交通運(yùn)輸畢業(yè)論文我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)與展望

XX大學(xué)畢業(yè)論文我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)與展望姓名_2014年6月25日我國(guó)城市軌道交通的建設(shè)與展望摘要線性參考系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段作為近年來(lái)交通地理信息系統(tǒng)中擁有眾多優(yōu)勢(shì)的兩項(xiàng)新技術(shù),在交通系統(tǒng)的信息化建設(shè)中受到越來(lái)越多的重視。本文設(shè)計(jì)了這兩項(xiàng)技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的方法,同時(shí)也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)城市軌道交通信息系統(tǒng)。關(guān)鍵詞線性參考系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分段城市軌道交通地理信息系統(tǒng)1引言地理信息系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)。對(duì)于交通地理信息系統(tǒng)GIST,GEOGRAPHICINFORMATIONSYSTEMFORTRANSPORTATION,一個(gè)重要的設(shè)計(jì)目的便是實(shí)現(xiàn)靈活、高效的收集、存儲(chǔ)、管理、綜合分析處理空間信息和交通信息等功能,而這就需要一個(gè)精簡(jiǎn)、可靠的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)以及一套智能處理技術(shù)。由于交通系統(tǒng)中所涉及的對(duì)象在空間分布上的特殊性,使得基于傳統(tǒng)二維平面空間坐標(biāo)系統(tǒng)的交通地理信息系統(tǒng)在空間利用率和運(yùn)行效率上無(wú)法達(dá)到令人滿意的效果1。因此,近年來(lái)在交通地理信息系統(tǒng)中采用了兩項(xiàng)新技術(shù)線性參考系統(tǒng)LRS,LINEARREFERENCESYSTEM和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)DS,DYNAMICSEGMENTATION2。另外,交通地理信息系統(tǒng)中所涉及的交通信息經(jīng)常是海量的數(shù)據(jù),并且其中各個(gè)對(duì)象的屬性之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系,如果沒(méi)有智能技術(shù)的幫助,則交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中某一部分信息的修改將導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)的不匹配,而這種修改也是經(jīng)常發(fā)生的,因此,人工更正這些數(shù)據(jù)的工作量是不可想象的。所以,智能技術(shù)對(duì)城市軌道交通地理信息系統(tǒng)URGIS,URBANRAILGIS的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。本文分析了城市軌道交通結(jié)構(gòu)和設(shè)施上的特殊性,設(shè)計(jì)了線性參考系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用的方法,同時(shí)也闡述了一些相關(guān)智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn),并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)城市軌道交通的信息系統(tǒng)。2GIST中的線性參考系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)基于線性參考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界線性特征及其相關(guān)屬性的抽象表現(xiàn),是由基礎(chǔ)線性網(wǎng)絡(luò)、線性參考方法以及屬性表構(gòu)成的3。LRS定義一個(gè)地理位置的方法是通過(guò)與已知位置的距離或其他度量,而不是傳統(tǒng)平面坐標(biāo)系統(tǒng)中的X、Y坐標(biāo)。在GIST中選擇線性參考系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于1所需的空間數(shù)據(jù)量小,有利于數(shù)據(jù)的錄入及維護(hù)。2依靠統(tǒng)一的參考模型避免數(shù)據(jù)換算造成的誤差。