（计算机软件与理论专业论文）面向时空索引测试的城市动态交通模拟技术研究.pdf

河海大学硕士论文摘要 摘要 随着世界各国对基于：道路网上移动对象时空索引技术的深入研究，关于如何 对道路交通网车辆进行索引的研究也越来越被时空数据库领域专家所重视。目前 的研究还处于理论探索阶段，为此，必须对各种时空索引性能进行各种测试评价， 找出索引结构在运用时存在的问题，才能加快工业化生产步伐，使之运用于实际 生活当中。 以往时空索引的测试数据主要来源于两方面：实际采集的交通数据和模拟器 生成数据。使用现实交通数据测试时空索引，将会产生成本高、时间跨度长、交 通情况特殊、数据单一等弊端；另外，若单纯使用现存的各类时空数据生成器， 也将带来交通状况理想化、交通环境过于人为化等问题。因此，如何为基于交通 网络的时空索引提供简单、高效、准确的数据生成方法成为需要研究的问题。本 文从研究需求出发，一方面，分析浮动车数据( f l o a t i n gc a rd a t a ，f c d ) 的特点、 应用；另一方面借鉴m o d t n ( m o v i n go b j e c t so nd y n a r i l i c 胁p o 僦i o nn 咖o r l 固 模型对交通环境的描述和m o d ( m o v i n go b j e c td a 娜模型对交通环境中数据管理 的描述。基于这两点，本文对面向时空索引的城市动态交通网模拟平台进行研究 和实现，分别从数据建模、数据管理、数据模拟、数据输出四方面给出平台的关 键问题和关键技术，获得了以历史浮动车为主，人工数据为辅的车辆、交通模拟 环境。 面向时空索引测试的城市动态交通模拟平台的主要功能是模拟车辆、模拟交 通、提供数据，文本通过对平台的运行效率、数据管理效率、数据模拟的准确性、 数据模拟的多样化、可视化数据分析等方面的性能，对模拟平台进行了验证。 关键词：交通网、模拟平台、时空索引、浮动车 河海大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i 也吐l ei n d e p t hs n l ( 1 yo n 吐l ei l l d e xt e c l l l l o l o 影o fm e a dn e 愀- b 勰e d m o v 证go b j e c t s ，也er c s e a r c h 也a th o w t 0i i l d e x 嫡cn e t w o r k - b 弱e dm o v i n go b j e c t s i si i l c r e 部i i l g l yn o t i c e db ye x p e r t si 1 1 廿l e6 e l d0 fs p 撕o - t e 叩删d a _ 讪笛e h o w e v e r t l l ec u r r e n ts t u d yi ss t i l li n 也ep h a s eo ft h e o r e t i c n l e r e f o r e ，i i lo r d e rt 0a c c e l e r a 毫en ：曙 s p a c eo fm 蜘a lp r o d u c t i o i l 也em 妇c o i l s i d e r e di s s u ei sh o w t oe v a l u a 土ce v e 巧 硒p e c to f t l l ei i l d e xa 1 1 df i n do u tt h ee ) ( i s t i n gp r o b l e r n s p r e v i o u sw o r kf o c u s e do n l ef o l l o 晰n g 铆om e t i l o d s o nm eo n eh a n 也m e yu s e 删的镬cd a 地b u tt h j s 谢1 】b 凼gah i 曲c o 瓯l o n gt i m e s p a l l ，e t c o nt 1 1 eo n l e r h a n d ，m eu s e0 ft r a 舔cs i i i i u l a t i o no ra r t i f i c i a lg e n e r a t i o n 丽nm a k e 缸1 et e s td a ：眺e t m o r ei d e a l i s t i c ，删i ce n v i r o 姗e n tm o r ea r t i f i c i a l锄ds o0 n t h e r e f o r e ， i ti s n e ：c e s s a d ，t op r o v i d eas i m p l ea i l de f 嚣c i e n tm e 也o dt 0g e n e r a t ea c c u r a t et e s td a ：t a s e t s 1 k sp a p e r 五嫩蕊r o d u c e st 量l ef c d ( f l o a t i n gc a rd