车辆导航系统的路线优化研究
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摘要
智能运输系统是解决现代社会交通需求与供给的矛盾的重要途径之一。作为智能运输系统核心技术之一的车辆导航系统是各国竞相角逐的热点研究领域。在车辆导航系统中,路线优化子系统通过接收交通信息服务子系统发布的动态交通信息,结合车辆定位子系统所确定的车辆在路网中所处的位置,向出行者提供符合最优目标的路线行驶方案,以达到安全、迅速、舒适和经济的出行目的。本论文研究了路线优化子系统及其涉及的相关领域。
论文首先概述了智能运输系统的研究进展,研究了车辆导航系统的系统构成及其功能结构,综述了国内外车辆导航系统的研究,分析了相关研究方向的研究进展,提出了当前车辆导航系统研究中需要解决的问题。
交通地理信息系统(GIS-T)是GIS技术在交通领域的延伸,为路线优化系统提供基础地理信息。论文研究了交通地理信息系统中所应包含的空间数据和属性数据的存贮方案。对GIS-T的结构和功能进行了分析并进行了相应的属性数据和空间数据的结构分析。在空间数据结构分析中,对动态分段在车辆导航系统中的应用进行了研究,并开发了实用的动态分段程序。在实际路网中的运行结果表明,该程序切实可行、稳定可靠。
论文在车辆导航系统的空间数据存贮与管理中引入了XML技术,研究了使用XML格式存贮电子地图的拓扑数据、使用SVG存贮电子地图的空间数据以及应用DOM技术处理拓扑数据和空间数据等几方面内容,并给出了实际应用的实例。采用XML这种标准化的格式存贮拓扑数据和空间数据可以方便地进行网络传输和交换,进而很好地满足数据实时更新的需要。
论文分析了路网中典型路段的路段车速与流量调查、随车调查等实测数据,讨论了建立适用于车辆导航系统的路段行程时间模型的思路和方法,并标定了路段行程时间模型。研究表明,车辆导航系统中车辆行驶总行程时间中交叉口延误占有相当的比重,特别是当交叉口拥挤或阻塞时,交叉口延误将会大于路段行驶时间。因此,在进行路径优化时必须考虑车辆在交叉口的延误时间,才能保证计算出的最优路径满足出行者总行程时间最少的最优目标。论文通过城市路网中典型交叉口的流量、延误数据的分析,建立了城市路网中交叉口延误模型,在实测数据的基础上,标定了适用于车辆导航系统的交叉口延误模型。
路线优化算法是车辆导航系统中路线优化子系统研究的核心内容。论文在分析了各种常用算法的时间复杂度和空间复杂度的基础上,采用邻接表存储结构实现了对Dijkstra算法和A*算法的优化,然后,论文对由交通管制措施带来的单向行驶限制和转向限制问题以及由交叉口延误带来的节点权重问题进行了研究。针对以往的解决方案如转换网络法和扩展的前向关联边法计算的时间复杂度和空间复杂度高以及拓扑数据难以建立和难以实时更新的缺陷,论文构造了弧段拓扑法以解决单向行驶限制和转向限制问题,构造了方位角法和转向角法以解决节点权重问题。本文以北京市二环以内的典型路网为研究对象,对上述算法进行了实证研究。理论分析和实际运行的结果表明,这些算法有效地克服了以往解决方案的不足,大大提高了算法的计算速度,并可在各种交通管制措施的限制下,提供有效的路径规划方案。
Intelligent Transportation System (ITS) is one of the important ways of solving the antinomy of traffic demand and supply in the modern society. As one of the core component parts of ITS, Vehicle Navigation System (VNS) has its extensive application prospect, which leads it to be one of the hottest researching realms contended by the countries all over the world. In a VNS, the Route Planning Module (RPM) receives dynamic traffic information via Traffic Information Service Center, it also acquires the location of the vehicle via Positioning Module. With these information, it plans an optimal route for the travelers which makes the travel safer, less time consuming, more comfortable, and more economic. This paper conducts a research on RPM and its related realms from various aspects.
In the paper, the research on the development of ITS is discussed first. The structure and function of each module of VNS are outlined. Status quo of research on VNS is reviewed. In the meanwhile, subjects that need to be studied are suggested. Based on the above discussion, the problems that need to be resolved in VNS are analyzed.
