（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于arcgis的动态最优路径诱导方法研究与仿真实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 智能交通系统( i t s ) 是目前公认的解决城市交通拥挤、改善行车安全、 提高运行效率、减少空气污染等问题的最佳途径，也是全世界交通运输领域 研究的前沿课题。动态路径诱导系统( d r g s ) 作为智能交通系统的重要组成 部分，对解决目前拥挤的交通问题有着重要的意义。 本文针对目前动态路径诱导系统中存在的问题，利用w e b 服务、a r c g i s 组件、n e t 框架等技术，进行了基于a r c g i s 的动态路径诱导关键问题的探 讨和研究，并开发实现了动态路径诱导仿真系统。 本文的主要研究内容如下： 1 在研究a r c g i s 系列软件和n e t 框架的基础上，设计了基于a r c g i s 的动态路径诱导系统方案和总体框架，并对系统采用的方法、技术进行 了分析和研究。 2 针对动态路径诱导系统中道路权重难以实时预测的问题，利用用户所 反馈的车辆信息( 如位置、速度、方向等) 对路段的交通状况( 如平均 行驶速度、平均行驶时间等) 进行预测。并运用数理统计理论计算在满 足预测精度条件下的最少反馈车辆数。 3 在分析a r c g i s 网络模型的基础上，结合城市道路交通网络的特点， 设计了能够描述城市交通禁则( 禁止直行、禁止左转、禁止调头等) 的 道路交通网络模型。利用该模型对传统的d i j k s t r a 算法进行了改进，解决 了在城市交通禁则条件下进行最优路径诱导的问题，并编程实现了算法。 4 根据仿真系统的总体设计，以a r c g i s 系列软件为二次开发平台，采 用v b n e t 开发语言，模拟实现了系统的主要功能，验证了最优路径诱 导优化算法以及系统方案的可行性。 关键词：i t s ；d r g s ；a r c g i s ；n e t 框架；c o m g i s , w e b 服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i s an e wr e s e a r c ht o p i ci n t h et r a f f i cf i e l da n da c k n o w l e d g e da st h eo p t i m a la p p r o a c ht od e a lw i t hm a n y i s s u e s ，i n c l u d i n gs o l v i n gp r o b l e m o ft r a n s p o r t a t i o n c r o w d ，i n c r e a s i n g t h e t r a n s p o r t a t i o ns e c u r i t y ，e n h a n c i n gt h et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y ，a n da b a t i n gt h ea i r p o l l u t i o ne t e t h ed y n a m i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ( d r g s ) ，a sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m , i sc r u c i a l t oa m e l i o r a t et h e t r a n s p o r t a t i o nc r o w dt o d a y a i m i n ga tt h ep r o b l e m so fd y n a m i cr o u t eg u i d a n c es y s t e mo fn o w a d a y s ，m y t h e s i sh a ss t u d i e da n dd i s c u s s e dt h ep i v o t a lp r o b l e m so fd y n a m i cr o u t eg u i d a n c e s y s t e mb a s e do na r c g i s ，w i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e ss u c ha sw e bs e r v i c e s ， a r c g i sc o m p o n e n t s ，n e tf r a m e w o r ke t c f i n a l l y ，i th a sr e a l i z e dd r g s t h em a i nc o n t e n t so f m yt h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h eo v e r a l lp r o j e e ta n df r a m e w o r ko fd r g sb a s e do na r c g i ss o f t w a r e a n d