智能運輸系統(tǒng)概論

智能運輸系統(tǒng)概論

（第三版）普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材21世紀交通版高等學(xué)校教材楊兆升于德新主編史其信高世廉主審目錄第1章緒論第2章智能運輸系統(tǒng)的體系框架第3章智能運輸系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)第4章交通信息采集與處理技術(shù)第5章通信技術(shù)第6章車輛定位技術(shù)第7章網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第8章數(shù)據(jù)庫技術(shù)第9章新技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用第10章交通信息服務(wù)系統(tǒng)第8章數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述8.1數(shù)據(jù)庫技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用8.2小結(jié)8.38.1概述現(xiàn)代社會是信息的社會。隨著計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，對信息的處理和應(yīng)用已深入到社會各行各業(yè)。信息系統(tǒng)為信息的處理與應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息系統(tǒng)的核心，也是計算機科學(xué)與技術(shù)的一個重要分支。數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生于20世紀60年代，其飛速發(fā)展極大的促進了基于計算機的數(shù)據(jù)管理技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，快速發(fā)展的交通領(lǐng)域也不例外。8.1概述

什么是數(shù)據(jù)庫呢？有人稱數(shù)據(jù)庫是一個“數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)”（該定義強調(diào)了數(shù)據(jù)庫是若干記錄的集合），又有人稱數(shù)據(jù)庫是“人們?yōu)榻鉀Q特定的任務(wù)，以一定的組織方式存儲在一起的相關(guān)的數(shù)據(jù)的集合”（該定義側(cè)重于數(shù)據(jù)的組織），更有甚者稱數(shù)據(jù)庫是一個“數(shù)據(jù)倉庫”，這種說法雖然形象，但并不嚴謹。具體來講，數(shù)據(jù)庫指長期保存在計算機的存儲設(shè)備上、并按照某種模型組織起來的、可以被各種用戶或應(yīng)用共享的數(shù)據(jù)的集合。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成和特點

1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem，簡稱DBS）是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)構(gòu)成。主要是由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫用戶、計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)等幾部分組成，可用圖8-1表示。圖8-1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(1)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫（DataBase，簡稱DB）是存儲在計算機內(nèi)、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，可為各種用戶共享。數(shù)據(jù)庫有如下兩個特點：①集成性：把數(shù)據(jù)庫看成若干個性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)文件的聯(lián)合和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整體。②共享性：數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可為多個不同的用戶所共享。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成和特點（2）用戶指使用數(shù)據(jù)庫的人，對數(shù)據(jù)庫進行存儲、維護和檢索等操作。用戶分為以下三類：①第一類用戶——終端用戶（EndUser）。②第二類用戶——應(yīng)用程序員（ApplicationProgrammer）③第三類用戶——數(shù)據(jù)庫管理員（DataBaseAdministrator，簡稱DBA）。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成和特點8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成和特點（3）軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，簡稱DBMS）及其開發(fā)工具、操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡稱OS）和應(yīng)用系統(tǒng)等。