數學建模交通流量問題范文

導語：如何才能寫好一篇數學建模交通流量問題，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞： 交通強度 統計回歸模型 Lagrange函數法

引言

據國家統計局2013年統計，我國機動車保有量達2.19億輛，其中汽車占總量的45.88%，而我國汽車數量占全世界1.9%，但汽車交通死亡事故占全球15%，每年車禍死亡人數超過十萬人，道路上出現交通事故后，由于無法及時解決事故車輛、清理現場，從而導致交通擁堵，甚至交通癱瘓。因此改善道路交通安全問題是我國當今所面臨的首要難題之一。本文擦考了《2013高教社杯全國大學生數學建模競賽》[1]中所闡述的問題，就造成道路車輛排隊的原因與車輛排隊長度與事故路口上游車流量間的關系小作探討。

1、造成道路車輛排隊原因的分析

就北京、上海與深圳等一線大城市的道路擁堵問題，其原因主要有環路外輔路通行能力低、主要道路進出口設置不合理、環路與快速路部分橋區的轉向功能不全、環路與快速路的部分道路空間為充分利用等方面[2]，。其中，環路外輔路通行能力低，則不能夠有效地幫助主要道路疏散車輛，即環路外輔路的沒有起到實際的作用；主要道路的進出口設置不合理，即限制了主要道路的實際通行能力[3] ，如果進出口位置相距較遠，那么對于目的地位于這段路程之間的行人來說就有可能因為繞路而不會進入主要道路；對于環路與快速路部分橋區的轉向功能不全、環路與快速路的部分道路空間為充分利用，我們知道，環路與快速路部分橋區的轉向功能是為了防止道路擁堵與道路交通安全的有利措施，如果其功能與道路空間得不到充分的利用的話，那么便會直接導致道路的擁堵與車輛的排隊，更有可能導致道路安全事故的發生。而對于一些二、三線的小城鎮，除具備以上所分析的部分原因以外，還有可能受限于經濟與城市發展的不足，存在如硬化道路不足，道路路面不平整等原因，也存在如由于道路施工而出現的亂戰亂用的現象，或因為交通事故而占用車道等特殊因素，這些都是造成車輛排隊、道路擁堵的原因。

2、道路車輛排隊長度與事故路口橫斷面實際通行能力的分析

由1我們分析了一些造成道路車輛排隊的原因，這里我們僅就其中的道路車輛排隊長度與事故路口上游車流量間的關系進行簡單分析。首先我們進行一些簡單的符號說明： ρ交通強度； λ交通流輸入車輛數； μ交通流輸出車輛數；L 排隊長度。

我們根據參考資料，借鑒了《2013高教社杯全國大學生數學建模競賽》[1]中附件所提供的數據，運用交通工程學中排隊論理論[3]，其具體定義如下：如果交通強度ρ

ρ=

交通流排隊長度峰值會按一定概率反復出現；當ρ≥1時，則交通流排隊長度會越來越長，使得整個交通系統呈現出不穩定的狀態。我們已分析出視頻一中交通事故路段的實際通行能力呈波動狀態，即符合ρ

通過觀察《2013高教社杯全國大學生數學建模競賽》[1]中附件所提供的數據，記錄其視頻中各個時間段的交通流，計算整理出該路段在各個時間段內的交通流平均到達率及交通流平均輸出率，此處，規定交通流的輸出車輛數為通過事故路段的車輛數，交通流輸入車輛數為涌入事故路段的車輛數。與此同時，將所得數據輸入公式（2）當中，求得各個時間段交通流的交通強度值，建立下

式，從而計算出各個時間段的排隊長度[2]（此處L代表排隊長度），即：

L=我們運用人工計算的方法對參考文獻中的附件視頻進行了統計與計算，并且算出了交通事故發生點平均實際通行量為19.5pcu/min（pcu/min為每分鐘所通過事故路口橫斷面處的車輛數，下文同理），由此推算出每分鐘通過事故路段的車輛數為19.5輛，進而我們以每分鐘有19.5輛車通過事故路段作為交通流輸出車輛數目的標準數據，即μ=19.1pcu/min。通過視頻一，求得通過上游路段紅綠燈的車輛數即交通流的輸入車輛數λ，再次運用人工計算的方法進行簡單的計算與統計，我們得出了車輛排隊長度L與上游車流量λ之間的關系，我們可以通過參考文獻的附件視頻中看出，在視頻中事故剛發生的時候，上游車流量為20.50，車輛排隊長度為5.00，隨著時間的推移，事故路口上游車流量在19.00與16.00之間上下浮動，車輛排隊長度在1.33至2.50之間上下浮動，因此，根據此處得出的數據，我們建立起統計回歸模型[4]，利用SPSS軟件對排隊長度L隨上游路段車流輛數λ的變化數據進行回歸模擬，得到了關于λLagrange的函數：

