（计算机科学与技术专业论文）智能交通系统中的数据库性能优化技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文是结合深圳城市交通仿真系统项目完成的。 数据库性能优化是进行有目的地调整组件以改善性能，使得数据库的吞吐 量最大限度地增加，相应的响应时间达到最小化。它是一件非常复杂的工作， 需要很多数据库的相关知识和实践经验。影响数据库系统性能是由硬件和软件 两方面决定的。性能问题最终表现在系统的运行阶段，而引起性能问题的原因 则可能发生在应用系统生命周期的任何阶段，包括系统设计阶段、开发阶段、 调试阶段和生产阶段。 s u t s s 数据库是一种非常典型的关系复杂、数据量巨大、用户访问频繁的数 据库系统。在对s u t s s 数据库进行性能优化时，按照一定的顺序进行，遵循以 下两个阶段。首先是在系统设计阶段，对系统的整体结构进行设计优化，使系 统性能达到最佳，系统开销达到最小。其次是在数据库运行阶段进行性能调整， 采取操作系统级和数据库级的优化措施，找到性能瓶颈，有针对地解决问题。 关键词：o r a c l e ，数据库，智能交通系统，性能调整 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es h e n z h e nu r b a nt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m d a t a b a s ep e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni st oa d j u s tc o m p o n e n t sp u r p o s i v e l yt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e i tw i l li n c r e a s ed a t a b a s et h r o u g h p u ta n dm i n i m i z er e s p o n s e t i m e i t sav e r yc o m p l e xj o ba n dn e e d sm u c hk n o w l e d g ea b o u td a t a b a s ea n d e x p e r i e n c e t h ed a t a b a s ep e r f o r m a n c ei s d e c i d e db yt w oa s p e c t s ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r e p e r f o r m a n c ep r o b l e m sw i l lh a p p e ni nr u n n i n gp e r i o d ，b u tt h er e a s o n sf o r t h e mm a yb ei na n yp e r i o do fs y s t e ml i f e c y c l e ，i n c l u d i n gd e s i g n i n g ，d e v e l o p i n g ， d e b u g g i n ga n dp r o d u c t i o n s u t s sd a t a b a s ei sav e r yt y p i c a ld a t a b a s e s y s t e m ，w h i c hh a sc o m p l e x r e l a t i o n s h i p ，h u g ed a t aa n df r e q u e n tl l s e ra c c e s s i n g t oi t st e s t i n g ，t h e r ea r et w o p h a s e s f i r s t l y ，i ns y s t e md e s i g n i n g ，w eo p t i m i z et h ew h o l es t r u c t u r eo ft h i ss y s t e mt o m a k es u r eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n dl e s ss y s t e ms p e n d i n g s e c o n d l y , i ns y s t e mr u n n i n g ， w ef o u n dp e r f o r m a n c eb o t t l e n e c ka n d a d o p t e ds y s t e ma n dd a t a b a s e l e v e l o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：o r a c l e ，d a t a b a s e ，i n t e l l i g e n t ，t r a n s p o r ts y s t e m ，p e r f o r m a n c et u n i n g 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：张苏粕 矽叼年j 月7 6 e i 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。 