n e tf r a m e w o r ki sd e s i g n e d m e a n w h i l e ，i t sm e t h o d sa n dt e c h n o l c g i e sa r e a n a l y z e da n ds t u d i e d 2 a st h em a dw e i g h t si sd i 伍c u l tt ob ef o r e c a s t e di nd r g s w ec a l lu s et h e f e e d b a c ki n f o r m a t i o nf r o mu s e r s ( s u c h 鹋l o c a t i o n ，v e l o c i t y ，d i r e c t i o ne t o ) t od o p e o u tt h et r a n s p o r t a t i o ns t a t u so ft h er o a d ( s u c ha sa v e r a g es p e e da n da v e r a g et i m e c t c ) b yu s i n gt h et h e o r i e so fs u t t i s t i e s ，t h el e a s tf e e d i n gb a c kv e h i c l ec o u n t sc a n b ee s t i m a t e dw h e ni tm e e t st h ec o n d i t i o n so f p r e c i s i o no f p r e d i c t i o n 3 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nt r a f f i cn e t w o r k , t h en e w t r a f f i c n e t w o r km o d e li sd e s i g n e dt od e s c r i b eu r b a nt 阻m cc o n f i n er u l e ( s u c ha s p r o h i b i t i n gn m n i n gs t r a i g h t l y ，p r o h i b i t i n gt u r n i n gl e f t ，p r o h i b i t i n gt u r n i n ga r o u n d e t c 、o nt h eb a s i so ft h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no fa r c g i s u s i n gt h en e wm o d e l ， t h et r a d i t i o n a ld i j k s t r aa l g o r i t h mi si m p r o v e da n dt h ep r o b l e mo fo p t i m a lr o u t e g u i d a n c ei ss o l v e do nt h ec o n d i t i o n so fu r b a nt l a f 矗cc o n f i n er u l e n l ea l g o r i t h mi s r e a l i z e da tt h es a l n et i m e 4 a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g no fs i m u l a t i v es y s t e m , t h em o s t l ys i m u l a t i v e f u n c t i o n so fs y s t e ma r er e a l i z e db yu s i n gt h ea r c g i sc o m p o n e n t s a n dv b n e t b e s i d e s t h ef e a s i b i l i t i e so fs y s t e mp r o j e c ta n do p t i m a lr o u t ea l g o r i t h ma r ea l s o v a l i d a t e d k e yw o r d s ：i t s ，d r g s ，a r c g i s ，n e tf r a m e w o r k , c o m g i s ，w e bs e r v i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着我国经济的发展，城市交通紧张的状况不断加剧，交通拥挤、道路 阻塞、交通事故现象越来越严重，城市机动车平均时速逐年下降，在某些交 通拥挤路段，机动车的平均车速只有1 0 公里，j 、时，已低于自行车1 2 公里， 小时的行驶速度。由此引起的社会经济损失、环境污染等问题已成为阻碍社 会发展的重要因素。如何最大限度地把“车、路、人”构成的复杂系统进行 优化和协调；如何获取可靠的统计数据并进行汇总处理；以及数据如何直观、 有效地展示进而为交通决策指挥提供依据，这些都是技术方法要解决的问题。 在研究这些问题的过程中，智能交通系统( i t s ) 应运而生。