1、博士学位论文基于 3S 理论技术的实时交通信息系统研究作者姓名： 姚学恒学科专业： 地图制图学与地理信息工程学院（系、所）：地球科学与信息物理学院指导教师： 杨敏华 教授湛飞并 教授中 南 大 学2011 年 10 月分类号 VDC 密级 博士学位论文基于 3S 的实时交通信息系统研究Research on Real-Time Traffic Information System Based on 3S作者姓名： 姚学恒学科专业： 地图制图学与地理信息工程学院（系、所）：地球科学与信息物理学院指导教师： 杨敏华 教授湛飞并 教授论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学年 月原创性声明本人声
2、明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论
3、文收录到中国学位论文全文数据库 ，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日I摘 要城市交通的拥堵问题一直是困扰世界上各大城市发展和影响城市正常生活的难题，尤其在当今快速城市化中的中国。为此世界各国均在城市交通优化中投入了巨大的财力物力，实时交通信息系统RTTIS（Real-Time Traffic Information System）因此诞生和发展。在近三十年,RTTIS 的软、硬件水平伴随信息、通讯、3S（GPS、GIS、RS） 、电子等技术的发展得到了不断的改进和完善,其中 3S 技术理论已成为 RTTIS 的主要支撑理论技术之一，然而 3S理论技术本身
4、也在不断发展和完善，而其在 RTTIS 中的应用也需要不断研究和提升。论文基于 3S 理论与技术将广泛代表城市路网结构特征的三类抽象路网应用于 RTTIS 交通系统效率分析中，并在 RTTIS 不同装备比例条件下使用基于多智能体交通仿真技术对交通系统效率进行了全面的剖析和研究。研究表明：当车辆装备了实时交通信息系统（RTTIS）的比例增大时，装备了 RTTIS 和没有装备 RTTIS 这两类车辆的运行状态在一定条件下都会得到有效改善，但是，装备 RTTIS的使用效果要因道路路网结构而定；在平行结构路网中，当车辆RTTIS 的使用比例高 0%并少于 30%时，所有车辆和交通在系统运行水平上都得以
5、提高，超过 30%优化效果下降，当 RTTIS 的使用比例高于 90%以上时，交通系统和车辆的运行状态最差，且相比没有植入 RTTIS 交通系统效率几乎下降了 26%；在格状结构和环状结构路网中，RTTIS 的使用比例越高越能提高装备 RTTIS 和没有装备 RTTIS这两类车辆的运行水平，在装备比例达到 100%时两类车辆的交通效率几乎一致，这说明 RTTIS 对个人和系统优化的一致性。交通系统均衡在交通配流中获得广泛应用和研究，但是对于交通系统中均衡状态的存在研究却不多，从经验角度来看均衡状态通常能够被人们所接受，论文对植入和没有植入 RTTIS 的交通系统是否能够收敛于均衡状态做了仿真的
6、测定，发现在这两种情形下基于三种抽象路网运行下的交通系统均能收敛于均衡状态，但是均衡状II态并不能作为系统优化的指标，RTTIS 的比例变化能使系统收敛于不同的均衡状态，有些均衡状态能够优化系统有些却不能。最后，论文对 RTTIS 系统应用框架作了分析，提出在数据采集阶段引入 GPS、RS，并更新和提升了 RTTIS 应用系统框架。针对交通系统就多光谱遥感影响数据挖掘提出了基于 K 阶中心矩遥感影像数据融合方法，使用该方法产生的图像是遥感图像所有波段均值向量特征向量间的差异图，当 k 值处于低水平时，与各波段图像相比，图像信息获得明显的增强，伴随 k 值增加，图像信息量减少，差异性增强，同时图
7、像内容被简化。针对 RTTIS 在交通领域应用中的数据表式和挖掘的特点，论文提出了基于张量的时空数据模型，该模型具有数据冗余小，信息量丰富、计算方便等特点。论文基于 3S 理论技术力图推进 RTTIS 在交通领域的优化研究与应用。通过论文的研究工作，进一步明晰了 RTTIS 在交通系统中的作用和表现，优化了 RTTIS 系统。其成果在该领域具有重要的借鉴和参考价值。关键词：实时交通信系统（RTTIS） ，3S（RS,GIS,GPS）技术理论，交通系统优化，交通均衡，时空数据模型，多光谱遥感数据挖掘IIIAbstractThe traffic congestion have always bee
8、n a big problem to harass cities development and peoples life everywhere in the world. Especially in China, quick urbanization processing makes the problem worse. In order to tackle this problem, each country has spent a lot of money in urban traffic optimization, hence the RTTIS(Real-Time Traffic I
9、nformation System) was born and developed. In recent thirty years, with the developments in the fields of information, communication, 3S(GPS、GIS、RS) and electronic technology, the software and hardware of RTTIS have been greatly improved. Among these technologies, 3S has provided the RTTIS with grea
10、t support. However, the theory and technology of 3S are keeping updating nowadays, so it is necessary to improve the application of 3S in RTTIS accordingly.In the thesis, based on theory and technology of 3S, three kinds of abstract road networks which widely typify features of city roads are used t