L=L（λ）

我們運用了SPSS軟件對此模型進行了評估，得出了該模型的參數估計值其二次方程的決定系數（一個反應因變量與自變量相關度大小的指標，其值越大，因變量與自變量的相關程度越大）R2=0.948，說明方程的因變量與自變量相關程度達到94.8%，且二次方程的準確度比一次方程和三次方程高。所以，為了減小車輛排隊長度的計算誤差，建立L關于上游路段車流量的二次方程[4]，即：

從SPSS軟件的評估中我們得到了回歸系數，列出如下：a0=44.043，a1=-6.007，a2=0.224，代入二次方程得：

因此，我們便求解出了道路車輛排隊長度與事故路口上游車流量間的關系，其符合公式：

參考文獻：

[1] 2013度《2013高教社杯全國大學生數學建模競賽》，2013—9—14.

[2]邵杰、何斌，《北京道理交通擁堵原因及對策分析》，道路交通與安全-第八卷第1期2008年2月

篇2

【關鍵詞】視頻監控屏幕 交通信號燈 智能交通信號控制系統

本文通過對圖像車隊長度檢測和配時算法設計方面的探討結合人為監視視頻，從而對新型交通信號燈進行設計開發，制定出一種能夠滿足當下交通需求的一種視頻監控類的交通信號燈系統。

1 研究現狀

世界上第一個交通信號燈始于19世紀70年代的英國，人們體會到它的便捷之后便對其開始了正式的研究，在20世紀中后葉，美國相繼出版了《道路通行能力手冊》，并提出了十字路口通行能力服務水平的評價，漸漸的從過去的單一交叉路口獨立的控制系統逐步上升到了一條干路綜合考慮交通密度流優化控制系統，最后發展成了整個區域路口相互影響的聯動型全面控制系統。20世紀70年代，英國率先研制出TRANSYT系統，隨著對其深入的研究，發達國家的完備只能交通系統理論也逐步發展成型。

在我國，2005年后才開始對交通信號控制系統有了系統性的研究和開發，例如基于手機移動技術采集的動態交通信息服務、基于視頻或激光技術的客流檢測系統和全國重點營運車輛聯網聯控系統等多項先進的交通監控系統。交通監控系統的研發也得到了國家大力的支持，并在“863”計劃里提出了設立智能交通系統專題。但是從整體上來說，我國目前的只能交通信息系統領域的規模較國外來說規模還是較小，因此其前景廣闊，但是發展空間十分巨大。

2 城市道路中視頻監控的作用

隨著智慧城市的概念推出，視頻監控類的產品可以當成信息采集類的傳感器的一種，通過傳輸端進行視頻信息匯聚，到應用端得到廣泛的應用，發揮了巨大的作用。在城市交通監控中視頻監控產品及技術發揮了重要作用。

2.1 及時發現異常交通事件

通過實時視頻流分析，發現道路異常事件，如擁堵、車輛逆行，異常停車（事故）、行人闖干道、車輛起火等，一旦發現及時通知管理人員，做相應處理和疏導，提高道路通行效率，并有效降低生命財產損失。

2.2 獲取實時交通數據

監控系統可以實時獲得包括車流量，車速，車型分類，信號燈狀態、道路能見度、擁堵狀況等信息，通過分析這些信息得到車流運行的規律，更好的服務于交通疏導，道路規劃，信號燈控制，進一步服務于公眾出行。

2.3 違章行為檢測

及時發現車輛闖紅燈、超速、不按車道行駛、逆行、非法停車、非法占用公交車道等違章車輛行為，并抓拍或錄像以獲取現場證據，通過處罰手段來規范車輛行為。

2.4 為城市治安提供有效信息

獲取的通行車輛信息，如車牌號碼、車身顏色、車型、車輛品牌等，可以為城市治安監控提供有效信息，為公安案件偵破提供線索。

一個城市的智能交通系統需要一個管理平臺來實現。一般而言，這個管理平臺由視頻監控、電子地圖與指揮調度系統、通信系統三個小部分組成。因此，這個城市智能交通管理指揮平臺需要體現這三大組成的功能應用。因此，現代電子監控設備需要以“信息通路”、“終端產品”、“數字地圖和數據倉庫、報表管理生成工具”、“人工智能、專家系統以及地理分析等關鍵技術”為技術依托，并建設“數字交通網站”和“物流信息平臺”，為城市道路交通運輸管理的各個職能政府部門，為出租車公司、公交公司、“兩客一危”運輸企業、其它運輸企業，從事第一方物流、第二方物流、第三方物流的各個企業，為市內旅游消費出行、制訂長途旅行計劃的市民提供各種從決策分析、報表統計、信息查詢等專業的、個性化的應用和服務。