作为一种解 决交通问题的全新方式，其功能主要体现在交通优化控制、管理调度、快速 反应和救援等方面，而这些都离不开相应的路况信息、地理空间信息和对移 动目标位置信息的获取及处理，因此地理信息系统( g i s ) 技术、全球卫星定 位系统( g p s ) 技术、计算机网络技术、通用无线分组业务( g p r s ) 技术 和集群计算技术在智能交通系统中具有很大的市场潜力和广阔的应用前景。 本文针对交通问题的现状，结合g i s 、计算机网络等实用技术，进行基 于a r c g i s 的动态路径诱导问题的探讨与研究，以期为交通问题的解决提供有 益的解决方案。 1 1 智能交通系统( 1t s ) 概述 1 。1 1 智能交通系统的基本概念 智能交通系统( i t s ) 作为一个新概念是在2 0 世纪9 0 年代被提出，但其 思想的萌芽最早要追溯到2 0 世纪3 0 年代。2 0 世纪6 0 年代出现的静态路径 诱导、计算机交通控制技术等都可谓是i t s 的雏形，当时i t s 的重要性还没 有受到人们的高度重视。进入2 0 世纪9 0 年代后，i t s 却以惊人的速度发展， 许多发达国家争先恐后地投入巨资进行i t s 领域的研究与开发。 智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 就是通过 对关键基础理论模型的研究，并将信息技术、通信技术、电子控制技术和系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统综合技术等有效地应用于交通运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的 实时、准确、高效的交通运输系统【”。智能交通系统利用现代科学技术在道路、 车辆和驾驶员( 乘客) 之间建立起智能的联系。借助系统的智能，车辆可以 在道路上安全、自由地行驶，靠智能化手段将车辆运行状态调整到最佳，保 障人、车、路的和谐统一，在极大地提高运输效率的同时，充分保障交通安 全、改善环境质量、提高能源利用率。由于该系统可以使汽车与道路的功能 智能化，是目前国际公认的解决城市以及公路交通拥挤、改善行车安全、提 高运行效率、减少空气污染等的最佳途径，也是全世界交通运输领域研究的 前沿课题1 1 】。 1 。1 2 智能交通系统的研究内容 智能交通系统的研究包括相当广泛的内容，尽管美、日、欧在i t s 研究 方面各有侧重，但从其研究内容来看，主要围绕以下几个方面进行研究：【z 现【4 】 1 ) 先进的交通管理系统( a t m s ，a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n t s y s t e m ) 是一种主动控制的综合交通管理系统，它将对道路系统中的交通状 况、交通事故、气象情况和交通环境进行实时的监视和管理，根据收集到的 信息，对交通进行控制。 2 1 先进的交通信息系统( a t i s ，a d v a n c e dt r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ， 包括无线数据交通信息通道、车载移动电话接收信息系统、路径引导系统及 选择最佳路径的电子地图。它建立在完善的信息网络基础上，交通参与者通 过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输 设备，可以向交通控制中心提供各处的交通信息，系统得到这些信息并通过 处理后，实时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、 交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息。 3 ) 先进的公共交通系统( a p t s ，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 n s y s t e m ) ，包括公共交通车辆定位系统、客运量自动检测系统、行驶信息诱 导系统、自动调度系统、公交计费系统、视野支持系统和旅客服务系统等。 它的主要目的是改善公共交通的效率，提供便捷、经济、运量大的公交系统。 4 ) 先进的车辆控制和安全系统( 肖l v c s s ，a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o la n d s e c u r i t ys y s t e m ) ，是对车辆本身而言的，主要由车辆辅助安全驾驶系统和 自动驾驶系统两部分组成。 5 ) 电子收费系统( e t c ，e l e c t r o n i ct o c o l l e c t i o n ) ，包括电子自动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 收费设备、不停车自动收费系统、停车引导和收费系统。即通过电子卡、电 子标签由计算机自动完成行驶或进出停车场车辆的收费，实现地面交通费用 收缴的自动化，从而减少停车延误，提高运营效率。 6 ) 营运车辆运行管理系统( c v o ，c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n s ) ， 是一个以高速道路网和信息管理系统为基础，利用物流理论进行管理的智能 化物流管理系统。