基于MapX的最优路径搜索理论与实施技术研究
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摘要
目前，以信息技术运用为主导的智能交通系统通常被认为是解决城市交通问题的有效途径。作为智能交通系统核心组成部分的城市交通诱导系统与实时交通信息相匹配，能有效地解决城市交通拥挤、减少交通事故、降低空气污染、提高运输效率。
城市交通流诱导系统要解决的一个核心问题就是要使交通流在路网中得到合理均衡的分布，最大限度降低交通流在路网中分布的时间不均衡性和空间不均衡性，从而充分利用路网资源，降低交通拥堵。城市交通中的最优路径搜索方法问题就是完成上述城市交通流诱导系统功能的关键环节和核心理论。最优路径搜索技术根据路网的车流合理地引导车辆行驶，减少行车延误，并且优化交通流在整个路网上的分配。
最优路径搜索及其实施技术就是在现有的技术经济条件下，研究设计适用于动态路径诱导系统中的最优路径搜索算法和实施技术。
城市交通路网中的最优路径搜索算法问题其实质上就是数学上的最短路问题。最短路问题是个相对古老的数学问题，国内外很多学者长期以来都对此做出过深入的研究，并有很多成熟的算法可以利用。但在路网规模大且结构复杂的城市路网中实现最优路径搜索采用一般通用的最短路算法往往得不到理想的效果，因为一般通用的算法常常会由于计算时间过长而无法在实时动态交通流诱导方面获得应用。因此，为了满足动态交通流诱导的需要，就必须对通用的最短路算法进行必要的改进。笔者所在的课题组对此进行了深入的研究，并提出了一种基于出行者特性的最优路径搜索算法思想，本论文就是在该算法思想的基础上，以长春市城市路网为例，在MapX矢量地图环境下对该算法进行了实现。
对最优路径搜索实施技术的研究也就是利用现有通信、计算机、控制等先进的高新科技，将最优路径搜索软件与城市交通流诱导系统集成起来实现动态的交通流诱导。其中其中车辆定位技术、地图匹配技术及交通信息通信技术是实现城市交通流诱导系统的关键技术，而实时交通信息与车载诱导装
置的集成技术是实现最优路径搜索的系统基础。本论文的主要内容如下：
第一章：绪论。介绍了课题的研究背景，并说明了最优路径搜索理论与实施技术研究的目的和意义，还简要概述了本文的主要研究内容。
第二章：城市交通流诱导系统。对最优路径搜索理论与实施技术的研究是城市交通流诱导系统的重要组成部分，因此全面了解城市交通流诱导系统的研究进展情况是研究最优路径搜索理论的必要前提。本章介绍了目前城市交通流诱导系统研究的现状及主要内容，主要从城市交通流诱导系统的基础理论、关键技术及系统框架等方面进行了总结。
第三章：最优路径搜索方法。本章对最优路径搜索方法从理论方面做了详细阐述。本章从最优路径搜索问题的求解过程入手，先是总结了常用的最优路径搜索算法，然后重点描述了一种基于出行者特性的最优路径搜索算法（TC-B Method）。最后本章对TC-B Method的进行了局部的改进，提出了一种基于出行者特性的多级分层搜索算法。
第四章：最优路径搜索在MapX中的实现。本章首先介绍了MapX的开发方法和特点，然后对最优路径搜索在MapX中的实现过程做了描述，最后结合笔者的开发实践给出了最优路径搜索算法在MapX中的实现流程及开发的最优路径搜索软件运行界面。
第五章：最优路径搜索的实施技术研究。本章对最优路径搜索的相关实施技术做了描述。依据笔者所研究的领域，这里仅介绍了两种实施技术：这里仅介绍了两种实施技术：一种是实时交通信息与车载信息装置的集成技术。另一种是城市交通流诱导系统结构设计问题。这两方面的研究对以最优路径搜索为核心的城市交通流诱导系统中软、硬件的开发都有着十分重要的意义。
第六章：全文总结。对本文研究内容进行总结，并提出以后尚需完善的研究工作重点。
对最优路径搜索技术的研究主要包括对最优路径搜索理论的研究和对其实施技术的研究两个方面。前者研究的目的是寻求城市交通流诱导应用的高效、快速的最优路径搜索算法；后者研究的目的是对前者路径搜索算法在实际城市路网环境中的实现。本论文结合笔者所在课题组所从事的“车载信
息装置开发”项目对这两方面都做出了研究，这对目前刚刚兴起的城市动态交通诱导系统有着一定的参考价值，同时也在一定程度上为日后车载信息装置在我的广泛应用做出了有益的探索。
At present, Intelligent Transportation System(ITS) is regarded as the most effective method for solving traffic problems. As the key part of ITS, Urban Traffic Flow Guidance System(UTFGS）can match with real-time traffic information, settle urban traffic congestion, decrease traffic incident, abate air pollution and improve traffic efficiency.
