基于GIS的交通管理系统的设计与实现.doc

. 基于GIS的交通管理系统设计与实现 班级：地信10-1班 学号：20100351 姓名：高长春基于GIS的交通管理系统设计与实现近几年，地理信息系统（GIS）的应用领域越来越广泛，在国土资源、矿产资源管理、宏观决策、管线的布局设计、交通、移动终端电子导航等许多领域都有迫切的需求。特别是随着Internet的迅猛发展和广泛应用，人们对地理信息系统的需求也与日俱增，地理信息产业得以迅猛发展。一、背景及研究意义在现实生活中，有很多方面都需要对路径的分析，以寻求最短路径、最优路径，如出行路线的选择、管网和管线的设计。在交通方面，无论是时间最快问题、费用最低问题，还是距离最短问题，这些问题的核心内容都是最短路径算法。所以可以利用地理信息系统中的最短路径、最优路径空间分析方法解决这些实际问题。目前，WebGIS发展极为迅速,已经深入到各个应用领域。随着国家和国际高速信息公路的建立,为全社会信息共享创造了条件。互联网(Internet)和地理信息系统(GIS)改善着地理空间信息的获取、共享、发布与分析。地理信息的特征是分布的,并具有基础性、共享性和综合性。融合空间信息系统与网络技术、基于Internet的WebGIS则为地理空间数据及其属性数据的发布、共享、查询与分析等提供了新的途径,具有广阔的应用前景。随着社会经济的快速增长，人民生活水平的不断提高，道路交通需求旺盛。尽管近年来加大了道路基础设施建设的步伐，道路网已初具规模，形成了以快速路为主架的道路交通网络，但由于机动车数量的迅猛增长，交通拥挤问题日益严重。为解决日益严重的城市交通问题，研究和开发先进的交通状态获取与融合。交通特征提取与态势分析以及集成应用基础技术，建立符合我国国情的多粒度区域交通状态评估。预报预警和服务水平评价关键技术和系统是缓解和解决上述问题的基础和不可或缺的技术手段。研究基于WebGIS的区域交通信息系统,能够为城市道路交通管理部门提供实时以及预测的各种交通流信息。各种评价指标和区域交通服务水平。以及各种参数的统计分析等多种数据信息，从而为城市交通管理部门的指挥调度提供可靠的辅助决策支持。它不仅可以加强现有交通管理系统的功能，使其能够满足人们日益寄予厚望的城市交通的需求，而且有利于现有交通地理信息和城市管理信息各子系统的融合，加快了智能运输系统的发展，为智能运输系统的建设提供的了一个开放的平台。随着我国经济的快速健康地发展,高新技术、先进的管理经验和调度手段的广泛应用，城市道路交通管理系统必将逐渐实现信息化、智能化，城市道路交通拥堵情况将大大改善。城市交通管理指挥调度的效率将大大提高。二、WebGIS技术在智能交通领域应用的研究现状Internet技术正在深刻地改变着这个世界，随着人们对地理信息需求的增加;基于Internet发布地理数据，供全球用户查询、检索并提供GIS服务的万维网地理信息系统已成为地理信息系统发展的重要方向之一。目前已经有部分城市建设了用于指挥调度的城市交通管理系统，但是其中大多数采用的是C/S(client/serve)模式，而且功能比较单一，造成系统的维护升级不方便。系统资源冗余大，不同业务系统缺少集成管理,影响着城市交通管理指挥调度的效率。智能化的交通管理指挥调度系统的建没需要能够有效地集成目前存在的多个交通管理子系统，如交通流检测系统、视频监控系统、信息诱导系统等，同时需要提供给用户以友好的可视化界面，以提高工作效率。近年来发展起来的B/S（browser/server)模式扩充了信息处理和交换共享上的灵活性，为不同系统的集成提供了一种途径，利用它可以实现跨平台、可互操作的分布式应用，并且可以兼顾现有系统的可重用性。地理信息系统技术在交通领域中的空间数据管理、图形表现、辅助决策等方面具有良好的优势，网络技术的发展使得WeGIS发展迅速,WebGIS所具有的平台独立性等特性使得其具有更广泛的访问范围。平衡高效的计算负载以及良好的可扩展性等,可以实现与Web中的其他信息服务进行无缝集成建立灵活多样的GIS应用,并可实现移动化的访问。