支持多模式的复合交通网络模型及关键技术研究

论文摘要

21世纪是一个巨大转变的世纪,城市交通正在从单一模式向多模式相互支撑的交通体系转变。上海世博交通规划研究机构提出构建多模式集成化的现代复合交通体系,指出城市交通系统应该是一个有规则的多模式叠加、复合的网络系统。交通作为GIS最重要和最具增长型的应用领域之一,交通网络模型一直受到国际GIS-T学术界和产业界的关注和重视。伴随着城市交通多模式化的发展进程,GIS-T数据模型提供对于多种交通模式的复合建模能力以及在多模式网络框架下提供各种网络分析服务是一种必然趋势,也具有重要的现实意义。本文结合国家863项目“面向网络海量空间信息大型GIS”,重点研究支持多模式交通网络中交通实体、交通现象的抽象、定义,交通实体之间的关系描述以及多模式特性表达的网络模型,探索其概念模型、逻辑模型以及物理存储等一系列建模问题。并以该数据模型为基础,研究支持多模式的网络拓扑关系自动化构建技术、基于版本的拓扑关系更新和维护技术、基于多模式框架的多模式网络分析算法等关键问题,为交通及相关领域提供多模式网络分析服务。本文开展的研究工作如下:（1）回顾了多模式交通的发展和现状,指出城市交通向多模式化、集成化发展的趋势。深入研究了国内外现有的各种成熟的交通网络模型,并分析和总结了各种模型的利弊。结合城市交通多模式发展的新特性,给出了多模式交通网络模型的国内外研究现状,深入剖析了目前多模式交通网络模型研究和应用存在的问题。（2）对多模式交通网络模型进行整体架构研究。研究现实多模式交通世界中多模式交通特征的提取,多模式交通对象及其相关现象的抽象,多模式交通实体及其相互关系的表达。在面向实体的GIS空间数据模型的框架之下,提出面向实体的支持多模式的复合交通网络概念模型——TEOMM模型（Transportation Entity-Oriented Multi-Modal Data Model）。在TEOMM的统一框架下,分别从TEOMM要素模型、TEOMM属性模型、TEOMM实体关系、TEOMM实体规则以及对于多模式特性支持几个方面进行了概念建模和详细设计。着重论述了TEOMM模型对于多模式特性的支持,提出了与多模式相关的一系列概念来表达和描述多模式网络。（3）基于TEOMM概念模型探索了将概念模型映射为逻辑模型的转化过程、以及其物理存储模型。重点研究如何在TEOMM概念模型的基础上进一步定义各个概念的数据项和接口,标准化和规格化概念模型中的交通实体对象,详细阐述了其逻辑建模过程。着重探讨了如何针对TEOMM模型对数据结构的要求及多模式GIS-T网络分析的特殊需求,从几何、语义、专题及拓扑关系、多模式特性等方面设计TEOMM模型的数据结构,在物理设备上的组织和存取方法、空间数据库存储策略、空间数据库中的关系模式设计,研究高效的数据组织和索引方法。（4）研究了多模式复合交通网络的拓扑构建方法。在多模式复合交通网络模型的基础上,结合成熟的单模式拓扑构建算法,针对现代交通网络的多模式特性,提出了一种支持多模式网络复杂捏合需求的几何捏合模型和支持多模式网络拓扑构建自动化的智能化算法,解决了各模式网络连通性之间交叉依赖难题。在设计过程中考虑了多模式拓扑自动生成算法的高效性,能够高效地完成模式内道路连通关系和模式间道路连通关系的自动化构建。（5）研究了基于版本管理的多模式网络拓扑更新及维护策略。首先研究了数据库经典的长事务模型以及多模式网络的状态机机制,阐明了多模式网络的版本管理原理和实现方法。然后,针对多模式网络中可能的路网变化形式,分别对多模式下不同路网的更新情况进行了讨论,并给出了解决方案。实现了多模式网络更新与多模式版本管理的融合,使得多模式复合交通网络拓扑关系的维护在版本管理的支持下得以完成。（6）在多模式交通网络模型的框架之下,将多模式特性引入传统的单模式路径分析算法以及各种网络分析算法。结合多模式出行的模式约束、时间窗约束特征,将单模式算法发展为多模式算法,支持用户的多模式出行路径选择查询。在已有单模式算法思想的基础上,发展了基于层次策略的MSP算法（多模式最短路径算法）、基于静态时间窗的MSP算法,基于MSP算法探讨了各种组合优化的网络分析等实际应用问题。最后建立了系统原型。设计、实现了实验系统——“MAPGIS7.0多模式交通网络分析系统”,为多模式网络拓扑构建、多模式网络更新和维护、以及多模式网络分析算法提供执行环境。对本文提出的支持多模式的交通网络数据模型、以及实现技术中涉及的理论（包括拓扑构建方法、维护更新方法、网络分析算法等）进行综合应用与验证。证实了模型的可行性、有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 立题背景及意义
