大学毕业论文基于移动传感网的城市交通热区分析.docx
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大学毕业论文基于移动传感网的城市交通热区分析
本科毕业设计（论文）
题目基于移动传感网的城市交通热区分析
Basedontheanalysisofmobilesensor
networkurbantraffichotspots
摘要
无线传感器网络技术现已被应用在智能交通的信息采集、信息传输、交通控制和疏导等多个方面，已成为智能交通的关键技术，因此无线传感器网络技术对于现代交通有着非常重要的意义。
城市交通热区分析，主要是通过安装在各类交通工具上的无线传感器组成的移动传感网络对城市交通情况进行监测，分析出城市中的交通热区。
本文以咸阳市的公交系统为基础，设计并开发了一个城市交通模拟平台，通过车载的移动传感网实现对咸阳市区各路公交线路的跟踪，记录每辆公交车的行进轨迹，通过热区搜索算法，计算出市区中的交通热区。
该城市交通模拟平台，实现了对公交线路的路径追踪，进而实现了城市交通热区的发现和管理，为交通管理部门实施交通管理和疏导交通提供了很好的决策依据。
关键词：
移动传感网；交通热区；无线传感器
Abstract
Wirelesssensornetworktechnologyhasbeenappliedinintelligenttrafficinformationcollection,informationtransmission,trafficcontrolandguidance,andotheraspects,hasbecomethekeytechnologyofintelligenttransportation,sowirelesssensornetworktechnologyformoderntransportationhasveryimportantsignificance.
Urbantraffichotspotsanalysis,mainlybymeansofthewirelesssensorsinstalledinallkindsoftransportationontheurbantrafficsituationofmobilesensornetworkmonitoring,analysisofthecity'straffichotspots.Inthispaper,basedontheXianYangShibussystem,designedanddevelopedaurbantrafficsimulationplatform,throughthevehicle-mountedmobilesensornetworksystemfortheimplementationofvariousbuslinesinxianyangcitytrack,recordeverybuspath,throughthehotsearchalgorithm,tocalculatethetraffichotspotsindowntown.
Theurbantrafficsimulationplatform,hasrealizedthepathtrackingofbuslines,andthenrealizethedetectionandmanagementofcitytraffichotspots,thetrafficadministrativedepartmentoftheimplementationoftrafficmanagementandtrafficprovidesagooddecision-makingbasis.
Keywords:
mobilesensornetwork;Traffichotspots;Wirelesssensor
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题研究背景及意义1
1.2国内外研究现状1
1.3论文研究内容3
1.4论文结构3
第二章无线传感器网络及其应用4
2.1无线传感器网络技术简介4
2.2无线传感器定位技术5
2.3无线传感器网络的应用6
第三章线路追踪与交通热区的相关算法设计8
3.1城市交通模拟平台8
3.1.1城市交通模拟平台的建设条件8
3.1.2城市交通模拟平台的建设目标8
3.2城市交通模拟平台建设9
3.3公交路线的存储方式9
3.3.1方案一9
3.3.2方案二9
3.4相关算法设计10
3.4.1有关数据结构10
3.4.2热区算法的设计思想11
3.4.3公交往返路径算法的设计思想11
3.4.4算法设计12
第四章仿真实验14
4.1仿真平台的实现14
