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1、南京师范大学硕士学位论文多类型公共交通网络数据模型研究与应用姓名：束平申请学位级别：硕士专业：地图学与地理信息系统指导教师：龙毅20070501摘要数据是地理信息系统(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)的基础，数据模型则是用来表达地理信息系统中数据之间联系与逻辑组织的形式。在城市公共交通领域，道路、公交、地铁、轻轨，轮渡等类型众多，站点密集，线路交错，利用程度高，针对这些特点，其G I S建设需要构建一个科学高效的网络数据模型用以存储和组织数据。但是传统的网络数据模型适合于单一要素的具有直接拓扑关系的空间
2、对象集合，难以描述这种多类型、多关系的公共交通网络(P u b l i cT m 艏cN e t w o r k,P 1 N)结构。因此，需要根据公共交通网络的特点，对传统模型进行有效的改进和扩展，以此构建一个稳定、实用的城市多类型公共交通网络(M u l t i M o d a lP u b l i cT r a f f i cN e t w o r k。M P T N)数据模型。这也是在当前交通设施建设和信息技术发展前提下，提高城市公共交通系统信息化和智能化程度的关键环节之一。本文针对城市P T N 的特点，分析了现有的P T N 数据模型，在传统交通网络模型的理论和方法基础上，对各要素停
3、靠点空间关系进行了分析和抽象，考虑了空间相离站点间的弱连通关系，建立了适合于跨类型、站点紧邻表示的扩展拓扑关系，构建了多类型公共交通网络M P T N 数据模型。基于这种模型结构，本文设计了面向城市公共交通应用的最优路径算法和基于最少换乘次数的最优路径算法，及其相应的数据结构与存储方式。最后，采用V i s u a lc+和A c c e s s 数据库平台，开发了城市公共交通G I S 的原型系统，系统利用M P T N 数据模型，建立了数据采集、信息浏览查询，一般路径分析和最佳乘车方案分析等功能，可以实现考虑步行方式(步行距离小于最大步行容忍距离)的多种公共交通方式的换乘。关键词：公共交通
4、；模型；M P T N：扩展拓扑关系A b s t r a c tD a t ai st h ef o u n d a t i o no fG e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m(G I S)，w h i l ed a t am o d e lc o n t r i b u t e st oe x p r e s st h er e l a t i o n s h i pa n dl o g i c a lo r g a n i z a t i o no fd a t ai nG I S I nt h ef i e l do fU
5、 r b a nP u b l i cT r a f f i c，i th a st h ec h a r a c t e r i s t i co f m u l t i-m o d a lo f t r a f f i cs u c ha sr o a d，p u b l i c-b u s，s u b w a y,l i g h tr a i lt r a n s i t,f e r r ya n ds oo n,a n da l s ot h eh i g hd e n s i t yp u b l i cp l a t f o r m，i n t e r l e a v i n gr
6、 o a d s A c c o r d i n gt ot h o s ec h a r a c t e r s，as c i e n t i f i ca n de f f e c t i v en e t w o r kd a t am o d e lu s e df o rs t o r a g ea n do r g a n i z i n gU r b a nP u b l i cT r a f f i cD a t ar e q u i r e st od e s i g ni nG I Sc o n s t r u c t i o n B u tf o rt h eT r a
