面向?qū)嶒?yàn)交通系統(tǒng)的建模與計(jì)算.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是ITS的應(yīng)用和發(fā)展，現(xiàn)代交通系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜且具有不可還原性，傳統(tǒng)的研究方法已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代交通系統(tǒng)的特性變化，同時(shí)交通工程需要大量的實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)來(lái)對(duì)交通參與者行為進(jìn)行建模與分析，對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行評(píng)價(jià)與改善，對(duì)交通管理與控制效果進(jìn)行預(yù)估和評(píng)判，實(shí)驗(yàn)交通工程應(yīng)運(yùn)而生。本論文基于實(shí)驗(yàn)交通工程學(xué)理論體系，從實(shí)驗(yàn)科學(xué)的基本原理入手，建立實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的框架，提出了基于計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主動(dòng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)及基于現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的被

2、動(dòng)交通實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的通用架構(gòu)；通過(guò)與傳統(tǒng)交通系統(tǒng)建模對(duì)比突出實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模特點(diǎn)：基于數(shù)據(jù)的建模，并提出了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的四個(gè)模型層次及其相互依存關(guān)系；提出了面向?qū)嶒?yàn)交通系統(tǒng)平臺(tái)的綜合建模過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建?？蚣?。由于系統(tǒng)的主要輸入是海量的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理從規(guī)模、精度和速度均有較高的要求，因此系統(tǒng)以分布式并行技術(shù)為計(jì)算支撐，并引入了計(jì)算智能技術(shù)來(lái)對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，提出了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)平臺(tái)級(jí)的并行

3、計(jì)算解決方案，架構(gòu)級(jí)的分析和設(shè)計(jì)解決方案，分析和決策層的計(jì)算解決方案，實(shí)驗(yàn)層的多智能體計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)據(jù)可視化的解決方案。系統(tǒng)的理論和方法在實(shí)際應(yīng)用研究中得到驗(yàn)證和發(fā)展。本文以基于網(wǎng)格技術(shù)的交通信息服務(wù)示范系統(tǒng)為應(yīng)用背景，開(kāi)發(fā)了面向交通信息服務(wù)的實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)原型，并以城市道路交通狀態(tài)在線解析為例，從微觀解析、中宏觀解析及對(duì)未知現(xiàn)象的探索三個(gè)方面實(shí)踐了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解釋和觀察的被動(dòng)交通實(shí)驗(yàn)過(guò)程，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)框架與建模理論的科學(xué)性和有

4、效性。 論文首先通過(guò)大量的文獻(xiàn)閱讀和資料總結(jié)，介紹了實(shí)驗(yàn)交通工程的起源和發(fā)展，實(shí)驗(yàn)科學(xué)及其在社會(huì)復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及國(guó)內(nèi)外類實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的研究進(jìn)展，并就實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)：復(fù)雜系統(tǒng)理論及建模技術(shù)，數(shù)據(jù)管理技術(shù)和計(jì)算智能技術(shù)的在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用做了回顧，確定了論文的突破方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)框架研究及其面向?qū)嶒?yàn)交通系統(tǒng)的建模方法和計(jì)算技術(shù)。 接著分析了ITS環(huán)境下交通系統(tǒng)的研究對(duì)象的變遷以及交通系統(tǒng)的新特性，從實(shí)驗(yàn)科

5、學(xué)的基本概念出發(fā)分析研究了實(shí)驗(yàn)交通及其系統(tǒng)的基本原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析研究，確定系統(tǒng)的用戶與角色，分析研究了系統(tǒng)的功能需求、建模需求、計(jì)算需求以及性能需求，從而導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、信息流，再由系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)確定了系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容，并根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)特征引出對(duì)實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題及關(guān)鍵理論和方法的論述，就實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的關(guān)鍵的建模、實(shí)驗(yàn)、決策、計(jì)算和集成問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，以面向交通信息服務(wù)的建模與計(jì)