签名：张晶渤 2 加8 年月移日 第1 章引言 1 1 课题背景 第1 章引言 深圳市城市交通仿真系统( s h e n z h e nu r b a nt r a n s p o r ts i m u l a t i o ns y s t e m ， 简称s u t s s ) 是深圳市智能交通系统的重要组成部分和启动工程，目的在于形成 城市交通仿真与公用信息平台一体化的结构，有效地提高深圳市城市交通设施 的规划建设与管理水平，提高城市道路交通预测能力，实时发布动态交通信息， 使车辆驾驶员和出行者了解当前道路交通情况，避开拥堵路段，缓解道路交通 拥挤状况；与此同时，定期( 月报、年报) 发布交通报告，为政府部门据测提 供技术支持。 系统同时与规划局、交通局、交警局、城管局等相关系统互联互通，实现 信息资源的共享，利用计算机对深圳市城市道路交通系统的结构、功能、行为 以及交通参与者的行为特征和选择过程进行较为真实的模拟仿真，服务于深圳 市城市交通规划、交通设施建设、交通事故预防、交通管理与控制。系统采集 深圳市城市路网主要路段的交通数据，接收出租车运营单位的f c d 数据，结合 来自交警局的道路交通状况数据，向市政府及有关职能部门提供交通综合信息 服务和交通决策支持，向交通规划设计单位提供智能交通仿真支持，向交通出 行者及公众提供实时交通信息服务。 1 2 研究意义 s u t s s 利用计算机对深圳市城市道路交通系统的结构、功能、行为以及交通 参与者的行为特征和选择过程进行较为真实的模拟仿真，采用计算机数字和图 像模型再现复杂的道路交通现象，揭示交通流状态变量随时间与空间变化的分 布规律及其与交通控制变量间的关系，使之成为城市交通参数分析和交通控制 优化的有效手段，服务于深圳市城市交通规划、交通设施建设、交通事故预防、 交通管理与控制等方面的具体实践。该系统是一个典型的数据库管理信息系统， 管理信息系统中数据库的高效应用一直是各行各业关注的焦点，如何利用现有 第1 章引言 软硬件资源，获得最大的数据处理效果成为数据库使用中的一个重要的课题。 尤其是交通行业信息系统，往往具有数据量大，数据处理复杂，性能要求高的 特点，对数据库设计和性能优化提出了更高的要求。 本文在数据库理论的指导下，总结前人的工作，开展新的研究，归纳出r 套完整的数据库设计与优化的方法。本文以城市交通仿真系统为实验环境，对 如何进行数据库的高效设计进行了探讨，同时从数据存储方式和存储空间以及 数据库内在结构方面研究数据库性能调整方法。通过一个实际的设计优化案例， 为海量级数据库应用优化提供一个可参考的方法。 s u t s s 系统能够稳定、准确、快速的运行，对其有决定意义的是该系统数据 库的性能状况。基于s u t s s 的应用特点，其数据库系统具有以下特点： ( i ) 高吞吐量，数据更新频繁，海量数据持续增长。比如当天车速表每五 分钟新增上万条记录，每天需转移操作的记录保持百万条以上。 ( 2 ) 交通特征指标多样化。系统需要记录路段、节点、单行道、双行道、 小区、流量、车速、拥挤度、饱和度等等路网相关的多种指标，数据库系统设 计复杂。 ( 3 ) 系统内部处理复杂。如计算整个路网度平均饱和度，必须取取全市几 万条路段的流量进行加权平均，再取出这些路段的最大通行能力进行加权平均， 相除取小数点后两位数。 ( 4 ) 系统访问量巨大。连接到服务器上到终端如电脑、p d a 等达到1 0 0 0 余 台，当众多用户同时访问服务器同一磁盘的某一张数据表时，系统必须保证其 响应速度，要求及时准确地进行数据查询反馈。 由以上可知s u t s s 系统既具有o l t p ( 联机事务处理) 功能，又具有初步的 d s s ( 决策支持系统) 功能。正是由于上述混合功能，数据库系统在经过一段时 间的运行后，随着数据库实例的增加、应用程序的运行和数据表规模上的不断 扩大，数据库规模急剧扩大。但随之导致系统响应速度明显下降，统计数据由 图i 1 所示。 2 第1 章引言 性健 致鼍摄 使用时同 图1 1 数据库性能曲线图 由此可见，数据库性能优化设计对于系统性能的改善至关重要。 1 3 本文组织 本文针对s u t s s 的特点，在其数据库设计的基础上，对数据库系统进行性 能优化。 第一章介绍课题的背景和研究意义。 第二章介绍数据库性能优化的基本原理、性能评价指标、性能优化周期以 及实施优化策略的诸多方面。 第三章大体描述s u t s s 的基本功能，包括s u t s s 的系统范围、系统目标、 系统架构等。其中着重描述s u t s s 数据库系统主要支持的平台一城市交通公用 信息平台，以及此平台的数据来源和处理。 第四章在系统设计阶段将数据库性能优化理论运用到s u t s s 系统中。 