7、d i t i o n a ln e t w o r kd a t am o d e l s，t h e ya r eo n l yc a nb eu s e di nd e s c r i b i n gs p a t i a lo b j e c ts e t sw i t ht h ee x p l i c i tt o p o l o g yr e l a t i o n s，a n da r en o ts u i t a b l et od e s c r i b eP u b l i cT r a f f i cN e t w o r k(F I N)w i t hh i g h
8、c o m p l e x i t ya n dm u l t i-t y p e dd a t a T h e r e f o r e，a c c o r d i n gt os p e c i f i ca p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s，a na d v a n c e dM u l t i M o d a lP u b l i cT r a f f i cN e t w o r k(M P T N)d a t am o d e lc o n s i d e r i n gm o r es p a t i a lr e l a t i
9、 o n s h i p ss h o u l db ea n a l y z e da n dd e s i g n e d I ti sav i t a lt a s kt od e s i g nas t a b l ea n du s e f u lu r b a nM P T Nd a t am o d e la n da l s oo n eo f t h ek e ys t e p si ni n t e l l i g e n tp u b l i ct r a f f i cs y s t e m A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t
10、e r i s t i co ft h eU r b a nP T N t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee x i s t i n gP 1 Nd a t am o d e l T h es p a t i a lr e l a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tp u b l i cp l a t f o r m sw e r ee x t r a c t e da n da n a l y z e du s i n gt h e o r ya n dm e t h o do ft r a d i t i o
11、 n a lp u b l i cn e t w o r km o d e l C o n s i d e r i n gw e a kc o n n e c t i v i t ya m o n gt h es p a t i a ld i s j u n c tp l a t f o r m，a ne x t e n d e dt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i pf i t t i n gm u l t i-m o d a la n dc o n j o i n tp l a t f o r mW a sp u tf o r w a r
12、d T h e r e f o r et h eM P T Nd a t am o d e lb a s e do na b o v er e l a t i o n s h i pW a sb u i l tc o m p l e t e l y A tt h es a n l et i m e，t h i sp a p e rd e s i g n e da no p t i m a lr o u t ep l a na l g o r i t h ma n dl e a s tt r a n s f e rr o u t ep l a na l g o r i t h mo r i e
