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论文题目：基于w e bg l s 技术的交通流量分析系统的研究 摘要 针对我国公路交通流量调查分析工作比较薄弱，交通流量调查信 息不能很好地满足公路管理需要的现状设计开发出一套基于w e bg i s 的交通流量分析系统。 本文结合当前的交通流量调查分析技术以及w e bg i s 系统的成功 应用，从理论和工程实践的角度对基于w e bg i s 技术的交通流量分析 系统的设计进行了研究。 论文首先论述与系统设计相关的交通流量调查分析理论和技术， 以及当前交通流量调查分析技术的发展趋势，为系统设计提供理论支 持。结合w e bg i s 系统的功能和技术特点论述w e bg i s 在交通流量分 析中的应用。 其次对基于w e bg i s 的交通流量分析系统的设计进行了研究。给 出了系统的体系构架、数据流程以及软件结构。介绍了系统中实时交 通流量数据接受子系统、数据管理子系统、w e bg i s 地图数据发布子 系统和地图处理和数据分析子系统的设计，实现了多功能集成，使系 统具有多维化查询、形象化显示的功能。 最后按照软件工程的思想，分别从体系结构、网络结构、通信流 程、功能模块等几个方面给出了系统的详细设计。 关键字：交通流量分析系统w e bg i s a r ci m s t i t l e ：at r a f f i ca n a l y s i ss y s t e mb a s e do n w e bg i s a b s t r a c t b e c a u s et h ew o r ko ft r a f f i c a n a l y s i si sw e a k ，s oat r a f f i ca n a l y s i s s u p p o r ts y s t e mb a s e do nw e bg i si sd e s i g n e dt oc l e a ru pt h es i t u a t i o n t h a tt h ei n f o r m a t i o no ft r a f f i ca n a l y s i si sn o ta d e q u a t et os a t i s f yt h er o a d m a n a g e m e n t c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo ft r a f f i ca n a l y s i sa n dt h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o fw e bg i s ，i nt h ev i e w so ft h e o r ya n dp r a c t i c eo f e n g i n e e r i n gt h ew e bg i s b a s e dt r a f f i ca n a l y s i ss y s t e mi sd i s c u s s e da n d r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r f i r s t l yt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yr e l a t e dw i t ht r a f f i ca n a l y s i si s d i s c u s s e di n t h i s p a p e r ，a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft r a f f i ca n a l y s i s t e c h n o l o g yn o w , i no r d e rt os u p p o r tt h es y s t e mi nt h e o r y t h e nc o m b i n e d w i t ht h ef u n c t i o na n d t e c h n o l o g yo fw e bg i s ，t h ea p p l i c a t i o no fw e b g i s i nt h es y s t e mo f t r a f f i ca n a l y s i si sd i s c u s s e d n e x t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hw o r ko fw e bg i s b a s e d t r a f f i ca n a l y s i ss u p p o r ts y s t e m h e r e ，t h es y s t e ms t r u c t u r e ，d a t a f l o wa n d s o f ts t r u c t u r ei sd i s c u s s e d t h es u b s y s t e m so ft h er e a lt i m ea c c e p t a n c eo f t r a f f i cd a t aa n dd a t am a n a g e m e n ta n dm a pd a t ar e l e a s e db a s e do nw e b g i