三、WebGIS技术的发展趋势近几年来,飞速发展的Internet已经成为GIS新的系统平台，利用Internet技术在Web上发布空间数据供用户查询和使用是GIS发展的必然趋势，WebGIS技术作为GIS的主要发展方向之一己是不争的事实。随着信息可视化、数据库、互联网以及多媒体技术的不断发展，构建由多个地理信息系统构成的信息系统体系,跨越传统的单个地理信息系统边界，实现多个地理信息系统之间的资源(包括数据、软件、硬件、网络)共享、互操作和协同计算，构建空间信息网格，成为WebGIS技术应用发展需要解决的关键技术问题。B/S结构应用已经由浏览器/网络服务器/数据服务器三层架构阶段进入到浏览器/网络服务器/应用服务器/数据服务器四层架构阶段。在新的四层架构中，网络服务器和应用服务器分离,并且其间还可以插入二次开发和扩展功能,其中的应用服务器一般为支持远程调用的组件式GIS平台或由组件式GIS平台封装而成。将GIS复杂数据分析与处理功能(编辑、拓扑关系的构建、对象关系的自动维护、制图)移到GIS应用服务器上,使客户端与服务端的数据传输减少到最少的程度为在Internet上实现复杂。大规模的地理信息服务提供了可能，这一新的架构带来的巨大优势是使服务器端具有极强的扩展性,因此作为应用服务器的组件式GIS所具备的功能,都可以通过B/S结构实现,W亡bGIS不再是只能满足地图浏览和查询的简单软件了,而将成为是一个体系先进,功能强大的服务器端GIS(ServerGIS)，这种新的服务器端GIS将成为未来WebGIS技术应用的主流。四、研究的内容和目的基于WebGIS的区域交通信息系统主要总结了WebGIS的技术特点和优势,以强大的地理信息系统为支撑,以WebGIS为技术支撑实现了多个交通管理子系统的有效集成,并结合对道路交通服务水平评价的业务需求,通过B/S模式为用户提供交通信息的获取、可视化、预测预报、统计分析等功能,针对北京市道路交通的现状,对北京市区域交通的路段、执勤队、支队各个层次的交通流信息进行多粒度的交通服务水平评价的展示，以及对各层次对象一定时间范围内的交通流信息以及服务水平进行预测预报。将交通流的各种相关信息，以图表、浮动窗口或鼠标提示等多种方式，形象、直观地展示给用户,还提供对实时和历史交通流信息的查询以及统计和分析、生成趋势图、统计报表、多时段交通流信息对比等，通过建立此系统,使北京市城区道路交通信息管理实现信息化、可视化，从而能够为道路智能交通指挥调度管理提供辅助决策支持、预案管理等功能的实现提供了良好的技术支撑。区域交通信息系统的目标是通过WEBGIS建立实时的城区道路路况分析系统,该系统要求使用方便、数据可靠、时效性高、造价低廉,能为出行的公众提供有效的实时路况信息和短时路况预报等功能,也能为道路交通管理部门提供辅助决策支持。五、需求分析根据IEEE软件工程标准词汇表(1997年)，软件需求被定义为：用户解决问题或达到目标所需的条件或权能。软件产品的需求可以分为功能性需求和非功能性需求。其中软件产品的非功能性需求是常常被轻视、甚至被忽视的一个重要方面。其实，软件产品非功能性定义不仅决定产品的质量，还在很大程度上影响产品的功能需求定义。如果事先缺乏很好的非功能性需求定义，结果往往是使产品在非功能性需求面前捉襟见肘，甚至淹没功能性需求给用户带来的价值。所谓非功能性需求,是指软件产品为满足用户业务需求而必须具有的、除功能需求以外的特性，软件产品的非功能性需求包括系统的性能、可靠性、可维护性、可扩充性、对技术和对业务的适应性等等。系统的功能性需求基于WebGIS的区域交通信息系统是道路交通信息和城市空间信息的快速发布、查询检索以及相关统计分析的网络信息系统，因此,系统的设计和建设必须基于WebGIS；该系统主要用户是道路交通管理部门，以后还会开放部分功能提供给广大的市民查询。因此系统界面必须简单友好，功能全面。