4.2算法实现14
4.3部署热区算法后的仿真效果16
第五章结束语17
5.1论文工作总结17
5.2课题研究展望17
5.2.1地图的放大缩小17
5.2.2出租车的追踪17
5.2.3热区算法的改良18
谢辞19
参考文献20
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
众所周知，在经济物质极大丰富的今天，人们对于出行的要求亦越来越高。
私家车已经广泛得到了非常广泛的普及，这虽然是一个好现象。
但凡事有利就有弊。
由于近几年私家车的数量激增，再加上各种新的交通工具，交通拥堵尤其是城市的交通拥堵现象已经是屡见不鲜，因此，缓解城市交通拥堵已成了人们关注的一个焦点问题，也是最头疼的问题。
本课题针对上述问题，提出了利用无线传感器网络技术来发现城市交通热区[1]，进而为交通管理部门提供决策依据。
具体做法是将无线传感器安装在公共汽车、出租车等地面城市交通工具上，通过对各交通工具的轨迹追踪与数据处理，分析出城市交通的热区，从而实现对城市交通的智能管理和处理意外交通事故的能力，为智慧城市的建设贡献一份力量！
移动模型在移动传感器网络的研究中起着非常重要的作用,因为几乎没有可以用于性能评估的大型真实网络环境。
然而现在很多移动模型仅考虑了简单的地理位置移动性,在此的模型里强调人移动性的重要影响。
在真实环境中,因为各地区对人移动的吸引力总是不同的,人的分布不是均匀的,例如城市中的繁华地区会吸引更多的人过来。
便提出基于热区的移动模型。
在模型的设计中,整个区域被分成若干个子区域,每个子区域都有一个权重值用于表示对移动节点的吸引力。
模型中,节点的移动是受周围所有子区域权重影响的。
热区是拥有高权重的子区域，就是交通拥挤的地方,属于交通繁华区。
1.2国内外研究现状
城市交通规划国外有关专家认为交通规划应先于建设布局，城市交通作为最重要的基础设施之一，应占有特殊的地位。
欲建立理想的城市结构，必须超前发展作为城市骨架的合理的道路交通系统，把城市交通建设同城市结构的形成和发展紧密地联系起来，建立智能交通（ITS）。
一、美国交通发展状况
美国是智能交通大国，不仅研究使用早，应用广泛，就连智能交通系统（ITS）一词都来自美国。
美国从20世纪80年代开始，将先进的信息技术、数据通信技术、电子控制技术及云计算机处理技术等，有效地综合应用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的智能交通系统[2]。
目前ITS在美国的应用己达80%以上，而月_相关的产品也较先进。
美国ITS应用在车辆安全系统（占51%）、电子收费（占37%）、公路及车辆管理系统（占28%）、导航定位系统（占20%）、商业车辆管理系统（占14%）方面发展较快。
美国交通部估计，智能交通系统的应用消除大约每年120万起交通事故，挽救上万人的生命，节省260亿美元因交通堵塞及交通事故所造成的损失。
在未来20年里，美国智能交通相关产品及服务市场容量将超过4200亿美元，相关项目将超过60万个。
美国在ITS方面未来的研究重点是：
关注ITS对环境和气象的影响；增强多式联运，使用多样的智能交通系统，包括用于与紧急事件和健康有关的服务；通过避免碰撞与改善保护、碰撞信息发布、商业机动车辆运行以及基于基础设施或是合作的安全系统来增强安全；推进智能基础设施、车辆和控制技术的集成。
二、日本交通发展状况
日本早在1973年就开始了对智能交通系统的研究。
发展重点：
日本ITS规划体系包括先进的导航系统、安全辅助系统、交通管理最优化系统、道路交通管理高效化系统、公交支援系统、车辆运营管理系统、行人诱导系统和紧急车辆支援系统。
应用状况：
日本的ITS主要应用在交通信息提供、电子收费、公共交通、商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面。
目前在日本已有超过1800万人的汽车导航系统用户。
投资：
日本政府1996～1997年用于ITS研究开发的预算为161亿日元，用于ITS实用化和基础设施建设的预算为1285亿日元。
1996年“推进ITS总体构想”推出了一个投资预算7.8兆日元的20年规划。
日本走政府与民间企业相互合作的道路，如车辆信息通讯系统（VICS）的运作方式极大地调动了企业的积极性，加速了日本ITS的开发与应用。
三、中国交通发展状况
目前国内相关机构全面准确地掌握整个城市的交通信息，为交通疏导、城市规划等提供实用的数据及解决方案。
让交通信息无处不在，在任何地方都能以最恰当的方式为群众提供最有价值的交通信息，这就是智能交通。