sa n dm a ph a n d l e da n dd a t aa n a l y s i sa t ei n t r o d u c e d ，t h r o u g hw h i c ht h e s y s t e mi n t e g r a t e sd i f f e r e n tf u n c t i o na n dm a k et h er e s e a r c ha n dd i s p l a y e a s i l ya n dv i s u a l l y l a s t ，a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h ec o l l e c t i v i t y d e s i g no fw e bg i s w a sp r e s e n t e di nf o u ra s p e c t s ：t h es y s t e mf r a m e w o r k 、 t h en e t w o r kc o n s t r u c t 、t h ec o m m u n i c a t i n gf l o wa n dt h ef u n c t i o nm o d u l e k e y w o r d s ：t r a f f i ca n a l y s i ss y s t e mw e bg i sa r ci m s 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：翌鲎壁!日期：型 ：2 ：2 1 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：塑! ! ! 墨! 日期：生! ! ：生： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 课题来源及研究背景 第一章绪论 本课题源于北京北大千方科技有限公司与交通部规划研究院的合作项目“交 通部黄金周公路交通流量信息系统”。该项目已经通过了交通部规划院验收，并 在实际应用中取得了用户的广泛好评。 随着我国国民经济的持续快速健康发展，人民生活水平不断提高，汽车保有 量的高速增长，百姓出行需求日益增多，出行方式也有很大变化，驾乘私家车出 行的比例不断提高。只要有出行，就有了解道路交通状况的需要，就有根据道路 交通状况去选择出行线路，合理安排出行的需求。公路交通流量分析系统的主要 目的就是及时向社会各界提供主要公路的交通状况，让老百姓能够了解到通往目 的地的道路交通信息，方便百姓出行选择。为科学合理地疏导交通，要求我们及 时向社会发布相关信息，使运输经营者能够及时了解运输线路上的交通状况，选 择合理的时间和线路进行运输生产经营活动，以尽可能避免因交通拥堵而带来损 失。同时，随着公路交通量的不断增长，尤其是高速公路交通量的持续快速增长， 提高公路管理水平、发挥路网整体运输效率的需求将越来越高。公路交通流量分 析系统能够及时提供道路交通状况信息，从而要为各级交通部门和从业者科学合 理地组织道路运输，及时解决运输中出现的问题，提高服务水平，抓好道路运输 安全和市场管理提供决策依据。 本课题的研究目的：结合市场和工程实践，针对我国公路交通流量调查分析 工作比较薄弱，提供的交通流量调查信息还不能满足公路管理的需要这样的情况 而设计开发出一套基于g i s 的公路交通流量调查分析系统。最终的目标是形成 完整、系统、综合、方便的公路交通流量调查分析系统，对我国的公路路网交通 状况进行实时监测和分析，能够及时提供道路交通状况信息为各级交通部门科学 合理地组织道路运输，并能够针对一些突发的交通状况给出一定的解决方案。这 套系统通过在五一和十一黄金周良好稳定的运行，表明该系统可以面向 更大范围推广，不只在特定的时期，而且能够为今后我国的公路交通流量调查和 分析提供良好的理论和实践基础。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 公路网交通流量调查发展现状 公路交通量调查工作是公路管理的基础之一。相对于公路建设和一些西方发 达国家而言，我国的公路管理水平还很低。造成这种状况的原因很多，其中较重 要的一点在于我国的公路交通量调查工作比较薄弱，提供的调查信息还不能满足 公路管理的需要。以高速公路为例，2 0 0 3 年，全国三十五万公里的国省干线中， 高速公路里程虽然仅占8 5 ，但其行驶量( 车公里) 却达到国省干线公路总行 驶量的1 7 ，高速公路在我国公路运输网中的地位和作用不断增强。然而，由于 交调观测站点不足，以及缺乏足够的技术手段获取调查信息为各项管理和决策提 供依据，我国高速公路的运输管理、交通调控和疏导水平很低，还不能适应高速 公路快速发展的需要。现在比较一下中国与德国在高速公路交通量调查站点设置 方面的情况。在德国一万两千公里的联邦高速公路上，共设置了5 1 8 处连续式交 通量调查站点，每个站点的平均间距为2 3 公里。在我国，截至2 0 0 3 年底，在全 国近三万公里的高速公路上共设置交调观测站点6 7 1 处，而连续式交通量调查站 点仅有5 0 处，不到德国联邦高速公路的十分之一，其中上海就占了3 8 处。在其 它六百多处间隙式交调站点中还有很大部分利用的是公路收费站点，交通量数据 是通过收费数据转换得到的。利用收费站点进行交通量观测，无论是在站点设置 的科学性上还是在调查数据的代表性上都不能满足交通量调查工作的需要。