在計算機硬件層之上，DBMS可借助操作系統(tǒng)完成對硬件的訪問，并能對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行存取、維護和管理。另外，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各類人員、應(yīng)用程序等對數(shù)據(jù)庫的各種操作請求，都必須通過DBMS完成。DBMS是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成和特點（4）硬件系統(tǒng)指存儲和運行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬件設(shè)備。包括CPU、內(nèi)存、大容量的存儲設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、外部設(shè)備等。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)整個計算機系統(tǒng)中的地位如圖8-2所示。

由圖中看出，DBMS在操作系統(tǒng)的支持下工作，應(yīng)用程序在DBMS支持下才能使用數(shù)據(jù)庫。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)的構(gòu)成和和特點2）數(shù)據(jù)庫系系統(tǒng)的特點點數(shù)據(jù)處理的的中心問題是數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了人工管理階階段、文件件系統(tǒng)階段段和數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)階段段三個發(fā)展階階段。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)管理數(shù)據(jù)據(jù)的特點有如下幾個個方面：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化化;數(shù)據(jù)共享性性高、冗余余度低;數(shù)據(jù)獨獨立性性高;有統(tǒng)一一的數(shù)數(shù)據(jù)控控制功功能。。8.1.2分布式式數(shù)據(jù)據(jù)庫分布式式數(shù)據(jù)據(jù)庫（DistributedDataBase）是分分布在在計算算機網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上上的多多個邏邏輯相相關(guān)的的數(shù)據(jù)據(jù)集合合。其其中“分布布在計計算機機網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上””和“邏輯輯相關(guān)關(guān)”是分布布式數(shù)數(shù)據(jù)庫庫的兩兩個基基本要要點。。分布式式數(shù)據(jù)據(jù)庫系系統(tǒng)除了具具備集中式式數(shù)據(jù)據(jù)庫的一些些特點點外，，還有有很多多其他他的性性質(zhì)和和特點點：網(wǎng)絡(luò)透透明性性數(shù)據(jù)冗冗余和冗余透透明性性數(shù)據(jù)片片段透透明性性局部自自治性性數(shù)據(jù)庫庫的安全性性和一致性性8.1.2分布式式數(shù)據(jù)據(jù)庫

優(yōu)點：（1）分布式控制（2）增強數(shù)據(jù)共享（3）系統(tǒng)可靠性（4）系統(tǒng)性能提高（5）可擴充性好缺點：（1）系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜（2）開銷增大由于分布式式數(shù)據(jù)據(jù)庫有以上上的一一些特特點，，所以以它與與傳統(tǒng)統(tǒng)的集中式式數(shù)據(jù)據(jù)庫相比有有如下下幾個個優(yōu)點和和缺點點：8.1.3關(guān)系型型數(shù)據(jù)據(jù)庫1）關(guān)系模模型目前，，數(shù)據(jù)據(jù)庫領(lǐng)領(lǐng)域中中最常常用的的邏輯輯數(shù)據(jù)據(jù)模型型有：：層次模模型、、網(wǎng)狀狀模型型、關(guān)關(guān)系模模型、、面向向?qū)ο笙竽Ｐ托秃蛯ο箨P(guān)關(guān)系模模型。其中中層次模模型和網(wǎng)狀模模型統(tǒng)稱為為非關(guān)系系模型型。2）關(guān)系型型數(shù)據(jù)據(jù)庫關(guān)系型型數(shù)據(jù)據(jù)庫是支持持關(guān)系模模型的數(shù)據(jù)據(jù)庫系系統(tǒng)，，是目目前各各類數(shù)數(shù)據(jù)庫庫中最重要要、也是是最廣泛泛的數(shù)據(jù)據(jù)庫系系統(tǒng)。。優(yōu)勢:容易理理解、、使用用方便便、易易于維維護性性存在的的問題：：數(shù)據(jù)庫庫高并并發(fā)讀讀寫海量數(shù)數(shù)據(jù)的的高效效率存存儲和和訪問問數(shù)據(jù)庫庫的高高可擴擴展性性和高高可用用性8.1.4實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)統(tǒng)（Real-TimeData-baseSystem，簡稱稱RTDBS）是數(shù)據(jù)庫庫與實時系系統(tǒng)相結(jié)合合的一一種新型數(shù)數(shù)據(jù)庫庫。