a t a ) s y s t e 弛t h e nd e s c 曲e s 也en 匈e c t 0 巧s e n 瑚l t i c so f 也ef c d ；近廿1 es e c o n d ，t h cd a t am o d e l sa r ea n a l y z e dt 0 d e s i 盟a i le m c i e n td y n a 面ct r a 伍cn e t w o r ka n dt l el 【i i l d so f 仃萄e c t o r ym o d e l s t h ep a p e rp r o p o s e saf l o a t i n gc a rd a t at r 墒cn e t 、 ，o r ks i i i l u l a t i o np l a ：响m ，i t p r c s e n t s t h ef o l l rs t e p s ：d a 饶m o d e l ，d a 缸m 觋a g e ，d a t as 硫u l a 钯，d a ：t a o 呐p u t e 罩p e c i a l l y t h ep l a t f o n nc 锄n o to m yr e g e n e r a 把t h e 饥巧e c t o 叮d a t a s e tf b m1 1 i s t o r i c a l f c dd a t a b a s eb u ta l s og e n e r a t ed i 虢r e n tu p d a t e 舶q u e n c yd a 翘b y 硎f i c i a lg e n e r a t o r t h ep a p e ra l s 0g i v e ss e l s d e f i n e dp a r 锄e 妨i n t e r f a c e ，s p a t i o t e m p o f 址o u t p 吨 位旬e c t o 巧d a j t a s e tf o n n a t ，乜a m cd 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文的主要研究创新点和研究内容。 1 1 研究背景 随着时空索引技术的深入研究，如何构造出用以高效管理和预测道路网时空 数据( 如车辆) 的时空索引越来越受到时空数据库研究领域的关注。基于道路网的 时空数据索引技术( s p 撕。一t e m p o r a li n d e x ，s t i ) 主要研究对道路网上时空数据( 如 车辆等) 的管理，因其目标为有效管理道路网和非欧氏空间的移动数据而备受学 术界关注，目前成为智能交通系统( i n t e 】1 i g e n tt f a 硒cs y s t i 跚，i t s ) 、基于位置的 服务 ( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e ) 等领域的研究热点 1 ，2 】。但总的来说，尽管在时空数 据模型、时空数据索引与查询、时空推理及时空数据库体系结构设计等方面都出 现了大量的研究成果，目前时空数据库在理论研究和应用上仍旧处于不成熟的阶 段 3 】。如何有效评价各类时空索引技术，评估 4 】其是否能有效支持基于位置服 务等应用需求，加快时空索引商业化应用步伐，成为时空数据库索引技术领域一 大挑战。 应用于道路网的时空索引技术，可以分为对移动对象过去、现在、现在未来 位置三个方面的索引，表1 1 所示为笔者对索引的归类 5 1 4 】。 图中可以看_ 出，绝大部分索引技术都是基于r - 骶e 1 5 】的扩展或者r 慨与 其它技术的结合【1 6 】。时空索引通过对道路网及车辆数据的管理，提供对空间移 动对象( 受限、非受限) 过去、现在、未来信息的查询、添加、预测等操作，实现 车辆信息和交通信息的高效获取，如：获得车辆当前信息( 如车辆a 当前速度、 所在路段) ，历史信息( 如两分钟前车辆a 位置) ：交通概要信息( 如路段s 当前车 流量) ；车辆预测信息( 如车辆a 当前如果沿着路段s 行走道目的地g 需要多少 时间，应该建议的路线) 和道路预测信息( 如半小时后路段s 的车流量) 等。 目前，时空索引结构尚没有商业化标准，仍处于研究阶段，对于各类时空索 引的评价，没有确切的标准，只能用一些模糊的文字等作为评价标准【1 0 ，1 4 】，因 此，迫切需要一个统一的性能评价标准及测试比较平台，为时空索引各方面性能 ( 如：查询、更新、预测等功能) 提供测试 1 7 】和比较，用以加快时空索引的完善 河海大学硕士论文第一章绪论 及社会化生产过程。 表1 1 时空索引技术分类 时圣躺防轻卜锻 j 联 孑类名弥时间时间片查询喇伺窗口查询索引空间 d e a l i n g 试协t h et e 呷啪1 r _ _ 1 h 孢1 9 9 0融好较差轫纠、 d i n e n s i m3 dr 呵h 瞎1 9 9 1 5差轻好 较，j 、 基哥 朔臣垂嗦弓斌 s i r 1 b 眙2 0 0 0 较好糌较，i 、 o v e r l 芒1 ) p i n ga 加m j l t i 咒r s i 锄 f 1 9 9 0 好轫差大 移喇 t r u o t u 隅卜1 9 5 舄 好姗大 象历史基哥堡叠与多版本结熵i 方式 m 翻r 恤2 1好好轻呔 勒爆 引技术捌e d ：a 了 j 日1 删a c o 皓s 1 1 卜2 0 瓣鞫好较，j 、 m e t ：h 。