同 时，转换数据也不能真实地反映出整个线路的实际交通情况，不能有效地满足各 级交通部门的管理和决策需要。 随着公路交通量的不断增长，尤其是高速公路交通量的持续快速增长，提高 公路管理水平、发挥路网整体运输效率的需求将越来越高。开展公路交通量调查 工作，及时提供道路交通状况信息，就是要为各级交通部门科学合理地组织道路 运输，及时解决运输中出现的问题，提高服务水平，抓好道路运输安全和市场管 理提供决策依据。另外，从长远发展看，随着公路交通量调查统计工作的进一步 开展，连续式自动观测站点的进一步增加，各观测站点将逐步纳入到常规的公路 交通情况调查之中。最终要实现的目标是在任何时间内，随时向各级公路交通管 理部门和公众提供道路交通信息，使发布频率不断提高，内容不断丰富；最好能 够预报，对出行提出指导性建议，以促进公路管理水平和交通服务水平的全面提 高。 自二十世纪七十年代末以来，我国公路交通情况调查统计工作取得了较大成 就，己初步形成一套比较规范的工作体系，为公路建设、管理、养护、规划、科 研和设计工作提供了大量信息。这些成就具体体现在以下几个方面：一是公路交 通情况调查统计工作已逐步制度化、规范化；二是已建立起了较完善的公路交通 北京邮电大学硕士研究生学位论文 情况调查管理体系：三是已形成以间隙式调查为主，间隙式调查与连续式调查相 结合，调查手段多样化的覆盖国道、省道、县道和乡道的公路交通情况调查方法 体系；四是公路交通情况调查统计分析工作逐步规范化；五是已初步建立起一支 集管理、统计和分析于一体的相对稳定的公路交通情况调查统计队伍。 但是，随着经济的快速发展和社会全面进步，公路交通流量情况调查统计工 作还不能满足公路交通管理和社会公众日益增长和不断变化的信息需求，各项工 作还存在着很多不足。主要表现在：【6 】公路交通流量调查观测站点的规划、建设 和调整不能适应公路交通快速发展的需要，特别是高速公路交通情况调查统计工 作明显滞后；统计调查手段落后，自动化水平不高，人工调查仍然是我国交通流 量调查的主要手段；调查数据的代表性不够，数据信息共享、发布机制不完善， 统计分析水平还有待进一步提高等。 针对以上问题，为保证调查数据的及时性和准确性，公路交通量调查和分析 系统要采用连续式交通量自动观测记录设备全天2 4 小时不间断地进行调查。同 时，因为车速是反映公路服务水平的一个综合性指标，还要将车速调查纳入到连 续式交通量日常观测当中。 为了适时发布公路交通信息、提高工作效率，需要有一个统一的、自动的统 计分析软件和网络平台，接收公路交通量调查站点的统计数据，并进行自动的汇 总、分析和发布。因此有必要设计开发一个能够满足公路交通流量调查数据的自 动接收功能，并做到自动发布，公众可以通过网站等多种方式查询更新的公路交 通流量信息系统。 具体建设目标内容包括： 1 搭建道路交通数据采集、传输、处理、分析应用及更新维护的技术平台； 2 建立道路交通信息为社会公众服务的模式； 3 建立并开发出基于g i s 技术支持的道路交通信息统计分析系统； 4 形成国内具有交通行业特色优势的专业道路交通信息发布网站。 1 3g i s 技术的发展现状 g i s ( 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 ，地理信息系统) 的定义是多种多样的。 总的来说，g i s 是一门技术引导的多专业分支交叉的信息空间科学，它是对地理 信息系统( 包括图形和非图形数据) 进行采集、存储、编辑、处理、分析和再现， 并能够解决一系列问题的计算机系统。g i s 在技术上所关注的是：数据采集、数 据建模、数据精度、数据量、数据存取、数据分析、成本与效益、g i s 系统的寿 命和g i s 系统工作的组织问题等。这些技术问题，将会随着相关学科和软件、 硬件手段的不断进步而日益完善。同时，g i s 是一门以应用为目的的信息产业， 北京邮电大学硕士研究生学位论文 即g i s 也是应用导向的。 g i s 的应用可以深入到各个领域、各个机构，形成诸如资源g i s ，灾害监测 和防治g i s ，农林牧副渔g i s ，环境评估g i s ，电信网管g i s 和无线网络优化 g i s 等。g i s 的不断发展，既依赖于地理学、统计学和测量学这些基础学科，又 依赖于计算机软硬件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进 步与成就。g i s 是地理学与技术科学的边缘学科，但本质上是信息科学的立个组 成部分。 随着g i s 理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使 g i s 应用系统得到可持续的发展，则必须使g i s 向集成化和智能化方向发展，该 方向包括以下几个方面：【2 2 j 1 图形数据和属性数据的结合 最初，图形和属性数据是完全分开的；然后，通过内部连接，将二者联系起 来；再次，进行了混合处理；最后，达到完全的结合。未来g i s 要求的是将二 者完全结合。 2 g i s 与遥感r s ( r e m o t es e n s i n g ) 的结合 遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。而g i s 则是遥感中 数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。g i s 与r s 可能的结 合方式包括：分开但是平行的结合( 不同的用户界面、不同的工具库和不同的数 据库) 、表面无缝的结合( 同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库) 以及 整体的结合( 同一个用户界面、工具库和数据库) 。