3 交通流基本參數

描述交通流的參數主要有3個：交通流量（用q表示），交通密度（用ρ表示），空間內平均車速（用v表示）。在單位時間內，通過某地點的的車輛數稱為交通流量。但是我們知道這樣定義方式產生的交通流量只是描述了其中某一段時間內的交通流量情況，而道路上車輛的流動情況變化性非常的強，即使相臨的兩個信號周期間，交通流量也會有有較大別。所以在研究當中，我們常取某一特定時間段內的平均交通流量。某一時刻，在一定長度道路上通行的車輛數目。可視其為瞬時值，密度也隨時間的變化而變化。空間平均車速與交通流量類似，也是出于需要而求出的均值。這三個參數之間也存在密切的聯系，經過研究后發現，在一段時間范圍內，交通流可以近似的看做某種流體，它以一定的密度，速度向某個方向流動著。

4 智能交通等控制系統

4.1 模糊控制

模糊控制在交通控制系統中，跟以系統來模擬交通警指揮的過程相類似，它能合理的判斷各相位通行的緊迫程度，但是一般在現有的基于模糊控制在配時方法上，是實驗性的不斷增加信號的時間，頻繁的增加信號時間會對駕駛員的駕駛產生一定影響，甚至會對司機自身產生一些不必要的心理壓力。

4.2 配時算法設計

交通流的變化與大海的漲潮退潮類似，它在重復著高峰與低峰。在高峰期通常一個常用信號周期（如120秒）的時間里是不夠各相位所有車輛及時通過，此時交通流處于過飽和狀態。而在低峰期時，各個相位車輛通行時間總和要小于常用信號周期，這時交通流處于欠飽和狀態。如果欠飽狀態時候交通信號燈換燈周期不變，就一定會產生綠燈浪費時間，因此周期的長短應該根據當前交通流的情況自適應調整。

5 視頻監控交通系統的應用開發

以杭州交通為例，交管局在交通燈旁都設置了相同的視頻監控系統用于道路監控，這些視頻監控直接和交管局監控中心聯網。等同于在交通密集區有了一雙監控全城道路的“眼睛”。這雙“眼睛”除了能夠看見當地交通狀況以外還能夠實現以下功能，其中計數功能能夠在不增加其他設施的情況下統計交通流量。

（1）后端視頻平臺可以將前端上傳的交通流量數據收集成完整信息，預留接口開發將數據共享給交管局交通燈控制系統。

（2）交管局后端平臺可以通過交通流量統計數據的分析，對比不同時間段的流量信息制定相應位置交通燈的時間設定。

（3）前端視頻監控在長期的信息采集，形成大量的數據，包括早中晚夜、冷溫熱、春夏秋冬、陰晴雨霧、周一至周日的各時段、國慶五一中秋清明等交通數據。數據可以作為大數據分析，將雜亂的數據無相關的信息通過數學的統計法等方式，利用MATLAB等軟件建模，尋找出深層的聯系。

（4）單個交通燈模型模擬為單個交通燈時間設定提供參考；相鄰交通燈之間的數據模型模擬為相鄰交通燈時間設定提供參考；一段道路上的交通燈之間數據模型模擬為該道路上交通燈時間設定提供參考；一片區域內的交通燈之間數據模型模擬為該片區域的交通燈時間設定提供參考。（時間設定包括交通燈自身紅綠黃燈時間，還有相鄰近交通燈一個燈次的時間差）。

一旦建模后，可以將交通燈調整時間，并且通過前端視頻監控實時獲取交通信息，與建模和預期結果比較，并通過反饋及時調整更新。

6 結語

城市道路視頻監控系統是智能交通系統的一個重要組成部分，建立視頻圖像監控系統目的是及時準確地掌握所監視路口、路段周圍的車輛、行人的流量、交通治安情況等，為指揮人員提供迅速直觀的信息從而對交通事故和交通堵塞做出準確判斷并及時響應，對監控范圍內的突發性治安事件錄像取證，為內外事警衛工作服務，起到綜合治理效果。

參考文獻

[1]王夏黎，朱曉冬，周明全，魏軍.交通違章視頻檢測管理系統的設計與實現[J]. 長安大學學報（自然科學版），2005（02）.

[2]王夏黎，周明全，耿國華，李華明.交通流視頻檢測系統的設計與實現[J].計算機應用與軟件， 2004（09）.

[3]楊俊，張玲霞，陳明.基于視覺檢測的城市智能交通管理系統應用研究[J].測控技術，2003（02）.

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Abstract： This paper briefly introduces the problems of mathematical modeling in the practical problems of economics， puts forward that the mathematical model can be applied to the teaching of Economic Mathematics in higher vocational education and carries out three teaching cases. Through the teaching case， this paper gives the whole process of mathematical modeling： model preparation， model assumption， model establishment， model solution and result analysis. Moreover， the content of mathematical modeling should be introduced into the teaching of economic mathematics and it should be combined with the practical application.