ds e r 工2 0 好瓣轻呔 面情甩秀呶畅鼢煽撩弓防式 s b 卜1 h j e2 0 好辙子较，j 、 r 0 日d 柏t 嘲非a n d 恤 f l 佩_ 1 b e e 2 0 差嵇好大 j e c t s 适磁冈l 及喜殆秀嗷指麓垃嗦弓i 埔n _ 1 h 粥2 0 0 4 差好较大 2 吧r - t h 聱1 9 9 9好较差大 移制i 工j 1 h 持2 0 吆 轻好好轫卟 象当前 基厅硅慨索引劣式 位置索 b o t t 锄坤啦d a t e 2 0 好好铡、 弓燃m 】g 4 t z 6差好吨 基于嗡腻 强曲2 1 较好糌轻呔 t h e0 r i 西n a ls p a a 州婢s p a c e 在嫣暖斑抠中索引 n _ 日d l 卫1 9 9 b教差差 较大 d l j a l i t y 缸瑚s f 缸柚 1 9 9 9 轲好瓣般 t 瑚d o 蜘吼t i o nm e t 量1 0 凼 s 、7 矗o d e l 2 0 0 l辙子轫好般 在交彰湖沣噱引 移制 s r r i p e 2 0 0 4好较好轫呔 象当前 囚觫 1 1 琨_ 1 ：h 艳2 0 0 0轫好辙子吨 勒源 p a 国衄创：cs 斌i a l e 鼹 1 l 碾杠慨2 0 好好 般 弓燃 m e l ：h 。d 参赞喇瘩垂粥j v r _ 1 h 艳2 a 汜 辙子辎吨 固【p - 1 n 艳2 观1 4 好轻好轼呔 i 酗龇t 诹a n d 啦n g 0 b j e c t s n 口0 陆舱2 0 觳 好 觳 道路网及其移萄剐劈轨i 粥i 合理的性能评估是时空算法及其数据结构研究领域的一大研究热点 1 9 】。需 要提供大量的测试数据集对数据结构及算法的系统评估和比较。 在对时空算法以及数据结构进行测试过程中，通常使用遵循统计分布的合成 数据和现实世界数据作为数据集或者查询集( 即人工生成数据集) 。人工生成数据 通常用于测试各种特定交通环境下的极端情况，但是，仅仅使用合成数据对于测 试该算法在现实应用上的性能却很困难。因此，必须结合现实世界的真实数据集 来测试。这样就需要提供一个混合测试数据的生成平台，用来为时空索引提供测 试数据。 测试时空算法以及数据结构，需要移动对象作为测试数据源，这些对象可以 是行人或者行驶的车辆。获得移动对象数据的步骤包括： ( 1 ) 定义一个环境：道路网上的车辆移动是受限运动，定义一个环境即是定 2 河海大学硕士论文第一章绪论 义交通环境来记录交通规则，限制移动对象移动的移动方式，同时提供交通信息， 即对交通网进行建模。 ( 2 ) 定义移动对象在该环境下的移动方式：即研究并实现移动对象在该模型 下的各种算法，为时空索引的性能评估提供数据集。 ( 3 ) 自动识别交通状态：根据已定义的交通环境以及移动方式，获得相应交 通数据。 综上所述，面向时空索引测试的数据生成平台有如下特点： ( 1 ) 需要一个交通环境，用来描述交通网上各个实体对象以及他们之间的关 系。这些实体是对整个交通环境的抽象，为数据生成平台提供交通信息( 如道路 行驶规则等) ，同时也记录数据生成过程中的交通状态( 如路段的车辆平均速度， 路段的拥塞状态等) ，从这里可以看出，这个交通环境必须可以记录各种交通信 息的动态环境： ( 2 ) 需要车辆模拟数据，用来模拟交通情况，为生成数据做准备。获得定义 好的交通环境后，需要进行车辆模拟，为时空索引测试提供丰富的测试数据，如 不同更新时间下的车辆位置、速度信息，不同交通状态下的车辆轨迹等等。这些 车辆数据必须尽可能的与现实世界的车辆数据相符，又需要一些极端情况下的数 据对时空索引进行功能性测试； ( 3 ) 需要对数据进行输出和分析( 包括车辆、交通数据等数据) ，用来为时空 索引测试提供数据。在车辆模拟过程中，方面，需要将车辆信息进行记录，为 时空索引测试提供测试数据，另外用户需要对数据的统计信息做进一步分析，需 要提供一个可视化的数据分析环境。 本文是在以上背景下，研究并实现如何为时空索引测试提供多类型测试数据 和比较环境。构建的面向空间网络的城市动态交通模拟平台能够对时空索引结构 和试验提供一个统一的测试平台，测试时空索引的预期功能，以实现对时空数据 的管理性能的评价，同时，还可以进对不同索引进行比较。 1 2 国内外研究现状 当前主要有两种方式获取时空索引测试数据：交通采集方式( 现实数据) 和车 辆模拟生成器( 仿真数据) ，这些数据被用来测试索引的i o 代价、磁盘访问次数， 索引效率等。下面将详细阐述这两种方式的相关研究及其特点，同时给出文本的 主要工作。 