（计算机科学与技术专业论文）基于gis宏观仿真模型的建立和应用.pdf

摘要 摘要 随着我国城市化进程的加快，大量人口涌入城市，导致城市交通拥挤，交 通问题频繁发生。如何对大城市的交通状况进行有效的仿真，以帮助制订交通 规划方案，成为了各大城市需要长期面对的一个问题。因此，建立个应用性 的宏观交通仿真模型并将之运用到交通仿真系统的设计与实现中，具有很大的 现实意义。 一 目前国际上交通仿真技术研究已经日趋成熟，越来越多的商业化专业交通 仿真软件被不断地研发并投入到实际应用中。而我国自2 0 世纪8 0 年代才开始 关注交通仿真，发展到今天相关技术仍然落后于国际水平，且商业化程度以及 覆盖面都还远远不够。在这种情况下，直接运用国外高水平的商业化交通仿真 软件来解决国内的交通问题是一个相对可行的方案。但是，在具体实践过程中 仍然存在着一个问题：这些仿真软件中的仿真模型是否适用于我国的交通状 况? 另外，许多仿真软件还存在数据封闭，结果显示不直观等不足之处。 本课题首先在分析研究宏观交通仿真建模理论和我国交通现状的基础上， 运用相关技术设计和实现了一个符合我国大城市交通状况的宏观交通仿真模 型。模型的建立主要依据交通仿真四步骤方法进行：出行生成子模型采用基于 交叉分类的生成算法；出行分布子模型采用基于重力模型的分布算法；方式划 分子模型采用基于分担率曲线的算法；流量分配子模型采用基于最短路径法和 增量分配的算法。接下来，应用上述模型，结合g i s 技术，进一步设计开发了 宏观交通仿真系统，直观地反映和显示了未来交通状况。同时，该系统将数据 的管理统- n 关系型数据库中，解决了仿真软件数据封闭性问题，为将来将仿 真系统集成到智能交通系统提供了数据接口，极大地方便了数据共享和系统间 集成。 本课题建立的模型可以应用在我国大城市的交通规划工作中，目前将该模 型应用到了深圳的城市交通管理工作中，从应用效果来看，情况良好。该模型 具有一定的推广价值，对我国大城市的市政规划和交通建设具有一定参考价值。 关键词：交通规划，宏观仿真模型，0 d 矩阵，g i s ，数据共享 a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tc h i n aa c c e l e r a t e st h eu r b a n i z a t i o np r o c e s s ，al a r g ea m o u n to f p o p u l a t i o nf l o o d si n t oc i t i e s ，l e a d i n gt ot r a f f i cj a ma n df r e q u e n t l yc a u s i n gt r a f f i c p r o b l e m s h o wt oc a l t yo na l le f f e c t i v et r a f f i cs i m u l a t i o ni na c c o r d a n c e 谢t i lt h el a r g e c i t y st r a f f i cc o n d i t i o n ，a n dt h e nh e l pt om a k ear e a s o n a b l et r a f f i cp l a nh a v eb e c o m e a ni s s u ea l ll a r g ec i t i e sm u s tf a c ef o ra l o n gt e r m h e n c ee s t a b l i s h i n gap r a c t i c a lm a c r o t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e la n da p p l y i n gi tt ot h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h et r a f f i c s i m u l a t i o ns y s t e mh a v eav e r yb i gr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e n o wi n t e r n a t i o n a l l y , t r a f f i cs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sg r a d u a l l y b e c o m em a t u r e , m o r ea n dm o r ec o m m e r c i a l i z e da n dp r o f e s s i o n a lt r a f f i cs i m u l a t i o n s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e da n dd e v o t e dt ot h ep r a c t i c a lu s a g e h o w e v e r , c h i n a b e g a