關鍵詞：經濟數學；數學建模；數學教學

Key words： economic mathematics；mathematical modeling；mathematical education

中圖分類號：O141.4；G712 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0207-02

0 引言

經濟數學是高職院校財經類專業設置的核心課程之一，是經管類各專業的一門重要基礎課，而使數學建模的知識融入到高職經濟數學這門基礎課程教學中，以更好地為高素質、高技能型人才培養目標服務，一直是高職院校數學教學改革的難點。

數學建模是通過調查研究、了解信息、簡化假設、抽象分析、運用數學的符號和程序，以此建立數學模型，以求解模型得到結果并解決實際問題，最后實際檢驗結論是否正確的全過程。目前數學建模課程的教學實驗雖取得了一些成效，但也存在著不足。究其原因，其一數學建模主要針對本科教學而高職類較少，特別是經濟數學建模教學和輔導的教材缺乏；其二重理論教學而輕實踐應用，很難得到有實際應用的數學模型，缺乏所研究問題的知識和背景；其三沒有明確的數學建模教學方法的指導。所以，要推動高職院校數學建模教學活動的有效開展，必須進一步對數學建模在高職院校教學中的作用進行探索與研究。

最近幾年數學建模的競賽活動在全國高職院校蓬勃開展，廣州大學市政技術學院積極探索將數學建模的內容融入數學或專業教學之中。下面作者結合自身的教學經驗，給出三個把數學建模融入高職經濟數學教學的案例。

1 交通網絡流量分析問題

1.1 模型準備 廣東某城市單行線的交通流量如下圖所示，以每小時通過的汽車數量來度量，數字則表示該路段每小時按箭頭方向通過的車流量（單位：輛）。

①建立各條道路上車流量的線性方程組；

②若確定唯一未知流量，還需要增加哪些條道路上的車流量；

③當x5=350時，確定x1，x2，x3，x4的值。

1.2 模型假設 第一，每條道路都是單行線；第二，每個交叉路口車輛進出數量相等。

1.3 模型建立 依據圖1和網絡流量模型的基本假設，在四個交叉路口處進出車輛數量，我們可以得到下列方程：

A：x1+20=30+x2；B：x2+30=x3+x4；

C：x4=40+x5；D：x5+50=10+x1；

1.4 模型求解 根據該網絡的總流入量（200+300+500）等于網絡的總流出量（300+x3+400+100），化簡得x3=200，把這個方程與整理后的前4個方程聯立，得如下方程組：

1.5 結果分析

若確定唯一未知流量，只要增加x5統計的值即可。當x5=350時，確定x1=350，x2=350，x4=350。網絡分支中的負流量表示與模型中指定的方向相反，由于街道是單行線，因此變量不能取負值，這也導致變量在取正值時有一定的局限。

2 黃牛出售的問題

2.1 模型準備 養殖場預計每天投入資金為10元，用于購買飼料、設備以及工人工資，估計將使當前200公斤重的黃牛每天增長2公斤。目前的市場價格為每公斤20元，但是預計每天將會降低0.1元，問黃牛應該在何時出售。如果估計和預測有誤差，對結果影響如何。

2.2 模型假設 資金投入使黃牛體重隨時間同步增長，出售單價隨時間同步減少，所以若使利潤最大定存在最佳的出售時機。

2.3 模型建立 根據題意，令黃牛的增長速度為r=2，收購價格降低速度為g=0.1。

①若當前出售，利潤為200×20=4000（元）

②若t天后出售，黃牛體重w=200+rt，銷售收入R=pw，出售價格p=20-gt，資金投入C=8t

若黃牛的價格每天降低量r增加1%，出售時間提前3%。

3 商品的最優價格問題

3.1 模型準備 設廣東某手機廠商生產一臺手機的成本是c，而每臺手機的銷售價格是p，銷售量是x。若該廠商的生產處于均衡狀態，即手機的生產量等于銷售量。按照市場預測分析，銷售量x與銷售價格p之間的關系為：x=Me-ap（M>0，a>0）。其中市鱟畬笮棖罅課M，價格系數為a。

而生產部門對生產環節的進行分析后，對每臺手機的生產成本c計算如下：c=c0-klnx（k>0，x>1）。其中規模系數為k，只生產一臺手機的成本為c0。據上所述，該廠商若要獲得最大利潤，應如何確定手機的銷售價格p。

3.2 模型假設 在商品的生產和銷售過程中，手機的銷售量、生產成本與銷售價格是相互影響的。所以廠商只有選擇合適的銷售價格即最優價格，才能獲得最大的利潤。

3.3 模型建立 假設手機廠家獲得的利潤為U，每臺手機的生產成本為c，銷售價格為p，銷售量為x，則利潤函數為U=（p-c）x，問題變為在約束條件g（x，p）=0和h（c，p）=0中求解該利潤函數的最大值。

3.4 模型求解

為了更好地使數學建模進入高職經濟數學的教學中，我們在平時的教學中，需要把數學教學和數學建模有機地結合起來，在教學中適時適當滲透數學建模思想，這樣可以提高學生的各方面能力，有助于他們更好地學習專業課，更有利于今后時代對人才的需要。

參考文獻：

[1]同濟大學數學系.高等數學[M].六版.北京：高等教育出版社，2008.