The kernel problem for Urban Traffic Flow Guidance System to solve is we can distribute the traffic flow reasonably and equably in the road network and reduce the time disequilibrium and space disequilibrium of traffic flow furthest. So that we will make full use of road network resources and reduce traffic congestion. The search of optimum path is the core and theory for accomplishing above-mentioned functions of Urban Traffic Flow Guidance System. The optimum path search technology guides vehicles driving reasonably according to traffic flow in the road network, reduces travel relay, and optimizes the distribution of traffic flow in the whole road network.
On the condition of the existing technology and economy, UTFGS and its implementation technologies study and design the optimum path search algorithms and implementation technologies fit for UTFGS.
The optimum path search algorithm is the calculation of shortest route in essence. The calculation of shortest route is an old mathematic problem. Many scholars make deep researches on this problem for a long time. There are a lot of mature algorithms can be utilized. The common algorithms can't have perfect effect on realizing the optimum path search in the urban road network when the road network is big and perplex. The reason is that common algorithms spend too so much time calculating that can't make an application for real-time dynamic traffic flow guidance. In order to meet the requirement of dynamic traffic flow guidance, we must make necessary improvement in the common shortest path algorithms. We bring forward a method of optimum path search algorithm based on the characteristics of travelers. According to this method, this paper gives an example of Changchun urban road network to implement this algorithm in the enviroment of在MapX.
With the use of communication, computer and control technologies, research
on the implementation technology of optimum path search is to combine the software of optimum path search with urban traffic flow guidance system to realize dynamic traffic flow guidance. Vehicle position technology, map matching technology, and traffic information communication technology are the key technologies to realize urban traffic flow guidance system. The integrated technology of real-time traffic information and in-vehicle guidance equipment is the foundation of carrying out optimum path search system.
The main contents of this paper are followings:
Chapter 1: Preface. It introduces the research background of this subject; explains the optimized route search theory, the aim and significance of this implementation technique; also summarizes the main research content.
Chapter 2: Urban Traffic Flow Guidance System. The research into the optimized route search theory and its implementation technique are two important parts of the UTFGS. Therefore, the complete understanding of the research’s progress is the indispensable premise for the research into the optimized route search theory. This chapter introduces the research situation and the main content of UTFGS nowadays. It also summarizes the basic theory, key technique and system structure and other aspects of UTFGS.