nt op a ya t t e n t i o nt ot r a f f i cs i m u l a t i o ns i n c e8 0 也，2 0c e n t u r y , s oc h i n as t i l lf a l l s b e h i n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h er e l a t e d t e c h n o l o g y f i e l da n dt h e c o m m e r c i a l i z e dd e g r e ea n dc o v e r i n gd e g r e eo ft h es o f t w a r ei nc h i n aa r eo v e r i n s u f f i c i e n t u n d e rs u c hc o n d i t i o n ，i ti s r e l a t i v e l yc a p a b l et od i r e c t l yu s et h e h i g h - l e v e lc o m m e r c i a l i z e dt r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ef r o mo m s i d et or e s o l v e c h i n a st r a f f i cp r o b l e m s h o w e v e r , i np r a c t i c et h e r eh a sap r o b l e m ：w h e t h e rt h e m o d e la d o p t e di nt h es o t b d c a l es u i t sc h i n a st r a f f i cc o n d i t i o n ? i na d d i t i o n ，m o s t s i m u l a t i o ns o f t w a r eh a st h es h o r t c o m i n g si n c l u d i n gd a t ac l o s u r ea n di n d i r e c tr e s u l t d i s p l a y f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h em a c r o s i m u l a t i o nm o d e l e s t a b l i s h m e n tt h e o r ya n dc h i n a sc u r r e n tt r a f f i cc o n d i t i o n ，t h i sp a p e r a p p l i e st h e r e l a t i v et e c h n o l o g yt od e s i g na n di m p l e m e n tam a c r o s i m u l a t i o nm o d e lw h i c h a c c o r d sw i t ht h eb i gd r i e s t r a f f i cc o n d i t i o ni nc h i n a t h i sm o d e li se s t a b l i s h e d f o l l o w i n gt h ef o u r - s t e pm e t h o d ：t r a v e lg e n e r a t i o ns u b m o d e la d o p t st h ec r o s sd i v i s i o n a l g o r i t h m ，t r a v e ld i s t r i b u t i o ns u b m o d e la d o p t st h eg r a v i t ya l g o r i t h m ，t r a v e lt y p e d i v i s i o ns u b - m o d e la d o p t st h ec o n t r i b u t i o nr a t ec u r v ea l g o r i t h m ，a n df l o wa s s i g n m e n t s u b - m o d e la d o p t st h ea l g o r i t h mb a s e do nt h es h o r t e s tp a t hm e t h o da n di n c r e m e n t h a s s i g n m e n tm e t h o d s e c o n d l y , b ya p p l y i n gt h ea b o v em o d e la n dc o m b i n i n gw i t hg i s ， am a c r o - s i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c hc a n d