未来的要求是整体的结合。 3 g i s 与g p s 和c c d 技术的结合 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是全球定位系统，利用g p s 接收机，可以直 接测定地面上任一点的三维坐标。g p s 与g i s 相结合可以实现电子导航，用于 交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作g i s 实时更新。如果再加上c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机实时摄像和配以影像处理，则可以形成实时g i s 运行系统，用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理以及作战指挥系统等。 4 g i s 与专家系统e s ( e x p e r ts y s t e m ) 的结合 由于g i s 是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处 理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回 答用户可能提出的各种复杂问题。在此意义上使g i s 与e s 相结合，将形成智能 化的高度集成g i s 系统。近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力 来自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提出的要求。另一方面，计算机科 学的飞速发展为地理信息系统提供了有效的工具和手段，许多计算机领域的新技 术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可直接应用到地理 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 信息系统中。当前地理信息系统研究中的主要研究领域如下： 面向对象技术的研究 面向对象方法为人们通过计算机直接描述现实世界提供了一条适合于人类 思维模式的方法，面向对象的技术在g i s 中的应用，已成为g i s 的发展方向。 这是因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、繁琐，面向对象的 方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织有序的方法，因而 倍受重视。 时空系统 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应 用领域中，如环境检测、地震救援、天气预报等，空间对象是随着时间变化的， 而这种动态变化规律在求解过程中起着十分重要的作用，过去g i s 之所以忽略 时态主要是受到计算机软硬件条件以及技术方面的限制。近年来，对g i s 中时 态特性的研究已经变得十分活跃，既所谓“时空系统”。通常把g i s 的时间维分 成处理时间维和有效时间维，处理时间又称数据库时间或系统时间，它指在实际 应用领域事件出现的时间。时空系统主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、 操作、查询和时空分析。目前比较流行的作法是在现有数据模型基础上扩充，如 在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础 上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步研究。 地理信息系统建模系统( g i m s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 通用g i s 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些 领域都有自己独特的专业模型，目前通用的g i s 大多数通过提供二次开发的工 具和环境来解决这一问题，但二次开发工具的一个主要障碍是它对于普通用户而 言过于困难。而g i s 成功应用到专门领域的关键在于建立该领域特有的空间分 析模型。g i m s 的研究动向为：面向对象在g i s 中的应用。面向对象技术通过对 象( 实体属性和操作的封装) 、对象类结构( 分类和组装结构) 、对象间的通讯来 描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供一条结构化的途径。建模过程中的对 象和空间分析操作中完成模型的定义和检验。这种方法较之a m l 宏语言要方便 和直观：g i s 与其他的模型和知识库的结合是许多应用领域面临的一个非常实际 的问题，即存在g i s 之外的模型和知识库如何与g i s 耦合成一个有机整体。 三维地理信息系统的研究 三维g i s 是许多应用领域对g i s 的基本要求，目前的g i s 大多数提供了一 些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。真 正的三维g i s 必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间 数据库，解决三维空间操作和分析问题。