基于WebGIS的北京市区域交通信息系统紧密结合北京市城市道路交通信息管理的实际需求，遵循科学性、实用性、可扩展性和开放性等原则开发，该系统主要包括如下几个功能模块：1、地图管理及交通状况监视功能。实现对地图图层的分层显示和管理、实现基本的放大、缩小、平移、漫游、地图查询、图层控制、鹰眼等操作;通过不同颜色实时显示道路交通流状况,分析目前的道路交通状况;对各个等级的道路路段进行统计。地图上业务信息应该和地图位置保持同步。2、区域交通状态服务水平的多粒度评价以及展示,包括提供对经典区域划分的服务水平及指标展示和任意区域划分的服务水平及指标展示。即依据经典的城区划分或经典的交通区域划分显示各区域的服务水平以及用户还可以根据自己的需求,进行的任意区域划分，系统会自动计算该区域划分中各区域的各项指标参数和服务水平，并展示出来。3、城区各主要道路和区域交通的短时预测预报,提供5分钟、10分钟、15分钟后的道路及区域交通状态的展示以及统计分析功能。以及与当前状态的对照。4、专题地图。按行政区域，以图文并茂、简单易懂的折线图、饼状统计图、柱状统计图来显示交通状态的变化趋势、交通指标参数以及服务水平统计信息等。5、用户管理以及权限控制。用户管理主要是用户信息添加、用户信息删除、用户信息修改等。用户权限控制主要是针对不同用户的请求作不同的权限设置。对于系统管理员级别的用户可以使用系统的配置以及编辑功能对服务器的系统参数与数据更新、修改;而一般的用户可能只具备浏览、查询、统计制图等功能6、其他功能。如系统管理、公告管理、日志管理等。系统的非功能性需求基于WebGIS的区域交通信息系统应该满足的非功能性需求:1、系统性能保证系统数据来源的可靠性和实时性,对信息查询的响应时间不应超过5秒。2、系统开放性需求系统要求能够与不同的地理信息系统,不同格式的地理信息数据相容;系统提供的功能能够支持不同的语言!操作系统的应用系统使用。3、系统的可移植性整个系统应具有很高的可靠性、稳定性,满足连续运行的要求。4、数据管理能力的要求满足数据保存至当前两年内的数据的容量管理需求;支持三年内的数据增长的管理需求。5、数据采集频率需求为了保证区域交通信息系统中能够对服务水平状态进行准确的监控,同时考虑到高峰时段的特殊情况,对于检测器数据采集频率为每两分钟发送一次。六、可行性研究分析资源可行性分析人力资源随着地理信息系统的发展，出现了许多的地理信息系统开发的公司，具备足够的开发人员。软件资源拥有基础软件ARCGIS系列软件、Oracle数据库、Eclipse集成开发工具。设备资源拥有足够数量的计算机。经济可行性成本较小，需要购买正版的ARCGIS系列软件、Oracle数据库软件、交通统计数据，地理信息的基础数据、影像数据等等，开发人员的工资费用。技术可行性地理信息系统行业最近几年的发展兴起了很多新技术，以及计算机技术的发展为GIS的发展提供了更多的技术。拥有了很多开发的经验，现在的技术可以解决基于GIS的交通管理信息系统的大部分问题，不存在技术上的问题。社会可行性现在随着GIS的发展，GIS的应用发面越来越广泛，在交通上也出现了很多GIS应用。社会也迫切需要一种技术解决交通方面的问题，GIS的出现解决了交通上出现的很多问题。各大城市投入了人很多的资金用GIS解决交通方面的问题。七、系统结构的选择C/S又称Client/Server或客户/服务器模式。服务器通常采用高性能的PC、工作站或小型机,并采用大型数据库系统，如Oracle、Sybase、Informix或SQL Server。客户端需要安装专用的客户端软件。B/S是Brower/Server的缩写,客户机上只要安装一个浏览器(Browser)，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等数据库。浏览器通过WebServer同数据库进行数据交互。C/S的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力,很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。