13、n t e du r b a np u b l i ca p p l i c a t i o n sb a s e do nM P T Md a t am o d a l A tl a s t,ac o r r e s p o n d i n gG I Sa r c h e t y p es y s t e m P u b l i cT r a f f i cI n f o r m a t i o nQ u e r yS y s t e mW a Sd e v e l o p e du n d e rt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t
14、o f V i s u a lC+6 0a n dA c c e s sd a t a b a s e B yt h ee x p e r i m e n t,i ti sp r o v e dt h a to u rs y s t e mh a st h es u p e r i o r i t yt ot h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi np u b l i ct r a f f i ci n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n
15、 s K e y w o r d s：P u b l i cT r a f f i c；M u l t i-M o d a lP u b l i cT r a f f i cN e t w o r k；M u l t i v a r i a t eD a t a；E x t e n d e dT o p o l o g i cR e l a t i o n s h i pH前言资源、环境等问题是实现中国2 l 世纪可持续发展战略的核心问题。以资源、环境管理为主要特征的地理信息产业将作为信息化时代的基础产业在社会、经济和文化中发挥越来越大的作用。在公共交通领域中，地理信息系统已广泛应用于公共交通
16、管理的各个环节，成为智能交通系统的基础平台。目前，基于公共交通的网络数据模型研究已经成为交通地理信息系统的一个重要研究内容。在P T N 数据模型研究过程中，一直希望找到一个能克服传统单一P 1 N 数据模型不足的新的数据模型。因此，探讨了基于多种要素的M P T N 数据模型，历时两年多，深入地研究了基于多种要素城市P T N 模型数据的划分方式、拓扑关系的构建与表示，相关算法设计等，并最终设计开发了基于多类型要素的公共交通信息查询系统。P T N 所包含的要素种类繁多、关系复杂，主要包括：道路、公交、地铁、轻轨，轮渡等要素。论文在现有P T N 数据模型的研究基础之上，将这些要素有机地统一
17、起来，建立了基于要素一体化的M P T N 数据模型。M P T N 数据模型的提出，很好地弥补了传统单一结构的P T N 数据模型在现代P T N 数据模型应用中的不足，如在出行换乘方面可以以时间优先或者距离优先的方式提供基于公交、地铁、轻轨、轮渡等要素的混合换乘方式，最大限度地方便普通市民的出行。因此，M P T N 数据模型可望在解决公共交通难题中发挥一定的作用。论文共分六章。第一章分析论文的选题背景及意义，综述了V r N 模型的国内外研究概况；第二章介绍P T N 数据模型研究，详细介绍了现有的P T N 数据模型：第三章提出了M P T N 数据模型的扩展思想；第四章讲述了基于M
18、P T N 数据模型最优路径算法设计，主要包括：最短路径算法设计、最佳乘车方案算法设计等；第五章介绍多类型公共交通信息系统的设计与实现，包括：系统总体设计、数据组织、系统功能设计与实现；第六章得出结论并展望I v l P T N数据模型在交通领域中的应用前景。1 I I果。学位论文独创性声明本人郑重声明：1、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作。2、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成3、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。4、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。5、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了