主要研究方向包括：三维数据结构的研 北京邮电大学硕士研究生学位论文 究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；三维数据的生 成和管理；地理数据的三维表示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图 像、全息图像显示，层次处理等。 1 4 课题主要工作及论文章节安排 v 本论文所设计的交通流量分析软件系统能够有效地避免现存交通流量调查 分析系统中出现的不足( 参见1 2 节) 。本论文结合理论和工程实践对基于w e b g i s 的交通流量分析系统的设计进行研究，完成了g i s 数据分析，交通流量数据 实时采集和分析模块的设计，实现系统的多功能集成，使系统具有多维化查询、 形象化显示的功能。 依据课题的研究工作，对本文的内容做如下的安排： 第一章绪论部分，介绍课题的来源、研究意义和国内外发展现状。第二章公 路网交通流量调查分析理论及技术部分，介绍了我国交通流量调查分析的相关理 论和发展现状，重点论述了本课题中用到的交通流量分析系统采用的相关理论和 技术。第三章w e bg i s 及其在交通流量分析中的应用，重点介绍了基于w e bo i s ： 系统的结构、功能、技术特点及其在交通流量调查分析系统中的应用。第四章 w e bg i s 开发平台选择与分析，介绍了主流w e bg i s 平台的技术性能比较，以及 本系统采用的w e bg i s 开发平台的体系结构。第五章基于w e bg i s 交通流量分 析系统的子模块设计及其实现，论述了课题所设计交通流量分析系统的体系结 构、功能及所涉及的相关技术问题。第六章w e bg i s 交通流量分析系统实现及 运行实例，介绍了本课题各个功能模块在实际交通流量分析中的应用。最后，总 结论文的工作成果，并结合现存问题提出对课题进一步研究的看法。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章公路网交通流量调查分析理论及技术 2 1 公路交通流量调查概述及发展现状 长期以来，公路交通情况调查的基本任务和目标是通过对国、省、县、乡公 路交通状况进行定期和不定期的调查，从而掌握各级公路的交通流量、交通流分 布、交通构成、车辆运行速度等交通流特征并进行分析，为公路规划、养护、管 理部门提供交通基础资料，成为公路建设规划、建设项目前期工作、公路建设决 策、公路养护和管理的重要依据。 公路交通情况调查包括常规调查和非常规调查。常规交通情况调查又包括 交通量调查、车速调查、比重调查等；非常规交通情况调查包括轴重调查、起讫 点调查、出入界交通量调查、交通事故调查等。常规交通情况调查是对基础数据 的收集，是必不可少的路网流量分析资料，非常规交通情况调查一般结合工程项 目、课题研究有针对性的进行。 公路交通情况调查是一项十分重要的基础工作，其调查所得的数据资料是公 路规划、设计、大中修和养护管理不可替代的第一手资料，是评估、决策公路交 通发展战略和总体布局的科学依据，也是评估经济发展的一个重要依据，在规划 一个经济区域时，往往离不开交通资料。 八十年代初，国道上日交通流量一般不过2 0 0 0 多辆。改革开放以来，国民 经济的蓬勃发展，公路交通流量逐年快速上升。交通流量观测手段经历了原始的 手工记数、机械计数器和自动观测仪器三个阶段。通过对人工观测做调查，一个 观测工对2 0 0 0 3 0 0 0 流量不会有问题，但上了5 0 0 0 就比较紧张，7 0 0 0 以上流量 要两个人配合观测。观测工作紧张，注意力要集中。一天2 4 小时分三个班要六 个工。每一个连续式观测站是常年累月天天如此。由此可见，观测工作之艰辛。 9 0 年代中期开始使用一种叫t a m 的自动观测设备，并开发了数据处理软件。这 两项成果推广、应用后，彻底摆脱了烦琐、枯燥的人工劳作方式，且计算准确， 快出报表，这是公路交通流量调查信息技术的一次飞跃。 t a m 仪器是一种采用电磁感应原理的装置，路面下埋设线圈探头，当汽车从 探头上方驶过，切割磁力线，产生感应电流，电流信号经放大后送触发器记数并 保存。它的工作过程如图2 1 所示。 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 - 1t a m 仪器3 - 作原理图 这是九十年代我国比较先进、实用的设备，到目前为止，全国大部分干线公 路上的交通量观测站基本上安装了这种仪器。但是，我们已进入2 l 世纪，1 当今 是高速的信息时代，社会对公路交通信息精确、快速和多方位应用的要求，使得 现有的技术方式相形见绌。具体来说，有以下不足： ( 1 ) 精度不够高，不能分车型，难以满足2 个9 5 精度要求( 数量精度和 车型分类精度) ( 2 ) 稳定性差( 受气候影响较大) ( 3 ) 路面深开挖也是一大不足，且不易维护 ( 4 ) 不能检测轴载 ( 5 ) 数据难以快速汇总 就公路交通流量信息采集来讲，目前，国内已有一些新的技术开发并趋于成 熟，这是十分可喜的，使得我们开发新的信息系统在技术上完全可行。现介绍一 种更先进的压电感应设备的工作原理和设想新的信息系统框架。例如图2 - 2 ，是 一个单行车道： 图2 - 2 压电感应设备工作原理图 设压电板a 、b ，它们之间距离为s ，当车前右轮触a 时，打开计时器并设时 间为t 1 。