3查詢和檢索操作方便靈活,既可以不依賴地圖數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢,也可與數(shù)字地圖疊加后進(jìn)行模糊查詢。通常,GIST所涉及的都是有特定幾何形態(tài)的線性元素,但與這些線性元素相關(guān)的分布式屬性卻隨著時(shí)間和空間的變化而動(dòng)態(tài)改變。為了便于對(duì)這些屬性的保存和在地圖上的重建,線性參考系統(tǒng)中引入了動(dòng)態(tài)分段技術(shù)。動(dòng)態(tài)分段技術(shù)是一個(gè)建立在線性網(wǎng)絡(luò)之上的數(shù)據(jù)模型,是對(duì)線性特征進(jìn)行以某種量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的相對(duì)位置劃分的技術(shù)2。該技術(shù)一方面可以將原有的線性元素劃分為一系列的線性段落,并將段落重新連接成線性元素另一方面,通過(guò)動(dòng)態(tài)分段,可以將現(xiàn)實(shí)世界中的空間屬性與線性元素聯(lián)系起來(lái)。21基于線性參考系統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建庫(kù)原理基于LRS的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法有多種,但其基本原理都類(lèi)似于極坐標(biāo)系中點(diǎn)的確定方法,即對(duì)于沿線性目標(biāo)分布的未知點(diǎn),如果知道該點(diǎn)離某一定點(diǎn)的距離和方向,則可以確定它的位置2。所以各種建庫(kù)方法僅在于線性參考方法上的不同,即在采用何種度量方法上有所差異。22基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的線性網(wǎng)絡(luò)的生成方法動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的首要任務(wù),就是將原有的數(shù)字化圖形線段連接成一個(gè)或多個(gè)具有唯一序號(hào)的線路集合,而這個(gè)集合就是所需的線性網(wǎng)絡(luò)4。為了構(gòu)造這樣的線性網(wǎng)絡(luò),要根據(jù)線路地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的線段與線段間的連接關(guān)系,生成對(duì)線段統(tǒng)一管理的對(duì)象線路,并根據(jù)線路的線序最終生成以全部線路為其成員的對(duì)象線路網(wǎng)絡(luò)。3基于線性參考系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的URGIS的設(shè)計(jì)由于城市軌道交通結(jié)構(gòu)和設(shè)施的特殊性,本文所設(shè)計(jì)的URGIS上運(yùn)用的線性參考系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)也有很多自身的特點(diǎn)。城市軌道交通線路是由各軌道站點(diǎn)以及連接各站點(diǎn)的軌道線路所構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò),不僅在線路上有輕軌與地鐵的區(qū)別,而且在站點(diǎn)上根據(jù)其不同的功用,又可細(xì)分為普通站點(diǎn)、終點(diǎn)站點(diǎn)、中轉(zhuǎn)站點(diǎn)和復(fù)合站點(diǎn)即同時(shí)為終點(diǎn)站和中轉(zhuǎn)站的站點(diǎn)。此外,不同的線路之間的連接方式也有多種情況。這就使得URGIS的線路地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)造和普通線性參考系統(tǒng)中的有所不同。在本文所設(shè)計(jì)的URGIS的線路地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中,記錄是以軌道站點(diǎn)為單位的。為了構(gòu)造正確的線路網(wǎng)絡(luò),每條記錄中的字段由表1示根據(jù)這樣的線路地圖數(shù)據(jù),URGIS就可以運(yùn)用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)分兩步來(lái)完成對(duì)現(xiàn)實(shí)屬性的還原。首先,根據(jù)軌道站點(diǎn)所提供的信息把軌道線段連接成多個(gè)具有唯一確定線序的線路集合通過(guò)站點(diǎn)順序號(hào)依次掃描每個(gè)站點(diǎn)記錄,由于同一線路的站點(diǎn)連續(xù)排列,所以可以將每個(gè)站點(diǎn)終點(diǎn)站除外兩端的線路連接起來(lái),直至掃描完所有站點(diǎn)。然后,要以設(shè)施或事件與線路的起始點(diǎn)的位移為參考,將URGIS所了解到的信息與線路網(wǎng)絡(luò)的某一點(diǎn)或某一段聯(lián)系起來(lái)。