CN105205247B - 一种基于树结构的仿真路网数据管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于树结构的仿真路网数据管理方法，包括提供一种时空路网的数据模型：构建交通仿真中的路网数据模型，从仿真路网编辑过程中抽象出路网编辑操作；由一系列编辑操作形成路网阶段节点，构建一个以基态路网为根结点的路网阶段树，提供构建用户指定版本路网数据方法；定义用于组织同一个路网衍生出的不同基态路网的路网树，路网树上的每一个路网结点唯一对应一棵路网阶段树，并提供路网阶段树上的阶段分支到路网树节点的压缩方法，以降低由于路网阶段树的深度过大带来效率损失。本方法能够给用户快速、准确的提供指定版本的数据，使得路网数据得到系统的、有序的管理。

Description

一种基于树结构的仿真路网数据管理方法

技术领域

本发明涉及交通仿真路网领域，更具体地，涉及一种基于树结构的交通仿真路网的数据管理方法。

背景技术

近年我国城市道路交通发展迅猛，一方面，广大人民群众生活水平不断提高，私家车数量增长迅猛，道路拥挤越来越严重；另一方面，城市交通管理部门为了满足市民的出行，新建和改造了大量的城市道路，并应用各种管制措施使得交通有序正常运行。在交通管控措施实施前，交通管理部门通常会利用交通仿真软件评估该措施的实施效果。在仿真过程中，在仿真软件中绘制仿真交通路网是最为耗时耗力的工作。

现在国内外在仿真路网数据管理方面的研究现状如下：

第一，仿真路网数据模型方面，杨晓毅、赵宾植等学者在GIS-T基础上构架路网数据模型，以支持微观交通仿真。这些模型利用路网分层思想，抽象出不同的道路单元，并在道路单元上添加交通规则，如赵宾植参考MITSIM和UNETRANS的分层抽象的思想，构建的实体集包、关系集包和交通规则包，并应用于路网拓扑的描述。他们这些模型在某种程度上能够描述路网拓扑，但是应用于交通仿真中，路网上承载的交通规则表现力略显不足，特别是路面标志标线的描述。

第二，在仿真路网数据管理方面：大多数的仿真软件采用文本文件保存路网数据以及仿真数据，如英国Quadstone公司开发的Paramics采用一系列文件，包括文件文本和xml文本保存路网数据和仿真数据，德国PTV公司开发的Vissim用一个inp文件保存路网和仿真数据。这些仿真软件数据管理方式能够很好的适应本地文件存储，一份文件保存一个仿真路网。这种文件保存模式确定也存在缺陷，每个路网都需要保存一份文件就意味着同一个区域路网上实施的不同交通管制措施，就需要为不同的管制措施保存一份路网文件；而不同文件之间大部分数据相同，这样就造成存储空间的浪费，并且不同文件没有任何关联，造成路网数据的碎片化。

上述所述的仿真路网数据模型和仿真路网数据管理方法，在其适用领域能够发挥其较好的功能。但是在当下交通规则变化多端，交通仿真对于道路信息的描述和交通规则的表现性的要求逐渐增强，路网信息存储数据呈现爆发式的增长的情况下，这些方法尚未涉及到路网规则和标志标线描述，也未涉及到路网多次编辑后的路网数据的版本控制。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种基于树结构的仿真路网管理方法，该方法能够给用户快速、准确的提供指定版本的数据，使得路网数据得到系统的、有序的管理。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于树结构的仿真路网数据管理方法，包括：

1)构建时空路网数据模型；

2)基于时空路网数据模型对路网进行路网编辑，为用户的每个路网构建一个路网阶段树，提供构建用户指定版本路网方法；

3)压缩阶段树上一条路径到基态，构建路网的子路网，建立路网树，用路网树组织路网间的父子关系。采用路网树组织基础路网间的父子关系，并提供从阶段树的分支到用户路网节点的压缩方法，为避免路网阶段树深度过大，路网读取效率降低提供解决方法。

优选的，所述步骤1)构建时空网数据模型，并定义时空中的路网元素；

所述时空路网数据模型用N(G_p,G_l)表示，其中G_p表示路网的物理拓扑，G_l表示路网的逻辑拓扑；

路网的物理拓扑用有向图G_p＝(V,L)表示，其中V＝{v_i}为子路段节点集，v_i是子路段节点，表示交通组织中断处；L＝{l_ij|l_ij＝(v_i,v_j)}为子路段集，l_ij是子路段节点v_i和子路段节点v_j之间的子路段；