该系统综合利用卫星定位、地理信息系统、物流信息及网 络技术来有效地管理和改善客货汽车、公共汽车企业的行驶技术与设备，并 组织运输，使营运车辆的安全性和生产效率得到提高，使公路系统的所有用 户都能获益于更为安全可靠的公路环境，提高运输效率。 7 ) 紧急事件管理与救援系统( e a m s s ，e m e r g e n t a f f a i rm a n a g e m e n t a n ds u c c o rs y s t e m ) ，是一个特殊的系统，它的基础是a t m s 、a t l s 和有 关的救援机构，通过a t m s 和a t i s 将交通监控中心、交通警察、道路养护 管理机构、职业的救援机构、灾害处置管理中心等联成有机的整体，为道路 使用者提供现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服务。 本文所研究的动态路径诱导系统( d r g s ) 是智能交通系统的重要组成 部分，是先进交通信息系统( a t i s ) 的核心，也是改善城市交通运输状况比 较直接、见效最快的途径之一。所以研究动态路径诱导系统( d r g s ) 对解 决目前拥挤的交通问题有着重要的意义。 1 2 动态路径诱导系统( d r g s ) 的研究现状分析 1 2 1 动态路径诱导系统( d r g s ) 概述 动态路径诱导系统( d r g s ，d y n a m i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 是利 用全球定位系统( g p s ，g i o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、电子交通图( e l e c t r o n i c m a p o ft r a f f i cn e t w o r k ) 、计算机和先进的通信技术，使得车载计算机能够 自动显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况，为驾驶员找到从当前位置 到目的地的最优行驶路线，并协助出行者方便地到达原先没有去过的地方。 使用这种系统，能够有效地防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上的逗留 时间，并最终实现交通流量在网络中各路段上的最优分配1 1 l 。 通常情况下，动态路径诱导系统由以下三个部分构成：( 1 ) 交通信息监 控中心，交通信息监控中心是动态路径诱导系统的主控中心，主要功能是从 各种信息源获得实时的交通信息，进一步处理并产生要发布的交通数据；( 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 通信系统，负责完成车辆和交通信息中心的数据交换。( 3 ) 车载诱导单元， 车载诱导设备主要由计算机、通信设备和车辆定位设备组成。 动态路径诱导系统按照路径引导计算在车载单元还是在交通信息控制中 心，可分为两大类“j ： 1 ) 中心式的动态路径诱导系统c d r g s ( c e n t r a i i yd y n a m i cr o u t eg u i d a n c e s y s t e m ) 中心式动态诱导系统具有中心电子地图数据库，该数据库可以通过车辆报 告、环形探测器、红外设备、无线网络通信等技术提供的交通信息进行实时 更新。该诱导系统依靠多车辆( 系统范围内) 路径规划模块以实时交通信息 引导行驶在路上的车辆。多车辆路径规划模块在道路网络中计算每一种可能 ( 或选择的) o d 对的最优或近似最优路线，计算方式基本上有两种，即一 有请求就计算和定期的计算。前者为发出请求的每位驾驶者按其提供的o d 对进行计算：后者定期对指定区域内的所有( 或选择的) 的o d 对进行计算。 中心式动态路径诱导系统可细分为两类：( 1 ) b c d r g 8 ( b r o a d c a s t t v p e c d r g s ) ，即广播类的中心式动态路径诱导系统。 ( 2 ) i - c d r g s ( i n t e r a c t i v e t y p e c d r g s ) ，即交互类的中心式动态路径诱导系统。中心式 动态路径诱导系统的功能框图如图1 1 所示。 图卜lc d r g s 功能框图 2 ) 分布式的动态路径诱导系统 g u i d a n c es y s t e m ) 图卜2d d r g s 功能框图 d d r g s ( d i s t r i b u t e do y n a m i cr o u c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 分布式动态路径诱导系统是依靠车载模块接收到的实时交通信息完成路 径优化和引导，其与c d r g s 所不同的是，路径优化与引导由各车辆单独负 责。其功能结构图如图1 2 所示。 1 2 2d r g s 的研究现状 1 ) d r g s 国外研究现状 动态路径诱导系统的研究在发达国家起步比较早，并取得了一些比较有 影响的成果。特别是美国、德国和日本已经开发出了各具特点的诱导系统的 雏形。