i r e c t l yr e f l e c ta n d d i 叫a yt h ef u t u r et r a f f i cc o n d i t i o n a tt h es a i n et i m e ，t h es y s t e mu n i f i e st h ed a t a m a n a g e m e n tt ot h er a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e mi no r d e rt or e s o l v et h ed a t a c l o s u r ep r o b l e mo ft h ec u r r e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i si m p r o v e m e n tw i l lp r o v i d e t h ed a t ai n t e r f a c ef o ri n t e g r a t i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e mi n t ot h ei n t e l l i g e n tt r a f f i c s y s t e m ，g r e a t l ym a k et h ed a t as h a r ea n ds y s t e mi n t e g r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t t h em o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rc a nb ea p p l i e dt ot h et r a f f i cp l a n so f b i gc i t i e si n c h i n a n o wt h em o d e lh a sb e e na p p l i e di nt h ec i t yt r a f f i cm a n a g e m e n tw o r ki n s h e n z h e na n di tw o r k sw d l t h em o d e lh a sc e r t a i ng e n e r a l i z e dv a l u ea n dr e f e r e n c e v a l u ef o rt h ec i t yp l a na n dt r a f f i cc o n s t r u c t i o ni nc h i n a sb i gc i t i e s k e yw o r d s ：t r a f f i cp l a n ，m a c r o s i m u l a t i o nm o d e l ，o dm a t r i x ，g i s ，d a t as h a r e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：触 肿j 月歹日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 第1 章前言 1 1 概述 第1 章前言 随着社会的进步，工业化和城市化进程得到进一步的推进，城市建设发展 速度加快，大量入口开始涌入城市，尽管各级政府加快了城市建设的步伐，但 城市交通问题仍日趋严重：交通阻塞，事故频发，运行不畅等问题日益突出， 严重制约了人们生活和工作的效率，造成了时间和能源的极大浪费，并逐渐发 展成为制约城市经济发展的重要因素之一n6 1 。如何在不减缓发展速度的前提 下，对交通做出科学地管理和规划，从而有效缓解交通问题给城市发展带来的 压力，成为了决策部门和研究机构研究的热点问题。 所谓交通规划，即根据当前的交通供需状况与地区人口、经济和土地利用 等因素之间的相互关系，对某地区由于可预期的人口、土地利用和经济发展等 因素的变化所导致的交通供需变化的分析和预测，制订并确定出适合未来供需 状况的交通管理方案h 一1 。交通仿真建模可以利用现有数据资料，对未来不确定 交通状况做出判断与分析，从而准确模拟出未来的交通状况，是交通规划的一 个重要手段。 交通仿真模型按照模拟粒度可以分为微观仿真、中观仿真和宏观仿真呻1 。 其中，宏观仿真适用于描述系统的总体特性，而不追究系统中的个体行为和细 节。正是由于这个特点，在近现代城市交通规划中，宏观仿真起着越来越重要 的作用。 交通仿真技术在国际上是个比较成熟的技术，有各种软件产品，但这些软 件大多都是封闭的软件系统，不能同较为新颖的交通地理信息系统和数据库系 统进行交互，一定程度上影响了交通仿真模型的应用水平。 因此构建系统化、集成化和智能化的交通仿真系统将会是解决交通状况模 拟和分析的必由之路。本文研究的宏观交通仿真模型系统正是秉承这样一种设 计理念的系统，它结合了g i s 、全球定位系统g p s 等技术，可以直观地预测整 个城市的车辆流向、车辆行驶速度、拥挤程度，有效提高交通运输效益n o 垤1 。 