智能交通（ITS）的研究和推进在我国还处于起步阶段，但ITS作为跨世纪的经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视，“十二五”规划更是突出了物联网智能交通的地位。
目前在城市智能交通领域，北京、广州走在我国前列。
北京市智能交通系统建设已取得初步成果。
1.3论文研究内容
本次研究主要是以公交系统和道路情况为例，采用Java语言与Eclipse作为开发仿真算法的平台，采用智能交通实现城市交通热区的发现和管理。
1.4论文结构
论文共分五章，按以下方式组织：
第一章绪论，首先介绍了论文研究的背景以及国内外无线传感器网络技术研究的现状，其次介绍论文研究的意义及论文的总体框架。
第二章无线传感器网络及其应用，主要是介绍无线传感器网络和其应用，以及无线传感器定位技术。
第三章线路追踪与交通热区相关算法设计，主要针对咸阳市的交通地图，介绍了城市交通模拟平台的搭建，公交路线存储以及相关算法的设计。
第四章仿真实验，主要通过咸阳的公交体系，结合电子地图，采用Java语言与Eclipse作为开发仿真的平台，实现城市交通模拟仿真。
第五章结束语。
第二章无线传感器网络及其应用
2.1无线传感器网络技术简介
无线传感器网络（WSN）就是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种网络，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。
包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。
大量传感器节点随机部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及手机监测数据。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器[3]，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。
无线传感器网络（WSN）由大量微型的传感器节点组成，这些节点被部署在监测环境中，形成一个自组织的无线通信网络。
WSN感知、采集和处理整个网络中感知对象的数据信息，并将这些信息发送给观测者。
WSN的缺陷是它仅能获取感知对象的标量信息，由此，无线多媒体传感器网络应运而生，它在WSN的基础上增加了获取图像、声音和视频等数据信息的功能。
WSN体系结构如图2.1所示。
图2.1
WSN采用Ad-hoc（多跳移动无线网络）方式进行自动组网，一个典型的WSN包括大量的传感节点和一个或若干个数据汇聚节点，因此能够实现大范围，低成本，灵活铺设的实时数据采集，从而进行更准确的分析和处理。
2.2无线传感器定位技术
目前比较成熟并得到应用大范围推广的无线定位技术是GPS卫星定位系统。
对于WSN,其传感器分布比较集中,网络结点较多[4],人工部署和所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,甚至在某些场合可能无法实现,因此必须利用无线通信机制与定位求解算法实现WSN的自身定位。
无线传感器定位技术可以分为基于测距技术的定位和无需测距技术的定位[5]。
基于测距技术的定位通过测量节点间点到点的距离或角度信息,使用三边测量（trilateration）、三角测量（triangulation）或最大似然估计（multilateration）定位法计算节点位置[6];无需测距技术的定位则无需距离和角度信息,仅根据网络连通性等信息即可实现。
基于测距技术的定位常用的测距技术有RSSI、TOA、TDOA和AOA[7]。
基于测距技术的定位机制在定位精度上相对较高,但技术复杂,受到功耗与成本的限制。
由于无线传感器网络节点定位算法的研究已经历时七八年了，所以关于节点定位的方法比较多。
在传输数据的过程中，根据采集数据和处理数据的基准来经行分类。
首先在基于数据采集方式上，不同的定位算法需要采集的信息各有不同的目标或者是采集的信息应用不同，如节点之间距离、相对于基准的角度、传输的时间或者是邻居节点的信息，其最终都是希望采集到和节点定位相关的数据，并能够计算出节点的估计位置，使其成为定位的基础。
其次基于信息处理方式上，无论是自己处理信息还是提交给其它有处理能力的处理器处理，其最终结果都是希望将数据转换为节点的位置信息，完成定位的估计。
就目前领域内普遍的分类方法有三种：
1．根据距离测量与否可分为：
测距算法和非测距算法。
测距算法是针对节点之间的相对距离进行直接测量，非测距算法仅仅依靠的是无线传感器网络连通性来估计节点的位置；
2．根据网络节点[11]连通度和拓扑分类可分为：