[2]崔海英，侯文宇，李林彬.把數學建模融入高等數學教學中的兩個案例[J].北京聯合大學學報（自然科學版），2010（3）.

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（南通大學交通學院，江蘇 南通 226019）

【摘　要】基于交通調查與分析課程改革的必要性，從課程教學內容、實踐、實驗教學以及課程考試等方面，提出了在卓越工程師培養計劃下的交通調查與分析課程教學改革以及模式的創新，提高學生在理論分析、數學建模、軟件應用等方面的綜合能力，且這一模式的最大特點是打破了原來的學科式課程體系，將理論知識融入實踐之中的教學內容，符合卓越工程師計劃下交通行業人才培養的要求。

關鍵詞 交通調查與分析；卓越工程師；教學改革；項目教學法

基金項目：江蘇省南通大學2013年度教學改革課題（2013B120）。

作者簡介：孫美（1988—），女，江蘇南通人，碩士，南通大學交通學院，助教，研究方向為交通設備與控制工程。

0　引言

卓越工程師教育培養計劃的基本目標，是培養學生具備獨立從事某項技術項目與技術開發的能力，讓學生更快地適應工作環境，將在校期間學到的知識應用到解決工程技術中的實際問題中去。在交通設備與控制工程專業，卓越工程師計劃的培養目標就是使學生將在校期間學到的智能交通系統相關知識應用到工程實踐中，學習并掌握如何面對及解決工程實踐中問題，使大學成為未來工程師的搖籃[1]。想要實現這一目標，就必須對一些專業基礎課程進行改革。

1　交通調查與分析課程改革的必要性

交通調查與分析在交通設備與控制工程專業具有重要的意義[2]，是交通管理與控制的基礎。首先，交通調查的實際數據是進行交通智能化需求分析與設計的必要條件，在分析的每個階段都離不開實際系統的數據，以幫助建立模型或檢驗設計的合理性。其次，對于已經建設好的智能交通系統，對其進行管理，如交叉口的信號配時、車輛的誘導等，這些都需要先采集交通信息、了解交通狀況，建立相應的數學模型，從而提出解決方法。

以往的教學過程中，交通調查與分析課程教學內容安排和實驗環節側重傳授交通調查與分析的基礎理論知識，在較少的實驗課上，僅僅只是學生做了一些交通數據的調查和對一些交通調查中的考察，而沒有真正讓學生調查出來的數據發揮最大的作用，無法根據調查的數據來驗證、分析或改進交通模型、交通流分配、信號配時方案等智能交通設備所需的許多工作。而卓越工程師培養計劃更重能力的培養、重實踐鍛煉、重實際應用[3]，因此，有必要對本課程進行改革，優化整個課程體系。

2　交通調查與分析課程教學內容改革

交通設備與控制工程專業培養計劃的梳理與調整。本專業方向以培養具有交通設備研發、交通信息化以及交通管理等方面知識及研究開發能力為目標，掌握交通運輸工程、交通設備工程、信息與控制工程方面的基本原理、方法。在交通設備與控制工程專業課程設置中交通調查與分析的前修課程，包括高等數學、概率論與數理統計、運籌學、計算機語言編程、交通工程概論等課程的教學內容和教學實踐，為了改善學生機械式的應用傳統方法進行交通數據分析的情況，在原有的計算機基礎、Visual C++語言等基礎上，增設了交通專業軟件應用課程，以此增強了本科生軟件應用與實踐能力的培養。

基礎理論教學內容改革[4]。交通調查是通過長期連續性觀測或短期間隙性和臨時性觀測，搜集交通流及其有關現象（交通運輸狀況、城鄉規劃、道路交通設施、交通環境等）的資料，了解交通量在時間、空間上的變化，并進行分析，從而了解與掌握交通流的規律，為交通流理論、交通規劃、道路建設、交通控制與管理、工程經濟分析等提供必要的數據[5]。本次教學內容改革中引入交通調查組織模板的概念，增加交通調查的集成性、交通調查管理的系統性，改進傳統檢測數據處理的算法，改變以往理論描述性的交通分析方法的介紹，加強了本課程的理論性和應用性。

3　交通調查與分析課程實驗教學改革

傳統的交通調查與分析課程的實驗教學側重于對理論教學的解釋、驗證和簡單延伸，主要為理論教學服務，以教師講解為主。學生在實驗課堂上按照教師組織的方案機械式的進行實驗，且完成的是同一個實驗任務，激發不了學生的實驗興趣，不利于學生的實踐能力的培養[6]。本次課程實驗的改革，引入任務驅動式小組教學法，將全班分成若干個學習小組，變傳統的教師“教會”為學生“學會”，在課堂講授理論課的時候下達實驗任務，將每一個實驗劃分成若干個小實驗，每一個實驗的延續周期為四周，每組組員負責不同的實驗調查任務，最后在實驗課堂上學生匯總數據，共同完成實驗數據分析和實驗報告。為了達到互動互助的學習效果，為整個課程建立一個交通調查與分析網絡學習平臺，平臺包括獲取交通流數據的方法、各種車輛檢測器使用和實地交通調查方法，其功能主要包括數據采集、數據預處理、數據處理分析以及分析結果輸出等。該平臺供學生們共享自己調查的數據與方法，便于學生及時交流討論交通信息分析過程中遇到的問題，同時學生參與到數據的分析和整合過程中，將以往自己調查的片段式的交通調查資料建立成動態的數據庫，進行深入的研究和分析，提出現有交通問題的解決方案。