Chapter 3: The optimized route search methods. This chapter has made some detailed explanation of the optimized route search methods from the theory aspect. It proceeds with the process of finding the answer of the optimized route search problem. First of all, it summarizes the common optimized route search methods used nowadays. And then, it emphasized on expounding the Traffic Characteristics Based Method (TC-B Method). At last, this chapter makes a partial improvement of the TC-B method, and then brings forward a Traffic Cha
城市交通流诱导系统要解决的一个核心问题就是要使交通流在路网中得到合理均衡的分布，最大限度降低交通流在路网中分布的时间不均衡性和空间不均衡性，从而充分利用路网资源，降低交通拥堵。城市交通中的最优路径搜索方法问题就是完成上述城市交通流诱导系统功能的关键环节和核心理论。最优路径搜索技术根据路网的车流合理地引导车辆行驶，减少行车延误，并且优化交通流在整个路网上的分配。
最优路径搜索及其实施技术就是在现有的技术经济条件下，研究设计适用于动态路径诱导系统中的最优路径搜索算法和实施技术。
城市交通路网中的最优路径搜索算法问题其实质上就是数学上的最短路问题。最短路问题是个相对古老的数学问题，国内外很多学者长期以来都对此做出过深入的研究，并有很多成熟的算法可以利用。但在路网规模大且结构复杂的城市路网中实现最优路径搜索采用一般通用的最短路算法往往得不到理想的效果，因为一般通用的算法常常会由于计算时间过长而无法在实时动态交通流诱导方面获得应用。因此，为了满足动态交通流诱导的需要，就必须对通用的最短路算法进行必要的改进。笔者所在的课题组对此进行了深入的研究，并提出了一种基于出行者特性的最优路径搜索算法思想，本论文就是在该算法思想的基础上，以长春市城市路网为例，在MapX矢量地图环境下对该算法进行了实现。
对最优路径搜索实施技术的研究也就是利用现有通信、计算机、控制等先进的高新科技，将最优路径搜索软件与城市交通流诱导系统集成起来实现动态的交通流诱导。其中其中车辆定位技术、地图匹配技术及交通信息通信技术是实现城市交通流诱导系统的关键技术，而实时交通信息与车载诱导装
置的集成技术是实现最优路径搜索的系统基础。本论文的主要内容如下：
第一章：绪论。介绍了课题的研究背景，并说明了最优路径搜索理论与实施技术研究的目的和意义，还简要概述了本文的主要研究内容。
第二章：城市交通流诱导系统。对最优路径搜索理论与实施技术的研究是城市交通流诱导系统的重要组成部分，因此全面了解城市交通流诱导系统的研究进展情况是研究最优路径搜索理论的必要前提。本章介绍了目前城市交通流诱导系统研究的现状及主要内容，主要从城市交通流诱导系统的基础理论、关键技术及系统框架等方面进行了总结。
第三章：最优路径搜索方法。本章对最优路径搜索方法从理论方面做了详细阐述。本章从最优路径搜索问题的求解过程入手，先是总结了常用的最优路径搜索算法，然后重点描述了一种基于出行者特性的最优路径搜索算法（TC-B Method）。最后本章对TC-B Method的进行了局部的改进，提出了一种基于出行者特性的多级分层搜索算法。
第四章：最优路径搜索在MapX中的实现。本章首先介绍了MapX的开发方法和特点，然后对最优路径搜索在MapX中的实现过程做了描述，最后结合笔者的开发实践给出了最优路径搜索算法在MapX中的实现流程及开发的最优路径搜索软件运行界面。
第五章：最优路径搜索的实施技术研究。本章对最优路径搜索的相关实施技术做了描述。依据笔者所研究的领域，这里仅介绍了两种实施技术：这里仅介绍了两种实施技术：一种是实时交通信息与车载信息装置的集成技术。另一种是城市交通流诱导系统结构设计问题。这两方面的研究对以最优路径搜索为核心的城市交通流诱导系统中软、硬件的开发都有着十分重要的意义。
第六章：全文总结。对本文研究内容进行总结，并提出以后尚需完善的研究工作重点。
对最优路径搜索技术的研究主要包括对最优路径搜索理论的研究和对其实施技术的研究两个方面。前者研究的目的是寻求城市交通流诱导应用的高效、快速的最优路径搜索算法；后者研究的目的是对前者路径搜索算法在实际城市路网环境中的实现。本论文结合笔者所在课题组所从事的“车载信
息装置开发”项目对这两方面都做出了研究，这对目前刚刚兴起的城市动态交通诱导系统有着一定的参考价值，同时也在一定程度上为日后车载信息装置在我的广泛应用做出了有益的探索。
At present, Intelligent Transportation System(ITS) is regarded as the most effective method for solving traffic problems. As the key part of ITS, Urban Traffic Flow Guidance System(UTFGS）can match with real-time traffic information, settle urban traffic congestion, decrease traffic incident, abate air pollution and improve traffic efficiency.