• 1.1.1 GIS、GIS-T的发展
• 1.1.2 本文的立题及意义
• 1.2 多模式交通的国内外现状
• 1.2.1 多模式交通的发展
• 1.2.2 多模式交通的现状
• 1.2.3 多模式转换的发展
• 1.3 交通网络模型的研究现状
• 1.3.1 代表性的交通网络模型
• 1.3.2 多模式网络数据模型
• 1.3.3 网络模型分析与小结
• 1.4 论文的研究内容和组织架构
• 1.4.1 课题来源与研究目的
• 1.4.2 论文的组织架构
• 第二章 支持多模式的复合交通网络概念
• 2.1 空间数据模型及认知建模过程
• 2.1.1 空间数据模型与GIS-T模型
• 2.1.2 空间数据模型的认知与建模过程
• 2.1.3 空间数据模型的层次
• 2.2 面向地理实体的GIS空间数据模型
• 2.2.1 地理实体与地理要素
• 2.2.2 面向实体的GIS概念模型
• 2.2.3 面向实体的GIS建模方法
• 2.3 多模式GIS-T概念数据模型
• 2.3.1 概念模型的表达—UML工具
• 2.3.2 多模式GIS-T概念模型的设计原则
• 2.3.3 多模式复合交通网络的建模内容
• 2.4 面向实体的多模式复合交通网络概念模型
• 2.4.1 TEOMM模型总体描述
• 2.4.2 TEOMM要素模型的定义
• 2.4.3 TEOMM属性模型的定义
• 2.4.4 TEOMM实体关系的定义
• 2.4.5 TEOMM实体规则的定义
• 2.4.6 TEOMM多模式特性的定义
• 2.5 本章小结
• 第三章 支持多模式的复合交通网络逻辑模型与物理存储
• 3.1 逻辑与物理数据模型
• 3.1.1 逻辑数据模型
• 3.1.2 物理数据模型
• 3.2 TEOMM要素模型的建模与存储
• 3.3 TEOMM实体属性模型的建模与存储
• 3.4 TEOMM实体关系的建模与存储
• 3.5 TEOMM实体规则的建模与存储
• 3.6 TEOMM多模式特性的建模与存储
• 3.6.1 多模式交通网络的逻辑模型
• 3.6.2 多模式交通网络的物理存储
• 3.6.3 多模式逻辑网络的物理存储
• 3.7 本章小结
• 第四章 多模式复合交通网络的拓扑构建方法研究
• 4.1 多模式网络捏合模型
• 4.1.1 网络拓扑关系自动构建的研究现状
• 4.1.2 多模式网络捏合模型
• 4.2 多模式网络拓扑构建算法
• 4.2.1 网络拓扑生成算法的数学基础
• 4.2.2 空间聚集基本概念和特征
• 4.2.3 多模式网络拓扑生成算法
• 4.2.4 多模式复合网络拓扑构建实例
• 4.3 本章小结
• 第五章 多模式复合交通网络的版本管理技术研究
• 5.1 多模式数据生产协同工作的特点
• 5.2 多模式网络的版本管理机制
• 5.2.1 多模式网络的状态机机制
• 5.2.2 版本管理的原理
• 5.3 基于版本的多模式网络拓扑维护
• 5.3.1 多模式网络的变化形式
• 5.3.2 多模式网络更新中的一致性维护原理
• 5.3.3 多模式网络更新中的更新过程管理
• 5.4 本章小结
• 第六章 多模式复合交通网络的网络分析算法研究
• 6.1 多模式网络分析问题的提出
• 6.1.1 多模式出行的模式约束问题
• 6.1.2 多模式出行的时间约束问题
• 6.1.3 多模式网络分析的研究内容
• 6.2 基于层次策略的MSP问题
• 6.2.1 层次策略理论
• 6.2.2 基于层次理论的多模式最优路径算法（HC-MSP）
• 6.2.3 HC-MSP算法效率和合理性分析
• 6.3 基于静态时间窗的MSP问题
• 6.3.1 问题描述和公式定义
• 6.3.2 基于静态时间窗的SW-MSP算法
• 6.4 基于MSP算法的多模式网络分析
• 6.4.1 多模式TSP最佳游离路径问题
• 6.4.2 多模式K-最短路径问题
• 6.4.3 多模式服务区域确定算法
• 6.4.4 多模式位置-分配问题
• 6.5 本章小结
• 第七章 支持多模式的复合交通网络试验系统
• 7.1 原型系统架构设计
• 7.2 原型系统功能设计
• 7.2.1 数据服务器端设计
• 7.2.2 应用服务器端设计
• 7.2.3 客户端管理层设计
• 7.3 原型系统模块设计
• 7.3.1 MAPGIS7.0各层次模块关系
• 7.3.2 交通网络类管理器及网络分析设计
• 7.4 原型系统实现
• 7.4.1 系统开发和运行环境
• 7.4.2 原型系统
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 论文创新点
• 8.3 后继研究
• 致谢
• 参考文献