19、声明并表示了谢意。作者签名骅日期：珥：避学位论文使用授权声明本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行作者签名：弛日期：笙2 1：型第一章绪论1 1 论文选题背景及意义随着经济的快速发展和人口数量的急增，城市交通发生了前所未有的迅速膨胀，传统的道路交通设施已经不能适应现代社会的需要。当前，我国城市特别是大城市的交通状况日趋恶化，交通拥挤、道路堵塞和交通事故频繁发生，交通问题越来越严重地困扰着城市建设与发
20、展，如果不能得到有效解决和根本治理，必将对我国经济的持续，快速、健康发展构成严重威胁。目前，我国城市交通困扰问题更为突出的反映在城市公共交通方面。由于公共交通这一被世界公认的效率最高的交通方式，在我国城市客运系统中的发展步履艰难而趋于低谷，并一直处于单一的公共汽车与地铁客运方式结构，已经越来越严重地束缚了城市功能的发挥和国民经济的发展。为了解决城市公共交通存在的问题，各大城市采用增加交通线路与车辆，扩大交通容量，大力发展轨道交通，加强对公共交通的管理等等措施，取得了积极的效果。但也存在不足，事实证明，一味地增加线路和车辆不但不能从根本上解决交通拥堵问题，反而使城市交通变得更加混乱；在轨道交通方
21、面，轨道交通的建设投资巨大、工程复杂、工期长，要形成一个完善的轨道交通网络需要很长的时间。因此，采用系统的观点来看待城市交通问题，建设高效，优化的公共交通系统(包括公共汽车和轨道交通)，是改善目前城市交通状况最迫切的任务之一。基于上述情况，论文通过对P T N 要素类型划分以及特征性的研究，构建M P T N 数据模型。为该模型的应用提供关系模型，在此基础上设计和实现最优出行线路选择算法，最后设计实现了一个公共交通信息查询系统。为满足人们对出行线路选择日益增长的需求和推动城市交通信息智能化应用的研究提供理论和实践基础。1 2 国内外研究进展公共交通网络数据模型是利用G I S 处理公共交通相关
22、问题的主要数据组织形式，其分析与建模成为交通地理信息系统(G I S T)的重要研究内容。目前，G I S T 的数据模型有多种，根据不同的分类原则，可以产生不同的分类体系。按照模型所描述的对象维数，可以分为平面模型和非平面模型；按照模型的复杂程度，可以分为传统的弧段一节点模型，基于定位参照体系和动态分段的G I S T 数据模型，适于导航的数据模型和G I S-T 时空数据模型等o“。最初的G I S 弧段一节点数据模型把实际交通网络表达为弧段和节点的集合。该模型表达了基本的交通网络，同时支持最短路径算法和空间拓扑分析等功能。不足之处在于“1：如果需要具体表达交叉口信息，必须增加大量节点和弧
23、段，加大了数据存储量；每增加一个节点，就要在专项数据表中增加1 2 条记录，大大降低了模型效率；在弧段节点数据模型中，在弧段交叉处都必须存在一个网络节点，与实际交通网络不相符；弧段与属性记录是一一对应的，不支持一对多的关系。国外的许多政府部门和规划部门都采用线性参照体系来维护相关设施信息。线性参照体系能够对网络上的事件如路面情况、事故、交通量等信息进行存储和维护。2 0 世纪7 0 年代初期，N C H R P(n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c h)提出了定位参照方法和定位参照体系的区别及4 种基本的线
24、性定位参照方法，即里程点、里程位置、参照点和参照位置口1，并对4 种线性参照方法在运用的方便性以及在维护实际位置和参照的稳定性方面进行了比较，指出交叉口参照点方法表达更为稳定，数据存储更简洁，界面更灵活，数据转换效率更高。然而，R A M A K R I S H N A N R 则认为交叉口参照点方法在国家公路的标准命名转换中存有不足，在数据库路名索引的有效性和匹配算法方面也存在缺陷1 3】o 与此同时，分段的方法也随着线性定位参照体系应运而生，包括定长分段(静态分段)和变长分段(动态分段)。定长分段产生了过多的、不协调的分段，不利于网络分析和数据共享。动态分段克服了定长分段的缺陷，使路段的长
25、度可以适应不同情况。F l e t c h e 列出了动态分段的4 点优势1 4 j：任何一个要素的变化不会影响其他要素；容易添加和删除要素；应用时只需处理具有特殊意义的要素，减少处理和存储的数据量；一些实体可以被表述成节点或弧段。由于动态分段能够保持鼹好的数据结构，支持路线上的各种事件，因而得到了广泛的应用。然而，线性定位参照体系在应用中会出现体系本身难以克服的弊病：逻辑上的路径不连续；交通设施难于惟一定位；末端成圈状的道路不能进行惟一的线性表达；斜坡难于线性表示等问题吼导航数据模型适应了智能交通系统(I T S)的发展，使G I S-T 数据模型能够维护弧段和节点的拓扑关系、交通要素的二维