3 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 2 1 交通采集方式 交通采集是通过传感器技术采集道路网移动车辆的实时数据，主要分为两种 技术【1 8 】：固定式车辆检测传感器和移动式车辆检测传感器。固定式车辆检测传 感器包括感应线圈检测传感器、超声波检测传感器、微波检测传感器、红外线检 测传感器、视频检测传感器、磁力检测传感器以及声学检测传感器；移动式车辆 检测传感器包括浮动车和探测车技术。 固定式车辆检测传感器技术主要以感应线圈检测传感器为主【1 9 】，是将传感 器安装在固定地点( 如路面下) ，检测其周边移动对象。利用传感器技术宣接采集 现实车辆数据，此类获得的数据虽然真实，但是存在如下问题： ( 1 ) 信息采集覆盖的区域非常有限，信息采集点的数量和分布范围还没有达 到一定规模。 城市交通信息采集主要覆盖的是城市的主干道和快速路。其中环形线圈检测 器主要铺设在主要交叉口；微波检测器和视频检测器主要安装在部分断面；车牌 照识别检测将来安装在地铁路上，系统还处在试运行阶段。对于大量的次干道、 支路，由于信息采集系统没有覆盖到，我们没有监视也就无法控制。要达到全路 网的交通信息覆盖，固定检测设施的投资将十分巨大。 ( 2 ) 所采集到的信息种类有限，信息缺乏充分的应用。 无论是环形线圈检测还是微波、视频检测所采集数据多是流量、占有率、地 点车速等断面交通流信息，对于能够直观反映道路交通运行状况的路段平均速度 和行程时间信息非常少，只有车牌照识别检测能提供相关数据。 ( 3 ) 没有充分利用好安装有g p s 定位装置车辆获取的信息。 目前中国部分城市的公交车、警用车和出租车上都安装了g p s 系统，可以向 各自的控制中心上传一些数据，但是由于安装g p s 相关设备的初衷并不是针对交 通信息采集的需要，这些信息还没有得到更充分的应用。 因此，如果时空索引仅用以上数据测试其功能，会存在如下问题： 数据采集需要耗费大量设备、人力、物力资源，采集成本高，采集周 期长 2 0 】，交通情况特殊； 数据只能是现实车辆数据，采集过程中不能人为参与任何控制。 目前为止，有效的数据主要通过安装在道路固定位置的线圈传感器获 得【2 1 】。虽然此类技术可以获得关于交通流的有用信息，但是，这类 方法却不能获得单个车辆长时间的各种行为信息。 另外，移动式车辆检测技术作为一种新型、廉价的检测手段，作为固定检测 器的有益补充，在2 0 世纪9 0 年代后逐步引起重视的交通参数检测技术【2 6 】。移动 4 河海大学硕士论文第一章绪论 检测技术主要包含浮动车和探测车两类，主要是浮动车技术。下面简单介绍浮动 车数据特点。 1 2 2 浮动车数据特点 所谓浮动车( p r o b ev c l l i c l e 或f l o a t 岫gc a r ) 就是指安装有定位和无线通信装 置的普通车辆( 如出租汽车、公交车、货车、私人小汽车、警车等) ，这种车辆能 够与交通信息中心进行信息交换。而浮动车系统是指通过交通流中一定比例的浮 动车辆与交通信息中心实时通信采集数据的一种新型交通信息采集系统。浮动车 系统是随着i t s ( i n t e l l i g e n tt r 蕊cs y s t e m ，智能交通系统) 新技术应用而逐渐发展 起来的新型交通流信息采集技术，其实质是利用在路网中运行的车辆( 即浮动车) 采集车辆所在路段的实时状态数据，然后在数据中心通过对路网中多样本数据的 融合、统计，得出路网上被浮动车所覆盖路段在给定计算时间间隔内的交通状 态、最终实现路网实时交通状况采集的目的。包括时间、位置( 经度和纬度) 、速 度在内的数据是以固定的比率度( 度量时间) 被采集的，他们都存储在车辆中。存 储数据以一个固定的时间间隔( 报告时间) 发送到基本数据工作站。 浮动车交通信息采集的实时性、大范围，很好地弥补了现有交通信息采集方 式的不足。它在路段平均速度、行程时间信息采集的准确性和实时性上都远优于 线圈、微波等固定点检测方式。浮动车的流动性使它能采集到城市道路网各街道 的信息，采集范围不再仅仅是点、线，而是面。 另外，通过此类技术可以获得道路交通信息，如交通流量、车速、车辆位置、 车道占有率以及车流密度等参数。随着g p s 、g i s 和无线通信技术的发展，利用安 装了g p s 和无线通信设备的浮动车采集交通信息正逐渐受到重视。与传统的采集 方式相比，浮动车采集交通信息具有建设周期短、投资少、覆盖范围广、数据精 度高、实时性强等优点。 通过利用浮动车技术获得交通信息，主要特点是：数据真实准确，成本低。 但是，如果直接使用实时数据测试时空索引各种功能( 如车辆位置预测，交通信 息预测，车辆导航等功能) 却存在如下问题： ( 1 ) 测试情况单一。不同的索引技术会采用不同的数据结构对车辆轨迹进行 索引，浮动车数据结构单一，无法为不同数据结构的索引进行提供数据； ( 2 ) 数据无法控制。同一个浮动车系统回传的数据时间间隔都是固定的，当 时空索引需要研究不同时间更新对车辆索引性能的影响时，无法提供多样化数 据； ( 3 ) 数据量少。浮动车的数量是有限，无法进行多样的测试； ( 4 ) 无法对数据进行直观认识。