对应的优点就是客户端响应速度快。缺点主要有以下几个：1、只适用于局域网。而随着互联网的飞速发展,移动办公和分布式办公越来越普及,这需要开发的系统具有扩展性。这种方式远程访问需要专门的技术,同时要对系统进行专门的设计来处理分布式的数据。2、客户端需要安装专用的客户端软件。首先涉及到安装的工作量,其次任何一台电脑出问题，如病毒、硬件损坏、都需要进行安装或维护。特别是有很多分部或专卖店的情况，不是工作量的问题,而是路程的问题。还有，系统软件升级时，每一台客户机需要重新安装，其维护和升级成本非常高。3、对客户端的操作系统一般也会有限制。B/S最大优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。只要有一台能上网的电脑就能使用,客户端零维护。系统的扩展非常容易,只要能上网,再由系统管理员分配一个用户名和密码,就可以使用了。甚至可以在线申请,通过公司内部的安全认证(如CA证书)后,不需要人的参与,系统可以自动分配给用户一个账号进入系统。C/S与B/S的区别C/S结构B/S结构1、硬件环境不同一般建立在专用的网络上，小范围里的网络环境，局域网之间通过专门服务器提供链接和数据交换服务建立在广域网之上，不必是专门的网络硬件环境，有比C/更强的适用范围，一般只要有操作系统和浏览器就行。2、对安全的要求不同一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强。一般高度机密的信息系统采用C/S结构适宜。可以通过B/S发布部分可公开信息。建立在广域网之上，对安全的控制能力相对弱，面向是不可知的用户群。3、对程序架构不同程序可以更加注重流程，可以对权限多层校验，对系统运行速度可以减少考虑。对安全以及访问速度的多重考虑，建立在需要更加优化的基础之上。4、软件重用不同程序可以不可避免的整体性考虑，构件的重用性不如在B/S要求下的构件的重用性好。要求构建相对独立的功能，能够相对较好的重用。5、系统维护不同程序由于整体性，必须整体考察，处理出现的问题以及系统升级。升级难，可能是在做一个全新的系统，系统维护开销大。构件组成，方便构建个别的替换，实现系统的无缝升级。系统维护开销见到最小。用户从网上自己下载安装就可以实现升级。6、处理问题不同程序可以处理用户面固定，并且在相同的区域，安全要求高，需求与操作系统相关。建立在广域网上，面向不同的用户群，分散地域，这是C/S无法做到的。与操作系统平台关系小。7、用户接口不同多是建立在Windows平台上，表现方法有限，对程序员普遍要求高。建立在浏览器上，有更加丰富和生动的表现方式与用户交流。并且大部分难度降低，降低开发成本。8、信息流不同程序一般是典型的中央集权的机械式处理，交互性相对低。信息流向可变化由于B/S结构有着C/S结构无法比拟的优势,综合考虑本系统的需求,最终确定采用B/S结构作为软件开发的架构。八、系统设计的特点在设计整个系统时,本着良好的开放性、可扩展性、以数据为核心、系统友好性、良好的安全性等作为设计的出发点。1、系统的开放性本系统采用B/S结构模式,应用JZEE技术进行设计不仅从功能上体现了系统开放的特点，而且从体系上构造了一个开放的系统结构。此外，本方案的开放式结构,坚持基于通用标准和用户定制的开发思想，利用数据库。GIS等技术逐步实现数据和应用的标准化,通过标准数据接口形成开放、易集成的应用系统。2、系统的可扩展性在系统的结构设计上，始终遵循可扩展性的原则，在系统的数据库设计上,不仅考虑当前数据，还考虑到将可能添加或用到的相关数据;在数据管理层的设计上,还预留有对外部数据管理功能的接口，并且在功能上设计为用户自定义和系统定制相结合的方式，使用户可以自己对系统进行扩展;在数据应用层的设计上，将核心应用和前端应用进行了逻辑上的分离，核心应用力求灵活、全面、可扩展,而前端应用则提供给用户充分的自定义功能，使用户可以按实际需要进行系统功能的定制，特别是在指标运算模块和预测预报模块的设计上，系统采用模型库来存贮运算模型和公式，这样就为系统提供了理论上可无限扩展的指标运算功能。