總體來說，在實驗教學中引入任務驅動式小組教學法，任務的設計滿足實驗教學目標的要求，通過學生融入社會進行交通調查，才能為學生畢業后，為步入工作崗位后經歷工程項目的過程中逐步成長為卓越工程師奠定基礎和創造條件。

4　交通調查與分析課程實踐改革

按照教學大綱的要求本門課程在大二的下學期開設，共32個學時，其中理論教學24個學時，實驗教學8個學時。整個課程的安排缺少學生的調查實踐環節，這樣就導致了學生理論和實踐的脫節，不利于培養學生的研究能力和實踐能力。本次改革將課程實踐環節安排到課程建設中，為時一周，且在實踐環節教學中引入項目教學法，整個課程實踐依托項目《南通公路現代化用戶滿意度調查研究》進行展開。首先對南通的崇川區、港閘區和開發區三個地區的居民展開問卷調查，然后再對滿意度較高和較低的公路的交叉口進行交通流量變化的調查。學生每3個人為一個小組，每個班10個小組，崇川區4個小組，其余兩個區各3個小組，耗時2天的時間進行問卷調查，統計數據得出滿意度較高和較低的公路段，花耗2天時間進行交通流量的調查，以人工觀測法分車型進行調查，時間間隔為5分鐘。最后一天進行數據整理、匯總與數據分析，對交叉口進行評價，并與市民的滿意度進行對比。

針對目前交通調查與分析課程教學重理論輕實踐的缺陷，將項目教學法[7]引入該課程的實踐教學中，學生通過完成項目任務，在掌握了課程的理論知識的同時又能較熟練地運用到實際工程項目中去解決問題。培養學生知識運用能力、實踐能力和交際能力，對于獲得所期望的卓越工程師培養效果至關重要。

5　考核方式改革

這門課程的考核方式常采用平時作業成績和期末考試成績加權求和的方式計算學生的課程成績。平時成績以習題為主，期末考試通常是閉卷形式，這種考核方式往往導致學生擅長做習題卻無法解決實際問題，為了應對考試而突擊復習背誦理論知識，這種考試模式不能完全反映學生的綜合素質。本課題卓越工程師培養為目標，在課程實踐環節的小組調研報告成績的基礎上進行綜合評定，以此真正體現及提高學生的綜合能力。

6　結束語

在新的交通形勢下，傳統交通調查方法與數據理論分析方法與現代交通智能化的快速發展尚不相適應，不利于創新型人才培養。提出了基于卓越工程師培養計劃的交通調查與分析課程教學內容改革以及模式創新，梳理與調整了教學內容，在實驗教學環節引入任務驅動式小組教學法，增設實踐環節，并對考核方式進行相應的改革，以此培養出創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才。

參考文獻

［1］郝文濤,楊文,唐龍翔,等.論卓越工程師計劃背景下的高分子物理課程的基礎地位與教學內容設置[J].化工時刊,2014,28(12):56-58.

［2］王建軍,嚴寶杰.交通調查與分析[M].北京:人民交通出版社,2012.

［3］林建.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革[J].高等工程教育研究,2011,5.

［4］朱興琳,李雪蓮,唐茜.基于“模型-計算實驗-應用”視角的交通規劃課程教學內容和模式創新研究[J].教育教學論壇,2013,50(12):30-31.

［5］湯偉.關于《交通調查與分析》課程教學改革的研究[J].土木建筑教育改革理論與實踐,2010,12.

［6］任保利,徐建閩,沈文超,等.基于模板的交通調查分析系統設計與實現[J].交通信息與安全,2012,3(30).