单级跳变算法和多级跳变算法。
单级跳变算法比较简单，但是存在着一些不可测量的死角问题，多级跳变算法相对与单极跳变算法应用比较麻烦，当测试范围较广导致两个节点之间不能进行传输通信的情况较多时，一般情况下就采用它来解决；
3．根据信息处理的实现方式可划分为：
分布式算法和集中式算法。
根据应用目的不同，一般需要把监测节点位置和控制节点信息定为算法的目的，因为这些数据要需要在数据中心一起处理，那么就对大多数使用集中式定位算法，相对的精度较高，但是因为需要集中处理通信量，那么就相对应的节点之间的通信较慢。
2.3无线传感器网络的应用
无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。
随着无线传感器网络的深人研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。
1.军事应用
在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT（command，control，communication，computlng，intelligence，surveillance，reconnaissanceandtargetmg）系统不可或缺的一部分。
C4ISRT系统定位于未来战争，其目标是利用高科技技术，设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到各国国防部门的普遍重视。
由于战争的伤亡性，传感器设各将取代人去执行一些危险任务，如监控我军兵力、装各和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。
2.生态环境监测
随着人们对环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。
通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。
无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便。
3.交通管理
1995年，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投人使用。
这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶、前后车距自动地保持一定的距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。
4.医疗健康应用
通过在鞋、家具和家用电器等设各中嵌人网络传感器。
可以帮助老年人、重病患者以及残疾人的家庭生活。
利用传感器网络可高效传递必要的信息从而方便接受护理，而且可以减轻护理人员的负担，提高护理质量。
利用传感器网络长时间的收集人的生理数据。
可以加快研制新药品的过程，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的不便。
5.空间探测应用
通过向人类现在还无法到达或无法长期工作的太空外的其他天体上设置传感器网络接点的方法，可以实现对其长时间的监测。
通过这些传感器网发回的信息进行分析，可以知道这些天体的具体情况，为了更好的了解、利用它们提供一个有效的手段。
6.农业应用
农业是无线传感器网路使用的另一个重要领域。
不久以后，研究人员将实施一种系统，用于监视每一传感器区域的温度，或该地区有害物的数量。
他们甚至计划在家畜（如狗）上使用传感器，以便可以在巡逻时搜集必要信息。
这些信息将有助于开展有效的灌溉和喷洒农药，进而降低成本和确保农场获得高效益。
第三章线路追踪与交通热区的相关算法设计
3.1城市交通模拟平台
随着社会的不断发展，人们的便需要一种方便、快捷、及时的客运方式来适应快节奏的现代化生活需求。
于是智能公交系统，便随着被提出，逐渐在广大城市的不同层次得到应用。
为了开展有关智能交通管理、路线追踪、热区发现等方面的实验，就必须要有一个公共的城市交通的模拟平台，本文以咸阳市公交系统为例设计了一个简单的城市交通的模拟平台[8-9]。
3.1.1城市交通模拟平台的建设条件
随着当今科技，人文生活的不断提高，物质生物的不断进步，所以在现社会出行也成了困扰人们的一个重大问题。
城市规模越来越大化，也随之伴随着出行问题随之而来。
便想出模拟城市交通，使城市管理智能化，方便人们的生活。
本次研究由于设备有限，只能采用java语言与eclipse做为开发工具，实现简单的咸阳市公路交通模拟。
在这个研究中，地图的获取主要是截取了咸阳市地图的四条主要干道，来搭建整个研究的网络平台模型[10]。