第五章在数据库设计阶段将数据库性能优化理论运用到s u t s s 系统中。 第六章对于部分优化策略，进行了s u t s s 数据库调整前后性能对比。 本文最后一章对全文进行了总结和展望。 第2 章数据库性能优化 第2 章数据库性能优化 2 1 数据库性能优化概述 数据库性能优化是进行有目的地调整组件以改善性能，使得数据库的吞吐 量最大限度地增加，相应的响应时间达到最小化。它是一件非常复杂的工作， 需要很多数据库的相关知识和实践经验。影响数据库系统性能是由硬件和软件 两方面决定的，硬件因素( 处理器速度、内存、网络、磁盘、磁盘控制器等) 和软件因素( 操作系统、应用系统等) 。性能问题最终表现在系统的运行阶段， 而引起性能问题的原因则可能发生在应用系统生命周期的任何阶段，包括系统 设计阶段、开发阶段、调试阶段和生产阶段。 数据库性能优化的基本原则就是：通过尽可能少的磁盘访问获得所需要的 数据。优化的内容覆盖操作系统，数据库以及应用程序，从数据库设计、应用 程序、o r a c l e 实例、操作系统、系统硬件和i 0 子系统等方面考虑着手。为了 保证o r a c l e 数据库运行在最佳性能状态下，在信息系统升发之前就应该考虑数 据库的优化策略。 优化策略一般包括服务器操作系统参数调整、数据库参数调整、网络性能 调整、应用程序s q l 语句分析及设计等几个方面，其中应用程序的设计与分析 是信息系统开发之前完成的n 1 。 数据库性能优化必须从整体出发，孤立的单一问题的检测对解决性能问题 起到的作用很少，如果对系统的调整只是集中于某一方面，那么就不可能达到 优化系统性能的目的。而且优化工作是一个循环往复的过程，在优化工作之前， 需要设定优化的目标和基准。当阶段性的优化工作结束后，需要设定新的基准， 为以后的优化工作提供依据阻1 。优化总是需要设定新的目标，通过反复的性能优 化和评估获得满足业务需求的性能。 一个数据库系统的生命周期可以分成：设计、开发和成品三个阶段。设计 阶段进行数据库性能优化的成本最低，收益最大；成品阶段进行数据库性能优 化的成本最高，收益最小口1 。 4 第2 章数据库性能优化 2 2 数据库性能优化生命周期 数据库优化是一个长期的过程，它跨越了数据库应用的整个生命周期。一 个应用系统要经过设计阶段、开发阶段、调试阶段和生产阶段。而在不同阶段 都有不同角色的人员参与，包括系统分析人员、设计人员、开发人员、质控人 员、数据库管理员、系统管理员等等。一般来说，优化工作越早开始代价越小， 但开发人员往往不知道如何着手进行优化，而测试阶段对性能评估和优化又往 往被忽略。一个最简单的例子是s q l 优化。一般来说，系统中6 0 以上的性能 问题都和s q l 语句相关h 1 。而s q l 语句的编码、调试都是在开发阶段实现的。 一旦一个应用系统被交付使用，随着数据量的增大、应用模块的增加及其他变 化很可能导致性能严重下降。在应用生命周期中的任何问题都可能成为影响性 能的主要因素。下图说明了在设计阶段进行优化，将付出最小的代价和获得最 大的利益。 图2 1 优化的时机和代价 除了复杂性因素以外，数据库优化面临的挑战还包括应用环境的不断变化。 业务的发展促使应用程序不断地增加新功能以及改进旧的程序，数据量几何倍 数的增加带来管理和维护方面很多无法预计的问题。优化工作本身就是一个循 环往复的过程。 2 3 数据库性能优化的主要方面 数据库性能优化涉及方方面面，一般而言，我们着重优化以下几个方面： ( 1 ) 环境 数据库系统性能的好坏与其所运行的硬件环境、网络环境和操作系统的性 第2 章数据库性能优化 能有重要的关系。如果运行环境的效率低下或出现了故障，数据库系统也难以 独善其身。因此数据库的运行环境，尤其是操作系统的性能与数据库的性能是 密切相关的，可以通过对操作系统性能的分析来分析数据库的性能。 ( 2 ) 应用程序结构设计 这一部分也是在开发信息系统之前完成，需要考虑应用程序使用什么样的 体系结构，是使用传统的c li e n t s e r v e r 两层体系结构，还是使用b r o w s e r w e b d a t a b a s e 的三层体系结构。不同的应用程序体系结构要求的数据库资源是 不同的。 ( 3 ) 磁盘i o 竞争与负载 为了避免与i o 相关的性能瓶颈，监控磁盘i 0 并保持优化是重要的。像 数据仓库这样的应用程序涉及到大量的、长时间的磁盘读取，因此应该对磁盘 i o 进行密切检查。如果有良好的硬件，比如高速磁盘阵列磁盘阵列，对数据 库服务器的可能的最快连接会有很大帮助。除了纯粹的硬件外，可以通过观察 并避免磁盘热点( 在文件i o 集中到带有多个被大量访问的文件的一个相对少量 的磁盘时发生) 来提高磁盘i 0 限定系统的性能。像这样的磁盘热点会由于磁盘 争用而减低系统性能眵1 。 这一步是在信息系统开发之前完成的。数据库管理员可以将组成同一个表 空间的数据文件放在不同的硬盘上，做到硬盘之间i 0 负载均衡。 ( 4 ) 回滚段竞争 o r a c l e 可以将一个以上的用户事务处理分配给单个的回退段。当两个或两 个以上的用户事务处理试图同时访问该回退段的标题时，就可能引起争用。一 个或更多的事务处理必须等待该回退段的标题再次可以访问，这将使性能恶化。 