11、o study the efficiency of traffic system with RTTIS, and comprehensive analyses of traffic system efficiency through traffic simulation based on mulit-agent on are made in different proportion of RTTIS. The study results show: 1. When the proportion of vehicles equipped with RTTI grows, the performa
12、ncs of both kinds of vehicles with RTTIS and those without have improved effectively, but the practical effects of RTTIS application depend on the structure of road networks; 2. In the parallel road networks, though at first, the performance of every vehicle and whole traffic system is enhanced when
13、 the proportion of vehicles with RTTIS is more than 0% and less than 30%, when the proportion is more than 30%, the optimization effect of traffic performance declines, and when the proportion of RTTIS is more than 90%, vehicles and the traffic system perform worst, which is less 26% than the effect
14、 of the traffic system performance without RTTIS IVat all; 3. In the grid and ring road networks, the more RTTIS is used, the higer the performance of vehicles both with and without RTTIS, and the efficiencies of traffic performance of these two kinds of vehicles are nearly the same when the proport
15、ion of RTTIS is 100%, that is to say, RTTIS benefits not only individuals but the whole traffic system as well.目 录第一章 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.1.1 选题背景 .11.1.2 研究目的及意义 .31.2 国内外 RTTIS 研究应用现状 .31.2.1 现有应用产品介绍 .41.2.2 评估 RTTIS 所用的方法 .121.2.3 RTTIS 研究中的交通网络 .141.2.4 RTTIS 研究的主要发现 .151.2.5 研究中尚未解决的问题 .171
16、.3 研究内容及技术路线 .171.4 论文的主要工作与创新点 .181.5 小结 .18第二章 RTTIS 研究关键理论方法 .192.1 交通理论模型 .192.1.1 交通出行发生 .192.1.2 交通出行分布 .212.1.3 交通均衡配流模型 .262.2 多智能体理论技术 .272.2.1 智能体概念 .272.2.2 多智能体概念 .282.2.3 多智能体交通中的应用 .292.3 交通仿真技术 .332.3.1 现存交通仿真软件 .332.3.2 交通仿真软件模型 .382.3.3 交通模型校准 .402.4 RTTIS 中的博弈 .432.4.1 经典博弈论 .432.4
17、.2Nash 均衡 .452.4.3Cournot 均衡 .462.4.4Stackelberg 均衡 .472.5 小结 .48第三章 RTTIS 与交通系统效率 .494.1 RTTIS 效用评估的重要性 .494.2 效率评价仿真建模 .524.2.1 路网设计 .524.2.2 模型参数选择 .544.2.3 模型及参数的校准 .564.2.4 交通效率评价指标 .574.3 实验结果与分析 .574.3.1 平行路网仿真结果 .574.3.2 格状路网仿真结果 .594.3.3 环状路网仿真结果 .624.3.3 结果分析 .644.4 结论 .654.5 小结 .65第四章 RTT
18、IS 与交通系统均衡 .665.1 交通系统中的均衡 .665.2 植入 RTTIS 后系统的均衡 .675.3 RTTIS 作用下的交通均衡仿真设计 .685.3.1 路网结构 .695.3.2 模型与算法 .705.3.3 参数与模型的校正 .725.3.4 评估参数选择与设置 .735.4 实验结果与分析 .735.4.1 不同网络下的均衡状态 .735.4.2 不同的均衡状态下的交通效率 .755.5 结论 .775.6 小结 .77第五章 基于 3S 理论技术的 RTTIS .783.1 现有 RTTIS 体系结构及存在的问题 .803.1.1 现有 RTTIS 应用框架 .803.
19、1.2 现有 RTTIS 存在的问题 .813.2 GPS 在 RTTIS 中的应用扩展 .833.2.1GPS 导航系统与 RTTIS 中数据互动 .833.2.2 隐私保护问题 .833.3 多光谱遥感在交通中的应用 .843.3.1 图像增强方法 .853.3.2 实验结果与对比分析 .863.3.3 分析与结论 .903.4 面向对象的交通时- 空数据张量模型 .913.4.1 现有交通时- 空数据模型对比 .933.4.2 张量和张量运算 .933.4.3 时-空对象的建立 .943.4.4 张量时-空数据模型 .983.4.4.1 张量时空数据模型 .983.4.4.2 应用举例 .983.4.5 结语 .993.5 基于 3S 的 RTTIS 应用框架 .1003.6 小结 .101第六章 总结与展望 .102