路网的逻辑拓扑用G_l＝(A,La,C_La)表示，其中A＝{a_ij＝<v_i,v_j>|v_i,v_j∈V}为有向子路段集，a_ij为有向子路段，方向代表从子路段节点v_i到v_j的交通流向；La＝{lane}为车道集，lane表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；C_La＝{c_i＝(lane_f,lane_t)|lane_f,lane_t∈La}表示车道连接器，c_i表示车辆从车道lane_f到lane_t的通行是允许的；

所述路网元素是指交通路网N中某个道路单元(V,L,A,La,C_La)的一个具体的要素(v_i，l_ij，a_ij，lane，c_i)，elmt_h(t_c,t_d)描述时空中的路网元素h在时间区间<t_c,t_d>内的状态，其中h为元素在所属的道路单元中的编号；t_c为elmt_h状态创建时刻，t_d为状态消失时刻，在<t_c,t_d>时间内elmt_h几何状态和物理属性保持不变；各时刻的路网是路网元素按物理、逻辑拓扑有机组织起来的。

优选的，所述步骤2)基于时空路网数据模型对路网进行路网编辑，其中路网编辑是指在某时刻由于绘制仿真路网的操作引起的路网元素变化，该变化包括新建元素，删除元素以及更新元素，一个路网操作记为O(t)＝(add(t),dlt(t),mdf(t))，其中add(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}表示在t时刻由操作创建的路网元素集；dlt(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作删除的路网元素集；mdf(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}∪{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作更新的路网元素集，分解为t时刻的删除要素集和创建要素集。

优选的，所述步骤2)中构建路网阶段树具体过程为：

定义路网阶段是在一次连续的路网编辑中，从开始编辑到结束编辑组成的一系列路网操作，因此路网阶段表示为S_k(t_s,t_f)＝{O(t)|t_s≤t＜t_f}，其含义为路网k阶段在时间段<t_s,t_f>内所有操作集；

用户在进行路网编辑前，需要选择路网的某一阶段S_k作为编辑的路网，在此基础上编辑的路网为新的路网阶段S_k+1，称S_k为S_k+1的父阶段；如此，一系列的路网阶段及其父阶段就构成一个阶段树，用Tr(S_k)表示，阶段树上的每一个阶段呈现出来的路网为其父阶段呈现的路网与在该阶段所有编辑操作引起的路网元素的变化叠加所得到的结果，即其中N_k+1为在S_k+1阶段编辑结束后呈现出来的路网形态，N_k为S_k+1阶段编辑前选择的S_k呈现出来的路网；进一步可得N₀为基态路网，由外部数据导入或通过阶段树分支压缩而来。

当一个路网由于反复多次编辑后，将会造成阶段节点过多，进而影响路网读取和保存速度。优选的，所述步骤3)构建路网树结构，提供从阶段树的分支到用户路网节点的压缩方法；

具体是将当前路网阶段树上部分阶段节点对应的路网增量和删量数据压缩至路网基态数据中，并把压缩后的路网数据作为压缩前路网的子路网；如此，通过不同阶段分支的路网数据压缩，就构成了一个路网树，路网树的引入，大大提高了路网读取和保存效率。最终呈现给客户的路网为用户在路网阶段树上选定的路网阶段节点到初始路网分支上所有阶段节点叠加而成。

本发明所述方法包括提供一种时空路网的数据模型：构建交通仿真中的路网数据模型，从仿真路网编辑过程中抽象出路网编辑操作；由一系列编辑操作形成路网阶段节点，构建一个以基态路网为根结点的路网阶段树，提供构建用户指定版本路网数据方法；定义用于组织同一个路网衍生出的不同基态路网的路网树，路网树上的每一个路网结点唯一对应一棵路网阶段树，并提供路网阶段树上的阶段分支到路网树节点的压缩方法，以降低由于路网阶段树的深度过大带来效率损失。进一步以时空路网为例，探讨时空数据的版本控制方法：从数据模型入手，给出了数据版本控制的数据库存储结构，并为用户提供数据编辑的阶段节点，保存用户修改、添加以及删除记录。该方法能够给用户快速、准确的提供指定版本的数据，使得路网数据得到系统的、有序的管理。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明提出了一种时空路网数据模型，并将该模型应用于仿真路网数据管理，该模型能够支持仿真路网的多次编辑与修改，解决了仿真路网由于多次编辑后数据的混乱性。