回退段具有大量的读写操作，如果所有的回退段都建立在同一磁盘的一个单独 的表空间，将导致i o 瓶颈，因此应该通过创建不同磁盘的多个回退段，使表 空间将回退段的i o 分布到多个磁盘上。 ( 5 ) 表空间碎片 d b a _ f r e e _ s p a c e 数据字典视图存储了每个表空间中未用的存储区域。如果 空闲存储区域的数量并不多并且与空闲表空间的总量相比这些空闲存储区域也 比较大，那么在表空间中就没有碎片。相反，如果空闲存储区域的数量很多并 且这些存储区域也比较小，那么表空间中就有碎片1 。 ( 6 ) 命中排序区域的次数 6 第2 章数据库性能优化 每一个用户进程都在s g a 中分配了一个用来对数据进行排序的区域。如果 排序区域的大小不足以完成相应的排序，则由磁盘来完成此排序操作，就要慢 得多。 ( 7 ) 高速缓冲区命中率 数据库高速缓冲区中存放最近被读的数据库块。当执行数据库读操作时， 如果在高速缓冲区中有相应的数据块则从高速缓冲区中返回这个数据块。否则 将从磁盘读入，性能降低。 ( 8 ) 共享池命中率 共享池中存储数据字典高速缓冲区及s q l 高速缓冲区。数据字典高速缓冲 区中有关于用户、基表、索引、特权和其他数据字典对象的信息。s o l 高速缓冲 区中有最近被分析和执行的s o l 语句。如果共享池不够大，则可能要到磁盘上 取本应在内存中的信息。而如果从磁盘上获取数据字典高速缓冲区和s q l 高速 缓冲区的信息，则是一个相对缓慢的过程，这就会对数据库的性能造成很大的 影响。共享池中的命中率会对数据库性能产生极大的，甚至是实质性的影响。 ( 9 ) i n i t o r a 中的参数 初始化文件i n i t o r a 是由o r a c l e 系统提供的一个文件；它可以初始化创 建的实例，或者通过修改其中的参数来优化性能。一般而言，实例创建好后， 其参数文件也自动建立，但应根据实际情况修改默认的参数 s o r ta r e a _ s i z e s o r t _ a r e a _ s i z e r e t a i n e d ，d b b l o c k s i z e ， s h a r e p o o ls i z e ，d b b l o c k b u f f e r s 等以提高系统性能口1 。 ( 1 0 ) 数据存储技术 主要包括行迁移、行链接、空间碎片的最小化，区增长最小化以及确定代 价最高的查询。这些技术对数据库性能有较大的影响。 ( 1 1 ) 索引 随时间的增加，由于基础表所进行的插入更新删除导致叶子行在索引中 被删除，使索引形成了碎片。由于大多数叶子行被删除而留下了未填满空间， 该索引开始出现碎片并使i 0 成本增加。碎片较高的索引必须重建以保持最佳 性能。保持索引完好无损及定期重建碎片较多的索引是数据库优化的一个基本 部分。 ( 1 2 ) s q l 语句 s o l 作为一种结构化查询语言，其处理过程首先是通过o r a c l e 的p l s q l 7 第2 草数据_ | i 军性能优化 界面或者应用程序传送到o r a c l e 服务器系统中进行处理。s u t s s 系统中的 o r a c l e 数据库是大型的数据库系统，要求能高效而又稳定地工作，在其应用程 序中s q l 语句占了很大的比例。如果把s q l 语句看作是一段段程序的话，则需 要对s q l 进行有效的分析设计，以使其加快执行速度，减少网络传输，能更高 效地工作，充分发挥系统的效率。 ( 1 3 ) 服务器内存分配 调整一个数据库的性能，必须知道当前数据库系统全局区( s g a ) 的大小。 如果s g a 太小，就无法高效地完成o r a c l e 中的操作；如果s g a 太大，操作系统 可能就没有足够的内存的完成高效地运行计算机时所需的操作。内存分配是在 信息系统运行过程中优化配置的，数据库管理员可以根据数据库运行状况调整 s g a 的数据缓冲区、同志缓冲区和共享池的大小：还可以调整程序全局区( p g a ) 的大小。需要注意的是，s g a 区不是越大越好，s g a 区过大会占用操作系统使用 的内存而引起虚拟内存的页面交换，这样反而会降低系统。 ( 1 4 ) 调整操作系统参数 这一部分要视不同的操作系统而定，例如：运行在u n i x 操作系统上的o r a c l e 数据库，可以调整u n i x 数据缓冲池的大小、每个进程所能使用的内存大小等参 数。 将以上各点归纳起来，可以将数据库系统性能优化分为五大部份。一是与 数据库的存储结构有关，包括物理结构与逻辑结构，如数据块、磁盘i o 、回滚 段等；二是与数据库的体系结构有关，如s g a 值、共享池、高速缓冲区的命中 率等；三是与数据库的对象优化有关，调整表、索引、视图及触发器。这些数 据库的对象优化包括防止对象状态的改变，比如防止产生分段、迁移等情况。 四是与数据库或应用程序有关的s q l 语句的优化，如基于代价与基于丌销的s q l 语句比较等。五是与数据库所运行的操作系统环境有关，c p u 、内存、进程、d i s k i o 和文件系统的监控和优化等。