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（一）數據深度挖掘與預測研究對海量數據進行挖掘，分析、提煉出有價值的信息，一直是交警總隊在常態交通管理中努力和不斷嘗試并力求達到的分析動態化、管理精細化的目標。在交通事故預警方面，我們通過對370余萬條交通事故的地點、人員、車輛等信息分析，每年市、區兩級事故易發或死亡人數較多的“黑點”，由總隊定期督促屬地交警支（大）隊限期整改。針對一段時間內本市欺詐通事故（俗稱“碰瓷”）高發的情況，我們建立并不斷補充完善了事故“碰瓷”嫌疑人員和車輛黑名單，通過提前預警、發案比對等方式累計鎖定相關嫌疑人415人，取得了很好的成效。在交通狀況評價方面，我們以道路擁堵程度、交通事故數量為主要評價要素，創新性地將各區（縣）地面道路和快速路的整體交通情況以“指數”的形式分色展現，供業務部門和支（大）隊參考。為掌握全市快速路交通流結構和集散規律，我們利用分布在中環及中環以內快速路上約300個斷面構成的車牌識別系統實時采集流量數據，開展了集散性OD分析的探索，即將全市快速路網劃分成20個“小區”，通過數學建模和車輛信息的跟蹤，展現各“小區”間交通流轉移的時空分布特征，為擁堵成因分析、排堵預案制定等提供參考。在道口安保方面，我們通過對歷史數據的分類統計、比較，研究制定了重大活動安保工作的道口查控方案。2010年上海世博會舉辦前夕，時任市委書記的俞正聲同志在G15沈海高速公路朱橋檢查站現場，對“車駕查控系統”的技術架構、實時運作以及海量數據的采集、分析及應用狀況進行了詳細調研，當即要求我們研發“世博道口通行證管理及不停車安檢系統”。上海世博會期間，該系統累計實時關聯10多個數據庫，核發297.7萬余張通行證，不僅將進滬車輛安全審核檢查關口前移，還通過利用“車駕查控系統”的實時比對功能，既做到了“持證”車輛的快速通行，又實現了“逢疑必查”的目標。世博期間，系統比對命中有關車輛1.5萬余輛次，有效提升了民警的工作效率和打擊精確度，同時也對預防和緩解全市各道口因安檢引發的大面積擁堵問題起到了積極作用，減少了道口現場安檢壓力及對交通的影響，得到了各級領導和社會的一致肯定。在為“大公安”服務方面，我們嘗試定期將網上追逃人員信息與本市機動車檔案進行關聯比對，篩選出在逃人員可能駕駛的機動車信息，累計抓獲在逃人員329名，探索出了“先由人查車、再由車查人”的信息提煉新方法，取得了很好的實戰效果。

（二）數據可視化隨著各類統計、分析數據的不斷增多，各級領導、基層民警都希望通過直接的“可視化”界面展示各類數據和信息。2009年，我們構建了基于GIS地圖的應用平臺，并將采集或共享的實時路況、“110”交通類報警事件、視頻監控、快速路入口匝道控制、停車場泊位等信息在電子地圖上進行分層次展現，這些實時、動態的信息可按需隨時調閱。2010年上海世博會期間，根據安保工作的需要，我們制作了兩張專題圖。“進滬陸路道口流量專題圖”實時展示當日全市進滬道口的機動車流量、“持進滬通行證”機動車流量、5分鐘進滬流量等信息和道口排隊區、安檢區的視頻監控信息。此外，通過對各道口歷史流量的數據統計，提供流量預警信息。“世博園區管控區周邊道路流量專題圖”除整合了全市快速路、高速公路、地面主干道路的實時路況和快速路匝道開閉狀態等信息外，實時展示當日進出世博管控區的機動車流量、5分鐘流量等。兩張圖的應用，為市公安局“二指”坐鎮指揮的領導以及民警實時掌握交通流量、科學指揮、調配警力等提供了依據，受到了充分肯定。

（三）參與“交通指數”的研究經過多年的建設，上海已經完成市區重要道路的交通流信息的采集，并實現以紅、黃、綠三種顏色代表路況的信息。為使交通參與者全面、客觀地了解本市道路交通的實時通行狀態，向其提供了量化的擁堵指標。2009年，交警總隊在數據應用上的視野不再僅著眼于自身，而是跨出一步，會同市政府相關部門，將手中的靜態數據和市政府相關部門可共享的動態數據關聯起來。繼參與了榮獲上海市科技進步一等獎的“上海世博智能交通系統關鍵技術及應用”項目研發之后，2011年起，交警總隊積極配合上海市城鄉建設和交通發展研究院（原上海市交通信息中心）研究“道路交通指數”。通過對大量采集的各類交通實時數據、歷史數據進行統計、分析、比較，最終用“道路交通指數”這一數值方式來量化描述道路交通運行狀態，同時結合GIS地圖加以分色、分塊展現，并通過網站、微博、手機APP等向公眾實時，力爭做到既能客觀地評價交通擁堵狀況，又能方便出行者的理解與記憶。

二、與當今“大數據”應用的差距

目前，“大數據”的應用處于發展初期，在我國更是剛剛起步。通過多年的實踐和積極探索，交警總隊“大數據”的應用成效明顯，但我們感到，與當今國內外成功的“大數據”應用相比，我們還存在差距，主要表現在：