Geographic Information System for Transportation (GIS-T) is the extented application of GIS in the field of transportation. As it provides geographical data needed by Route Planning Module, it is a foundational module in VNS. This paper carries out research on the storing scheme of the spatial data and attributive data in GIS-T. This paper also analyses the structure and function of GIS-T , and carries out the analysis of the spatial and attributive data structure. In the analysis of the spatial data structure, it researches on dynamic segmentation technology and its application in VNS. As a result, the paper developed a practical dynamic segmentation software. It proves that, by applying it in practical road network, the software efficiently carried out the dynamic segmentation function and it was stable and reliable.
This paper introduced XML technique into VNS with regard to spatial data storage and management. It carries out the research on storing topological data of digital map with XML format, storing spatial data of digital map with SVG format, handling topological and spatial data using DOM technique respectively. It also exemplified some of the applications of these usages. The topological and spatial data stored in the format of XML, which is a standard format, can well be transmitted and exchanged via network. Moreover, it can ensure that the data would be renewed in good time via wireless communication.
Based on the data of the investigation of the velocity and traffic volume of the typical roads, this paper discusses the ways and means of modeling a Travel Time Model for Road Section, which is applicable for VNS, and demarcates the model. As we know, in a real road network, a big proportion of the total travel time is attributed to the intersection delay. Especially when the crossroad is congested, the intersection delay might even exceed the travel time on road section. Therefore, in Route Planning Module, in order to meet the optimum objective of the minimum total travel time, intersection delay must be considered in route planning algorithm. Based on the data of the investigation of the traffic volume and delay of the typical crossroads, this paper discusses the ways and means of modeling an Intersection Delay Model for crossroads, which is also applicable for VNS, and demarcates the model with necessary theoretical analysis.
Based on the analysis of the temporal complicacy and spatial complicacy of the commonly used algorithms, this paper adopts adjacency list as the data structure for Dijkstra and A* algorithms and successfully improved the performance of the algorithms compared to those which adopts adjacency matrix as the data structure. Afterwards, the paper concentrated on considering one-way road prohibitions and turn penalties as well as the nodal weight which is brought out by the intersection delays. Previous solutions to these problems, such as topology conversion methods and forward-pointed arcs methods, not only have deficiencies of having high temporal and spatial complicacies, but also have shortcomings for the topological data difficult to be formed and be renewed in good time. This paper comes up with an Arc Topology Algorithm to solve one-way road prohibitions and turn penalties problems, and puts forth Azimuth Algorithm and Turn-angle Algorithm to solve nodal weight problem. This paper makes tests in a typical road network in Beijing. Theoretical analysis and practical implementation prove that these algorithms effectively overcome the shortcomings of the previous solutions and greatly improve the computational efficiency. The tests also prove that the algorithms can provide valid route planning solutions under various traffic management conditions.
论文首先概述了智能运输系统的研究进展,研究了车辆导航系统的系统构成及其功能结构,综述了国内外车辆导航系统的研究,分析了相关研究方向的研究进展,提出了当前车辆导航系统研究中需要解决的问题。
交通地理信息系统(GIS-T)是GIS技术在交通领域的延伸,为路线优化系统提供基础地理信息。论文研究了交通地理信息系统中所应包含的空间数据和属性数据的存贮方案。对GIS-T的结构和功能进行了分析并进行了相应的属性数据和空间数据的结构分析。在空间数据结构分析中,对动态分段在车辆导航系统中的应用进行了研究,并开发了实用的动态分段程序。在实际路网中的运行结果表明,该程序切实可行、稳定可靠。
论文在车辆导航系统的空间数据存贮与管理中引入了XML技术,研究了使用XML格式存贮电子地图的拓扑数据、使用SVG存贮电子地图的空间数据以及应用DOM技术处理拓扑数据和空间数据等几方面内容,并给出了实际应用的实例。采用XML这种标准化的格式存贮拓扑数据和空间数据可以方便地进行网络传输和交换,进而很好地满足数据实时更新的需要。
论文分析了路网中典型路段的路段车速与流量调查、随车调查等实测数据,讨论了建立适用于车辆导航系统的路段行程时间模型的思路和方法,并标定了路段行程时间模型。研究表明,车辆导航系统中车辆行驶总行程时间中交叉口延误占有相当的比重,特别是当交叉口拥挤或阻塞时,交叉口延误将会大于路段行驶时间。因此,在进行路径优化时必须考虑车辆在交叉口的延误时间,才能保证计算出的最优路径满足出行者总行程时间最少的最优目标。论文通过城市路网中典型交叉口的流量、延误数据的分析,建立了城市路网中交叉口延误模型,在实测数据的基础上,标定了适用于车辆导航系统的交叉口延误模型。
路线优化算法是车辆导航系统中路线优化子系统研究的核心内容。论文在分析了各种常用算法的时间复杂度和空间复杂度的基础上,采用邻接表存储结构实现了对Dijkstra算法和A*算法的优化,然后,论文对由交通管制措施带来的单向行驶限制和转向限制问题以及由交叉口延误带来的节点权重问题进行了研究。针对以往的解决方案如转换网络法和扩展的前向关联边法计算的时间复杂度和空间复杂度高以及拓扑数据难以建立和难以实时更新的缺陷,论文构造了弧段拓扑法以解决单向行驶限制和转向限制问题,构造了方位角法和转向角法以解决节点权重问题。本文以北京市二环以内的典型路网为研究对象,对上述算法进行了实证研究。理论分析和实际运行的结果表明,这些算法有效地克服了以往解决方案的不足,大大提高了算法的计算速度,并可在各种交通管制措施的限制下,提供有效的路径规划方案。