对于直接从数据库提取出来的或者实时回传 河海大学硕士论文第一章绪论 的浮动车数据，无法知道他们的情况，如是什么状态下的数据( 交通顺畅情况下 还是交通拥挤情况下的等) ，当前所在路段情况等。 1 2 3 车辆模拟生成器 目前，时空索引测试数据的相关研究主要集中在移动对象生成技术，未考虑 索引研究中的实验需求。典型的做法是在基于空间几何模型的欧基里德空间坐标 或基于细胞模型的符号空间【2 2 】上进行建模，研究不同的移动对象生成策略，以 模拟在真实路网上的移动情况。概括如下： ( 1 ) 1 m a sb r i n k h 0 2 3 】在2 0 0 2 年提出的路网移动数据生成平台，侧重于获 得符合现实世界的整张路网移动数据集，但并未考虑特殊或指定路线( 如公车路 线) 的移动数据生成，另外，他所描述的环境是静态的交通环境，无法描述完整 的交通环境，也无法记录模拟过程中的交通信息； ( 2 ) d i e t e rp f o s e r 和y 锄i sn e o d o r i d i s 2 2 】于2 0 0 3 年提出将g s t d 扩展到时空 移动数据的生成，实现了在有障碍物环境中移动对象轨迹生成，但该算法从本质 而言面向的是空间自由运动对象； ( 3 ) j k a u f h l a n 、j m y l l y m a l 【i 和j j a c k s o n 于2 0 0 3 年提出的城市模拟器c i 够 s 硫u l a t o r 【2 4 】通过三维模型，模拟移动对象通过在道路中随机移动到其附近的建 筑物入口或者上下楼梯等行为，于本课题需求也不符合。 ( 4 ) h a i b oh u 和d i k - l e e 在2 0 0 5 年提出的g a m m a 移动模拟框架中【2 5 】引入 细胞网络的概念，用遗传算法对现实中采样的路径进行模拟和优化，但未讨论移 动对象的移动方式，以及路网表示方式和索引研究需求等。 车辆模拟生成器【2 2 ，2 3 ，2 5 】主要利用计算机实现对现实世界车辆的仿真。该 类技术又存在两种研究方式： ( 1 ) 一种是基于平面道路网上的直观车辆生成，这类方法主要通过输入参 数，搭建道路网模型，其后在道路上按照设置的参数进行车辆仿真，输出车辆轨 迹： ( 2 ) 另一种是采用智能学习的方式，从现实世界中采样轨迹样本，通过自学 习生成车辆轨迹。 这些技术虽然避免了传感器技术所面临的成本高、周期长等问题，仍然存在 交通状况理想化、交通环境过于人为化，同时，仿真过程中难以再人为参与设置 参数改变车辆状态等问题。 综上所述，本论文的研究目标为：设计个统一的可控制的平台，为时空索 引提供合理的数据，这些数据包括真实数据和人工生成数据，同时还包括各种交 通状态信息。对基于道路网时空索引进行各种测试，旨在克服以上两类数据生成 6 河海大学硕士论文第一章绪论 方法在获得测试数据中存在的数据获取成本高，数据单一、不客观等闯题。 1 3 本文的主要工作 从上一节中对现存交通数据采集获取技术的比较中可以看出，浮动车交通信 息采集实时性强、覆盖范围大，很好地弥补了现有交通信息采集方式的不足。它 在路段平均速度、行程时间信息采集的准确性和实时性上都远优于线圈、微波等 固定点检测方式。而直接采用浮动车数据会带来测试情况单一、数据无法控制、 数据量少、无法对数据进行直观认识等问题。因此，本文提出采用以历史浮动车 数据为主，同时兼顾人工数据生成器，提供用户控制功能，对交通情况进行模拟， 生成特定需求的实际数据或者人工数据对时空索引测试数据，同时获得相应的交 通信息统计数据。 从时空索引研究的需求出发，本文主要研究并实现对时空数据进行管理和预 测的统一的、可控制的、多类型的测试和比较环境，通过定义动态交通环境，实 现平台下车辆多种轨迹模型的模拟，同时探讨不同更新时间对车辆模拟、交通环 境模拟的影响和解决方案，为道路网时空索引测试提供准确、可靠的测试用例和 试验比较数据。本文的主要研究成果包括： ( 1 ) 提出面向时空索引测试的城市动态交通模拟环境，并对交通环境进行描 述，包括：动态交通网各个实体属性、操作、相互关系等方面，为车辆模拟提供 完整交通环境，同时为各类相关研究提供数据接口； ( 2 ) 归纳时空索引的车辆轨迹数据模型，分别设计它们在模拟过程中的表示 方式； ( 3 ) 根据交通环境各个元素，设计对应的u m l 静态结构模型，设计交通环 境各元素以及车辆、车辆轨迹的管理方式，对各种元素合理有效的进行管理： ( 4 ) 设计了以浮动车数据为主，集合人工生成数据的交通模拟平台。据讨论 用户对模拟环境的控制。通过用户交互界面，获得历史浮动车数据集或者人工生 成数据集；通过更新时间设置，获得相同情况下不同更新策略的模拟方式；通过 用户预先设置好的交通状态，结合车辆模拟过程，计算相关交通参数，获得交通 信息；另外平台提供自动化图形分析，为用户研究轨迹趋势、交通趋势、误差分 析提供自动化生成接口及统一图形界面； ( 5 ) 通过对时空索引测试数据的需求，为时空索引测试的各种功能和参数比 较提供多样化数据：道路网数据、交通网数据、车辆数据、轨迹数据、交通信息 数据等。 