(2)本发明的方法简单实用，具有科学性，用一个阶段树管理仿真路网数据，支持从任一个阶段节点查看和编辑路网，路网的扩展性较高。

附图说明

图1为本发明一种基于树结构的仿真路网数据管理方法具体实施例的流程图。图2为本发明具体实施例中仿真路网数据模型UML示意图。

图3为时空路网数据模型UML示意图。

图4为路网的阶段树及其相应路网版本示意图。

图5为路网树及其相应路网示意图。

图6为路网压缩流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，为本发明一种基于树结构的仿真路网数据管理方法具体实施例的流程图。参见图1，本具体实施例一种基于树结构的仿真路网数据管理方法的具体步骤包括：

S101.构建时空路网数据模型；

S102.基于时空路网数据模型对路网进行路网编辑，为用户的每个路网构建一个路网阶段树，提供构建用户指定版本路网方法；

S103.压缩阶段树上一条路径到基态，构建路网的子路网，建立路网树，用路网树组织路网间的父子关系。

在本具体实施例中，通过构建一个时空路网数据模型，在路网编辑过程中，用户可依据编辑历史选择一个阶段节点打开路网；在编辑前，用户需要给这次路网编辑新建一个阶段节点，这个节点是打开路网的阶段节点的子节点。如此，一个路网的所有阶段节点和阶段子节点就构成一个阶段树。在阶段树上用户能够选择任一个节点新建子节点或打开路网。以树的结构呈现出不同版本的路网数据，能够提供较好的用户交互体验，并且提供高效有序的路网数据管理方式，达到科学管理路网数据的目标。

在步骤S101中，构建时空路网数据模型可以通过如下方式进行：

步骤S1011.时空路网数据模型可用N(G_p,G_l)表示，其中G_p表示路网物理拓扑，G_l表示路网的逻辑拓扑，时空路网数据模型可用如图2所示的UML图表示。

物理拓扑用有向图G_p＝(V,L)表示，其中V＝{v_i}为子路段节点集，v_i是子路段节点，表示交通组织中断处，子路段节点包含的属性如图2所示的Node，属性包括相邻子路段集(AdjLinkIDs)、相邻子路段地理方位角集(AdjNorthAngles)；L＝{l_ij|l_ij＝(v_i,v_j)}为子路段集，其属性包括路面(RoadName)，起始子路段节点(FNodeID)，终止子路段节点(TNodeID)。

逻辑拓扑用G_l＝(A,La,C_La)表示，其中A＝{a_ij＝<v_i,v_j>|v_i,v_j∈V}为有向子路段集，a_ij为有向子路段，方向代表从节点v_i到v_j方向的交通流向，如图2所示，其属性包括车道数(LaneNum)，与Link相对方向(Dir)；La＝{lane}为车道集，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元。车道上承载的交通规则包含车速(Spd)、通行车辆类型(VhlCls)、信号控制类型(Ctrl)、变道(Chg)等；C_La＝{c_i＝(lane_f,lane_t)|lane_f,lane_t∈La}表示车道连接器，描述车辆从车道lane_f到lane_t的通行是允许的，TurningDir表示从车道lane_f到lane_t的转向。

步骤S1012.路网元素指交通路网N中某个道路单元(V,L,A,La,C_La)的一个具体的要素(v_i，l_ij，a_ij，lane，c_i)，时空中的路网元素用elmt_h(t_c,t_d)表示，元素h在时间区间<t_c,t_d>内的状态表示，其中h为元素在所属的道路单元中的编号。t_c为elmt_h为状态创建时刻，t_d为状态消失时刻，在<t_c,t_d>时间内elmt_h几何状态和物理属性保持不变。某个时刻路网是路网元素按物理、逻辑拓扑有机组织起来的。

步骤S1013.路网编辑操作指在某时刻由于绘制仿真路网的操作引起的路网元素变化，这种变化包括新建元素，删除元素以及更新元素。一个路网操作记为O(t)＝(add(t),dlt(t),mdf(t))，其中add(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}表示在t时刻由操作创建的路网元素集；dlt(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作删除的路网元素集；mdf(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}∪{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作更新的路网元素集，可分解为t时刻的删除要素集和创建要素集。

如图3所示的时空路网数据模型，每一个路网图层均拥有一个增量图层(a+“LayerID”)和删量图层(d+“LayerID”)，分别记录该路网单元增加和删除的元素，并且每一个元素关联到一个状态，状态记录该状态创建的时刻(CreateDate)。因此，对于一个时空元素elmt_h(t_c,t_d)可用一对状态分别记录该元素的创建时刻和删除时刻。在一个操作中涉及到多个道路了元素的状态新建，所以操作(Operation)与状态(State)的关系为一对多。