6、算作為論文的研究重點(diǎn)。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模，論文分析了傳統(tǒng)交通系統(tǒng)建模的類型、目標(biāo)以及對(duì)應(yīng)模型的假設(shè)條件或缺陷，對(duì)比傳統(tǒng)交通與實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模過(guò)程，并以行程時(shí)間的估計(jì)為例說(shuō)明的實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)建模的特點(diǎn)：基于數(shù)據(jù)的建模。從數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的角度將實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模分為四個(gè)層次：信息融合模型、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、分析模型及決策模型，并描述了四者的相互依存的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)需要一個(gè)物理平臺(tái)來(lái)支撐。文章從軟件工程的角度出發(fā)來(lái)描述實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)平臺(tái)的建

7、模過(guò)程，分析了自頂向下和自底向上的兩種系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)方法，提出了面向?qū)嶒?yàn)交通系統(tǒng)的綜合建模過(guò)程。數(shù)據(jù)建模是實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的重要部分。文章闡述了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)中與GIS系統(tǒng)結(jié)合的靜態(tài)數(shù)據(jù)建模、交通在線解析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模要點(diǎn)、交通動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模要點(diǎn)以及操作型數(shù)據(jù)管理與分析型數(shù)據(jù)管理相結(jié)合的一般做法。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的計(jì)算，論文從面向系統(tǒng)以及面向模型兩個(gè)層面分析研究實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的計(jì)算需求。面向系統(tǒng)建模方面，首先分析了系統(tǒng)平臺(tái)的

8、計(jì)算需求，并將并行計(jì)算、分布式計(jì)算與網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)行了介紹，詳細(xì)闡明了三者之間的關(guān)系，并提出了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)系統(tǒng)平臺(tái)級(jí)的并行計(jì)算解決方案；其次面向系統(tǒng)的架構(gòu)提出了實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)平臺(tái)中各個(gè)系統(tǒng)層次采用的系統(tǒng)計(jì)算方法：總體架構(gòu)采用面向服務(wù)的計(jì)算方法，交通動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用面向多智能體的計(jì)算方法，交通在線解析系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮挠?jì)算方法，系統(tǒng)的模型求解采用結(jié)構(gòu)化計(jì)算方法。面向模型的計(jì)算方面，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的分析和決策層，主要考慮的計(jì)算模式是聯(lián)機(jī)分

9、析處理和數(shù)據(jù)挖掘，并給出了如何實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)分析處理及數(shù)據(jù)挖掘的解決方案；對(duì)于決策層，研究了實(shí)驗(yàn)層的建模需求，并介紹了基于多智能體的建模技術(shù)與平臺(tái)，以及基于多智能體的交叉口控制人機(jī)交互模型實(shí)現(xiàn)的研究成果。數(shù)據(jù)可視化能使實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果能為分析和決策者理解和應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的七個(gè)數(shù)據(jù)處理階段，分別采用日志文件、GIS、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、聯(lián)機(jī)分析處理以及通過(guò)友好的人機(jī)交互界面來(lái)輸出結(jié)果。 論文最后基于實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的框架，以交通信息

10、服務(wù)示范系統(tǒng)為應(yīng)用研究背景，介紹了面向交通信息服務(wù)的實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模過(guò)程，包括系統(tǒng)的物理模型、數(shù)據(jù)模型及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，詳?xì)研究基于出租車GPS數(shù)據(jù)的路網(wǎng)交通狀態(tài)估計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析研究了網(wǎng)格計(jì)算、并行計(jì)算技術(shù)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行環(huán)境、物理部署、運(yùn)行結(jié)果，最后以城市路網(wǎng)交通狀態(tài)在線為例詳細(xì)描述了基于被動(dòng)交通實(shí)驗(yàn)的交通在線解析系統(tǒng)的三種解析方式及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。應(yīng)用研究證明，實(shí)驗(yàn)交通系統(tǒng)的建模方法比傳統(tǒng)交通