目前，研究开发比较成功的有美国的t r a v t e k 系统、德国的a i i - s c o u t 系统和日本的导航系统等【”_ f 1 。 日本1 9 7 3 年就开始了动态路径诱导系统的研究，在c a c s ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l et r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ) 项目的开展中进行了基 于r f 射频通信豹车载动态路径诱导系统的开发实验，结果证明该系统可以减 少1 3 的行程时间。在1 9 9 0 年开始的v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) 项目在日本建立了世界上第一个进行交通信息服 务的通信系统。目前，高档的v i c s 车载接收机结合了差分g p s 和f m 调频 幅载波接收功能，可以进行车辆导航和路径诱导。日本目前正在部署一种与 v i c s 兼容的城市交通管理系统u t m s ( u r b a nt r a f f i cm a n a g e m e n t s y s t e m s ) ，它与v i c s 相兼容，利用红外信标进行路段行程时间的采集。 u t m s 由5 个子系统组成，其中的动态路径诱导系统是一种交互类型的中心 决定式的路径诱导系统，它使用来自于多个信息源的实时交通信息和行程时 间数据进行中心决定式的路径诱导。 欧洲的d r g s 研究开始是基于红外信标通信展开的，德国和英国分别在 8 0 年代末期开发出了用于示范的基于红外信标进行通信的d r g s ：l i s b 系 统和a u t og u i d e 系统，二者都是利用历史数据进行诱导。进入9 0 年代，德 国西门子公司基于l i s b 开发的e u r o s c o u t 系统( 在美国称为a l i - s c o u t ，是 一种b c d r g s ) 得到一定的应用，但是缺点是需要大量投资用于安装路边的 红外信标。目前，德国的s t o r m 项目致力于开发双模式的路径诱导系统 ( d u a lm o d er o u t eg u i d a n c es y s t e m ) ，即在安装红外信标的区域开发基 于红外信标的路径诱导，同时在广域内开发基于r d s t m c ( r a d i od a t a s y s t e m t r a f f i cm e s s a g ec h a n n e l ) 交通广播的路径诱导。 9 0 年代后，美国开始展开i t s 研究工作，并先后进行了p a t 晰n d e r 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 t r a v t e k 、a d v a n c e 、s e i f t 等以动态路径诱导系统为主要内容的现场运营 实验。t r a v t e k 系统实现的路径诱导是基于拥挤和事故等实时交通条件进行 的，适用于对该地区不熟悉的旅行者使用；在美国芝加哥进行的a d v a n c e 项目( 1 9 9 1 7 1 9 9 6 1 2 ) 的研究为动态路径诱导系统建立了系统性的研究基 础，该系统是一种基于实时交通条件( 当前路段行程时间) 的分布式路径诱 导系统，车辆定位主要采用差分g p s ，在g p s 处于盲区时辅以基于车轮速 度和方向传感器的航位推算法进行定位。目前，美国投入使用的m a y d a y 系 统可以是用户通过连续保持与服务中心的无线通信联系自动报告车辆自身的 位置，在必要时可以获得紧急帮助。 2 ) d r g s 国内研究现状 我国对动态路径诱导系统的研究起步较晚，目前处于对定位系统、电子 地图、双向通信等问题的研究阶段，国内从事这方面研究的高校有：同济大 学、哈尔滨工业大学、清华大学等【3 】。同济大学和上海交警总队于1 9 9 5 年合 作完成的多段接力式动态标志路线引导系统，通过可变标牌和交通广播电台 实现路径诱导。哈尔滨工业大学运用g p s 和集群通信系统设计的实验性指挥 调度系统，适合于公安、消防、电力和特殊交通集团作分组调度使用。由清 华大学、北京人民广播电台和中科院遥感所共同研制的广播调频幅载波车辆 导航系统，利用调频广播传送差分g p s 信号，供车载接收机修正自身位置， 该系统目前只能提供车辆定位功能和静态地理信息。由吉林工业大学带头开 发的城市交通流诱导系统u t f g s ( u r b a nt r a f f i cf l o wg u i d a n c es y s t e m ) 是中国的第一个动态路径诱导系统研究项目，u t f g s 根据我国混合交通的实 际特点，以城市交通面控系统资源为依托，是一种基于实时交通信息的分布 式动态路径诱导系统。 综上所述，我国对动态路径诱导系统的研究和应用大部分是以无线电广 播为基础的初级诱导手段，基于g p s 、集群通信、可变标牌的诱导系统正处 于研究和试验阶段，而比较全面的动态路径诱导系统的研究成果尚未见报道。 1 2 3d r g s 存在的问题 从以上研究现状可以看出，目前我国动态路径诱导系统的研究还处于理 论研究阶段，存在以下问题，有待解决： 大部分投入使用的交通诱导系统还处于静态交通诱导阶段，不能提供 实时的动态交通信息，而且数据的更新存在较大的困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 系统所提供定位的电子地图数据是静态的，没有真正反映当前的道路 交通状况。