由于于在傳統(tǒng)數(shù)數(shù)據(jù)庫庫的基礎(chǔ)礎(chǔ)上增增加了了時序一一致性性和可預(yù)知知性的要求求，使使得設(shè)設(shè)計更更加復(fù)雜。1）實時時數(shù)據(jù)據(jù)庫和和關(guān)系系數(shù)據(jù)據(jù)庫的的異同同傳統(tǒng)的的關(guān)系系數(shù)據(jù)據(jù)庫（以下下簡稱稱DBMS）的設(shè)計目目標是維護護數(shù)據(jù)據(jù)的絕對正正確性性，保證證系統(tǒng)統(tǒng)的低代價價、友好的的用戶戶接口口。不適合合實時時應(yīng)用用，其系統(tǒng)的的性能能指標標是吞吐量量和平均響響應(yīng)時時間，調(diào)度與處理決決策根本不不具有有實時特特性。。8.1.4實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫1）實時時數(shù)據(jù)據(jù)庫和和關(guān)系系數(shù)據(jù)據(jù)庫的的異同同實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫管理理系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計目目標首先是是對事事務(wù)定時限限制的滿足足。一個實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫管理理系統(tǒng)統(tǒng)具有以以下功能特特性：（1）數(shù)據(jù)據(jù)庫狀狀態(tài)的的最新新性（2）數(shù)據(jù)據(jù)值的的時間間一致致性（3）事務(wù)務(wù)處理理的““識時時”性性（4）具有有高效效的實實時壓壓縮算算法根本區(qū)區(qū)別就在于于調(diào)度管管理、實時事事務(wù)管管理以及高效的的壓縮縮算法法。8.1.4實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫圖8-5實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖2）實時時數(shù)據(jù)據(jù)庫結(jié)結(jié)構(gòu)實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫主要管管理實時數(shù)數(shù)據(jù)以及與與實時有有關(guān)的的信息息。主要要包括括資源管管理、實時事事務(wù)管管理和數(shù)據(jù)管管理。8.1.4實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫實時數(shù)數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)統(tǒng)的關(guān)關(guān)鍵技技術(shù)有：（1）內(nèi)存優(yōu)優(yōu)化管管理技技術(shù)（2）實時智智能技技術(shù)（3）歷史數(shù)數(shù)據(jù)壓壓縮和和解壓壓縮技技術(shù)（4）軟件構(gòu)構(gòu)件可可靠性性技術(shù)術(shù)（5）調(diào)度模模型技技術(shù)（6）報表處處理技技術(shù)（7）異種數(shù)數(shù)據(jù)庫庫互聯(lián)聯(lián)技術(shù)術(shù)8.1.5數(shù)據(jù)倉倉庫隨著市市場競競爭的的加劇劇和信信息社社會需需求的的發(fā)展展既要要求聯(lián)機服服務(wù)，又涉涉及大量決決策的的數(shù)據(jù)據(jù)，而傳統(tǒng)的的數(shù)據(jù)據(jù)庫系系統(tǒng)已無法法滿足足這種種需求求，具具體體體現(xiàn)：：（1）歷史史數(shù)據(jù)據(jù)量很很大；；（2）輔助決決策信息息涉及許許多部門門的數(shù)據(jù)據(jù)，而不不同系統(tǒng)統(tǒng)的數(shù)據(jù)據(jù)難以集集成；（3）由于訪訪問數(shù)據(jù)據(jù)的能力力不足，，對大量量數(shù)據(jù)的的訪問性性能明顯顯下降。。此時，在在數(shù)據(jù)庫庫應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域出現(xiàn)現(xiàn)了一種種新型的的數(shù)據(jù)庫庫，即數(shù)據(jù)倉庫庫。8.1.5數(shù)據(jù)倉庫庫1）數(shù)據(jù)倉倉庫簡介介支持決策的特殊的數(shù)據(jù)存存儲稱為為數(shù)據(jù)倉庫庫（DataWarehouse，簡稱DW）。數(shù)據(jù)倉庫庫有如下幾幾個特點：（1）面向主主題的查查詢，和和一般數(shù)數(shù)據(jù)庫面面向表達達式的查查詢相比比，具有有一定的智智能性；（2）支持數(shù)據(jù)集成成，底層的的數(shù)據(jù)庫庫一般是是異構(gòu)的的，多個個數(shù)據(jù)庫庫通過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相連連；（3）數(shù)據(jù)倉倉庫中的的數(shù)據(jù)具有時間間性；（4）對數(shù)據(jù)倉倉庫的操操作一般般只有查詢詢。