The kernel problem for Urban Traffic Flow Guidance System to solve is we can distribute the traffic flow reasonably and equably in the road network and reduce the time disequilibrium and space disequilibrium of traffic flow furthest. So that we will make full use of road network resources and reduce traffic congestion. The search of optimum path is the core and theory for accomplishing above-mentioned functions of Urban Traffic Flow Guidance System. The optimum path search technology guides vehicles driving reasonably according to traffic flow in the road network, reduces travel relay, and optimizes the distribution of traffic flow in the whole road network.
On the condition of the existing technology and economy, UTFGS and its implementation technologies study and design the optimum path search algorithms and implementation technologies fit for UTFGS.
The optimum path search algorithm is the calculation of shortest route in essence. The calculation of shortest route is an old mathematic problem. Many scholars make deep researches on this problem for a long time. There are a lot of mature algorithms can be utilized. The common algorithms can't have perfect effect on realizing the optimum path search in the urban road network when the road network is big and perplex. The reason is that common algorithms spend too so much time calculating that can't make an application for real-time dynamic traffic flow guidance. In order to meet the requirement of dynamic traffic flow guidance, we must make necessary improvement in the common shortest path algorithms. We bring forward a method of optimum path search algorithm based on the characteristics of travelers. According to this method, this paper gives an example of Changchun urban road network to implement this algorithm in the enviroment of在MapX.
With the use of communication, computer and control technologies, research
on the implementation technology of optimum path search is to combine the software of optimum path search with urban traffic flow guidance system to realize dynamic traffic flow guidance. Vehicle position technology, map matching technology, and traffic information communication technology are the key technologies to realize urban traffic flow guidance system. The integrated technology of real-time traffic information and in-vehicle guidance equipment is the foundation of carrying out optimum path search system.
The main contents of this paper are followings:
Chapter 1: Preface. It introduces the research background of this subject; explains the optimized route search theory, the aim and significance of this implementation technique; also summarizes the main research content.
Chapter 2: Urban Traffic Flow Guidance System. The research into the optimized route search theory and its implementation technique are two important parts of the UTFGS. Therefore, the complete understanding of the research’s progress is the indispensable premise for the research into the optimized route search theory. This chapter introduces the research situation and the main content of UTFGS nowadays. It also summarizes the basic theory, key technique and system structure and other aspects of UTFGS.