即使能够进行最优路径的选择，也不能指导出行者在最优 的条件下到达目的地。 目前，动态诱导系统的交通路况信息大部分是通过在关键路段或交叉 口处安装红外信标等探测设备来收集该路段的交通状况，再传输给交 通监控中心。该方法投资大，且只能为主要路段提供交通状况信息。 我国对动态路径诱导系统的应用大部分是以无线电广播为基础的初 级诱导。但随着计算机网络技术的发展，以g p r s 、c d m a 等无线通 信为基础的i n t e r n e t 交互式动态诱导系统的实现成为可能。 1 3 论文的研究意义 改革开放以来，我国城市进程不断加快，城市化水平已经从改革开放之 初的不足1 9 发展到目前的超过3 0 ，预计2 0 1 0 年将接近5 0 。在此过程 中，城市的数量和规模不断扩大，已经出现了北京、上海等人口数量超过1 0 0 0 万人的特大型城市，带来了城市交通需求特别是机动车数量的快速增长，城 市交通压力不断加大。如何改善城市交通状况，成为摆在各级政府面前的一 道难题。受城市建设用地规模限制，单纯依靠增加道路面积来解决城市交通 问题十分有限，而智能交通( i t s ) 则为我们提供了新的思路和解决方案【5 】。 动态路径诱导系统是智能交通的重要组成部分，所以研究动态路径诱导 系统有着重要的意义： 1 ) 提高路网通行能力，减少交通拥堵 在诱导系统中，公众可以通过网络信息终端获取所需信息，选取合适的 交通工具和出行路线，以避开交通高峰期。机动车驾驶员则利用导航系统， 接收前方交通状况信息，根据引导信息选择行车路线，避开交通繁忙的路段， 从而大幅度提高路网使用效率和安全性。 2 ) 减少交通污染 使用燃油发动机的机动车排出大量废物，对城市环境造成极大破坏。诱 导系统的应用提高了路网通行能力，减少了机动车占用道路时间，从而减少 了对环境的污染。 3 ) 提高交通管理水平 通过诱导系统为用户提供实时、准确、高效的交通信息服务，基础建设 与管理部门、货客运部门、交管部门、普通消费者和相应团体等将会做出科 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 学的判断并采取相应措施，从而最终实现减少交通事故，提高路网通行能力 和效率，降低环境负面影响。 1 4 论文的主要研究内容及组织结构 根据对国内外现状的分析可以看出，我国对动态诱导系统的研究大多数 都停留在理论研究和实验阶段。本文从最新的g i s 技术入手，以c o m g i s 和 w e b g i s 为理论基础，通过使用a r c g i s 系列地理信息软件开发平台和n e t 编程技术，对动态路径诱导系统的关键性技术进行研究。本文的主要研究内 容如下： 1 ) 在系统研究a r c g l s 系列软件和n e t 框架的基础上，设计基于a r c g i s 的 最优路径诱导方案，并以m i c r o s o f ts q ls e r v e r 和a r c g i ss d e 为空间 数据库管理平台，进行交通地理数据库的设计。 2 ) 研究动态路径诱导系统中道路权重的预测方法，利用用户所反馈的车辆信 息( 位置、速度、方向等) 作为主要实时路况信息，预测路段的阻抗权重 ( 平均行驶速度、平均行驶时间等) 。并运用数理统计理论估计在满足预 测精度条件下的最少反馈车辆数。 3 ) 在分析a r c g i s 网络结构的基础上，设计基于a r c g i s 网络结构的道路网 络模型，并对传统的d i j k s t r a 算法进行优化，使之能够处理复杂的城市 交通禁则，最大限度地满足用户的需求。 4 ) 以a r c g i s 系列软件为二次开发平台，v b n e t 为开发语言，利用系列 的计算机技术( 如s o a p 、w e b 服务、c o m 等) ，模拟实现仿真系统的 主要功能，以验证系统的可行性。 全文的结构如下： 第1 章是绪论，主要介绍了智能交通系统和动态路径诱导系统的概念、 内容以及研究现状，对目前动态路径诱导系统所存在的问题进行了总结，进 而讨论了本文的研究意义，对本文主要研究内容进行了阐述。 第2 章是对基于a r c g i s 动态路径诱导方案的分析与设计，首先设计了以 a r c g i s 系列软件为地理信息平台，n e t 为开发框架的中心式路径诱导系统方 案；然后分别对a r c g i s 系列软件和n e t 框架进行了简要介绍；再次对中心式 动态路径诱导方案进行了详细分析；最后对基于# , r e g i s 的中心式动态路径诱 导方案和总体框架进行了详细设计。 第3 章是对动态路径诱导系统道路权重算法的研究，主要介绍了利用用 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 户车辆反馈的信息来分析路段权重的方法，着重研究了满足平均速度估计精 度和满足平均行程时间估计精度条件下，路段的最少用户反馈车辆样本数量 的确定；还简要分析了非拥挤路段行程时间模型和交叉口延误模型；最后给 出了道路权重的计算公式。 第4 章是对最优路径诱导优化算法的分析与实现，首先详细讨论了基于 a r c g i s 的道路网络模型原理和组织结构；然后论述了经典最优路径算法的原 理和不足之处：最后设计了基于a r c g i s 道路网络结构的d i j k s t r a 算法的优 化算法并实现。 