在步骤S102中，路网的状态树的定义以及构建过程如下：

步骤S1021.定义路网阶段为在一次连续的路网编辑中，从开始编辑到结束路网编辑组成的一系列路网一系列操作，因此路网阶段可表示为S_k(t_s,t_f)＝{O(t)|t_s≤t≤t_f}，其含义为路网k阶段在时间段<t_s,t_f>内所有操作集。

如图3所示的时空路网数据模型中，路网阶段(Stage)与路网编辑操作(Operation)的关系是一对多，且属于某个Stage的Operation的创建时刻(CreateDate)介于State开始的时刻(StartDate)与结束时刻(FinishDate)之间。

步骤S1022.用户在进行路网编辑前，需要选择路网的某一阶段S_k作为编辑的路网，在此基础上编辑的路网为新的路网阶段S_k+1。如此，一系列的路网阶段及其父阶段就构成一个阶段树，用Tr(S_k)表示。阶段树上的每一个节点呈现出来的路网为其父节点呈现的路网与在该阶段所有编辑操作引起的路网元素的变化叠加所得到的结果，即其中N_k+1为在S_k+1阶段编辑结束后呈现出来的路网形态，N_k为S_k+1阶段编辑前选择的S_k呈现出来的路网。进一步可得N₀为基态路网，可由外部数据导入或通过阶段树分支压缩而来。其中表示路网元素的叠加，即把S_i+1增加的路网元素累加到S_i中，并剔除在S_i+1中删除在S_i阶段创建的路网元素。符号为向左结合运算符，自右向左结合运算。

在步骤S103中，路网树的定义以及构建过程如下：

在交通工程应用中，由于路网的范围获取应用领域不同，路网与路网之间存在着父子关系，如一个行政区的路网是一个城市的路网基础上剔除其他行政区路网而成的路网，故该行政区路网为这个城市路网的子路网，所有的行政区路网构成了这个城市路网的所有的子路网；另一方面，由于阶段树深度增加，读取和写入路网数据的效率会大大降低，因此提出一种压缩路网阶段分支的方法，把压缩后的分支作为压缩路网的子路网。

对于路网阶段分支<N₀,S₁,…S_i,…,S_k>，利用运算得到路网N_k，把该路网存入基态路网图层中，作为另一个基态路网。基态路网与S_k状态下的增量路网N_k拥有相同的路网元素，但是在获取基态路网的时间效率远远高于N_k。

如图5所示的通过压缩阶段分支<S₁,S₂,S₄,S₅>得到路网名为rootNetwork的子路网childNetwork1；同理压缩阶段分支<S₁,S₃,S₆>得到子路网childNetwork2，这样就得到如图6所示的路网树。

下面结合具体的实例来说明上述流程。

如图4为路网rootNetwork的一颗路网阶段树，其中基态路网为一个十字交叉口，包含四个子路段(1、2、3和4)，打开基态路网后，新建阶段节点1(S₁)，在十字交叉口右侧添加一个T字交叉口这样构成如图5中S₁阶段节点所示的路网状态。在Stage(1)中，路网的编辑操作包含新建子路段节点v_f、v_h；连接v_f、v_h形成l_fh所属路段；打断l_fh所属路段，生成路段5、7和节点v_i；添加子路段节点v_g；连接v_i和v_g，生成路段6。

为S₁建两个子阶段节点S₂和S₃，这样就为rootNetwork新建了两个阶段分支，后续的路网编辑均是在阶段节点S₂和S₃基础上进行；

这样，对于如图4所示的路网阶段树，一共有三个阶段分支：<S₁,S₂,S₄,S₅>，<S₁,S₂,S₄,S₇>和<S₁,S₃,S₆>，并且在每一个阶段节点均可以查看路网的状态，如图5所示，并且可继续为每个阶段节点新建阶段节点，进而进化出新的阶段分支。

如图4所示的阶段分支<S₁,S₂,S₄,S₅>，由于新路段的添加和旧路段的删除，路网中的某些元素会在一个阶段分支中出现多个状态的交替出现，在路网读取中，反复读取统一元素，并不断更改其状态，会极大的降低路网读取的效率。因此，把阶段分支<S₁,S₂,S₄,S₅>中出现的所有的元素压缩至另一个路网的基态中。处于基态中元素仅有一个状态，即在操作S₅见到的状态，这样就提高了路网读取效率。