这五部分又可以归结以下三个层次： 第2 章数据库性能优化 图2 2 数据厍优化层次 数据库系统优化时，建议采用从上至下逐层优化的方法。它的特点是先调 整高层的参数，然后调整较低层的参数。它符合高层实现是依赖于低层实现的 事实。如果反向调整，就会造成调整循环，浪费人力物力。 实际上，上述数据库优化措施之间是相互联系的。o r a c l e 数据库性能恶化 表现基本上都是用户响应时问比较长，需要用户长时间的等待等。但性能恶化 的原因却是多种多样的，有时是多个因素共同造成了性能恶化的结果，这就需 要数据库管理员要比较全面的考虑，能够敏感针对任何影响数据库性能的原因 做出相应的优化措施。 9 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 3 1 系统范围 s u t s s 的目标在于运用计算机技术再现复杂的交通现象，针对深圳市城市交 通拥挤问题进行解释分析，找出导致城市道路交通拥挤问题的症结，并进一步 预见各种对策和外部因素变化对系统的影响。同时，为了达到分析演变过程的 目的，需要将历史数据和未来预测数据与仿真有机融合，最终对深圳市城市交 通系统规划设计与改造方案实行优化。 项目建设从2 0 0 5 年1 2 月起，至2 0 0 6 年1 2 月止，历时1 2 个月完成。将建 成深圳市智能交通系统总体构架，实施部分组件，实现城市交通信息通信传输 网络覆盖、城市道路交通信息综合采集与处理、城市道路交通仿真、城市道路 交通信息服务；开通以深圳市智能交通公用信息平台为基础的交通信息服务门 户网站，初步形成城市智能交通系统的应用服务体系。阶段性成果是提供给政 府部门城市交通状况月报和年报、城市动态交通信息实时发布、城市交通信息 服务体系建设三项主要内容。完成“一个网络、四个平台”的建设：深圳市城 市交通信息通信与传输网络、深圳市城市交通信息综合采集与处理平台、深圳 市城市交通仿真( 宏观、中观、微观) 平台、深圳市智能交通公用信息平台和 深圳市城市交通信息服务平台。 3 2 系统目标 s u t s s 作为2 0 0 4 年深圳市政府投资计划项目( 深发改 2 0 0 4 4 8 1 号) ，是深 圳市智能交通公用信息平台的重要组成部分和启动工程，将形成城市交通仿真 与智能交通公用信息平台一体化的结构。 s u t s s 由“一个网络、四个平台”构成：城市交通信息通信与传输网络、城 市交通信息综合采集与处理平台、城市交通仿真( 宏观、中观、微观) 平台、 城市智能交通公用信息平台和城市交通信息服务平台。它们之间的逻辑关系如 下图3 1 所示： l o 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 嚣；器交通信城f j 交 服务 誓森蠢息服务通仿真 扩展 智能交通公片j 信息平台 i 茉彭i f j 城f j 交j 丑通f 。，与传辎引叫络 图3 1s u t s s 逻辑结构图 系统建成后，将与深圳市规划局、交通局、交警局、城管局等相关系统在 城市交通规划、建设、管理、服务上实现信息资源共享。为市政府高层决策部 门、交通管理部门、交通运营部门、交通企业等提供信息交换的环境，沟通政 府部门间信息，使部门间的相关系统互通互联，从而提高各个部门的工作效率， 支持管理、运营、决策，实现本系统“平台”与各个相关平台间的平滑接口和 信息充分共享。深圳市城市交通仿真系统的所有信息汇聚到智能交通公用信息 平台，现有的数据源在此得到整合，与新的数据源之间逐步建立连接。系统收 集到的各类交通信息，经融合处理后能够向决策者、相关部门和出行者提供综 合交通信息服务。系统中所有输入数据都会被测评或进行处理或直接提供给用 户。 其中，公用信息平台是整个系统的信息枢纽，承担着数据融合、数据字典、 基于数据挖掘的决策支持、数据服务和数据维护功能。信息采集平台和交通仿 真平台将数据按照一定的编码规则和既定格式传输给公用信息平台，公用信息 平台采用先进的数据分析、统计、挖掘和关联等技术从静态、动态数据中提取 一定的共性和相关信息，提供信息服务和决策支持。公用信息平台的建设将为 城市交通决策支持提供强大支持，实现信息共享，服务政府相关部门，服务普 通市民公众，服务交通专业技术人员。下图是系统目前已初步实现的深圳市城 市交通专业门户网站，基于g i s 动态发布实时交通状况。 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 善务 图3 2 深圳市交通专业门户网站 s u t s s 系统的建设是交通规划行业的发展需求决定的。作为一个先进实用的 管理系统，它不仅要包含事务处理层和管理层，而且还应包含辅助决策层，能 够提供先进的管理和服务手段。系统主要实现以下目标： ( 1 ) 城市交通发展与建设的智能决策支持 深圳市城市交通仿真系统的建设，应该能够配合政府相关部门的决策过程， 通过多种分析方法( 综合交通状况评价分析、交通规划与发展分析和交通仿真 试验分析) ，说明城市交通的发展态势、需要应对的挑战和埘策的效果评估。 ( 2 ) 城市综合交通信息服务支持 系统收集到的城市交通信息，经融合处理后进行动态交通仿真，能够向决 策者、相关政府部f - j , h 出行公众提供综合交通信息服务。