第5 章是对仿真系统主要功能的实现，首先设计了基于a r c g i s 的动态路 径诱导仿真系统的总体框架，并对各子系统的主要功能作了简单论述；然后分 别详细论述了各子系统的主要功能实现过程和所应用的主要技术，并验证了 系统实现的可行性。 结论部分是对本文研究的总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章基于a r c g is 的动态路径诱导方案分析与设计 目前，我国所设计的动态路径诱导方案大部分以分布式动态路径诱导系 统( d d i t g s ) 为主，其主要考虑到该类系统的监控中心任务比较轻，系统的 通信设施不需要太复杂，系统见效时间短等优点；但它的车载单元比较复杂， 用户成本很高，而且很难实现实时动态诱导等缺点制约了它的发展。相比之 下，中心式动态诱导系统( c d r g s ) 虽然初期系统建设投入成本较高，但其 车载单元相对简单，成本低，容易普及。此外中心式动态路径诱导系统还有 如下特点： 1 ) c d r g s 从系统角度出发计算最短路径，可以更简单地避免b r a e s s 矛 盾效应，提高系统效率，使路网被更充分利用。所谓b r a e s s 矛盾效应 是指如果被诱导的车辆都收到相同的交通信息，它们会被派遣到相同 的、以前不拥挤的道路，这条道路可能很快变得拥挤交通甚至更糟， 这种现象称为b r a c s s 矛盾效应l l j 。 2 ) c d r g s 有简单的车载单元，而且能被控制中心有效控制。 3 ) c d r g s 由稳定且功能强大的主机进行基于系统最优及某种最短路径 准则的路径规划，它可以使整个交通网络达到最优分配，从而缓解交 通拥挤状况。 4 ) c d r g s 使得车内装置花费最小。虽然在初建时基础设施投资较大， 但是此问题会随着经济的发展逐步得到解决。 鉴于c d r g s 以上特点，本章主要以a r c g i s 系列软件为地理信息平台， 以n e t 框架为开发工具，分析和设计基于a r c g i s 的c d r g s 系统解决方案。 2 。1a r c g ls 简介 2 1 1a r c 6 i s 概述 地理信息系统( g i s ) 是由计算机硬件、软件和不同方法组成的，具有支 持空间数据的获取、管理、分析、建模和显示功能，并可解决复杂的规划和 管理问题的信息系统【1 0 1 。 a r e g i s 系列软件是由美国环境系统研究所公司( e s r i ，e n v i r o m e n t a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 s y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 所开发的地理信息系统平台。a r c g i s 是一个完整 的地理信息系统软件产品家族，其软件产品构成了一个完整的o i s 。它基于 一个称为a r e o b j e c t s 的共享g i s 软件组件公共库。a r c o b j e c t s 是独立于平台 的组件集，用c + + 编写的，提供支持桌面系统肥客户端和瘦客户端应用以及 服务器应用等开发服务。a r c g i s 系列软件主要分为四部分“”1 ： 1 ) a r c g i s d e s k t o p 一一个专业g i s 应用的完整套件； 2 ) a r c g i se n 西n e 一一为定制开发g i s 应用的嵌入式开发组件； 3 ) 服务器g i s 主要有a r c i m s 和a r c g i ss e r v e r 两个产品； 4 ) 移动g i s a r c p a d 以及用于平板电脑的a r c g i sd e s k t o p 和e n g i n e 。 2 1 2a r e f i l s 系列软件简介。n 3 1 a r c g i sd e s k t o p 是一系列整合的应用程序的总称，包括a r c c a t a l o g 、 a r c m a p 、a r c g l o b e ，a r c t o o l b o x 等。通过协调一致地调用应用和界面，可以 实现任何从简单到复杂的g i s 任务，包括制图、地理分析、数据编辑、数据 管理、可视化和空间处理等。a r c g i sd e s k t o p 包含以下完整的g i s 功能： 制图和3 d 可视化； 矢量和栅格数据编辑； 空间处理； 在复杂的信息模型和框架下进行地理数据管理； 数据互操作能力； 在事务模式下的数据更新、维护和共享以及工作流管理； g i s 互操作标准，如对o g c 和i s o 的支持； w e b 服务。 a r c g i se n g i n e 是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式g i s 组件库。利 用a r c g i se n g i n e ，开发者能将a r c g i s 功能集成到一些应用软件( 如m i c r o s o f t w o r d 和e x c e l ) 中，还可以为用户提供针对g i s 解决方案的定制应用。