8.1.5數(shù)據(jù)倉庫庫數(shù)據(jù)倉庫庫主要應(yīng)用：（1）使用瀏覽分析析工具在DW中尋找有有用的信信息。（2）數(shù)據(jù)倉倉庫系統(tǒng)統(tǒng)支持在在DW上的應(yīng)用用，形成成決策支持持系統(tǒng)（（DecisionSupportSystem，簡稱DSS）2）數(shù)據(jù)倉倉庫的結(jié)結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)倉庫庫、數(shù)據(jù)源和分析工具具3部分組成成。圖8-6數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第8章數(shù)據(jù)據(jù)庫技術(shù)術(shù)概述8.1數(shù)據(jù)庫技術(shù)在智能運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用8.2小結(jié)8.3數(shù)據(jù)庫技技術(shù)在智智能運輸輸系統(tǒng)中中的應(yīng)用用8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，簡稱GIS），又稱“地理信息科學(xué)”（GeographicInformationScience）、“地理信息服務(wù)”（GeographicInformationservice），是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)，是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。圖8-7GIS概念框架和構(gòu)成1）GIS的基本組成一個實用的GIS，要支持對空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示等功能，一般包括以下5個主要部分：系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、空間數(shù)據(jù)、應(yīng)用人員和應(yīng)用模型。8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能圖8-8地理信息系統(tǒng)組成示意圖2）GIS的功能簡介8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能圖8-10GIS數(shù)據(jù)分層層概念數(shù)據(jù)采集集與編輯輯地理信息息系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)通通常抽象象為不同同的專題題或?qū)樱ǎㄈ鐖D8-10）。數(shù)據(jù)采集集與編輯輯功能就是是保證各各層實體體的地物物要素按按順序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為x、y坐標及對對應(yīng)的代碼輸入到計計算機中中。數(shù)據(jù)存儲與管理GIS數(shù)據(jù)庫是區(qū)域內(nèi)的地理要素特征以一定的組織方式存儲在一起的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。對空間數(shù)據(jù)的管理技術(shù)主要包括：空間數(shù)據(jù)庫的定義、數(shù)據(jù)訪問和提取、從空間位置檢索空間物體及其屬性、從屬性條件檢索空間物體及其位置、開窗和街邊操作、數(shù)據(jù)更新和維護等。數(shù)據(jù)處理和變換數(shù)據(jù)處理的任務(wù)和操作內(nèi)容有：①數(shù)據(jù)變換②數(shù)據(jù)重構(gòu)③數(shù)據(jù)抽取8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能空間分析和統(tǒng)計是GIS的一個獨立研究領(lǐng)域，主要特點是幫助確定地理要素之間新的空間關(guān)系。①拓撲疊合②緩沖區(qū)建立③數(shù)字地形分析④空間集合分析產(chǎn)品制作與顯示產(chǎn)品制作與顯示的功能包括：設(shè)置顯示環(huán)境，定義制圖環(huán)境，顯示地圖要素，定義字形符號，設(shè)置字符大小和顏色，標注圖名和圖例，以及繪圖文件編輯等。8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能二次開發(fā)和編程必須具備重要基本功能是二次開發(fā)環(huán)境，包括提供專用語言的開發(fā)環(huán)境，或者系統(tǒng)將某些功能做成專門的控件供用戶的開發(fā)語言（C，C++，VB，VC++，Delphi…）調(diào)用等。①資源管理②區(qū)域規(guī)劃③國土監(jiān)測④輔助決策8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能3）GIS軟件中部分功能的顯示界面舉例8.2.1交通地理理信息系系統(tǒng)的組組成及功功能1）時空一體化數(shù)據(jù)模型概述地理現(xiàn)象的3要素——時間、空間和屬性間具有明顯的不可分割性（非獨立性）。地理信息的獲取和分析具有“獨立性”，需要對3個要素分別給予不同約定、從不同側(cè)面進行，如：（1）變化序列研究是給定對象空間位置，在時間坐標下討論對象的某一屬性隨時間的變化特征。（2）空間分布格局研究是確定時間坐標，在空間坐標下研究對象屬性值（單屬性、多屬性）的空間分布特征及相互關(guān)系。