26、地理参照和事件的线性参照。F o h l 等人【6 1 于1 9 9 6 年，G o t t s e g e n等人【7 1 T-1 9 9 4 年分别对节点一弧段模型进行了优化。前者指出如果车道的数量有变化，就在变化点处加一节点，这种方法增加了数据存储，而且通过更新现有的数据库来反映车道的变2，化极为繁琐：后者则是把车道的数量当作属性来存储。虽然这种方法更易于存储，然而却不能辨别具体哪一条车道发生变化。F o h l 等于1 9 9 6 年提出了基于导航的数据模型，此模型可以消除线性定位参照体系带来的弊病“。B e s p a l k o 等对适于I T S 的三维面向对象的G I S T
27、数据模型进行了探讨，把导航区域描述成为细的、有节点的、同轴且具有分支的表面【8】。I T S 的发展对G I S T 数据模型从精度、质量和各种G I S 数据之间的融合等方面提出了更高的要求。2 0 0 0 年，G o o d c h i l d 提出G I S T 的进展可划分为3 个阶段：地图视图、导航视图和行为视图1 1 0 1。时态属性在满足G I S-T 向导航视图的发展中起着举足轻重的地位，完善的G I S T 时空数据模型亟待发展。欧洲科研开发D G XI I 委员会、美国国家地理信息分析中心(N C G I A)和I S P R S 成立的“空间数据库的时态特征与数据更新”工
28、作小组，尽管在G I S 时空数据模型方面作了不少研究，但在G I S T 时空数据模型方面所作的研究还很少，G u o B o 提出了由时间动态分段支持的基于要素的线性数据模型(F B L D)，针对在G I S 网络中缺乏时态的支持及缺乏时间分段，提出了一种线性数据模型，把传统的动态分段扩展到时间域中【1”。张山山针对现有数据模型的局限性，对时空过程模拟模型与G I S 结合的方法进行了分析和讨论，提出了一个城市交通规划的面向对象时空数据模型，对城市交通规划时空数据模型的设计方法，交通规划基础信息的面要素、线要素、点要素的时空表达及规划方案信息管理进行了研究【”1，取得了良好的效果。目前的
29、各种数据模型均是在二维静态模型基础上发展起来的，为满足G I S T 向行为视图的发展，基于交通特征的三维数据模型和具有时间维的时空数据模型，是G I S-T 时空数据模型是未来的发展趋势。G I S T 数据模型的发展带动了公共交通网络数据模型的发展，当前在公共交通网络数据模型研究方面，国内学者也做了很多研究。陆峰于2 0 0 0 年发表了基于特征的城市交通网络非平面数据模型2“，韩印、杨晓光于2 0 0 0 年发表了一种新的公交网络非线性双层模型【“1，黄正东、于卓等于2 0 0 5 年发表了一种面向对象的多层次公交数据模型I”1，闻辉、刘岳峰、郑江华等于2 0 0 5 发表了基于时间链的
30、公交网络数据模型1 2”。随着公共交通设施的不断建设与发展，以及交通信息系统智能化程度不断提高，人们对交通信息服务的需求不断增加，公共交通网络数据模型也需要在现有的G I S T 数据模型基础上不断的丰富与发展。一3 第二章P 1 N 数据模型概述数据的描述和表达在G I S 中处于非常重要的地位，由于交通信息种类繁多，不仅交通设施管理、道路交通信息管理需要良好的数据结构，而且在路网规划、车载导航及路径优化等方面，由于其复杂性还需要拓展传统G I S 的数据结构。因此，研究P T N 数据模型，可以高效、合理地组织与管理公共交通数据。2 1 公共交通与P T N 数据模型2 1 1 公共交通概
31、述城市公共交通是指在城市及其近郊范围内为方便居民和公众的出行，使用各种客运工具的旅客运输体系，是国家综合运输网中的枢纽和节点，是城市交通体系的主体，是城市建设和发展的重要基础之一，是生产和生活必不可少的社会公共设施，也是城市投资环境和社会生产的基本物质条件。其包含一系列的任务需求，如公交路线规划、设施管理、公交运行管理与调度、出行指南等。这些任务作用于不同的空间层次上，要求对公交要素进行适当的表达。多层次公交数据模型的提出是基于以下两个主要的目标：描述复杂的公交系统结构，特别是我国大城市环境下的公共汽车系统；在此基础上，满足各层次城市公交系统的应用需求，包括公交规划、管理与维护、公交出行指导。
