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)的理論基礎第4章交通信息采集與處理技術第5章通信技術第6章車輛定位技術第7章網絡技術第8章數(shù)據(jù)庫技術第9章新技術在智能運輸系統(tǒng)中的應用第10章交通信息服務系統(tǒng)第8章數(shù)據(jù)庫技術概述8.1數(shù)據(jù)庫技術在智能運輸系統(tǒng)中的應用8.2小結8.38.1概述現(xiàn)代社會是信息的社會。隨著計算機、通信、網絡等現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，對信息的處理和應用已深入到社會各行各業(yè)。信息系統(tǒng)為信息的處理與應用提供了技術基礎，而數(shù)據(jù)庫技術是信息系統(tǒng)的核心，也是計算機科學與技術的一個重要分支。數(shù)據(jù)庫技術產生于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)管理技術在各領域的廣泛應用，快速發(fā)展的交通領域也不例外。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，以一定的組織方式存儲在一起的相關的數(shù)據(jù)的集合”（該定義側重于數(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備上、并按照某種模型組織起來的、可以被各種用戶或應用共享的數(shù)據(jù)的集合。8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構成和特點

1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構成

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、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)的構成和特點8.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構成和特點（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)的硬件設備。包括CPU、內存、大容量的存儲設備、輸入輸出設備、外部設備等。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)的構成和特點2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點數(shù)據(jù)處理的中心問題是數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理經歷了人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段三個發(fā)展階段。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的特點有如下幾個方面：數(shù)據(jù)結構化;數(shù)據(jù)共享性高、冗余度低;數(shù)據(jù)獨立性高;有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能。

8.1.2分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫（DistributedDataBase）是分布在計算機網絡上的多個邏輯相關的數(shù)據(jù)集合。其中“分布在計算機網絡上”和“邏輯相關”是分布式數(shù)據(jù)庫的兩個基本要點。

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了具備集中式數(shù)據(jù)庫的一些特點外，還有很多其他的性質和特點：網絡透明性數(shù)據(jù)冗余和冗余透明性數(shù)據(jù)片段透明性

局部自治性

數(shù)據(jù)庫的安全性和一致性8.1.2分布式數(shù)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)復雜（2）開銷增大由于分布式數(shù)據(jù)庫有以上的一些特點，所以它與傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)庫相比有如下幾個優(yōu)點和缺點：8.1.3關系型數(shù)據(jù)庫

1）關系模型目前，數(shù)據(jù)庫領域中最常用的邏輯數(shù)據(jù)模型有：層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型和對象關系模型。其中層次模型和網狀模型統(tǒng)稱為非關系模型。2）關系型數(shù)據(jù)庫關系型數(shù)據(jù)庫是支持關系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是目前各類數(shù)據(jù)庫中最重要、也是最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。優(yōu)勢:容易理解、使用方便、易于維護性存在的問題：數(shù)據(jù)庫高并發(fā)讀寫

海量數(shù)據(jù)的高效率存儲和訪問

數(shù)據(jù)庫的高可擴展性和高可用性8.1.4實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Real-TimeData-baseSystem，簡稱RTDBS）是數(shù)據(jù)庫與實時系統(tǒng)相結合的一種新型數(shù)據(jù)庫。由于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的基礎上增加了時序一致性和可預知性的要求，使得設計更加復雜。1）實時數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫的異同

傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫（以下簡稱DBMS）的設計目標是維護數(shù)據(jù)的絕對正確性，保證系統(tǒng)的低代價、友好的用戶接口。不適合實時應用，其系統(tǒng)的性能指標是吞吐量和平均響應時間，調度與處理決策根本不具有實時特性。8.1.4實時數(shù)據(jù)庫1）實時數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫的異同實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設計目標首先是對事務定時限制的滿足。一個實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具有以下功能特性：（1）數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的最新性（2）數(shù)據(jù)值的時間一致性（3）事務處理的“識時”性（4）具有高效的實時壓縮算法根本區(qū)別就在于調度管理、實時事務管理以及高效的壓縮算法。8.1.4實時數(shù)據(jù)庫圖8-5實時數(shù)據(jù)庫結構圖2）實時數(shù)據(jù)庫結構