本课题的研究重点，在于如何建立一个基于g i s 的高质量的宏观交通仿真 第1 章前言 模型以及如何将之应用到一个系统化、集成化和智能化的交通仿真系统的设计 与实现中。 1 2 选题背景 1 2 1 交通仿真技术发展历史 交通仿真技术起步较早，早在2 0 世纪4 0 年代就已经出现了交通仿真软件 的雏形n 3 j 钔。时至今日国外仿真技术研究已经日趋成熟，并且出现了众多商业 化的专业交通仿真软件n 5 引。纵观其近5 0 年的发展历史，可以大致分为3 个阶 段1 7 2 0 1 ： 1 ) 2 0 世纪4 0 6 0 年代 这一时期的交通仿真系统主要以优化城市道路的信号设计为应用目标，因 此宏观交通仿真模型被广泛使用，但是由于模型的灵活性和描述能力都较为有 限，加上当时计算机性能较低，1 所以仿真结果的表达也不够理想。 2 ) 2 0 世纪7 0 一8 0 年代 这一时期是计算机技术迅速发展的时期，计算机仿真模型的计算精度也随 着计算机本身运算能力和运算精度的提高而迅速提升，功能也更加多样化。 3 ) 2 0 世纪8 0 年代后 2 0 世纪8 0 年代，国外针对智能交通系统( i t s ) 的研究日益盛行，世界各 国都展开了以i t s 为应用背景的宏观交通仿真软件的研究，使得交通仿真技术 的研究达到了前所未有的高潮，出现了一大批的评价和分析i t s 系统效益的宏 观仿真软件系统口1 2 3 1 。这一时期，交通仿真系统技术的发展呈现如下特征： 系统建模开始突破微观模型和宏观模型的限制，出现了混合宏观微观两种 模型特性的中观交通仿真模型。 仿真模型开始向大型化，综合化方向发展。 另外，新的计算机技术也开始被运用到交通系统仿真，主要表现在仿真界 面更加友好，人机交互更加方便，仿真过程更加透明和直观。 与国外交通仿真技术蓬勃发展相比，由于受到交通发展水平的限制，长期 以来交通仿真在我国并未引起有关部门的重视。随着i t s 研究在全世界范围内 的兴起，我国交通界也逐渐认识到了开展i t s 研究的重要性。在我国，用宏观 2 第1 章前言 交通仿真技术进行道路交通的仿真实验开始于2 0 世纪8 0 年代，并且主要集中 在高等院校等科研机构。目前，上海交通大学、同济大学、华中科技大学、北 方交通大学、交通部公路科学研究所等学校和科研机构都开展了实质性的研究 工作瞰硝3 ，并取得了一定成果，但是从技术水平上看还远远落后于国际水平， 且商业化程度以及覆盖面都远远不够。 1 2 2 宏观仿真技术现状及存在的问题 目前宏观仿真技术主要应用在城市规划和交通管理方面。在城市的交通规 划中，利用宏观仿真可以很直观地反映一个城市的交通状态。但是在中国，各 个城市的交通规划基本还是孤立进行的，即单纯依靠一套软件甚至根本不依靠 仿真软件产品，还停留在凭借人脑经验做出规划决策的阶段。 当前流行的宏观交通仿真软件基本都是由发达国家的研究机构开发完成 的，因此在能否适应中国的交通现状这一问题上，以目前的实施情况来看，国 内学者还持保留意见。现今比较流行的宏观仿真软件主要有以下几种6 、2 利： 1 p a r a m l c s p a r a m i c s 是苏格兰q u a d s t o n el i m i t e d 公司于1 9 9 2 年开始开发的产品。 由于采用了并行计算技术，该产品能模拟的路网规模能达到1 0 6 个节点、4 1 0 6 个路段、3 2 0 0 0 个区域。其应用领域包括： 交通管理和控制； 交通控制中心的仿真； 为出行信息提供预测、智能化的导航功能等。 2 v i s u m v i s u m 是德国p t v 公司开发的宏观仿真软件产品，能够模拟许多城市内 和非城市内的交通状况，特别适合模拟各种城市交通控制系统。 3 g e t ra m a i m s u n 2 a i m s u n 2 是西班牙t s s 公司的产品，其特点有： 能够用于各种不同的路网：城市网络、高速公路、一般公路、交通干线或 者混合道路情况； 提供了两种不通方式的仿真：一种是基于输入交通流和转弯比例的，一种 是基于o d 和路径选择模型的。 3 第l 章前言 当前流行的宏观交通仿真软件，通常都是作为一个封闭的仿真软件出现的。 所谓封闭的仿真软件，是指软件产品本身不受其他产品影响，由软件自身维护 所有的数据，同时也由软件自身以特定的形式显示最后的仿真结果。这种模式 使得数据共享和数据维护成为潜在的问题。在信息技术集成化和一体化的趋势 下，没有任何一个产品能够独立地发展壮大，能够在不兼容其它产品同时也不 被其他产品兼容的情况下得到广泛认同和支持。因此，现有宏观仿真软件的第 一大问题就是数据的封闭性，我们必须要打破这种犹如“黑盒”般的封闭性， 才能完善和扩展宏观仿真软件的功能。 第二个问题是由软件的仿真结果显示引出的。宏观仿真软件的作用是要能 够切实为决策人员和交通规划人员提供一个解决实际问题的仿真工具，提供适 用的用户界面和数据接口，方便大多数用户以较低成本把仿真模型作为他们的 一种分析工具。值得注意的是，并非所有的决策人员都对交通技术知识了如指 掌，并且完全了解以数据表数据字段形式显示的仿真结果代表的实际意义。这 种不直观，不简洁的显示方式也与交通仿真本身的建设目标相距甚远。 最后，国内用户使用国外开发的宏观交通仿真软件还会遇到一个模型适用 性的问题。