Chapter 3: The optimized route search methods. This chapter has made some detailed explanation of the optimized route search methods from the theory aspect. It proceeds with the process of finding the answer of the optimized route search problem. First of all, it summarizes the common optimized route search methods used nowadays. And then, it emphasized on expounding the Traffic Characteristics Based Method (TC-B Method). At last, this chapter makes a partial improvement of the TC-B method, and then brings forward a Traffic Cha
引文
杨兆升. 论智能运输系统. 《中国公路学报》No.4 1995
杨兆升.《城市交通流诱导系统理论与模型》，人民交通出版社，2000.1
毕仁忠. 美国智能运输系统的用户服务功能. 国外公路.97年4月
陆化普等. 新一代道路交通系统─ITS的研究现状与发展. 《中国公路学报》No.2 1997
雍希宏等. 美国城市交通管理述略. 《国外公路》No.2 1998
苏奎等. 世界智能运输系统发展状况及我国的对策. 《国外公路》No.1 1998
陈菁等. 美国缓和交通拥挤的控制新技术. 《中国交通工程》No.3 1993
社团法人 交通工学研究会（日）编著，董国良等译. 《智能交通系统》人民交通出版社，2000
杨超. 日本ITS发展方针、内容及目标. 《国外公路》No.1 1998
赵亦林著，谭国真译.《车辆定位与导航系统》，电子工业出版社，1999年4月
黄卫，陈理得编著.《智能运输系统（ITS）概论》，人民交通出版社，1999
吉林大学智能运输系统研究与开发中心. 《智能交通系统体系框架研究》
徐吉谦主编. 《交通工程总论》. 人民交通出版社，1998
杨佩昆等. 《交通管理与控制》. 人民交通出版社，2003
全永森. 《城市交通控制》. 人民交通出版社，1997
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究论文汇编》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究综合报告》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论
模型和方法研究技术报告之一：动态交通分配理论和实时交通信息处理技术研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之二：车载诱导系统实施技术研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之三：城市交通流诱导与控制系统一体化研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之四：城市交通流诱导系统模拟与评价研究》， 2001.5
王殿海，《交通流信息系统理论模型研究》： [博士后出站报告]. 吉林工业大学，1998
谷远利. 交通流诱导系统中的实时动态交通流预测研究：[硕士毕业论文].吉林工业大学，1999
杨兆升，《运输系统规划与模型》. 人民交通出版社
谢政，李建平编.《网络算法与复杂性理论》，国防科技大学出版社，1995
肖位权编.《图论及其算法》，航空工业出版社，1993
张莹编著.《运筹学基础》，清华大学出版社，1995，4
《运筹学》教材编写组编著.《运筹学》，清华大学出版社，1990
初连禹. 动态路径诱导系统理论和实施技术研究：[博士毕业论文].吉林工业大学，1999.5
张赫. 中心式动态路径诱导系统理论模型和技术方案研究：[博士毕业论文].吉林大学，2003.5
马道松. 动态路径诱导系统中行车路线优化和实施技术研究：[硕士毕业论文].吉林大学，2002.3
周商吾. 《交通工程》. 上海：同济大学出版社，1987
丹尼尔·L·鸠洛夫，马休·J·休伯著，蒋璜等译. 《交通流理论》，1983
张剑平，任福继，叶荣华等编著.《地理信息系统与Mapinfo应用》，科学出版社，1999，5
王晓武，陈宗敏，杜兴国编著.《MapBasic程序设计》，电子工业出版社，2000，7
姚娜编著.《Gis、MapInfo与MapBasic学习教程》，北京大学出版社，2000
蓝运超，黄正东，谢熔编著.《城市信息系统》，武汉测绘科技大学出版社，2000，3
刘光 贺小飞编著.《地理信息系统实习教程》，清华大学出版社，2002
赵旭初.《数据通信与连网技术》，电子科技大学出版社，1998，11
张乃通，张兆中，李英涛等著.《卫星移动通信系统》，电子工业出版社，2000，3
Ken North（美）著.《面向对象的数据库程序设计》，电子工业出版社，1996，
Noel jerke（美）等著.《VB4 API程序设计》，机械工业出版社，1997
张可，刘小明，王笑京.车辆自动导航的路线优化系统研究，系统工程，第19卷第2期
赵会平.汽车导航系统与交通信息通信系统，公路交通科技，1998，3
杨兆升主编. 《智能运输系统概论》，人民交通出版社，2003.1
林锐，软件工程思想，2000
张莹，应用程序用户界面的设计原则，微计算机信息，2002年第18卷第8期
Zhaosheng Yang, Chunxiao Yang, "Integrate Real-Time Traffic Information Into In-Vehicle Dynamic Route Guidance Device" , Proceedings of 10th ITS World Congress, Madrid，2003
Zhaosheng Yang, Chunxiao Yang, "Study on Information Processing in the Integration of Urban Traffic Flow Guidance System and Urban Traffic Control System", Proceedings of The IEEE 6th International Conference On Intelligent Transportation Systems，2003
Yang Zhaosheng，Ma Daosong. Study on the Implement Technologies of
Urban Traffic Flow Guidance System，ICTTS'2002
Shivaram Subramanian ，dissertation for master degree，ROUTING ALGORITHMS FOR DYNAMIC, INTELLIGENT TRANSPORTATION NETWORKS.