利用采集到的相关信 息为市民和游客提供实时交通信息服务，使其在城市的出行更加方便，令交通 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 运行效率更高，从而节省能源，推动静、畅、宁工程和节约型社会的发展进程。 系统中所有输出的数据都会被测评、进行处理或直接提供给用户。 ( 3 ) 城市交通信息共享枢纽机制 为市政府、交通规划部门、交通管理部门、交通运营部门、交通企业单位 等提供信息交换的环境和渠道，使部门间的相关系统互通互联，及时沟通部门 间的信息，从而促进各部门的工作效率和管理、运营、决策水平，实现城市智 能交通公用信息平台与各平台间的信息资源共享。 ( 4 ) 对重大事件的管理手段 在发生重大事件( 如大型文体活动) 的情况下，系统能够为高层决策者提 供综合交通信息，即城市路网实时动态交通状况信息、车辆行驶状态信息等， 配合在适当情况下从知识库当中提取交通管理方案，并预测方案实施的效果。 ( 5 ) 城市交通状态数据的归档存储、查询管理等方面的技术支持 通过城市智能交通公用信息平台的信息组织功能，有效组织管理在各个相 关体系下的交通数据，形成统一的用户视图，逐步建立对于深圳市综合交通状 况的整体数字描述，从而为分析问题、发现规律、达成共识、评估对策提供可 持续的智能决策支持。 ( 6 ) 道路交通状态基础信息发布的技术支持 整合多种信息源的数据，形成对于城市交通状态的整体特征描述，采用适 合的方式和形式加以发布，帮助公众根据交通信息进行出行决策，支持信息服 务提供商利用交通公共信息资源进行综合业务与增值业务。 总而言之，s u t s s 的建设开发具体应满足以下要求： ( 1 ) 面向业务流程，实现流程化、规范化管理。 ( 2 ) 面向广大用户，参与市政建设，树立新城市形象。 ( 3 ) 面向内部管理，促进减人增效，提高服务质量，逐步实现城市交通管理 现代化。 ( 4 ) 面向决策层，提供辅助决策，逐步实现城市交通管理决策的科学化。 3 3 系统架构 s u t s s 系统的整个体系图如下所示： 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 艚赢翮。面 誓网廉 n 吲 图3 3s u t s s 体系架构图 本系统涉及多种软件，按照相互之间的关系可形成多个层次服务关系，其 中服务器端分五层： 最底层的数据采集系统，完成s u t s s 所需的外场实时交通信息获取，负责 向数据库提供原始交通数据； 第二层是数据库，存放系统的业务数据和运行数据。选用的d b m s 是o r a c l e 。 第三层是6 i s 系统，其属性数据必须存放到数据库中。选用的空间数据库 是a r c s d e ，开发工具是a r c s d e 。 第四层是交通仿真服务器，负责交通仿真计算，其基础数据依赖于g i s 和 数据库。选用的仿真软件是v i s u m 。 第五层是j 2 e e 应用服务器，运行w e b 组件和e j b 组件，负责来自应用平台 的服务响应，展示交通仿真的结果和交通服务信息，并以w e bs e r v i c e 方式提 供其他系统同本系统的数据输入输出接口。选用的开发工具是w s a d6 0 。 客户端分两种： ( 1 ) 浏览器。访问应用服务器，提交用户请求，并以网页形式展示信息内容。 一心 一 一莎嗽 一 一如广 譬螺曩 彩叶 一y， 甏臀 国：多r蜃丁毋咄 二 一 一万一一 盎；士矽叶固 一万一 一翻一 铡 函芝 al一一l 多婴函 =：冒彬蟋剽 覃 雨区 一万一，乒，舻、圆h 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) ( 2 ) 交通仿真客户端。负责同交通仿真服务器的交互，进行仿真处理。 3 4 系统数据来源及处理 s u t s s 系统和外部系统的数据接口和数据流程如下图所示： 酉雷止 蚓匿 一一一一_ z r 一一一一 影潜 图3 4s u t s s 系统数据流程图 由上图看出，s u t s s 系统所需信息主要涉及以下三方面：交通系统( 包括城 市道路、公路、公交) 动态交通信息、静态交通信息和其他交通信息。 ( 1 ) 动态交通信息 主要是通过各种检测设备获得的道路实时交通信息，以及来自运营人员报 告的施工、事故等信息。动态交通信息的来源又可细分为定点数据、移动数据 和外部数据，如下图所示： 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 图3 5 动态交通信息数据源结构图 定点数据采集是在路网关键断面上布设交通检测器，根据道路条件采用微 波雷达和红外相结合的检测手段，对特区主要道路的关键断面进行检测，通过 无线通讯的方式将交通数据传送至无线运营商，再由无线运营商通过v p n 传送 至交通仿真系统中心机房。 移动数据采集是指f c d ( f l o a t i n gc a rd a t a ) 数据采集，以出租车车载g p s 、 g p r s 等单元作为路网机动车行程车速的数据采集源。