单纯模拟高速公路交通状况时，国内和国外的交通特性差别可能不 大，如果所用的软件设计合理，多数问题都可以通过修正模型参数来解决。但 是如果需要对城市交通状况进行综合模拟，那么仅仅通过修改模型参数是很难 解决模型适用问题的，这时候需要考虑的是整个模型的重新建立。 1 2 3 国内交通问题的特殊性 城市交通问题是长期以来世界各国在城市发展建设中普遍关注和研究的问 题。然而城市交通状况因人口状况，经济发展水平等因素的差异而表现出多样 性的特点。我国作为一个发展中人口大国，交通状况和影响因素又与发达国家 有很大差别，交通状况有不同于国外的特殊性。具体来说，我国交通的特殊性 主要体现在下面三个方面： 1 交通方式多样性 在多数发达国家，由于城市人口没有像国内大城市那样集中，行人和非机 动车数量都较少，公共交通设施比较完善。所以相比较而言，交通状况简单得 多。以伦敦为例，政府要求公共交通( 如地铁、公共汽车等) 在数量和质量上 4 第1 章前言 要能满足各层次人群的需求。上班时间，人们通常把自己的车停在家里，改乘 公共交通工具上下班。通过密集的公共交通网络，人们可以到达英国境内任何 一个想去的地方睇瑚1 。 而在我国，受历史因素和城市道路布局等因素的影响，居民出行选择的交 通方式呈现了多样性的特点。一方面，公共交通还不够完善，使得人们的日常 出行还不能完全依靠公共交通。另一方面，由于受到道路状况和经济状况的影 响，相当一部分的城市居民在出行时选择步行或者骑自行车的方式，与此同时， 改革开放中一部分先富起来的城市居民更倾向于选择私家车出行。总的来说， 国外发达国家居民出行方式比较单一，而我国居民出行方式却偏向多元化咖1 。 2 关键因素唯一性 在国外，影响交通状况的因素有很多且每一种因素都拥有几乎相等的影响 力。但在我国这样一个人口众多的国家，影响交通的关键因素实质上只有一个 人均土地占有量。 从近几年国家发展状况以及建设用地的情况可以看出，城市扩张非常迅速， 建设用地规模不断增加，土地使用空间开始变得有限。在总用地面积无法改变 的情况下，可用地的潜力不断缩小，土地人口承载负担远远超过发达国家。土 地的紧缺，导致土地利用的高强度，在交通上表现为道路的高密度化，从而带 来了一系列的交通问题，影响着交通状况。 3 户籍管理政策差异性 国外研究交通仿真通常以户为单位，对每一户人家的出行进行调查。但是 在我国，由于特有的户籍制度的存在，使得我国的户口状况也非常复杂：家庭 户口与集体户口并存，且两者占的比重都很大。因此在考虑交通状况时，不能 单单只考虑家庭户的情况，还要考虑集体户的情况。 虽然交通状况有着复杂和多样的特性，但同时它在一定程度上又是可预测、 可规划的。在这种情况下，利用宏观仿真技术来进行交通规划便成了各个城市 解决交通问题时普遍采用的方法。 1 3 研究目标与内容 本课题的研究对象是我国大城市的交通状况。事实上，衡量交通状况的指 标成千上百，本课题研究的是宏观性的、整体性的城市道路交通状况。 5 第1 章前言 ，i 每套彤i f | | ，芦攀镯 秽、i 。：，一：2 、? 搀譬：” ，j 蕾博专冬季i 篓 焉一- 二 ； 攀溱1 爹譬i 警夕。；皇 ? o 。_ _ 一一：一 矿麓 ji i 鬻9 ”i j ”j 锦。 ? 一 磅： 峪 ” 孑穗豢囊掣飞，“赢，杜鹃路。1 _ 7 t 。j ：簟攀；鬻i 爹鏊囊荔誊o； ，” 甍。j 浚鬟 i _ j 鬻鬻震晦噌净掣，i 龙基趱魏。茹誊眵擎 。i 篝豢j 攀i 鬻薹萋i上逶南系蘸夕 、寥语谣够中学，龙基枣篇i i 滋9 哆里“ 初黔嫠巷，l 。 翻 ， 7 。“i 藩魏。烈鹦睡毅【 本课题的研究目标就是综合利用地理信息系统、宏观仿真技术和交通数据 采集技术，建立适合我国国情的城市交通宏观仿真模型，并且将该模型应用到 一个集成化，智能化的宏观仿真系统的建设中，为市政规划和交通管理部门的 决策人士及管理人员提供重要的数据和有价值的参考信息。 本课题的研究内容是宏观仿真模型的建立和应用，具体来说包括以下几个 方面： 1 确定宏观交通模型的影响因素，按照传统的四步骤方法建立模型，标定 模型参数口3 2 1 ； 2 建立开放性的仿真数据管理体系，使得交通数据可以与其他系统共享； 3 运用已建立的模型，结合g i s 技术，建设宏观交通仿真系统，使得模型 结果能够与现实中的交通地理状况相对应； 6 第1 章前言 4 利用g p s 和流量检测设备采集到的实时动态数据对交通模型进行校验。 校验的主要指标包括主要路段流量，o d 矩阵值和主要路段车速等。 1 4 本章小结 本章介绍了课题总体的选题背景，阐述了交通模型的重要性，分析了现有 的宏观交通仿真软件不足之处和我国交通问题的特殊性，由此确立了课题的研 究目标与研究内容。 目前在交通仿真应用领域取得一定成绩的都是国外研发的仿真产品，这类 产品虽然在仿真模型的建立方面已经日趋完善，但是其不足之处也相当明显， 即存在数据管理的封闭性和仿真结果显示不直观等问题。所以在第3 章、第4 章中，将专门讨论如何建立符合中国国情的宏观仿真模型和应用该模型构建宏 观仿真系统，以建立开放的数据管理机制和优化结果显示。而在此之前，第2 章将首先对相关的理论和技术做概要的介绍。 