7 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 4 本文的组织 本文围绕如何为基于空间的时空索引提供测试数据展开研究。通过分析，设 计动态交通网模型，研究模拟平台下如何获得各类型轨迹数据、交通状态、测试 用例，首次提出浮动车数据和人工数据联合作为原始数据来进行交通环境的模 拟，获得时空索引所需要的测试数据，然后，对测试参数和测试数据进行规格化 处理，为道路网时空索引测试提供准确、可靠、高效的测试用例和交通信息。 论文的组织方式如下： 第一章绪论部分阐述本课题的研究背景，分析了国内外相关研究状况，包括 时空索引特点与时空索引测试研究现状，交通模拟平台研究现状；对各类仿真技 术和时空数据生成器进行了分析和评价，总结了现有模型的优缺点，以此为基础 分析直接采用此类平台作为时空索引测试平台存在的问题，同时提出本论文主要 工作为各类时空索引测试提供统一的、可控制的时空索引测试数据。 第二章首先对浮动车系统的数据结构、应用领域等方面进行分析，以此分析 浮动车数据的主要功能，将他们拓展到本平台中；其次对现有数据模型进行分析， 主要包括层次数据模型、网状数据模型、关系数据模型、面向对象数据模型，通 过分析各类模型的优缺点，结合城市交通网特点，探讨城市动态交通模拟平台的 数据表示方式，这些数据包括：道路网、交通规则、交通状态、车辆轨迹等数据。 第三章设计出面向时空索引测试的城市动态交通模拟平台的框架，该平台分 为四个部分一数据建模、数据管理、数据模拟、数据输出；同时讨论了数据建 模以及数据管理部分，数据建模部分负责对交通环境、车辆轨迹的描述，而数据 管理主要讨论数据模型以及对应的数据库存储结构。 第四章主要研究模拟平台的主要功能，包括车辆模拟、交通模拟、数据输出 三部分。车辆模拟部分通过用户自制个性化数据、更新时间、交通状态，分别讨 论历史浮动车再现模拟，人工车辆模拟技术。最后，讨论了模拟过程中交通信息 的计算和交通状态的认知。 第五章对平台运行效率、数据管理效率以及数据生成的准确性进行分析和验 证。 第六章给出总结与展望。 河海大学硕士论文第二章相关技术研究 第二章相关技术研究 本文拟采用历史浮动车数据作为模拟数据源，即将获得的历史数据作为车辆 轨迹数据源，根据时空索引测试需求，定制相关数据，其中包括道路网数据( 如 道路拓扑结构) 、交通信息数据( 如交通规则) 、交通数据( 如车辆模拟过程中的路 段车辆平均速度) 、车辆模拟信息( 如不同更新间隔下车辆位置、车辆轨迹) 等信息。 可以看出，平台在进行车辆模拟前，需要解决两方面的问题：道路交通网描述问 题以及轨迹描述问题。通过对道路交通网的描述，可以获得详尽的道路交通信息， 如道路点、路段等的拓扑关系，交通代价、路段约束、路口约束、转弯约束等道 路、交通信息，通过轨迹的描述，可以获得车辆的位置信息、速度信息等。下面 介绍传统浮动车系统的应用以及传统道路网建模方式，从中获得启示。 2 1 浮动车相关研究 浮动车( f l o a 廿n gc 叫是指安装有定位和无线通信装置的普通车辆( 如出租车、 公交车、警车等) ，这种车辆能够与交通信息中心进行信息交换。而浮动车系统 是指通过交通流中一定比例的浮动车辆与交通信息中心实时交换数据的一种新 型交通信息采集系统【2 7 】。本节将给出浮动车系统的直观描述，介绍浮动车系统 的特点，另外，给出传统浮动车的移动语义描述，为本平台对浮动车数据模拟提 供借鉴。 2 1 1 浮动车系统描述 一个完整的浮动车系统 2 8 通常由三个部分组成( 如图2 1 ) ：( 1 ) 车辆；( 2 ) 一 种车辆定位技术( 如g p s 、电子标签、移动电话等) ；( 3 ) 实现车辆和交通信息中心 之间数据传输的通信系统。 浮动车系统之所以得到重视，主要原因在于浮动车系统有别于传统固定检测 方法的突出特点： ( 1 ) 覆盖面广。传统的检测器都是安装在固定地点，只能检测到一个断面的 交通流信息，而浮动车是“流动的”，几乎可以采集到城市道路网各个部分的信息， 采集范围不再仅仅是点、线，而是面【2 9 。 ( 2 ) 投资省。各种安装有定位和无线通信装置的车辆均可作为浮动车使用。 这些车辆通常都是隶属于出租、公交、公安调度系统的出租车、公交车、警车， 9 河海大学硕士论文 第二章相关技术研究 以及部分安装有导航设备的私家车( 参见图2 1 ) 。浮动车系统只是利用现有的设 备，将其回传的车辆定位数据存储、融合、处理，得到有用的交通信息，因此浮 动车系统通常结合调度和诱导系统建设，大大节省了投资。相比之下，要覆盖同 样的范围，使用传统固定检测器要投资巨大。 ( 3 ) 采集数据多样、准确【3 0 。浮动车系统采集的路段平均车速、旅行时间 对于了解道路运行状况、分析拥堵原因、提供交通诱导服务等都是非常关键的参 数，这些参数的计算涉及的算法相对于传统检测方法要简单，结果更精确，可靠。 浮动车系统直接产生基于o d 的数据，解决了部分交通规划的数据来源，从而可 节省大量的居民出行调查费用。另外浮动车作为实时路网交通状况的“指示器” 可以帮助交通管理者更及时地发现交通事故，拥堵的形成与消散。 