（3）變化的區(qū)域分異研究是對一定的屬性值，在時間和空間聯(lián)合的坐標下討論對象隨時間變化特征的區(qū)域分異或不同時間下空間分布格局的差異。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型從建模方法學(xué)角度，時空數(shù)據(jù)建?？蓜澐譃槿齻€層次：時空語義建模、時空數(shù)據(jù)邏輯建模時空數(shù)據(jù)物理建模相應(yīng)時空數(shù)據(jù)模型包括：時空語義模型時空數(shù)據(jù)邏輯模型時空數(shù)據(jù)物理模型。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型2）幾種有代表性的時空數(shù)據(jù)模型8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型時空立方方體模型型時空立方方體模型型用二維坐標標軸來表示現(xiàn)現(xiàn)實世界界的平面面空間，，用一維的時時間軸來表示平平面位置置沿時間間的變化化（如圖圖）。圖8-16時空立方體模型序列快照模型也稱連續(xù)快照模型（Time-sliceSnapshots），如圖所示?；舅枷胧菍⒛骋粫r間段內(nèi)地理現(xiàn)象的變化過程，用其中間的序列快照來表達，時間間隔不一定相同。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型圖8-17序列快照模型基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時間間隔采樣，只儲存某個時間的數(shù)據(jù)狀態(tài)（稱基態(tài)）和相對于基態(tài)的變化量。如圖所示，是城市化過程用基態(tài)修正模型表示的結(jié)果。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型圖8-18基態(tài)修正模型時空復(fù)合模型最初由Chrisman于1983年提出，Langran和Chrisman于1988年對它進行了詳細的描述。將每一次獨立的疊加操作轉(zhuǎn)換成一次性的合成疊加。隨著變化的頻繁形成的很多碎片累計形成最小變化單元，由這些最小變化單元構(gòu)成的圖形文件和記錄變化歷史的屬性文件聯(lián)系在一起表達數(shù)據(jù)的時空特征。最小變化單元即該地區(qū)最大的公共時空單元。缺點在于分割了空間目標的完整性，按地理目標進行查詢非常困難，不能使用現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)實現(xiàn)。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型基于事件的時空數(shù)據(jù)模型1995年P(guān)euquet和Duan從時間角度提出了基于事件的時空數(shù)據(jù)模型（Event-basedSpatio-temporalDataModel，簡稱ESTDM），這個模型按時間順序把事件組成一個鏈?；谔卣鞯臅r空數(shù)據(jù)模型特征是對地理現(xiàn)象的高度抽象和全面表達，包括了地理現(xiàn)象在空間、時間和專題等方面的所有信息。ISO/TC211對特征的定義是特征存在于兩個層次：特征類型和特征實例。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型是基于上述幾種模型提出來的，并取得了很好的效果。其基本框架如圖8-19所示。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型圖8-19面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型基于事件的面向?qū)ο髸r空數(shù)據(jù)模型從事件的角度組織現(xiàn)實世界的時空變化，很直觀的表達了時空世界，對于地理數(shù)據(jù)的更新機制可以良好的表達，但在管理檢索變化數(shù)據(jù)時比較困難。其主要用于描述實體的變化，通過實體的變化過程來反映時空過程；而面向?qū)ο蟮臅r空數(shù)據(jù)模型可以最有效的對現(xiàn)實世界進行表達，其主要描述實體的特性，通過描述實體的時態(tài)和空間特性以及實體的操作來表達實體的時空特征。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型3）時空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向基于現(xiàn)有的時空數(shù)據(jù)模型存在的問題，確定了時空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展方向為：（1）加深對時空語義的理解與研究。（2）加強對時空數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究與模型的建設(shè)。（3）時空數(shù)據(jù)是對現(xiàn)實世界中對象的時空特征和過程的抽象概括。8.2.2時空一體體化數(shù)據(jù)據(jù)模型8.2.3基于增量量更新的的道路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲撲重建

1）地圖中的拓撲關(guān)系

拓撲反映了空間實體之間不隨實體的連續(xù)變形而改變的與量度和方向無關(guān)的一種空間關(guān)系。地圖一般包括三類要素，點狀要素