7 第2 章相关理论与技术 第2 章相关理论与技术 不同于一般的商业应用系统，交通仿真软件关注的不是业务流程和业务逻 辑，而是如何运用已知的数据资料，运用数学手段和计算机技术，构建交通模 型。随着g i s 的发展，图形化地显示地理信息已经成为可能，而g p s 的发展则 使车辆定位，路段流量速度探测成为可能。本章将介绍交通仿真的仿真建模理 论，地理信息系统g i s 技术、全球定位系统g p s 技术以及与建模相关的工程数 学知识。 2 1 宏观交通仿真模型理论 在宏观交通领域，政府的交通规划不能朝令夕改，交通方案实施也需要耗 费大量人力物力，交通规划工作者更无法在短时间内就判断出当前交通实施方 案是否合理、有效。因此所研究的对象往往具有试验风险大，花费昂贵和对参 数的变化反应迟缓等特点，针对于这一类对象，宏观仿真是一种特别有效的研 究手段。 所谓仿真，即利用模型重现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模 型的实验来研究已经存在的或设计中的系统口3 j 。进一步细分，宏观交通仿真是 指用系统仿真技术来研究交通行为，通过对交通影响数据的仿真研究，利用模 型重现某一状态下的出行量和车流量，以求得该状态下交通运行状况。宏观交 通仿真是一种实验技术，其过程包括建立宏观交通仿真模型和进行交通仿真实 验两个主要步骤。在此仿真过程中，任何一步计算所得的即时值，都表示在指 定时间内已被模型化了的系统状态b 钔。 建立宏观交通仿真模型，输入的是影响交通状况的因素，模型要完成的工 作就是根据这些影响因素之间的关系，逐步分析出这些因素将对交通状况造成 何种影响，最后以各类衡量交通状况的交通指标来反映这种影响。 理论上的宏观仿真建模过程主要分为四个步骤，即出行生成，出行分布， 方式划分和流量分配口5 鼍7 1 。 1 出行生成：即指在一个交通小区中产生人员出行的现象。 8 第2 章相关理论与技术 2 出行分布：即指出行人员去到各个地方的状况。比如3 0 的人由a 大学去 往b 大学，4 0 的人由a 大学去往c 大学等等，这就是一个出行分布。 3 方式划分：指出行人员出行采用的交通方式。比如3 0 的人走路，2 0 的人 开私家车，5 0 的人乘公交车。 4 流量分配：指出行人员出行的交通路线如何分配。比如从a 大学到b 大学， 多少人从x 路走，多少人从y 路走等等。 2 1 1 出行生成模型 出行生成模型的建立是为了确立被研究区域的出行产生量和吸引量。模型 建立实际包括两个部分，即出行产生模型和出行吸引模型。出行产生是指被研 究区域产生的向外出行的交通量，即一定时间段内该区域居民的出行次数；出 行吸引则指被研究区域吸引的前往该区域的交通量，即一定时问段内该区域吸 引多少次其他区域的居民出行到该区域。出行生成模型可用下述两种方法求解 嘲 1 交叉分类法 交叉分类法是根据特定的社会经济特点将一个区域的人口划分为若干类 型。然后，经验地估计每种类型的家庭或出行者的平均出行率，由此产生的出 行率表，可用于预测该研究区的出行产生量。 2 回归分析模型法 回归分析模型法主要有两种：第一种，使用以交通小区为标准的集计数据， 将每个家庭的平均出行量作为因变量，小区特征属性的平均值作为说明变量( 自 变量) 。第二种，使用以单个的家庭或出行者为标准的非集计数据，以每个家 庭或出行者的出行量作为因变量，家庭和出行者的特征属性作为说明变量( 自 变量) 。 2 1 2 出行分布模型 出行分布模型的建立是为了模拟居民出行交通量的分布状况，进一步细化 由第一步建模得出的交通产生量和吸引量具体是如何分布的，可用下述两种方 法求解3 引： 1 增长系数法 9 第2 章相关理论与技术 通过对现有的矩阵乘以增长系数( 增长系数由未来的出行产生量除以出行 现状的产生量计算得出) 实现出行分布模型。在无法获悉路网交通小区间距离、 出行时间或综合费用等信息时，常常使用该方法进行模型建立。 2 重力模型法 主要原理：两个地区之间的空间交流量与出行产生量吸引量的乘积成正 比，与两地之间的交通阻抗成反比。该方法建模需要流量矩阵、阻抗矩阵( 反 映小区间的距离、时间或出行费用等) ，还有估算的未来出行产生量和吸引量。 重力模型较清楚地表达了空间交流量与交通小区间阻抗的相互关系。 2 1 。3 方式划分模型 交通方式划分模型的建模思路是在假设历史的变化情况将来继续延续下去 的前提下，研究交通需求的变化。交通方式划分模型的建立可以分为以下几种 方法： 1 出行终端模型法 出行终端模型法是将规划对象区域划分为若干个小区，以小区的固有特性 说明交通方式选择的方法。出行终端模型便于从交通方面重新研究城市内各交 通小区的土地利用和就业结构，也可以研究道路和铁路的建设投资政策。不过， 出行终端模型不能处理混合出行的情况。 2 o d 对模型法 o d 对模型法是针对各o d 对的交通特性，给各o d 对间的交通方式分配交 通量的方法。o d 对模型可以计算出各种交通方式的断面交通量，因此可以用 来相当细致地研究具体的土地利用( 住宅用地、工业用地等) ，城市开发改造 效果，道路、铁路、停车场规模的概算等。 3 分担率法 根据出行者的特征( 如：收入或小汽车拥有量) 、各种运输方式的特性( 如： 出行时间或相对的出行时间) ，或者各种运输方式的综合效用( 即包含社会经 济特性) 计算每一类的平均分担率。 