在詳細(xì)介紹這一步驟之前,先簡(jiǎn)要介紹一下相關(guān)知識(shí)。動(dòng)態(tài)分段中的元素為路徑、路段和事件3。其中,路徑是路段集合,也是線路的子集。路段則為路徑提供度量的標(biāo)準(zhǔn)。事件是與路徑系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的屬性集,存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的事件表中,而不是地圖數(shù)據(jù)中。事件分為點(diǎn)事件和段事件。例如,某條線路中部分需要檢修的路段就是段事件,而需要檢修的站點(diǎn)或發(fā)生事故的現(xiàn)場(chǎng)則為點(diǎn)事件。對(duì)于段事件的描述,以往的方法是通過(guò)X、Y坐標(biāo)確定段的起點(diǎn),一定的里程表示段事件的長(zhǎng)度。但X、Y坐標(biāo)的引入會(huì)因?yàn)榫鹊膯?wèn)題而導(dǎo)致誤差,因此,在URGIS中,我們利用原來(lái)的站點(diǎn)記錄,再加入起始里程數(shù)和中止里程數(shù)來(lái)唯一確定一個(gè)段事件。而對(duì)點(diǎn)事件的描述則只需里程數(shù)即可。以圖1為例,軌道線路各段的狀況在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)方式如表2所示,在確定了對(duì)應(yīng)的線路號(hào)RAILWAY字段和起始節(jié)點(diǎn)STARTNODE字段后,通過(guò)路段的起始偏移OFFSET1和中止偏移OFFSET2來(lái)定義該段事件。而對(duì)于交通事故這類(lèi)點(diǎn)事件的存儲(chǔ),只需要記錄下事故現(xiàn)場(chǎng)與起始節(jié)點(diǎn)的偏移就可以了見(jiàn)圖2和表3。這樣,根據(jù)以上的技術(shù)路線,就可以完成在數(shù)字軌道線路中對(duì)信息的定位了。圖3顯示了存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的事件如何通過(guò)路徑和路段在數(shù)字軌道線路圖中定位,并最終形成真實(shí)世界中的定位。首先通過(guò)事件記錄的RAILWAY字段找到對(duì)應(yīng)的路徑,再根據(jù)STARTNODE和OFFSET字段確定事件在路徑中所處的路段,并由最后以圖形方式顯式地反饋給用戶。當(dāng)然,實(shí)際應(yīng)用中的事件記錄不僅包括上面例子中幾個(gè)字段,還包括很多重要的信息。例如,相對(duì)于線路的方向,即事件在線路的左側(cè)還是右側(cè)。偏移也分為采用公里等絕對(duì)距離度量的DISTANCEOFFSET和采用相對(duì)距離度量如線路總長(zhǎng)的百分比的NORMALIZEDOFFSET。4URGIS中的智能技術(shù)在URGIS中,經(jīng)常會(huì)遇到由線路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致的站點(diǎn)屬性的變更。譬如,暫時(shí)阻斷軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)中一條線路與網(wǎng)絡(luò)的連接,會(huì)使得其他線路上與這條線路相交的中轉(zhuǎn)站點(diǎn)的中轉(zhuǎn)屬性失效。為了防止這種情況的出現(xiàn),我們通過(guò)離散數(shù)學(xué)圖論為URGIS設(shè)計(jì)了能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)線路網(wǎng)絡(luò)變化,并自動(dòng)更新站點(diǎn)屬性的智能技術(shù)。因?yàn)槊織l線路的兩個(gè)方向上均有列車(chē)通過(guò),所以可以將軌道交通網(wǎng)絡(luò)視為無(wú)向圖GV,E,F。其中V是圖中的站點(diǎn)集,E是線路中聯(lián)結(jié)相鄰兩站點(diǎn)的線段的集合,FEVI,VJ|VI,VJ,V是線路對(duì)站點(diǎn)集的映射。由于軌道線路是線性的網(wǎng)絡(luò),且站點(diǎn)的編號(hào)有一定次序,故線路可以綁定在站點(diǎn)上,所以在實(shí)際處理中,F并不作為考慮重點(diǎn)。對(duì)于圖中的站點(diǎn)V,設(shè)其度數(shù)為DEGV。在生成線路網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候,通過(guò)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所關(guān)聯(lián)的邊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)求得站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DEGV。