32、城市公共交通的特点主要体现在运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等。优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段，也是世界各国公认的解决大、中城市交通问题的最佳策略。一些发展较快的亚洲城市在这方面已取得成功。在欧洲、北美以及澳大利亚，虽然小汽车私人拥有率非常高。但仍有成功的范例，他们的经验证明，通过对城市公共交通的发展和对以城市公共交通为基础的城市规划进行大量投入，结果令人满意，不仅降低了人们对小汽车的依赖程度，而且使城市的环境质量与舒适程度都有较大提高。但是，目前我国城市公共交通明显滞后于经济社会的发展。公交车辆速度慢、不准时降低了对大众的吸引力，使
33、其在交通结构转化过程中处于劣势。据估计，公共交通在城市出行中的比例仅为2 0，有限的道路资源被大量低效的个体交通所占用。因此，只有在公交网络规划、公交调度等关键基础理论研究的前提下，利用系统工程理论和方法，将现代通信、信息、电子控制、计算机、网络，G P S 和G I S 等高新科技继承应用于公共交通系统，并通过建-4 立公交智能化管理系统等实现公交调度、运营、管理的信息化和智能化为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公交服务，从而吸引公交出行，缓解城市交通拥挤，才能从根本上解决城市交通的问题。2 1 2P T N 数据模型概述目前，G I S-T 主要的数据模型有传统的弧段一节点模型、基于定位参
34、照体系和动态分段的G I S-T 模型、适于导航的数据模型以及G I s T 时空数据模型等【2 1 a 传统的弧段一节点模型把实际的交通网络表达为弧段和节点的集合，该模型表达了基本的交通网络，同时支持最短路径算法和空间拓扑分析等功能，但同时也有诸多的不足：节点的表达方式增加了数据存贮的冗余，降低了模型的效率，与实际的交通网络的特点不符；弧段与属性记录是一对一的关系，不支持一对多的关系。2 0 世纪7 0 年代初，N C H R P 指出了定位参照方法和定位参照体系的区别及4 种基本的线性定位参照方法。动态分段克服了定长分段的缺陷，使路段的长度可以适应不同的情况。基于线性定位参照体系和动态分段
35、的G I S T 模型的灵活性，这一模型被广泛应用于交通领域。但不同的领域或同一领域不同的部门的线性定位参照系和数据模型各具特色，极不利于数据共享，造成大量资源的浪费。一方面，需要提出对于复杂的交通定位系统的功能要求；另一方面，建立适用于多个部门的L R S 数据模型势在必行。线性定位参照体系在应用中会出现体系本身难以克服的缺点：逻辑上的路径不连续，交通设施难于唯一定位，末端成圈状的道路不能进行唯一的线性表达，斜坡难于线性表达。导航数据模型迎合了知道交通系统(I T S)的发展，G I S T 数据模型能够维护弧段和节点的拓扑关系、交通要素的二维地理参照和事件的线性参照。尽管动态分段功能支持弧
36、段的位置信息，并不能表达弧段的几何信息。此外，由于各个车道的交通管制不同，需要导航。数据模型对于每个弧段加入相应的车道信息，用于提供转向、障碍、交通状态等信息，便于分析和模拟。2 2N c I I I i PL R S 数据模型该模型由美国N C H R P 提出，模型通过一致的线性数据支持多种模式交通网络、L R S、事件数据、图形表达。N C H R P 模型提供一个通用的数据模型作为各种专门化应用的核心【1 8 l。N C H R P 数据模型的核心思想是一个支持多尺度图形表达和多种应用领域多模式网络的数据集，图2 1 给出了N C H R P 数据概念模型示意图。模型分为三个层：(1)
37、基准层(网络拓扑层)，标准内容的该层又分为三个子层，L R M、网络、数据集。(2)基本数据层，包含通过L R S 事件数据。(3)图形表达层。5 事物数据线性参照体系图2-l N C H R P 数据概念模型N C H R P 数据模型支持以下基本操作：(1)定位：通过参照现实世界中的其它对象对区域中一个未知点定位。(2)排列：现实世界中的位置到数据库中位置的转换。(3)安置：数据库中位置到现实世界中位置的转换(排列的反过程)。(4)转换：不同的数据库位置所表达的不同L R M 之间的转换、不同的图形表达方式之间的转换及L R M 和图形表达之间的转换。在支持这些基本操作的基础上，N C H