Intelligent Transportation System (ITS) is one of the important ways of solving the antinomy of traffic demand and supply in the modern society. As one of the core component parts of ITS, Vehicle Navigation System (VNS) has its extensive application prospect, which leads it to be one of the hottest researching realms contended by the countries all over the world. In a VNS, the Route Planning Module (RPM) receives dynamic traffic information via Traffic Information Service Center, it also acquires the location of the vehicle via Positioning Module. With these information, it plans an optimal route for the travelers which makes the travel safer, less time consuming, more comfortable, and more economic. This paper conducts a research on RPM and its related realms from various aspects.
In the paper, the research on the development of ITS is discussed first. The structure and function of each module of VNS are outlined. Status quo of research on VNS is reviewed. In the meanwhile, subjects that need to be studied are suggested. Based on the above discussion, the problems that need to be resolved in VNS are analyzed.
Geographic Information System for Transportation (GIS-T) is the extented application of GIS in the field of transportation. As it provides geographical data needed by Route Planning Module, it is a foundational module in VNS. This paper carries out research on the storing scheme of the spatial data and attributive data in GIS-T. This paper also analyses the structure and function of GIS-T , and carries out the analysis of the spatial and attributive data structure. In the analysis of the spatial data structure, it researches on dynamic segmentation technology and its application in VNS. As a result, the paper developed a practical dynamic segmentation software. It proves that, by applying it in practical road network, the software efficiently carried out the dynamic segmentation function and it was stable and reliable.
This paper introduced XML technique into VNS with regard to spatial data storage and management. It carries out the research on storing topological data of digital map with XML format, storing spatial data of digital map with SVG format, handling topological and spatial data using DOM technique respectively. It also exemplified some of the applications of these usages. The topological and spatial data stored in the format of XML, which is a standard format, can well be transmitted and exchanged via network. Moreover, it can ensure that the data would be renewed in good time via wireless communication.
Based on the data of the investigation of the velocity and traffic volume of the typical roads, this paper discusses the ways and means of modeling a Travel Time Model for Road Section, which is applicable for VNS, and demarcates the model. As we know, in a real road network, a big proportion of the total travel time is attributed to the intersection delay. Especially when the crossroad is congested, the intersection delay might even exceed the travel time on road section. Therefore, in Route Planning Module, in order to meet the optimum objective of the minimum total travel time, intersection delay must be considered in route planning algorithm. Based on the data of the investigation of the traffic volume and delay of the typical crossroads, this paper discusses the ways and means of modeling an Intersection Delay Model for crossroads, which is also applicable for VNS, and demarcates the model with necessary theoretical analysis.
Based on the analysis of the temporal complicacy and spatial complicacy of the commonly used algorithms, this paper adopts adjacency list as the data structure for Dijkstra and A* algorithms and successfully improved the performance of the algorithms compared to those which adopts adjacency matrix as the data structure. Afterwards, the paper concentrated on considering one-way road prohibitions and turn penalties as well as the nodal weight which is brought out by the intersection delays. Previous solutions to these problems, such as topology conversion methods and forward-pointed arcs methods, not only have deficiencies of having high temporal and spatial complicacies, but also have shortcomings for the topological data difficult to be formed and be renewed in good time. This paper comes up with an Arc Topology Algorithm to solve one-way road prohibitions and turn penalties problems, and puts forth Azimuth Algorithm and Turn-angle Algorithm to solve nodal weight problem. This paper makes tests in a typical road network in Beijing. Theoretical analysis and practical implementation prove that these algorithms effectively overcome the shortcomings of the previous solutions and greatly improve the computational efficiency. The tests also prove that the algorithms can provide valid route planning solutions under various traffic management conditions.
引文
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