針對(duì)圖中存在的四種站點(diǎn),有如下計(jì)算規(guī)則1一條線路上的普通站點(diǎn)只有兩條相關(guān)聯(lián)的線路,故DEGV22終點(diǎn)站只有一條相關(guān)聯(lián)的線路,故DEGV13中轉(zhuǎn)站至少有兩條或兩條以上的線路經(jīng)過(guò),故DEGV4,6,2NN為經(jīng)過(guò)該站點(diǎn)的線路數(shù)4復(fù)合站至少是一條線路的終點(diǎn)站和另一條線路的中轉(zhuǎn)站,故DEGVM2NM為位于該復(fù)合站的終點(diǎn)站個(gè)數(shù),N為位于該復(fù)合站的中轉(zhuǎn)站個(gè)數(shù)。按照上述計(jì)算方法,可以求出軌道線路網(wǎng)中每個(gè)站點(diǎn)的DEGV。在遇到改變線路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作時(shí),則根據(jù)操作的內(nèi)容對(duì)原有線路的狀態(tài)進(jìn)行分析和更新。以部分路段的停運(yùn)操作為例,被停運(yùn)線路中普通站點(diǎn)對(duì)其他線路沒(méi)有影響,而中轉(zhuǎn)站的停運(yùn)使得該站點(diǎn)的DEGV減少2。復(fù)合站的停運(yùn)對(duì)自身DEGV的影響取決于該站點(diǎn)在被停運(yùn)線路中的作用,如果是該線路的終點(diǎn)站,則DEGV減少1如為中轉(zhuǎn)站,則按中轉(zhuǎn)站的方法處理。系統(tǒng)分析完各節(jié)點(diǎn)DEGV的變化后,則根據(jù)新的節(jié)點(diǎn)信息更新無(wú)向圖G,確?，F(xiàn)有線路網(wǎng)絡(luò)的正確性。當(dāng)上海地鐵二號(hào)線暫停營(yíng)運(yùn)進(jìn)行維護(hù)時(shí),系統(tǒng)對(duì)線路網(wǎng)絡(luò)作自我更新的情況。由圖可見(jiàn),地鐵一號(hào)線和輕軌明珠線上兩個(gè)站點(diǎn)的屬性有了明顯的變化圖中無(wú)字母的圓點(diǎn)為普通站點(diǎn)。此外,在計(jì)算出途中各站點(diǎn)DEGV的基礎(chǔ)上,URGIS還可根據(jù)圖論的部分定理智能驗(yàn)證線路圖的正確性。如根據(jù)來(lái)判斷線路中站點(diǎn)的屬性是否有錯(cuò)誤。5結(jié)束語(yǔ)根據(jù)本文論述的技術(shù)開(kāi)發(fā)的城市軌道交通信息系統(tǒng),具有維護(hù)數(shù)據(jù)量較小、事件定位準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),在城市軌道交通的信息化管理方面有良好的應(yīng)用前景。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大城市日趨繁榮,發(fā)展大運(yùn)量的城市軌道交通已成為解決大城市交通問(wèn)題的關(guān)鍵。線性參考系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)分段技術(shù)以及相應(yīng)智能技術(shù)非常適用于以城市軌道交通為代表的線性網(wǎng)絡(luò)交通系統(tǒng)。本文著眼于探討這些新技術(shù)在城市軌道交通方面GIS系統(tǒng)上的應(yīng)用,并從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制方法上對(duì)URGIS的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了歸納。但目前我國(guó)對(duì)這類(lèi)線性系統(tǒng)的研究和實(shí)踐工作仍處在起步階段,因此,如何建立一個(gè)基于線性參考系統(tǒng)的、通用和高效的城市軌道交通信息系統(tǒng)的應(yīng)用,對(duì)我國(guó)城市交通信息化建設(shè)具有重大的意義,有待作進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)1ROBERTCHAPLEAU,ECOLEPOLYTECHNIQUE,MONTREALVISUALISATIONOFTHEURBANTRANSPORTATIONREALITYSOMEKEYVIEWS10THINTERNATIONALCONFERENCEONTRAVELBEHAVIOURRESEARCHLUCERNE,1015AUGUST20032VALNORONHA,MICHAELGOODCHILD,VEHICLEINTELLIGENCETRANSPORTATIONANALYSISLABORATORY,UNIVERSITYOFCALIFORNIATHELRMSLINEARREFERENCINGPROFILETECHNICALEVALUATION20003MAXMWYMAN,GISBASEDLINEARREFERENCINGUSINGDYNAMICLOCATION20004DAVIDFLETCHER,J