實時數(shù)據(jù)庫主要管理實時數(shù)據(jù)以及與實時有關的信息。主要包括資源管理、實時事務管理和數(shù)據(jù)管理。8.1.4實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關鍵技術有：（1）內存優(yōu)化管理技術（2）實時智能技術（3）歷史數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮技術（4）軟件構件可靠性技術（5）調度模型技術（6）報表處理技術（7）異種數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術8.1.5數(shù)據(jù)倉庫隨著市場競爭的加劇和信息社會需求的發(fā)展既要求聯(lián)機服務，又涉及大量決策的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已無法滿足這種需求，具體體現(xiàn)：（1）歷史數(shù)據(jù)量很大；（2）輔助決策信息涉及許多部門的數(shù)據(jù)，而不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)難以集成；（3）由于訪問數(shù)據(jù)的能力不足，對大量數(shù)據(jù)的訪問性能明顯下降。此時，在數(shù)據(jù)庫應用領域出現(xiàn)了一種新型的數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)倉庫。8.1.誰5數(shù)據(jù)倉庫1）數(shù)據(jù)蔽倉庫簡土介支持決策的特殊的數(shù)據(jù)存鮮儲稱為數(shù)據(jù)倉庫（Dat輩aWa乒reh尋ous瓶e，簡稱DW）。數(shù)據(jù)倉庫有如下幾釋個特點：（1）面向煌主題的秒查詢，哀和一般偷數(shù)據(jù)庫悉面向表付達式的革查詢相雹比，具斥有一定的吳智能性；（2）支持數(shù)據(jù)集成，底層的真數(shù)據(jù)庫一繩般是異構疊的，多個微數(shù)據(jù)庫通賊過網絡相宇連；（3）數(shù)據(jù)舟倉庫中憤的數(shù)據(jù)具有時間謝性；（4）對數(shù)據(jù)倉君庫的操作子一般只有查詢缸。8.1覆.5數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)倉口庫主要應用：（1）使用瀏覽分析工具在DW中尋找有撈用的信息惠。（2）數(shù)據(jù)倉樣庫系統(tǒng)支渴持在DW上的應得用，形王成決策支輝持系統(tǒng)（（Dec恭isi展on組Sup絡por斗tS甘yst伍em，簡稱DSS）2）數(shù)據(jù)示倉庫的尾結構由數(shù)據(jù)倉貧庫、數(shù)據(jù)源和分析工暈具3部分組豎成。圖8-6數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)結構圖第8章數(shù)據(jù)章庫技術概述8.1數(shù)據(jù)庫技術在智能運輸系統(tǒng)中的應用8.2小結8.3數(shù)據(jù)庫技瓦術在智能合運輸系統(tǒng)露中的應用8.2.加1交通地陡理信息堂系統(tǒng)的駁組成及您功能地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，簡稱GIS），又稱“地理信息科學”（GeographicInformationScience）、“地理信息服務”（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、顯示和描述的技術系統(tǒng)。圖8-7GIS概念框架和構成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)、應用人員和應用模型。8.2.柏1交通地典理信息春系統(tǒng)的被組成及類功能圖8-8地理信息系統(tǒng)組成示意圖2）GIS的功能簡介8.2撿.1交通地理赤信息系統(tǒng)腔的組成及帥功能圖8-10塊GIS數(shù)據(jù)分層鄭概念數(shù)據(jù)采集覽與編輯地理信息赴系統(tǒng)的數(shù)擇據(jù)通常抽梳象為不同陷的專題或硬層（如圖8-10）。數(shù)據(jù)采箏集與編群輯功能就憑是保證播各層實伸體的地慢物要素予按順序皂轉化為x、y坐標及對弊應的代碼輸入到計惱算機中。數(shù)據(jù)存儲與管理GIS數(shù)據(jù)庫是區(qū)域內的地理要素特征以一定的組織方式存儲在一起的相關數(shù)據(jù)的集合。對空間數(shù)據(jù)的管理技術主要包括：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)處理的任務和操作內容有：①數(shù)據(jù)變換②數(shù)據(jù)重構③數(shù)據(jù)抽取8.2.兆1交通地惹理信息斯系統(tǒng)的輪組成及費功能空間分析和統(tǒng)計是GIS的一個獨立研究領域，主要特點是幫助確定地理要素之間新的空間關系。①拓撲疊合②緩沖區(qū)建立③數(shù)字地形分析④空間集合分析產品制作與顯示產品制作與顯示的功能包括：設置顯示環(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在.1交通地筐理信息弦系統(tǒng)的標組成及贈功能二次開發(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鹿.1交通地鬼理信息膜系統(tǒng)的怠組成及紋功能3）GIS軟件中部分功能的顯示界面舉例8.2悅.1交通地鵝理信息鑒系統(tǒng)的司組成及皇功能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液.2時空一體喊化數(shù)據(jù)模懶型從建模方法學角度，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歇.2時空一體蓄化數(shù)據(jù)模襲型2）幾種有代表性的時空數(shù)據(jù)模型8.2.逆2時空一體斜化數(shù)據(jù)模鐮型時空立方草體模型時空立方百體模型用二維坐德標軸來表示現(xiàn)邁實世界的匪平面空間剛，用一維的姻時間軸來表示集平面位帥置沿時齡間的變竄化（如筆圖）。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.制2時空一饑體化數(shù)朵據(jù)模型圖8-17序列快照模型基態(tài)修正模型按事先設定的時間間隔采樣，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)修正模型表示的結果。8.2絹.2時空一面體化數(shù)俱據(jù)模型圖8-18基態(tài)修正模型時空復合模型最初由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.諒2時空一婦體化數(shù)挑據(jù)模型基于事件的時空數(shù)據(jù)模型1995年Peuquet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敏.2時空一體齊化數(shù)據(jù)模屬型面向對象的時空數(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將.2時空一體承化數(shù)據(jù)模折型圖8-19面向對象的時空數(shù)據(jù)模型基于事件的面向對象時空數(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；而面向對象的時空數(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藏.2時空一體炊化數(shù)據(jù)模曬型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)庫的設計研究與模型的建設。（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皮.2時空一需體化數(shù)慣據(jù)模型8.2厚.3基于增量銹更新的道淋路網絡拓幻玉撲重建

1）地圖中的拓撲關系

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的一種空間關系。地圖一般包括三類要素，點狀要素、線狀要素和面狀要素。在二維空間中，它們分別對應三種圖形元素，即節(jié)點、弧和面域（多邊形），稱為拓撲元素。

在GIS中，幾類基本的拓撲關系分別是：（1）關聯(lián)關系（2）鄰接關系（3）包含關系（4）相交關系（5）相離關系10.2腹.2交通信錘息服務雙系統(tǒng)分歌類2）增量的識別

增量的提取主要是采用通過原始版本導航電子地圖與新版本的電子地圖之間的