当车前左轮触b 时，记下时间为t 2 ，这时可求得车速为v = s ( t 2 一t 1 ) ； 同理，当车后左轮触b 时，记时间为t 2 ，这时，可测得车辆前后轴距l = v + ( t 2 ，t 2 ) ；对于多轴车辆或带挂车辆，可分别测得各轴与第一轴之间轴距，然 后给予一一保存。由于车型的轴距是限定的，它的轴载也是有限制的，根据这些 规定可编制一张信号对照表，存入处理器内部，当车轮压板时，产生电流信号， 电流的大小与轴载重量成正比，与车速有关( 可以通过试验测定) 。记录车辆的 左、右、前、后各轴的压电信号，经a d 转换和放大，并与对照表进行对比， 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文 车辆的总轴载为各轴载的总和，还可换算成标准轴载。【5 】车辆经过这样处理后可 得到一张检测报告单，如图2 3 。 图2 - 3 车辆检测报告单 这些信息保存在处理器内存，通过电缆传送到中心计算机。在此基础上开发 相关交通流量采集软件，保持历年数据便于查询、对比、分析，其优势： ( 1 ) 全自动检测，无须人员值守 ( 2 ) 自动分车型，自动检测轴载 ( 3 ) 不需路面深开挖，易维护 ( 4 ) 精度高、稳定性好 ( 5 ) 数据汇总迅速 这个系统留有扩展功能的空间。如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 交通流量观测设备系统工作原理图 以上介绍了我国交通流量计量工作发展的现状，以及现阶段交通流量采集的 技术和原理。从中可以看出，公路交通信息处理的计算机化、网络化意义重大， 不仅具有巨大的经济效益，而且具有重要的社会效益。其进程的每一次大跃进， 都将带来新的、强有力的推动力，促进经济发展和加快国家建设。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 2 2 交通状况分析理论 2 2 1 交通状况分析内容 交通状况分析也即公路服务水平分析，分析内容如下 ( 1 ) 小时服务水平 ( 2 ) 实时服务水平 ( 3 ) 全天服务水平分析 2 2 2 分析方法 在服务水平分析时，按高速公路、多车道路公路( 一级公路、四车道及以上 的二级公路) 和双车道公路的划分原则进行调查路段的公路服务水平分析。如果 存在单车道公路，则按双车道公路的最低设计速度档进行通行能力分析。 对高速公路和多车道公路，按分方向的车道通行能力分析方法进行服务水平 的分析；对双车道公路，按全断面( 即不区分上下行) 进行服务水平分析： 在进行服务水平分析时，采用两种方法。一是，通过饱和度法( 或v c 比 法，小客车交通量与通行能力之比值。饱和度法是通过将各类车型换算成小客车 交通量后与车道通行能力或全断面通行能力进行比较) ；二是地点平均速度分析 方法，即通过调查得到的地点平均速度评价调查路段的服务水平。本课题中，采 用饱和度方法分析公路服务水平。 2 2 3 分析原理 1 小时服务水平 计算该小时某方向或全断面的各车型高峰小时交通量( 自然车辆数) 。在某 整小时内，选择该小时某方向或全断面的各车型交通量之和( 自然车辆数) 最大 的时段，如第5 个5 分钟最大为m a x 5 或第2 个1 5 分钟最大为m a x 2 ，则该小 时某方向或全断面的各车型高峰小时交通量( 自然车辆数) 为m a x 5 * 6 0 5 或 m a x 2 * 6 0 1 5 。6 0 是- - 4 , 时有6 0 分钟；5 分钟或1 5 分钟是记录时段长度，因此 要求在同一个小时内的记录长度应是一致的。 计算该小时某方向或全断面的高峰小时交通量( 当量数) 。根据各车型交通 量换算系数，将各车型交通量( 自然数) 换算为当量交通量，并获得该小时某方 向或全断面的总交通量( 当量数) ，对按车道通行能力分析的，还需要换算为单 车道的总交通量。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 计算饱和度( v ，c 比，v 是交通量，c 是单车道或全断面的通行能力) 单车 道或全断面的饱和度= 单车道或全断面的交通量( 当量数) ，( 单车道或全断面的 通行能力+ 干扰系数) 。 2 实时服务水平 实时服务水平分析按照小时服务水平分析原理，在计算小时高峰交通量( 自 然车辆数) 时采用该实时时段( 5 分钟或1 5 分钟) 交通量换算为小时交通量( 自 然数及当量数) 之后，再分析其饱和度和服务水平。 3 全天服务水平分析 全天服务水平在小时服务水平分析的基础上，提取饱和度最大的分方向或全 断面的时段代表该天的全天服务水平。 5 平均车速计算 平均速度的算法有两种，一是某一时段的平均速度，二是某小时某车型的平 均速度。【l5 j 某一时段的平均速度为各车型平均速度与其交通量( 自然车辆数) 乘积之和该时段总交通量( 自然车辆数，车速计算时均不包括非机动车) 。某时 段( 该时段指的是5 分钟、1 5 分钟、小时、甚至全天( 年、月等) ) 各车型平均 速度由各调查站点提供。注意，并不是所有的站点均有车速调查功能，对不具有 车速调查的则不进行平均车速的计算。某小时某车型的平均速度为该小时内各时 段的该车型平均速度与该车型该时段交通量( 自然车辆数) 之乘积该小时该车 型交通量之和( 自然车辆数) 。 6 交通量和车速计算相应的交通拥挤情况平衡方法 ( 1 ) 同时按交通量和车速分别计算相应的交通拥挤情况。按交通量进行计 算的拥挤情况简称“服务j ”，按车速计算得到的拥挤情况简称“服务s ”。 ( 2 ) 当车速小于1 公里时( 该情况出现在观测仪的车速调查功能异常而不 能提供相关数据，或者该观测仪不具备车速调查功能) ，交通拥挤情况不考虑服 务s 之值，直接按服务j 进行取值。 ( 3 ) 其他情况按如下表2 1 中的对应关系进行取值： j b 京邮电大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 交通量和车速计算相应的交通拥挤情况对应表 薯i 蒸麟谚纂夔囊墼爨瀑霞雾攀鬻糕斓糕懑鬻嗣獭斓麟麟 畅通畅通畅通 畅通基本畅通畅通 畅通拥挤畅通 畅通阻塞畅通 基本畅通畅通畅通 基本畅通基本畅通基本畅通 基本畅通拥挤基本畅通 基本畅通阻塞基本畅通 拥挤 畅通 畅通 拥挤基本畅通基本畅通 拥挤拥挤 拥挤 拥挤 阻塞 拥挤 阻塞畅通阻塞 阻塞基本畅通基本畅通 阻塞拥挤拥挤 阻塞阻塞阻塞 2 3 实时交通流量数据的恢复理论 2 3 1 采用统计相关法恢复实时交通数据 统计相关法采用线性相关因子，对实时交通数据进行统计分析。【4 1 计算过程 如图2 所示：假定在第 次时间间隔，数据限定模块表明第c 个探测器失效 o 1 ，) ，同时进行相关系数的计算。定义变量x 、y 之间的线性相关系数： q 这 ：g 一i b ，一尹) ，= 上l 一 ( 1 ) o x o y 和平均值。将等式( 1 ) 应用 北京邮电大学硕士研究生学位论文 于所有的探测器中，会得到一个探测值相关矩阵。对于每个失效的探测器f ，应 用该矩阵，可以确定最佳恢复值。矩阵第i 列中相关系数最大值对应于损失数据 的恢复值。 应用线性回归构造数据恢复等式。单回归关系表示为： k + ，挚对 ( 2 ) 这里，萝是估计量，也可以应用多重回归【4 】。应用相关矩阵，对于失效探测 器的相关系数高于某一固定值( 比如0 5 ) ，可以计算出一系列损失数据的恢复值。 2 3 2 实例分析 图2 - 5 统计方法的结构框图 沪宁高速公路于1 9 9 2 年正式通车，六车道，设计车速1 2 0 k m h ，根据1 9 9 9 年实际测得断面编号为b 1 8 实时( 平均时段间隔为3 分钟) 的平均车速连续数据， 总分析时段为3 小时。由于一- m ，通过等式( 1 ) 计算实时车速与时段的相关系数， y - - 0 7 5 7 ；再根据等式( 2 ) 采用统计相关法对损失数据进行恢复，并计算实时车 速的恢复估计值，计算结果如图2 - 6 所示。 图2 - 6 随时间变化的车速实测值与恢复值( 沪宁高速公路断面编号b 1 8 ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文 由图2 6 口j 见，统计相关法的恢复数据估计值与真实值之i 旬拟和良好，为了， 科学的评价统计相关法，对上述计算结果进行误差分析。引入误差指标：相对误 一旦二些 。：三f 星二苎 差h 、平均绝对相对误差 ”一4 y i 、最大绝对相对误差 一一“引i 、相对误差平方平口均值平方根2 拉叫、均等系 儿 、相对误差平方和均值平方根 y ”一。l y 、均等系 。o ，咄) 2 数厨了+ 厨。其中，髓表示恢复值与实际值的拟合度，一般 当e c 大于0 9 0 时为较好的拟合。实时车速恢复的误差分析结果见图2 7 和表 22 。 剀2 7 实时车速实测值与恢复值的相对误差 由表2 2 可见，总体相对误差不足1 ，均等系数也接近1 ，说明统计相关 法的整体数据恢复能力较强；但最大相对误差仍比较大，由此可见，统计相关法 对于个别数据的恢复还有局限性。总体来说，采用统计相关法可以较好的对实时 采集的交通数据进行数据恢复，原理简单易懂，应用方便可行，而且结果科学合 理，计算糙度较高。 表2 - 2 实时车速恢复的误差分析表 小结：本章内容首先介绍了我国交通流量调查和分析的相关理论和技术的发 展状况，接着重点论述了在本课题中采用的交通流量调查和分析所用的理论和技 术，这些理论和技术的介绍完全是针对课题所设计的交通流量调查分析系统中经 常出现的问题而进行阐述的。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章w e bg ls 及其在交通流量调查分析中的应用 3 1 地理信息系统技术及功能 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 ，g i s ) 是一种决策支持系统， 它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存 储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成 为信息检索的重要部分。在g i s 中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地 理现象，而这些地理特征是由空间位置信息和非位置信息( 属性信息或时间信息) 组成。同时，作为一种计算机信息系统，它能够对各种图形、地理空间数据进行 采集、获取，并将这些数据在计算机中以点、线、面的拓扑关系进行存储、编辑 和处理，同时以地图、图形或数据等图文并茂的形式来表示处理的结果，提供辅 助支持功能。 由此可见，地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系 统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的 交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库 ( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动 态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 完整的g i s 主要由四部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、空 间数据和系统管理人员。