道路的定位记录一 个站点在道路中的线性位置，即偏移道路中心线的距离及方向，相对于线路的定 位记录了单条有向线路中站点的位置及次序。 线路：一条公交线路对应着两条线路，即上行线路和下行线路，线路表达的 关键是要记录线路的方向。论文采用动态分段技术来实现线路与道路间的关系。 具体的表达方式为，一条单向线路由一串相互连接的线路段构成，每条线路段以 地层的道路段作为参考，记录在该道路段的起点与终点位置【7 j 。 在公交信息数据库的设计中，结合公交线路和站点的实际情况、特点及要实 现的功能分析，最终建立了青岛市公交数据库。建立的公交数据库包括城市道路 表、路段节点表、公交站点表、单向线路表及单向线路一站点表五个表。 3 3 数据库的设计 3 3 1 数据库设计的一般步骤 要建立数据库，必须首先确定要保存什么样的信息，然后再设计数据库。建 立由字段组成的表，建好数据库结构后，数据库就能在记录里存储资料。 数据库设计的全过程包括： ( 1 ) 需求分析：简单的说就是分析用户的要求。要设计一个良好的数据库系 统，首先要明确应用环境对系统的要求。本系统中公交数据库的建立首先是收集 了公交乘客所需要的信息，然后对其进行分析整理，为下步的概念结构设计奠定 了基础。 ( 2 ) 概念结构设计：将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构设计及概念 模型的过程就是概念结构设计。它是整个数据库的关键。概念建模的过程为： 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 定义实体集定义联系定义属性。 当完成建模过程后，就可以用e r 方法( e n t i t y - r e l a t i o n s h i pa p p r o a c h ，实体 一联系方法) 进行数据库的概念设计。 ( 3 ) 逻辑结构设计：数据库逻辑设计的任务是将概念结构设计阶段设计好的 基本e r 图转换为特定d b m s 所支持的数据模型的过程。设计过程可分为：e r 图像关系模型的转化数据模型的优化设计用户子模式。 ( 4 ) 物理设计：对于给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结 构过程，称为数据库物理设计。 ( 5 ) 数据库的实施和维护：其过程可分为资料的加载和应用程序的调试 数据库的试运行数据库的维护和运行。 3 3 2 数据库结构设计的1 般原则 数据库结构设计的一般原则为 a - g l ： ( 1 ) 资料共享：共享是指多用户、多种应用、多种语言互相覆盖地共享资料 集合，所有用户可同时存取数据库中的资料。 ( 2 ) 冗余度尽可能小：从理论上讲，资料存储完全不必重复，不仅可以节省 存储空间，而且从根本上保证了资料的一致性。但有时为了提高检索速度，常有 意安排若干冗余，这种冗余由用户控制，称为可控冗余度。可控冗余要求任何一 个冗余的改变都能自动地对其余冗余加以改变，这个过程叫传播更新。 ( 3 ) 统一数据控制功能：数据库是系统中的共享资源，因而计算机的共享一 般是并发的，即多个用户同时使用数据库。因此数据库管理系统应提供资料安全 性控制、资料完整性控制、并发控制、资料恢复等数据控制功能。资料安全性控 制确保数据库中的资料不被非法用户存取造成资料的泄密和破坏。资料完整性控 制保证数据库中的资料在输入、修改过程中始终符合原来的定义和规定。并发控 制对多用户的并发操作加以控制和协调。资料恢复控制在系统发生故障时进行应 急处理，把数据库恢复到正确状态。 ( 4 ) 关键词设计：在给定的关系中，存在一个( 或一组) 属性，若它的值能唯 一地标识一个元组，具有这种唯一标识特性的一个( 或一组) 属性可称为该关系的 关键词。当一个关系中有多个候选关键词时，从中选择一个作为主关键词。主关 键词在关系中用来作为插入、删除、检索元组的操作变量。在数据库设计中，每 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 个关系中都必定有一个且只有一个主关键词。对于任一关系，主关键词一经选定， 通常是不能随意改变的。 3 3 3 城市公交乘客信息服务系统数据库的设计 城市公交网络并不是孤立的，与城市路网是紧密联系的。要建立二者的联系， 在公交数据库的设计过程中就不能忽略路网资料表的设计。本系统建立了青岛市 公交数据库，库中包括路段数据表、道路节点数据表、公交站点表、单向线路表 及单向线路一站点表五个表。其中单向线路表主要用来在g i s 上进行公交线路的连 贯表达与直观显示，并结合建立的公交站点图层将完整的城市公交线路在电子地 图上直观表达。以下是对各个表的设计过程分析。 ( 1 ) 经过调研需求，得到如下信息： 公交系统涉及到城市道路、道路交叉点、公交站点、公交线路及主要的公共 场所、旅游景点等信息。 城市道路有：路段名称、起点与终点、长度及宽度等： 道路交叉点有：交叉点对应的道路，交叉点编码及交叉点的地理坐标；公交 站点有：站点名称、编号、所在路段、周围景点及站台经过的所有公交线路；公 交线路有：线路名称、首班时间、末班时间及线路经过的站点、发车间隔、票价、 是否为空调车及平均拥挤程度等信息。 每个公交站点都有自己所属的路段，每条公交线路有多个公交站点。 ( 2 ) 定义好实体集、联系及属性。画出e _ r 模型，先画出各个实体，如图3 - 1 ， 图3 2 ，图3 3 ，图3 4 所示。然后再画出各联系，如图3 - 5 所示。 图3 1 城市道路e - r 模型 图3 - 2 道路节点e r 模型 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 l 所在路段 经过的公交线路 周围景点 i 名称1