a r e g i s e n g i n e 开发包主要包括三个部分： 控件是a r c g i s 用户界面的组成部分，可以在应用程序中使用： 工具条和工具是g i s 工具的集合，应用程序用它来与地图和地理 信息进行交互； 对象库是可编程a r c o b j e c t s 组件集合，包括几何图形、制图、g i s 数据源和g e o d a t a b a s e 等一系列库。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 a r c s d e 是a r e g i s 与关系数据库之间的g i s 通道。它允许用户在多种数 据管理系统中管理地理信息，并使所有的a r c g i s 应用程序都能够使用这些数 据。a r c s d e 是多用户a r c g i s 系统的一个关键部件，它为d b m s 提供了一个 开放的接口，允许a r c g i s 在多种数据库平台上管理地理信息，这些平台包括 o r a c l e 、o r a c l ew i t hs p a t i a l l o c a t o r 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r 、i b md b 2 和 i n f o r m i x 。m c s d e 主要有以下功能： 在多种d b m s 平台上提供高级的、高性能的g i s 数据管理接口； 允许在多种d b m s 中管理地理信息； 支持多用户编辑； 支持海量的空间数据库和任意数量的用户，直至d b m s 的上限； 支持g i s 工作流和长事务处理： 丰富的地理信息数据模型； 提供多层结构的配置方案。 a r e g i ss e r v e r 是一个用于构建集中管理、支持多用户的企业级g i s 应用 的平台。a r e g i ss e r v e r 提供了丰富的g i s 功能： 提供基于浏览器方式访问的g i s 功能； 在整个组织中分发高级的g i sw e b 服务； 用n e t 或者j a v a 来开发客户端应用，满足特定需要； 使用工业标准的软件使g i s 和其他r r 技术相结合： 提供集中管理和多用户编辑功能： 在服务器上集中完成空间分析操作。 使用a r e g i ss e r v e r 可以构建w 曲应用、w e b 服务、以及其他运行在标 准的n e t 和j 2 e ew e b 服务器上的企业应用。a r e g i ss e r v e r 的管理由a r e g i s d e s k t o p 负责，后者可以通过局域网或i n t e m e t 来访问a r c g i ss e r v e r 。 a r c g i ss e r v e r 包含两个主要部件：g i s 服务器和n e t 与j a v a 的w e b 应 用开发框架( a d f ) 。g i s 服务器是a r c o b j e e t s 对象的宿主，供w e b 应用和 企业应用使用：它包含核心的a r c o b j e c t s 库，并为a r c o b j e c t s 能在一个集中 的、共享的服务器中运行提供一个灵活的环境。a d f 允许用户使用运行在g i s 服务器上的a r c o b j e c t s 来构建和部署n e t 或j a v a 的桌面和w e b 应用。使用 a d f 可以快速装配g i s 的n e t a s p 和j a v aj s p 应用程序，因为a d f 包括了 一系列的用户界面工具和w e b 控件，并可以访问所有的a r c o b j e c t s 软件控件。 a r c l m s 是一个通过中心网络门户来发布g i s 地图、数据和元数据的有效 解决方案。使用a r c l m s 构建的g i s 网站允许任意数量的用户通过企业局域 网或i n t e m e t 进行访问。a r c l m s 使网站能够提供g i s 数据、交互式地图、元 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 数据目录以及特定的g i s 应用。 a r c p a d 是用于移动w i n d o w s 设备的移动制图和g i s 技术。a r c p a d 为野外 用户通过手持和移动设备提供数据库访问、制图、g i s 和g p s 的综合应用。 通过a r c p a d 可以实现快速、便捷的数据采集，大大提高了野外数据的可用性 和有效性。 a r c g i s 系列软件之间的关系如图2 1 所示。 a r c g i s9 图2 - 1a r c g i s 系列软件之间的关系 2 2 n e t 框架相关概念简介 2 2 1 n e t 框架概述 m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k ( 玎框架) 是用于生成、部署和运行沮。 w e b 服务和应用程序的多语言环境，主要支持的编程语言有v b n e t 、 c 撑n e t 、c + + n e t 和肼n e t 。利用n e t 平台、产品和服务，可以轻松地建 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 设真正分布式的、协作的新一代w e b 服务，让用户在任何设备、任何