猡5 ：麓 少曩、j r 一一，一芦。 r e l e s s， c o m f b u n j c a 【i o 打n e t 图2 1 浮动车系统 2 1 2 浮动车移动语义描述 通常情况下，在浮动车系统中，移动对象( 即车辆) 的体积等外观因素在交通 管理系统中无影响，可将各种车辆视为点对象处理 3 1 】，移动对象轨迹则可以描 述为如图2 2 所示拓扑形状，轨迹被分布在三维拓扑空间中，其中a ) 图中的实线 表示一个移动点的运行方式表现图，由空间轴( x ，y ) 和时间轴( t ) 组成的三维空间 表示，另外，虚线表示该三维轨迹曲线在二维空间中的投影，该类轨迹模型对应 的主要数据结构为t r a j e c t o r y ( v e h i c l ei d ，t i m e ，x ，y ，s p e e d ，d i r a n g l e ，s e g m e n t ) ，即 车辆唯一标识符、记录时刻、车辆当前时刻位置( x ，y ) 、车辆当前速度、速度方 向以及车辆所在路段。由于车辆轨迹记录方式采用三维属性记录。 l o 乞一 ，、一 ；0、荭一 弘誓每 河海大学硕士论文第二章相关技术研究 为了记录车辆的移动轨迹，需要一个连续的位置确定技术，然而在现实世界 中，g p s 以及无限通讯技术仅能够获得固定时间间隔的车辆位置数据( 即轨迹数 据的抽样集合) ，然后插值这些样本集，则可获得该移动对象的运动轨迹。与多 项式样条拟合相比，插值法中最简单高效的方法就是利用线性差值法【3 2 】。抽样 点作为线形路段的端点，这样，移动对象的轨迹则表示为三维空间的折线。另外， b ) 图中的实线显示了一个有限时空空间中多条空间轨迹随时问变化过程中的表 示方式。这样的轨迹表示方式可以获得移动对象的诸如：移动对象的移动速度、 车辆当前的移动方向、车辆所在区域状况、行使距离、行使时间等数据。 l 匕 a ) 单轨迹b ) 多轨迹 图2 2 移动对象轨迹表示方式 当浮动车在路段上行驶时，来自路网纵剖面的交通流数据将被收集，这样可 以直接和方便地获得可靠而准确的车辆行驶速度、路段行程时间等参数。这样， 可以较为便捷的获得基本交通信息。 2 1 3 小结与启示 由以上叙述可以看出，基于c 国s 的浮动车交通信息采集技术，通过采集车辆坐 标、速度、时间等信息，获得车辆状态以及相应交通状况，避免了传统交通检测 方法的高投入、监测范围有限和实时性差等缺点，即可以显著的降低成本，又能 有效地利用现有车辆的运行状况，获取较为准确的道路交通信息。 当前浮动车数据主要应用在智能交通方面，很少研究如何将浮动车数据引入 时空索引测试，利用时空索引对交通状况进行分析，从而获得有说服力的决策， 控制和引导交通。为了获得真实数据，本课题希望获得真实道路网车辆数据作为 时空索引测试数据。本课题希望通过基于交通网的模拟平台，提供各种交通参数 信息，如：车速、车辆所在路段、路段占有率、车流量、车流密度、所在十字路 口数等，对时空索引各方面提供有效、全面、完整的测试数据。 浮动车数据主要是在交通网络上进行受限运动的车辆轨迹数据，由于浮动车 数据是来源于现实世界的车辆轨迹数据，用该数据对时空索引进行测试可以体现 时空索引对真实数据的索引情况。另外，传统的浮动车数据主要是三维空间数据， 河海大学硕士论文第二章相关技术研究 即二维空间轴加上时间轴。而平台的目的是为多种时空索引提供移动车辆数据， 不同的索引技术因数据结构不同可能会需要不同的移动数据，因此，本文考虑如 何拓展移动物体数据模型，为时空索引提供多种形式移动数据。作者将在第三章 中对时空索引的车辆轨迹数据结构进行归纳，从而对他们进行模拟，为时空索引 测试提供多种移动数据源。 2 2 交通网数据模型相关研究 本文主要目的是为了空间索引测试提供数据，主要通过定制规则，对真实浮 动车数据或者人工生成数据进行交通模拟，以此获得各种数据( 道路、交通、轨 迹等数据) 。物体在道路网上的运动是一种受限运动，事实上，道路网上的物体 是沿着道路网的路段来移动的。因此，需要对道路网模型进行一些分析和研究， 以便有效地对道路交通网进行定义。交通网模型作为智能交通系统研究中的一个 重点，能有效地将现实世界的道路结构抽象成计算机所能识别的数据模型。现存 的数据模型是指层次模型、网状、关系、面向对象等数据模型，下面本文主要对 这几种数据模型【3 3 3 5 】和一个典型的移动对象交通网数据模型m o d t n ( m o v i n go b j e c t s0 nd y n a i i l i ct r a j l s p o r k 以o nn e 似o r k ) 【3 7 】进行分析，为第三章城市 动态交通网模型的定义提供研究基础。 2 2 1 层次数据模型 层次数据模型 。 络 图2 3 实体e 的空要素 层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映 数据之间的隶属关系。层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较成熟的一 种数据模型。