38、 R P 模型还支持更高级的操作。包括，叠置、邻接及更复杂的网络分析(寻找路径、路由、设施定位及网络资源分配)。2 3 面向对象的多层次公交数据模型武汉大学黄正东提出了三层公交数据模型【1 7】。该模型以非空间对象、空间要素和网络为元素，构成了语义层次、虚拟层次和有向层次，如图2-2 所示。在三个层次中，公交线路和公交站点是最基本的要素，而公交网络则可以在三个层次中分别构成。但在所有三个层次中，都需要定义线路与站点的关联关系，这种关联关系的基本形式是线路站点对象类，关联类的属性根据需要可以进行添加。在实际应用中，除了各层内部的线路站点关系外，有向线路和虚拟站点也常常需要建立关联，即为跨层次关联
39、f 1 2 1 4 1。6 对象继承L 一一i 非空间对象I-一j 空间特征要素；j 对象继承1、公交站点与公交网络图2-2 三层公交数据模型结点特征要素和边特征要素是构建空间网络的基本元素。对于道路网，道路交叉口是结点特征要素，道路段是边特征要素。在公交数据模型的虚拟层和有向层都设计了公交网络，其中站点是构成公交网络的结点特征要素，同时定义了线路段作为边特征要素。由于公交线路的特殊空间特征，线路段的定义与普通网络边存在较大的不同。2、时态要素的处理多层次公交数据模型在各个层次都定义了具有时间特征的线路站点表，可以存储计划时间表，也可记录实时的到站时间。这种定义方式能够满足大多数情况下的应用需
40、求。3、可扩展性多层次公交数据模型提供了一个构建综合性的大规模公交数据库的良好基础。同时也可以直接从多层次数据模型库中提取公交实体要素，并与专题应用的数据项合并关联，构成目7 标明确的专题数据库系统。2 4 基于时间链的公交网络数据模型闻辉、刘岳峰等基于相对时间和绝对时间的概念，提出一种基于时间链的公交网络数据模型。该模型的核心思想就是将出行的实际过程通过完整的公交网络来表达，并将所有相对时间转换成网络中的几何对象进行表达，无法用几何对象表达的则用几何对象的属性来表达。绝对时间有两种存储方式，一种是将其作为属性记录到几何对象中，另一种是通过时间表数据进行存储，如图2 3 所示。模型中，换乘时间
41、、步行时间和乘车时间都可以通过相应的几何对象来表达，等车时间通过公交路线的属性来存储。其中，换乘时间对应公交换乘区中的连接弧段，步行时间对应上站或离站走过的人行道路，乘车时间对应出行中公交车行驶的线路。图2-3 基于时间链公交网络数据模型在该模型基础上，作者将不同的时空数据源统-N 基于X M L 的标准交换格式上，然后将该交换格式的数据转换到根据应用而选定的数据库中，形成面向公交应用的时空数据库，如图2 4 所示。8 J 土基于X M L 的卜叫面向公交的交换格式I 一时空数据库fj时空数据模型l 公交网络数据lI 道路网络数据l l 时间表数据l、-、一一、一J2 5 本章小结圈2-4 时
42、空数据库公共交通网络的表达在G I S-T 中处于非常重要的地位，不仅交通设施管理、道路交通信息管理需要良好的数据结构，而且在路网规划，车载导航及路径优化等方面还需要拓展传统G I S 数据结构。数据是G I S 系统的基础，数据模型则用来表达数据之间的联系与逻辑组织形式。由于交通信息种类繁多，具有自身的特点，需要合理的形式进行组织，因此研究G 1 S-T数据模型对构建P T N 数据模型具有重要的意义。在过去的研究中，众多学者为了解决公共交通数据的组织表达提出了一系列的研究模型，为公共交通问题的解决做出了很大的贡献，但随着交通方式的拓展，更多要素加入到公共交通的范畴之内，要素之间的关系也变得
43、进一步复杂化，因此如何将多种要素、多种关系有机的组织成为一个有效的公共交通网络模型，是一种非常值得研究的问题，本文的研究也正是围绕这个问题展开。9 第三章肝T N 数据模型针对现代城市公共网络的特点，在已有的公共交通网络数据模型的基础上，本文提出了多类型、多关系的公共交通网络(P u b l i cT r a f f i cN e t w o r k,P T N)模型，旨在对传统模型进行有效的改进和扩展，以此构建一个稳定、实用的数据模型，以求在当前交通设施建设和信息技术发展前提下，提高城市公共交通系统信息化和智能化程度。3 1 多类型概述本文这里的多类型是指P T N 中线路类型的多样性，如道
44、路、公交、地铁、轻轨，轮渡等。由于要素多而且复杂，每种要素又有着自己特定的运行规则和特点，特别是在大城市中各种要素形成的网络错综复杂，难以统-N 同一个网络数据模型中。虽然城市P T N 大部分交通要素都分布在城市道路网上，但P T N 和道路网络之间存在很大的差别。因此，如何将这些多要素统一构建到同一个F I N 数据模型中，成为交通和导航等信息系统路径分析与引导的基础，有助于促进交通地理信息系统的发展及其更为广泛的应用。3 2l 删嗍要素分类和几何表达P T N 按照其要素的复杂性及其特点可分为：道路网要素、公交线网要素和其他要素。其中道路网要素和公交线网要素数最为重要和复杂的要素，公交线