加载地图时用到了专门读图片的ImageIO技术，将图片存放到BufferedImage中，最后调用drawImage绘制。
再用Java语言进行咸阳市的主要公交线路和热区的仿真绘制。
公交线路追踪主要是通过一些类、列表、算法实现。
3.1.2城市交通模拟平台的建设目标
城市交通模拟平台主要是要能够真实的展示城市的交通状况，以实现智能交通的模拟。
本次平台搭建好后，在该平台上要同时运行城市的各趟公交，也就是让公交车在同一时刻出发。
当然公交车要一直保持运行状态，它们的运行路线是环形的，即从起点运行到终点后，又要反向行驶，从终点到起点，一直这样行驶下去。
线路也是每隔一秒时间就要定期对公交车到达的站点位置进行刷新，实现对公交车的定位追踪。
当所有公交车都运行一段时间后，就会发现热区，城市真正的交通易堵塞区所在位置。
这样通过咸阳的公交线路与网络平台模型上的地理位置吻合，使用新型GPS定位追踪公交运行轨迹，从而绘出相应的公交路线，通过观察公交轨迹，很快定位找到交通热区，从而实现智能交通。
地图上黄色区为交通繁华区，而真正的交通热区将会显示红色预警，人流量密集或者大型建筑区以桃红区显示。
3.2城市交通模拟平台建设
咸阳市的主要干道上面，分布着大大小小各个交通站点，每条交通站点之间都按照着咸阳市各个站点之间实际比例划分，通过查寻咸阳的公交线路信息，得到咸阳市主要公交的站点[11]。
要给显示的窗口添加鼠标监听事件：
addMouseListener（newMouseMonitor（））。
并重写接口MouseListener的mouseClicked方法，使得点击各个站点时，站点信息存入到相应的文件中，当需要的时候，直接可以从相应位置获取到对应的站点。
对已经保存的站点坐标，按照：
编号|站名|站的x坐标|站的y坐标，再加换行符的格式保存到另一个文档中，以便进行公交路线的绘制时，可以用一次读一行的方法得到公交站的信息。
每次对公交站点进行操作时，也会提高程序的运行速度，从相应位置获取站点坐标，以达到减小数据库的压力，增大程序的运行速度，提高程序的流畅性。
3.3公交路线的存储方式
在整个咸阳市交通地形图中，对公交路线的存储是一个重要内容，在上述的内容中，已经具体讲述了站点坐标的保存。
根据上述内容将获取到的站点信息做一个细致处理，得到对应的某些交通站点坐标。
在公交路线中有许多公交都会有好多共同的路线，如果对这一现象不加以处理的话，规划出来的公交路线会变得交叉不齐。
关于这一问题，作出如下解决方案：
3.3.1方案一
将有公共的交通路线的地方，进行统一规划，使相同的公交路线使用一个公共的路线图。
并且公交行驶时，若遇到拐弯处，但此时并非是站点时，公交车是不能够停靠的。
这样可以防止路线的杂、乱，并且也可以减少对相同路线绘制时，代码量的冗余，减少代码量，提高程序的运行速度，大大减少开发的时间、资源。
3.3.2方案二
公共的公交路线绘制时，只提供一条公交路线信息，将与之相同的公交路线省略，只显示第一条公共的公交路线，以此解决公交路线的复杂化。
因为获取到了每一个公交车的公交路线，所以在公交路线绘制时，可以有效检测到公共的公交路线。
因此，对地图上显示公交路线时，不会因公交路线的复杂化而导致地图的混乱，导致路线图的杂乱无章性。
此条方案也有效解决公交路线的不合理绘制。
以及减少代码量的冗余，减少代码量，提高程序的运行速度，大大减少开发的时间、资源。
公交线路的绘制是本项目的一个重要环节，根据咸阳市每一条主要干道勾画出每一条交通路线的蓝图，精确显示每条公交线路的详细信息。
对咸阳市公交路线的设计运用到的java技术包括了，对咸阳市整体地图的每一个公交路线的每一点都做出了详细的规划。
对地图的任意放大或者缩小都不会对地图上每个公交站点的坐标进行更改，使用方法具体是：
在对地图放大缩小时，也会伴随这地图上公交站点坐标更改。
绘制公交路线实现：
1.安公交路线进行站点查询；2.公交站点之间点对点的公交路线的智能查询。
这两项功能的显示采用查询框和文字表达，从使用角度来看，可是不如几十线路绘制的显示直观。
所以在考虑到以上问题，具体根据以图文并茂的方式，以文字表达和路线位置两者相结合的方式，呈现出公交路线的绘制。
该系统能便于用户获取数据，并进行查询和分析。
可以根据用户提供的开始地点和终止地点。
快速准确查询出乘车路线，和换乘情况。
并选择其中的最短路线，在地图上显示出对应的乘车路线绘制。
能够保证用户操作系统感受情况。
对系统的易上手性有一个美好的完善。
3.4相关算法设计
基于移动传感网的城市交通热区分析，
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