如图3 1 所示。 1 计算机硬件系统：g i s 可充分利用包括主服务器和网络中的一切计算资 源。 2 g i s 专业软件：g i s 软件提供存储、分析、显示地理数据的功能，要素 包括：地理数据输入工具；空间数据库管理工具：空间查询、分析、可视化表达； 图形用户界面。 3 空间数据：g i s 系统必须建立在准确使用地理数据基础上，数据来源包 括室内数据和野外采集，以及从其它数据的转换。数据类型分为空间数据和属性 数据，并与关系数据库互相连接。 4 g i s 人员：g i s 应用的关键是掌握实施g i s 来解决现实问题的人员的素 质，包括开发的专业人员和最终用户。 5 g s 模型：g i s 专业模型和经验，是g i s 应用系统至关重要的因素。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 、 操作 。 磊 、一 蔓 仲 口 呻 分析 地理数据库呻 # 、 o a f s 输出 通信 用户 数据裴取 图3 - 1 地理信息系统的构成 在( 3 i s 中，空间数据具有三个基本特征：属性特征d 定位数据) ，表示实际 现象或特征，例如变量、级别、数量特征和名称；空间特征( 定位数据) ，表示现 象的空间位置或现在所处的地理位置，例如笛卡尔坐标系与拓扑关系等；时间特 征，指现象或物体随时间不同而变化。 空间数据可分为三种类型：空间特征数据、时间属性数据和专题属性数据。 对于大部分地理信息系统的应用来说，时间和专题属性数据结合在一起，共同作 为属性特征数据。而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据。 空间特征数据纪录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征。这是地理信 息系统区别于其它数据库管理系统的标志；专题属性数据指的是地理实体所具有 的各种性质，如人口密度，降雨量等。这类特征在其它类型的信息系统中均可处 理和存储：时间属性是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等。 空间数据结构，是g i s 的基石，g i s 就是通过这种地理空间拓扑结构建立地 理图形的空间数据模型并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形和数据 库的结合。 地理信息系统是一个基于计算机软件、硬件和数据的集成系统。该系统主要 通过空间及非空间数据的操作，实现空间检索、编辑及分析功能。在g i s 的几 个主要因素中，数据是极为重要的因素，在计算机软件、硬件环境选定之后， g i s 中数据质量的优劣，决定着系统分析质量以及整个应用的成败。 完整的g i s 系统应具备的功能包括：数据的获取( d a t aa c q u i s i t i o n ) 、数据的 初步处理( p r e l i m i n a r yd a t ap r o c e s s i n g ) 、数据的存储及检索( s t o r a g ea n dr e t r i e v a l ) 、 数据的查询与分析( s e a r c ha n da n a l y s i s ) 、图形的显示与交互( d i s p l a ya n d i n t e r a c t i o r n 。 数据获取是从现实世界的观测以及从现存文件、地图中获取数据。有些数据 己经是数字化的形式，但是往往需要进行数据预处理，将原始数据转换为结构化 的数据，以使其能够被系统查询和分析。查询分析是求取数据的子集或对其进行 转换，并交互现实结果。在整个处理过程中，都需要数据存储检索以及交互表现 的支持，这两项功能贯穿了地理信息系统数据处理的始终。 1 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 2 地理信息系统技术及其特点 随着g i s 的应用越来越广泛，组件( c o m ) 技术和w e b 技术已经应用到g i s 当中。基于组件( c o m ) 的g i s 技术和w e bg i s 已经成为g i s 技术应用的发展 趋势。 3 2 1c o m 技术与g i s c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件式对象模型) 是组件之间相互接口的规 范，其作用是使各种软件构件和应用软件能够用一种统一的标准方式进行交互。 c o m 不是一种面向对象的语言，而是一种与源代码无关的二进制标准。c o m 所建立的是一个软件模块与另一个软件模块之间的链接，当这种链接建立之后， 模块之间就可以通过“接口”来进行通信。c o m 标准增加了保障系统和组件完 整的安全机制，并扩展到分布式环境。 c o m 本质上是客户朋艮务器模式。客户( 通常是应用程序) 请求创建c o m 对 象并通过c o m 对象的接口操纵c o m 对象。服务器根据客户的请求创建并管理 c o m 对象。 基于c o m 技术规范的g i s 基本思想是把