本发明提出了一种时空路网数据模型，并给出了管理组织仿真路网数据的阶段树，在阶段树的节点上可以查看和编辑阶段节点对应的路网，该方法能够极大提高仿真路网数据的管理效率，并且相比传统备份方式，该方法能够极大降低路网重复数据保存量。通过本发明实现的仿真路网管理方式是一种科学方法，对交通仿真软件和平台对仿真路网数据管理具有重要的指导意义。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于树结构的仿真路网数据管理方法，其特征在于，包括：

1)构建时空路网数据模型；

2)基于时空路网数据模型对路网进行路网编辑，为用户的每个路网构建一个路网阶段树，提供构建用户指定版本路网方法；

3)压缩阶段树上一条路径到基态，构建路网的子路网，建立路网树，用路网树组织路网间的父子关系；

其中，所述步骤1)构建时空网数据模型，并定义时空中的路网元素；

所述时空路网数据模型用N(G_p,G_l)表示，其中G_p表示路网的物理拓扑，G_l表示路网的逻辑拓扑；

路网的物理拓扑用有向图G_p＝(V,L)表示，其中V＝{v_i}为子路段节点集，v_i是子路段节点，表示交通组织中断处；L＝{l_ij|l_ij＝(v_i,v_j)}为子路段集，l_ij是子路段节点v_i和v_j之间的子路段；

路网的逻辑拓扑用G_l＝(A,La,C_La)表示，其中A＝{a_ij＝<v_i,v_j>|v_i,v_j∈V}为有向子路段集，a_ij为有向子路段，方向代表从子路段节点v_i到v_j的交通流向；La＝{lane}为车道集，lane表示车道，车道是位于有向子路段中，规定车辆运行行为的最小道路单元；C_La＝{c_i＝(lane_f,lane_t)|lane_f,lane_t∈La}表示车道连接器，c_i表示车辆从车道lane_f到lane_t的通行是允许的；

所述路网元素是指交通路网N中某个道路单元(V,L,A,La,C_La)的一个具体的要素(v_i，l_ij，a_ij，lane，c_i)，elmt_h(t_c,t_d)描述时空中的路网元素h在时间区间<t_c,t_d>内的状态，其中h为元素在所属的道路单元中的编号；t_c为elmt_h状态创建时刻，t_d为状态消失时刻，在<t_c,t_d>时间内elmt_h几何状态和物理属性保持不变；各时刻的路网是路网元素按物理、逻辑拓扑有机组织起来的；

其中，所述步骤2)基于时空路网数据模型对路网进行路网编辑，其中路网编辑是指在某时刻由于绘制仿真路网的操作引起的路网元素变化，该变化包括新建元素，删除元素以及更新元素，一个路网操作记为O(t)＝(add(t),dlt(t),mdf(t))，其中add(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}表示在t时刻由操作创建的路网元素集；dlt(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作删除的路网元素集；mdf(t)＝{elmt_h(t_c,t_d)|t_c＝t}∪{elmt_h(t_c,t_d)|t_d＝t}表示在t时刻由操作更新的路网元素集，分解为t时刻的删除要素集和创建要素集。

2.根据权利要求1所述的基于树结构的仿真路网数据管理方法，其特征在于，所述步骤2)中构建路网阶段树具体过程为：

定义路网阶段是在一次连续的路网编辑中，从开始编辑到结束编辑组成的一系列路网操作，因此路网阶段表示为S_k(t_s,t_f)＝{O(t)|t_s≤t＜t_f}，其含义为路网k阶段在时间段<t_s,t_f>内所有操作集；

用户在进行路网编辑前，需要选择路网的某一阶段S_k作为编辑的路网，在此基础上编辑的路网为新的路网阶段S_k+1，称S_k为S_k+1的父阶段；如此，一系列的路网阶段及其父阶段就构成一个阶段树，用Tr(S_k)表示，阶段树上的每一个阶段呈现出来的路网为其父阶段呈现的路网与在该阶段所有编辑操作引起的路网元素的变化叠加所得到的结果，即其中N_k+1为在S_k+1阶段编辑结束后呈现出来的路网形态，N_k为S_k+1阶段编辑前选择的S_k呈现出来的路网；进一步可得N₀为基态路网，由外部数据导入或通过阶段树分支压缩而来。

3.根据权利要求2所述的基于树结构的仿真路网数据管理方法，其特征在于，所述步骤3)中压缩阶段树上一条路径到基态的压缩方法包括如下内容；

具体是将当前路网阶段树上部分阶段节点对应的路网增量和删量数据压缩至路网基态数据中，并把压缩后的路网数据作为压缩前路网的子路网；如此，通过不同阶段分支的路网数据压缩，就构成了一个路网树。