2 1 4 流量分配模型 流量分配模型的建立是为了合理地将前述三个步骤预测出的交通量和交通 l o 第2 章相关理论与技术 分布分配到各条道路上，以满足交通出行在时间上的需求。该模型有以下三种 方法呻】： 1 全有全无分配法( a o n ) 将o d 对间的所有交通流量都分配到o d 对间最短路径上。 2 递增分配法 逐步分配交通流量。在每一步分配中，根据全有全无分配法分配一定比例 的总流量。每步分配后，根据路段流量重新计算出行时间。当采用多次递增法 时，该分配法类似于平衡分配法。 3 用户平衡法 通过多次迭代过程达到收敛结果，即使出行者改变路径也不可能再改进出 行时间。在每次迭代中，计算路网的路段流量，当路段通行能力不足时，将限 制路段流量和出行时间。 2 2gls 技术 1 地理信息系统g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是2 0 世纪6 0 年代开始发展 的新技术，时至今日经过4 0 多年的发展，g i s 已经成为集计算机科学、地理科 学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、管理科学等为一体的交叉学科。 其实，g i s 同一般的管理信息系统( m i s ) 一样，都是以计算机的软硬件为基础 的信息管理系统，而g i s 同一般m i s 系统的差别在于g i s 以地理数据为操作、 管理的对象，并为使用者提供地图管理和决策支持的功鲥4 。 2 g i s 的基本构成 地理信息系统一般由硬件、软件和数据三部分有机结合而成，当然从更进 一步的角度来说，g i s 系统的构成离不开相关领域的专业知识，而这种专业知 识往往体现为具体的应用模型，因此一般认为g i s 的基本构成应该隐含专业应 用模型。 1 ) g i s 的硬件系统 g i s 的硬件系统构成g i s 的物理外壳，一般包括四个方面，即计算机主机、 数据存储设备、数据输入设备和数据输出设备。 2 ) g i s 的软件系统 第2 章相关理论与技术 g i s 的软件系统是指g i s 运行所必需的各种程序，它们构成g i s 的核心部 分，关系到g i s 的功能。这些软件通常是由两大部分组成的，一是计算机系统 软件；二是g i s 系统软件和其他g i s 应用软件。 3 ) 空间数据 。地理信息系统中的数据是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会 和人文经济景观等的数据。它们可以是数字、文字、表格、图像和图形等，是 地理信息系统的对象与管理内容，一般具有三个基本特征：属性特征( 非定位数 据) ，例如变量、数量特征和名称等等；空间特征( 定位数据) ，表示对象的空间 位置或现在所处的地理，空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数 据表示；时间特征( 时间尺度) ，表示对象或物体随时间的变化，其变化的周期 有超短期、短期、中期和长期之分。根据这些特征，可将其划分为三种类型： 空间特征数据、时间属性数据和专题属性数据。其中，时间和专题属性数据结 合在一起共同作为属性特征数据。 空间特征数据 一空间特征数据可分为几何数据和关系数据两种，这是将地理信息系统同其 它各种数据库管理系统区分开的标志。几何数据是描述地理实体本身的位置和 形状大小的度量信息，其表达手段是坐标值。用数字形式表示空间实体，要选 择合适的空间目标类型。从几何角度可把空间目标分为点状、线状与面状三种 基本类型。 点状、线状、面状目标之间有严格的拓扑( 邻接、关联与包含等) 关系。“关 系也是一种数据，关系数据的存在有助于各种应用和空间分析。对g i s 来说， 图形数据是基础，是地理实体的空间定义手段，是专题数据的载体，是联系地 理实体的各种非图形信息的纽带。 属性特征数据 。 属性特征数据包括时间属性数据和专题属性数据。属性特征数据是g i s 主 要处理的对象，是对地理单元( 实体) 专题更广泛、深刻的描述，其表达手段 是字符串或统计数值。属性特征数据是对空间特征数据的强有力补充，在g i s 中占很大比重，可以方便地在地图背景与地理单元图形信息的基础上进行综合 与深层次的分析，为管理、规划与决策提供进行地理定位和显示分布特征的参 考信息。将地理数据划分为空间数据与属性数据可以便于在计算机上实现，特 别是在缺乏融图形、属性于一体的非集成式g i s 软件的情况下，利用现有的图 1 2 第2 章相关理论与技术 形软件和关系数据库进行组合连接，以实现g i s 的基本功能。 3 g i s 空间数据结构 数据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系描述。不同类型的数据， 只有按照一定的数据结构进行组织，并将它映射到计算计存储器中，才能进行 存储、检索、处理和分析。在地理信息系统中，描述地理要素和地理现象的空 间数据主要记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征三个方面的内容。 