3、以数据为核心在GIS的应用中，数据始终是系统的核心，在本系统的设计中,也充分体现了这一思想。整个系统的设计是建立在对数据的处理和分析的基础之上的,最终目的是通过该系统的建设，能够为相关主管部门提供及时、准确、全面的有关道路交通状态的各种信息，以期为道路交通的管理、规划和决策提供依据。因而在系统的设计中，始终是以数据的获取。处理和分析为中心，通过空间数据存取引擎、查询统计引擎等一系列为提高系统数据处理质量和效率的功能模块的开发,从而实现了系统以数据为驱动，以应用为目的的最终目标。4、系统的友好性一个成功的应用系统，不仅要有强大的系统功能，友好的界面设计、方便的用户操作也是很重要的一面。在本系统的设计中，用户定制的思想始终贯彻在整个过程中,系统以易用性、易扩充性和易维护性为根本出发点,通过固定框架、定制模板的方式,采用组件式开发技术实现相对自由的用户定制功能。5、系统的安全性在系统的安全性设计上,充分考虑到了对系统用户根据管理的需要将用户划分成不同的级别，最上层是超级管理员。不同级别的管理员被赋予不同的权限。管理员可以创建新用户，分配初始密码，将用户划分为不同的用户组方便进行管理。系统将控制权限分成多个等级，可以根据需要灵活地分配给相应的用户和用户组。系统功能分析九、系统总体架构设计系统资源逻辑结构服务器端有数据库服务器和交通服务水平评价应用服务器、交通服务水平态势分析应用服务器、交通服务水平预报预测应用服务器。交通服务水平数据库服务器通过交换机从交通状态数据库服务器中读取交通状态数据，存储到交通服务水平数据库服务器中，交通服务水平评价应用服务器从服务水平数据库服务器中读取交通状态数据，通过计算获取交通服务水平，并把计算的结果存储到交通服务水平数据库服务器中；交通服务水平态势分析应用服务器从服务水平数据库中读取服务水平数据对服务水平态势进行分析，并把分析的结果存储到本地;交通服务水平预测预报应用服务器从服务水平数据库中获取交通状态的数据和服务水平数据,对未来一段时间或指定的时间段的服务水平进行预测。交通服务水平系统客户端通过交换机和防火墙从交通服务水平数据库中获取交通服务水平数据和交通状态数据，从服务水平态势分析应用服务器中获取态势分析结果，通过可视的方式对服务水平。服务水平态势分析结果、服务水平预报预测的结果进行直观展示,对历史数据进行查询统计。系统资源逻辑结构如下图基于WebGIS的系统总体结构基于WebGIS的区域交通信息系统利用WebGIS技术及组件技术的发展与应用,为城市交通管理资源的共享、信息的管理与集成以及指挥调度与辅助决策的实现提供了有利的技术支撑。按照系统的功能需求和系统的层次结构分析,将整个系统的软件结构分为如下几个层次。如下图所示1.显示层为即为表示层,用户通过Web浏览器发送请求到服务器,与服务器进行交互,获得自己所需要的各种信息。2.Web服务层,包含了系统所支持的web服务器,同时包括了一些道路交通管理信息系统所需要的专业化的服务和组件等,如路况分析与评价、预测预报等模块。3.WebGIS服务层,负责接受客户端发送过来的请求进行负载平衡和服务管理,根据用户请求操作GIS数据库,为用户提供地理信息GIS服务,实现客户机与服务器的动态交互。4.数据资源层,通过各种网络连接将各种异构分布的数据资源进行集成,为上层的服务调用提供各种数据支持负责提供交通服务水平评价系统需要的各种必须的数据资源,包括地理信息空间数据!业务数据!动态交通流及服务水平评价结果数据。十、系统数据库设计区域交通信息系统数据库由基础地理信息数据库、交通状态信息及指标数据信息数据库以及属性数据组成，基础地理信息数据库包括了行政区划、水系、绿地等数据,主要是作为北京显示；交通状态信息及指标数据信息数据库包括交通流的基本状态信息、评价指标信息数据等属性数据库主要包括了行政区划基本信息,城市道路属性信息、交通状态统计数据等。