出租车的g p s 定位数据由 出租车调度中心收集并通过专线或v p n 传回交通仿真系统中心机房，供交通仿 真系统进一步分析处理。 本系统中需要得到关键道路交叉口的流量数据，而交警部门为了交通控制 等目的，在深圳主要交叉口已经设置了线圈检测器检测流量。鉴于此，提出与 交警部门数据共享，从交警部门得到特区内主要交叉口的流量作为系统外部数 据。交叉口数据通过专线接入本系统，系统预留相应的外部数据接口。 ( 2 ) 静态交通信息 主要由基础地理信息、交通地理信息、交通管理信息及管理对象信息组成。 基础地理信息即基础交通设施信息，包括机场、车站、码头信息等；交通地理 信息包括节点、路段、道路信息等；交通管理信息包括交通法规信息、交通规 划信息、交通综合信息等；管理对象信息包括车辆、出行者、用户相关信息等。 其中交通地理信息可以直接从g i s 数据库导入，其他信息由数据库维护人员手 动添加入库。 ( 3 ) 其他交通信息 主要是民航航班、铁路列车的动态信息和票务信息、深圳市公交汽车、轨 1 6 第3 章深圳市城市交通仿真系统( s u t s s ) 道交通信息、高速公路交通信息、物流与货运等信息。这些信息主要通过铁路、 公路、物流等运输管理部门处取得，可以批量导入s u t s s 的数据库。 1 7 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 s u t s s 数据库是一种非常典型的关系复杂、数据量巨大、用户访问频繁的数 据库系统。根据第二章数据库性能优化理论的讨论和s u t s s 数据库系统的这些 特性，对该数据库的性能优化，按照不同的阶段依次进行。首先是在系统设计 阶段，对系统的整体结构( 包括逻辑结构和物理结构) 进行设计优化，使系统 性能达到最佳，系统开销达到最小。这个阶段十分重要，因为不合理的逻辑或 物理结构会很容易导致系统以后运行时的严重瓶颈问题。 s u t s s 数据库关系非常复杂，数据主要分为六个模块，依次为道路基础信息 模块、公交线路信息模块、流量信息模块、车速信息模块、小区信息模块和服 务信息模块。鉴于s u t s s 数据库的复杂性，在系统设计阶段，我们仅针对道路 基础信息模块进行数据库优化分析讨论。 4 1 数据库概念设计 经过反复的需求分析，在完全熟悉道路基础信息模块内部实体联系的基础 上，道路基础信息模块的e r 图如下所示阳1 ： 1 8 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 图4 1 道路基础信息e r 图 由该e r 图可以看出道路基础信息模块涉及实体类型众多，如何很好地设计 其逻辑结构至关重要。 4 2 优化数据库设计 数据库设计阶段要经历规范化阶段，需要对数据进行分析，以降低数据冗 余。另外，为了更快地访问信息，应当建立主关键字和外部关键字索引。 在s u t s s 数据库逻辑设计阶段，表的设计均遵循第三范式的标准，即表内 的每一个值都只能被表达一次，表内的每一行都被唯一地标识( 有主键) ，表内 不存储依赖于其他键的非键信息。以概念设计的e r 图作为模块划分标准，对于 道路基础信息模块来说，包括的数据库表设计如下，下划线字段表示该表的主 键9 l ： ( 1 ) t n o d e ：节点信息表 l 字段名7 _ - ，7i 字段类型0 注释。一。i 1 9 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 n o d ei di n t e g e r 节点编号 y e a rd a t e 时间维 n o d e _ n a m ev a r c h a r 2 ( 5 0 )节点名称 n o d ex n u m b e r ( 1 5 ，5 )节点x 坐标 n o d ey n u m b e r ( 1 5 ，5 )节点y 坐标 n o d 阱y p e i n t e g e r节点类型 c t r l 一t y p e - i d i n t e g e r节点控制类型代号 m e j 6 u 吖d e l a y f l o a t ( 6 )结点平均延误 m l g r e e n r a t i o f l q a t ( 6 )交叉口主路绿信比 c y c l e t i m ei n t e g e r信号灯周期 c r o s s _ t y p e _ i d i n t e g e r立交类型代号 ( 2 ) t _ c t r l j y p e _ d e s c ：节点控制类型表 7 ：+。 ，t t # 二j ；骞壤裁一，7 貉荔缆i “。雾j 掌黉窖臻型搿曩：? ：_，：往释影二_ o i 嚣叠乐一 c t r lt y p ei di n t e g e r节点控制类型代号 c t r l - t y p ev a r c h a r 2 ( 2 0 )节点控制类型描述 ( 3 ) u u r n ：路段转弯信息表 j 拿凌名，。，奠 一“ 。i 。+ 1 。一。 掣暾类塑囊黪：7，注释：7 ，。，：一o ，一一z 。- 掣。髫 t 桤 。 - - i ，：，：7 、，、 。 