杨兆升.《城市交通流诱导系统理论与模型》，人民交通出版社，2000.1
毕仁忠. 美国智能运输系统的用户服务功能. 国外公路.97年4月
陆化普等. 新一代道路交通系统─ITS的研究现状与发展. 《中国公路学报》No.2 1997
雍希宏等. 美国城市交通管理述略. 《国外公路》No.2 1998
苏奎等. 世界智能运输系统发展状况及我国的对策. 《国外公路》No.1 1998
陈菁等. 美国缓和交通拥挤的控制新技术. 《中国交通工程》No.3 1993
社团法人 交通工学研究会（日）编著，董国良等译. 《智能交通系统》人民交通出版社，2000
杨超. 日本ITS发展方针、内容及目标. 《国外公路》No.1 1998
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吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究综合报告》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论
模型和方法研究技术报告之一：动态交通分配理论和实时交通信息处理技术研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之二：车载诱导系统实施技术研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之三：城市交通流诱导与控制系统一体化研究》， 2001.5
吉林大学智能运输系统研究与开发中心.《城市交通流诱导系统理论模型和方法研究技术报告之四：城市交通流诱导系统模拟与评价研究》， 2001.5
王殿海，《交通流信息系统理论模型研究》： [博士后出站报告]. 吉林工业大学，1998
谷远利. 交通流诱导系统中的实时动态交通流预测研究：[硕士毕业论文].吉林工业大学，1999
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谢政，李建平编.《网络算法与复杂性理论》，国防科技大学出版社，1995
肖位权编.《图论及其算法》，航空工业出版社，1993
张莹编著.《运筹学基础》，清华大学出版社，1995，4
《运筹学》教材编写组编著.《运筹学》，清华大学出版社，1990
初连禹. 动态路径诱导系统理论和实施技术研究：[博士毕业论文].吉林工业大学，1999.5
张赫. 中心式动态路径诱导系统理论模型和技术方案研究：[博士毕业论文].吉林大学，2003.5
马道松. 动态路径诱导系统中行车路线优化和实施技术研究：[硕士毕业论文].吉林大学，2002.3
周商吾. 《交通工程》. 上海：同济大学出版社，1987
丹尼尔·L·鸠洛夫，马休·J·休伯著，蒋璜等译. 《交通流理论》，1983
张剑平，任福继，叶荣华等编著.《地理信息系统与Mapinfo应用》，科学出版社，1999，5
王晓武，陈宗敏，杜兴国编著.《MapBasic程序设计》，电子工业出版社，2000，7
姚娜编著.《Gis、MapInfo与MapBasic学习教程》，北京大学出版社，2000
蓝运超，黄正东，谢熔编著.《城市信息系统》，武汉测绘科技大学出版社，2000，3
刘光 贺小飞编著.《地理信息系统实习教程》，清华大学出版社，2002
赵旭初.《数据通信与连网技术》，电子科技大学出版社，1998，11
张乃通，张兆中，李英涛等著.《卫星移动通信系统》，电子工业出版社，2000，3
Ken North（美）著.《面向对象的数据库程序设计》，电子工业出版社，1996，
Noel jerke（美）等著.《VB4 API程序设计》，机械工业出版社，1997
张可，刘小明，王笑京.车辆自动导航的路线优化系统研究，系统工程，第19卷第2期
赵会平.汽车导航系统与交通信息通信系统，公路交通科技，1998，3
杨兆升主编. 《智能运输系统概论》，人民交通出版社，2003.1
林锐，软件工程思想，2000
张莹，应用程序用户界面的设计原则，微计算机信息，2002年第18卷第8期
Zhaosheng Yang, Chunxiao Yang, "Integrate Real-Time Traffic Information Into In-Vehicle Dynamic Route Guidance Device" , Proceedings of 10th ITS World Congress, Madrid，2003
Zhaosheng Yang, Chunxiao Yang, "Study on Information Processing in the Integration of Urban Traffic Flow Guidance System and Urban Traffic Control System", Proceedings of The IEEE 6th International Conference On Intelligent Transportation Systems，2003
Yang Zhaosheng，Ma Daosong. Study on the Implement Technologies of
Urban Traffic Flow Guidance System，ICTTS'2002
Shivaram Subramanian ，dissertation for master degree，ROUTING ALGORITHMS FOR DYNAMIC, INTELLIGENT TRANSPORTATION NETWORKS.