针对该系统的数据类型的复杂性,从空间特性,包括结构化和非结构化数据;从存储方式,包含数据库数据和文件数据等。如何使这些数据能够有效地管理和应用,是空间数据库设计的关键因素。基于以上考虑,我们决定选用ESRI公司的空间数据库引擎ArcSDE作为数据管理引擎，ArcSDE可以用关系数据库(RDBMS)管理空间数据,在RDBMS中融入空间数据后，ArcSDE可以提供对空间、非空间数据进行高效操作的数据库服务,大大提高了系统数据库设计的科学合理性,还可以大大提高数据信息检索的速度。城市基础地理信息数据库空间数据(Spatial Data)是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据。它可以用来描述来自现实世界的目标,它具有定位、定性、时间和空间关系等特性。定位是指在一个已知的坐标系里空间目标都具有唯一的空间位置;定性是指有关空间目标的自然属性,它伴随着目标的地理位置;时间是指空间目标是随时间的变化而变化;空间关系通常又称拓扑关系。在空间数据中不可再分最小单元现象称为空间实体,空间实体是对存在于这个自然世界中地理实体的抽象,主要包括点!线!面以及实体等基本类型。在本系统的空间数据采用GIS软件平台Arclnfo进行管理和维护,各实体分别按照点、线、面等不同要素类进行分层存储,数据来源于北京市交通管理局电子地图第三版数据,其数据格式为shapefile,其内容如下:点状数据:餐饮服务、公司企业、科研院所、政府机关、购物、金融银行、加油站、医疗卫生、车站码头、旅游景点等。线状数据:一级、二级、三级、四级道路,主要道路,环路,地铁等。面状数据:行政区划、绿地、水系等。交通状态基础数据表下面介绍快速路检测器的实时表BJTUEXPRESSWAY,表结构如表所示,用于保存最近两分钟内所有快速路上的检测器所有接收到的检测器的数据。表快速路检测器实时表下面为二环检测器的实时表CIRCUMEROADREAL,用于保存最近两分钟内所有二环内路上的检测器所有接收到的检测器的数据表二环检测器实时表交通指标主要数据表统计分析模块的主要数据库表以及每个表功能的详细描述系统管理相关数据表下面介绍的USER州FO表,为所有用户信息表,其表结构如下表所示,用于保存所有系统用户的基本信息数据用户信息表结构交通时段管理表TRAFFICTIMEMANAGE,其表结构如表所示,用于设定早晚高峰时间起始时间信息。序号字段中文名 数据类型 备注1ID编码 NUMBER主键2TIME时段名称VARCHAR2（20）3STARTIME开始时间VARCHAR2（20）4ENDTIME结束时间VARCHAR2（32）5VISIBLE是否显示VARCHAR2（32）指标闭值管理表INDICTORSMANAGE,其表结构如下表所示,其主要用于设定指标的阂值范围信息。 系统主要界面的设计本文的设计目标是要建立一个基于WebGIS的北京市区域交通信息系统的网上发布站点,即要建立一个ArcMIS的网站,为交管部门和公众提供道路交通信息服务。系统的主页面由5个一级模块组成,每个模块又由若干个二级模块构成,二级模块又由若干个三级模块构成，以及模块包括信息公告、预测预报、实时监控、统计分析、报表管理、系统管理等。系统测试与分析系统测试是软件工程的一个重要环节。系统测试的目的是验证最终软件系统满足产品需求并且遵循系统设计。软件测试是软件质量保证的重要手段。人及测试是软件生命周期中一项非常重要且非常复杂的工作，对软件可靠性保证具有极其重要的意义。软件测试的一般过程包括：制定测试计划、需求Review、设计Review、测试设计、测试执行、回归测试、测试报告和产品发布。本系统的测试主要包括单元测试、集成测试和系统测试。单元测试采用的工具主要是JUnit，集成测试和系统测试采用的工具主要是JMeter。功能测试主要是针对系统的需求功能来进行测试,主要的用例及其测试内容见下表所示。十一、结论随着各种Web技术在GIS中的推广和应用,WebGIS技术正在不断地发展并逐步走向成熟，在各个行业中的应用也将越来越广泛。