j，t 一一一7 ：r ，7_ ! ，：， “一 。 s t a r tn o d ei di n t e g e r 始点 v i an o d ei n i n t e g e r经过节点 e n dn o d ei ni n t e g e r终点 y e a rd a t e 时间维 t u r n j i m ei n t e g e r自由流车速 t u r n c a p a c i t y i n t e g e r 通行能力 ( 4 ) r _ t u r n _ v e c l _ t y p e _ d e s c ：转弯车辆类型表 j?， 譬段髫：? _ ：。叠i j 鬈z _ 譬段类型。，：誓i ，注释，：_ 一 ，0 。，叠一誊l s t a r tn o d ei di n t e g e r始点编号 v i an o d ei n i n t e g e r经过结点编号 2 0 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 e n dn o d ei di n t e g e r终点编号 v e c lt y p ec o d ev a r c h a r 2 ( 3 )车辆类型代码 ( 5 ) t - v e c l _ d e s c ：车辆类型表 亭鬻弱瞄氐。0 一 潆羧类墼蠹。，一：誓：7 敝习譬， ，一_ 。一一一7 。一 v e c lt y p ec o d ev a r c h a r 2 ( 3 )车辆类型代码 v e c l n a m e v a r c h a r 2 ( 2 0 )车辆名称 v e c l p c u i n t e g e r标准车数 t s y s t y p e c h a r ( 1 )公众交通或私人交通 ( 6 ) t l i n k ：路段信息表 ? 字段名。j o 叠：一一，叠二。：譬段类型麓+ 7譬差释- ，i _ 7 _ 一：鬈。，! - ：， l i n ki di n t e g e r路段编号 y e a rd a t e时间维 s t a r t _ n o d e _ i d i n t e g e r起始节点编号 e n 州o d e _ i d i n t e g e r终止节点编号 l i n k n & m e v a r c h a r 2 ( 4 0 )路段名称 r o a d _ n a m e v a r c h a r 2 ( 2 0 )道路名称 l i n k l e nn u m b e r ( 8 ，2 )路段长度 l i n k - d i s t r i c t _ i d i n t e g e r路段所在行政区代号 c h a r g e c h a r ( 1 )是否收费 c h a r g u t a n d a r d f l o a t ( 6 )收费标准 r e d l i n e j 可i d t h f l o a t ( 6 )红线宽度 s e p a r a t o r t y p e i d i n t e g e r中央分隔类型 r n e t l o g o d i n t e g e r发布路网标志 l i n k j y p e i n t e g e r路段类型 l i n k r a n k _ i d i n t e g e r路段等级编号 l i n k f r e e s p d i n t e g e r路段自由流车速 l i n k _ v m i n i n t e g e r路段最低车速 u p l i n k _ n u m i n t e g e r上行车道数 2 1 第4 章在系统设计阶段优化s u t s s 数据库 u pl i n kw i d t hf l o a t ( 6 )上行路面宽度 u pl i n kc a p a c i t yi n t e g e r上行路段通行能力 u pl i n kd i r e c t i o n c h a r ( 1 )上行方向 d o w n _ l i n k _ m u m i n t e g e r下行车道数 d o w n l i n k - w i d t hf l o a t ( 6 )下行路面宽度 嗍l i n kc a p a c i t yi n t e g e r下行路段通行能力 d o w n l i n l ( - d i r e c t i o nc 姒r ( 1 ) 下行方向 ( 7 ) r _ l i n k _ v e c l _ t y p e _ d e s c ：通行车辆类型表 。t 鹫譬镬壤彩j ，? 芬。雹= | 豢i “一蜀臻憋魁戮。r 臻i 荔i警浅，露0 l i n ki di n t e g e r路段编号 u po rd o w nc h a r ( 1 )上行或者下行 v e c l _ t y p ec o d ev a r c 姒r 2 ( 3 )车辆类型代码 ( 8 ) t _ l i n k _ r a n k _ t y p e _ d e s c ：路段类型表 、，。，| 一? ：? j一，：? ，： 0 甏麓