地理信息系统空间数据结构是指这种空间数据在系统内的组织和编码形式( g i s 数据结构也可成为图形数据格式) ，它是指适合于计算机系统存储、管理和处理 图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，是对数 据的一种理解和解释。空间数据编码是空间数据结构的实现，是指根据地理信 息系统的目的和任务所搜索的，经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等 资料，按一定数据结构转换为适合计算机存储和处理的数据的过程。g i s 空间 数据结构通常可分为两大类：矢量( v e c t o r ) 结构和栅格( r a s t e r ) 结构。 4 g i s 图层文件 g i s 图层文件( s h a p e 文件) 是二进制文件，能够同时存储空间图形数据和 属性数据。s h a p e 文件是地图数据的矢量形式，它由一个主文件( * s h p ) ，一个 索引文件( * s h x ) 和一个d b a s e 表( 毒d b 务3 个文件组成。主文件是一个直接存取 变量记录长度文件，其中每个记录描述一个有它自己的v e r t i c e s 列表的s h a p e 。 在索引文件中，每个记录包含对应主文件记录离主文件头开始的偏移，d b a s e 表包含了实体的属性数据。图形数据和属性数据通过索引号建立一对应的关 系。 一个s h a p e 文件包含一种图形类型( 点，线，面) ，一幅完整的地图需要 多个s h a p e 文件。通常，用面表示各个区( p o l y g o n s h p ，用线表示各个交通 干线( 1 i n e s h p ) ，用点表示其中的建筑( p o i n t s h p ) ，这样三个s h a p e 文件一 层一层叠加起来，面放在最底层，线放在中间层，点放在最上层，就可以看到 整个区域划分情况和交通路线。 s h a p e 文件可以使用专业的地理信息系统( 如a r c g i s ) 进行读取。 5 g i s 常用开发方式 随着社会的发展，对于地理信息系统应用的要求越来越高，应用型g i s 的 开发应用工作日显重要。如何针对具体的应用目标，高效地开发出既合乎需要 又美观方便的应用型地理信息系统是众多二次开发者关注的焦点。在目前的情 第2 章相关理论与技术 况下应用型g i s 开发可以分为三种方式t 独立开发、宿主开发和基于组件开发。 独立开发指不依赖于现有的g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数 据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程 序设计语言，如v i s u a lc + + ，j a v a ，c 撑等，在一定的操作系统平台上编程实现。 独立开发这种开发模式开发难度大、开发周期长、投资大，同时开发出来的系 统的功能与稳定性往往比现有成熟的g i s 系统的功能和稳定性差，因此并不适 用于一般的g i s 开发用户。 宿主开发指在现有的成熟g i s 平台上进行应用开发。目前市场上g i s 工具 软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，用户可以利用这些宏语言， 结合原有的g i s 工具软件，方便地开发出针对不同应用对象的应用程序。该种 开发模式简单易行，开发周期短，许多功能可以直接从原有的平台软件中引用 过来，但其移植性差，不能脱离原有系统单独运行，而且该方式受系统提供的 开发语言的功能限制，开发出来的应用系统的功能和效率较差。 组件开发指利用专业的g i s 组件，如成功软件的x 2 n e t ，e s r i 的 m a p o b j e c t s ，m a p l n f o 的m a p x 等，在现有的可视化的通用软件开发工具如v i s u a l c + + ，n e t 上实现g i s 的基本功能。由于g | s 组件往往以a c t i v e x 控件的方式 一提供，因此可以很简单地被通用的开发工具使用，在此基础上实现g i s 应用系 统的功能。该开发方式的优点是可以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管 理、分析功能，同时又可以利用其它可视化开发语言所具有的高效、方便等编 程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视 化工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果、更强大的数据库功能，可靠 性好、易于移植、便于运行维护。总之，结合g i s 组件与当今可视化开发工具 的组件开发方式是目前g i s 应用开发的主流方式。 2 3g p s 技术 g p s 全称是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，由美国从上世纪 7 0 年代开始研制，于1 9 9 4 年3 月完成其整体部署，实现了全天候、高精度和 全球性的覆盖能力。进入2 1 世纪，g p s 与现