45、网是建立在道路网基础上但又有自己的特点。其他要素主要包括：地铁、轻轨，轮渡等要素，所有这些要素都是城市交通系统不可忽略的部分，在P T N 分析中起着极为重要的作用。3 2 1 道路网要素道路网要素主要包括：线状道路、交通路口、地下通道和立交桥等要素。将这些要素进行抽象和归纳，可以得到M P T N 网络数据模型中的点，线和面对象。1 线状道路线状道路主要是指道路的路段，在 I P T N 数据模型中的几何表达为线段。这种用一维线段来表示道路的方式可以更方便地实现路径分析、网络拓扑分析等空间分析功能。但是，道路经过拓扑处理后，会在路口被打断，从而形成为一条条的路段，如图3-1 所示，b 和C
46、就是一条道路的两个路段。这种处理方式主要是为了实现基于路网的拓扑分析等空间分析功能。1 0-baC2 道路口图3-1 线状道路baC图3-2 道路口道路口在M P T N 数据模型中的几何表达如图3 2 所示(b，c 中间的圆点)，为几何点。路口一般为两条或两条以上的道路的交叉口，或者是一条道路中间设置的供车辆调头和行人过街的路口。通常，路口将一条道路打断为多条路段。3 人行天桥和立交桥人行天桥在M P T N 数据模型中的几何表达为几何线集合。考虑到人行天桥在公共交通中的主要作用是为了分析公交站点的可达性，因而用多线(线集合)来表示。立交桥是G I S 中一种比较复杂的空间对象。为了利于拓扑
47、分析，在平面线性网络中，所有交叉的线路(无论是平面相交还是立体交叉)都要在交叉处生成一个结点。因而仍采用线状道路来表达道路的交叉，在道路的交叉处用几何点来表达立交桥。如图3 3 3 5 所示。图3 3 人行天桥和立交平面图图3 4 几何表示图3-5 转向逻辑表4 地下通道地下通道在 I P T N 数据模型中的几何表达为几何线集合。实际上，在大比例尺的地图中(如1：5 0 0)，过街隧道也可以用几何面来表示。考虑到地下通道在公共交通中的主要作用是为了分析公交站点的可达性，因而用多线(线集合)来表示。但是，有时为了准确计算距离，也用几何点标出通道的出入口。地下通道几何表达如图3 7 所示。-1
48、1 壬图3 6 地下通道(平面国)图3-7 地下通道(几何表示)3 2 2 公交线网要素根据I S OG D F 4 0 标准将M P T N 数据模型中公交线网分为：公交路线线段、公交连接点、公交路线、公交线路、公交车站、公交换乘区、公交点等要素如图3-8 所示。图3-8 公共交通网络数据模型(I s oG D F 40)公交路线段：是公交网络中的最小线状单元，以公交连接点为端点。公交连接点：是公交路线线段的端点。公交路线：是一组公交路线线段的有序排列，为公交车辆行驶构建一个物理路径。公交路线定义了公交网络中的一个有向路径。公交线路：是复杂要素，指一组有共同名称或编号的公交路线。大多数情况下
49、，公交路1 2 线包含两条公交路线，每条公交路线代表着不同的方向。公交车站：是乘客上下公交车辆的地点。公交换乘区：由一个或多个邻近的公交车站所构成。是乘客可在步行距离内换乘公交线路的公交车站的集合。公交点：是公交网络中可设定地址的位置。该点可以有明确的物理意义，如景点。公交线路实际上是由多个站位通过路段(道路中心线)连成的一条虚拟的曲线，一条公交线路分为“上行线”和“下行线”，也有个别的“环形线”(如一些旅游公交线)。“上行线”和“下行线”可以经过相同的路段和站点，也可以经过不同的路段和站点。但是“上行线”和“下行线”不可能通过同一个站点的相同站位。为了便于对公交线网进行分析，我们在M P T
50、 N数据模型中将虚拟的公交线路抽象为一条由站点和路段串起来的曲线，如图3-9 所示。缈q 8”罗q 婵缵擎矮。街逸A耩街 主A暑著街区B驴震昏参透r站点3雾赣、鬟l 女赫赫屯。毒甜蠢，幺如瑶溅#滋站点1直1 i 占，站点4鬻8 窄”飘秽，J0 站站缆区c毒点街区D，嘿嚣，凌女。删女i 藏滋i。l。g 溉。麓3 2 3 其他要素图3-9 公交线路几何表示地铁、轻轨、渡轮等其他交通要素往往是沿着固定的轨道、并且按固定的时间表来运行的，但是对于驾车或步行的人没有太多的影响。因此在M P T N 数据模型中我们可以将地铁、轻轨和渡轮的固定线路抽象为一条有站点的曲线，将车站和渡1：3 抽象为曲线上的一个