它的特点是地理数据组织成有向有序的树结构，也叫树形结构。结 河海大学硕士论文 第二章相关技术研究 构中的结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据阋的从属关系( 一对多的 关系) 。由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根的结点；其余 结点有且仅有一个双亲结点，它们可分为m ( i 眩0 ) 个互不相交的有限集，其中每 一个集合本身又是一棵树，将其称为子树。 假设有一个地理实体e 及其空间要素如图2 3 所示，图2 4 是图2 3 所示空 间关系所构成的层次模型。这是一棵有向有序树，结点表示不同层次的地理要素， 连线描述地理要素之间的从属关系。结点从属于( 构成) 有向边，有向边从属于( 构 成) 多边形，多边形从属于( 构成) 实体e 。 图2 4 层次模型 二、层次模型用于交通网模型的局限性 层次模型反映了地理世界中实体之间的层次关系，在描述地理世界中自然的 层次结构关系时简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。若直 接使用该模型描述城市动态交通网数据模型，会存在如下问题： ( 1 ) 很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存 储上的冗余； ( 2 ) 对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询 效率很低，很难进行反向查询； ( 3 ) 数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂， 父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除； ( 4 ) 层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操 纵命令中显式地给出数据的存取路径； ( 5 ) 基本不具备演绎功能和操作代数基础。 2 2 2 网状数据模型 一、网状数据模型 河海大学硕士论文第二章相关技术研究 网状模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不 同结点数据间的联系。这种数据模型的基本特征是，结点数据之间没有明确的从 属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任 何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。图2 3 所示实体e 及其 空间要素的网状模型如图2 5 所示。 图2 5 网状模型 二、网状数据模型用于交通网模型的局限性 网状模型是层次模型的一般形式，反映了地理世界中常见的多对多关系，在 一定程度上支持数据的重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率 较高。若直接使用该模型描述城市动态交通网数据模型，会存在如下问题： ( 1 ) 由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数 据的逻辑结构，知道自己所处的位置； ( 2 ) 网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题； ( 3 ) 不直接支持对于层次结构的表达： ( 4 ) 基本不具备演绎功能和操作代数基础。 2 2 3 关系数据模型 一、关系数据模型 关系模型是i b m 公司的e f c o d d 提出来的。他从1 9 7 0 年起发表了多篇关于 关系模型的论文，奠定了关系数据库的理论基础。由于关系数据库结构简单，操 作方便，有坚实的理论基础，所以发展很快，8 0 年代以后推出的数据库管理系 统几乎都是关系型的。 关系模型可以简单、灵活地表示各种实体及其关系，其数据描述具有较强的 一致性和独立性。在关系数据库系统中，对数据的操作是通过关系代数实现的， 1 4 河海大学硕士论文第二章相关技术研究 具有严格的数学基础。地理实体e 与空间要素则可以用关系模型表示如图2 6 所 刁o 实体一多边形关系 实体多边形 e p l e p 2 多边形- 弧段关系 多边形弧段l弧段2弧段3 p l abe p 2 ecd 弧段一结点关系 弧段结点l结点2 a v lv 2 b 踢v 3 c v 3 均 d v 1 e 以 v 3 图2 6 关系模型 二、关系数据模型用于交通网模型的局限性 关系模型表示各种地理实体及其间的关系，方式简单、灵活，支持数据重构； 具有严格的数学基础，并与一阶逻辑理论密切相关，具有一定的演绎功能；关系 操作和关系演算具有非过程式特点。尽管如此，若直接使用该模型描述城市动态 交通网数据模型，主要问题是： ( 1 ) 无法递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复