（一）在理念和思維上仍存在差距隨著互聯網、云計算、移動互聯等相關智能技術的飛速發展，可以預見，“大數據”陳志康：公安交通管理“大數據”的應用與研究在公安交通管理方面的應用也將愈加廣泛。但與其“4V”（即Volume大量、Velocity高速、Variety多樣、Veracity真實性）特點相比，未來“大數據”的應用與發展絕不是簡單依賴數據采集量的擴大，也不僅僅是服務器性能、數據的簡單擴容或累加，而是對于其中蘊含的理念、思維的轉變和突破。與“小數據”時代相比，“大數據”時代的轉變是多方面的。例如，傳統統計方法追求精確，但“大數據”只預測宏觀趨勢；傳統的統計、研究關注因果關系，而“大數據”更強調數據之間的關聯等。

（二）在技術和手段上仍較為匱乏就我們目前擁有的各類交通管理數據而言，其體量并不能稱之為“大數據”。如果要同各警種的數據相關聯，與市政府相關部門的數據相融合，將數據的應用轉化為生產力，其所面臨的困境還十分明顯，這也直接反映了我們在技術和手段上的匱乏。2009年，我們便已利用“數據倉庫”技術等當時較為成熟和先進的技術開展交通管理核心數據的深度挖掘，力求為業務部門提供更豐富、有效的統計數據，但受限于傳統關系型數據庫的架構，無論在計算效率還是結果表現上均無法得到“質”的突破。此外，我們對于海量視頻的快速檢索、車輛照片關鍵特征的提取等方面仍缺少高效的手段，使得對于這類非結構化數據的應用、管理仍處于初級階段，對其中蘊含的有深層次應用價值的信息無法加以進一步挖掘。“大數據”的處理流程一般可概括為四個步驟，即“采集、預處理、統計分析、數據挖掘”。其中，“預處理”是當前傳統數據處理中被忽視或被弱化的部分，除了受限于主流的關系型數據庫（如Oracle）、集中式存儲等架構外，還與缺少將非結構化數據（例如視頻、圖片、文本、聲音等）向結構化數據（即可以用二維表結構來表達的行數據，例如存儲在數據庫中的記錄）轉換的有效技術手段有著重要關系。所以，現有的統計分析、數據挖掘等絕大多數針對的是結構化數據（目前僅占所有數據量的10%至20%，其余均為非結構化數據），難以真正體現“大數據”多樣性的特點。

三、今后公安交通管理“大數據”的研究與應用方向

（一）研究和建立“公安交通管理大數據應用平臺”結合市公安局“十三五”信息化建設規劃，研究和建立“公安交通管理大數據應用平臺”。不斷學習研究Hadoop、虛擬化等新技術，構建全新的數據存儲、處理技術架構，不但要使數據的存儲容量更大、運算速度更快、展現形式更豐富，更要突破同類數據的局限，從看似毫不相干的數據之間發現關聯性，真正體現“大數據”的精髓。

（二）滿足數據采集的需求，提升管理水平“大數據”應用的核心是數據挖掘，為公安交通管理中遇到的難點問題提供原因分析依據，但其基礎卻是所采集數據的質量和種類。因此，一是要不斷提高各類交通管理相關基礎信息的采集質量，為后續數據處理奠定堅實的基礎。二是要積極建立與市交通委員會、市保監會等社會相關部門的數據共享機制，擴充與機動車、駕駛人、特定行業管理、道路等相關的數據類型。三是依托高校、科研院所等專業力量進行深入研究，力爭突破圖片、視頻等海量非結構化數據的管理難題，運用有效的數據模型和架構，實現類似結構化數據的統一描述、查詢和處理。四是積極會同市公安局相關部門，在數據層面加強與市公安局“警綜平臺”“情報綜合研判實戰平臺”“視頻監控平臺”“治安卡口信息綜合管理平臺”等的對接，為公安交通信息研判分析提供支撐。

（三）抓住重點，突破四個階段的核心技術應用“瓶頸”我們要選擇合適的軟件、工具，真正將數據轉化為信息，并提煉出有價值的信息。在數據采集方面，重點解決高并發數的訪問、操作問題，使服務器、數據庫負載均衡并分片處理。在預處理階段，重點做好“生產庫”向“資源庫”的轉移和數據清洗等工作，滿足后續數據處理的實時計算需求。在統計分析階段，要在了解業務需求的基礎上，著重在不同數據的“關聯性”上下工夫，找到規律。在數據挖掘階段，要力爭實現數據從“事后統計”到“事前預測”的突破。

篇6

Abstract： We only use several years to achieve the application of Internet of things technology from the rise of the concept. Now， it is generally believed that the Internet of things technology is another revolutionary technology in the human information industry following the Internet and mobile communication technology. With the gradual deepening of China's urbanization process， the city's population is also increasing， and the number of cars， urban traffic congestion phenomenon have caused a negative impact on the production and living of urban residents. Moreover， the pollution of the environment， the consumption of energy and other issues are the common problems that all countries in the world need to deal with， so by means of the Internet of things technology to build urban intelligent transportation is imminent.

關鍵詞： 物聯網；智能交通系統；移動通信技術

Key words： Internet of things；intelligent transportation system；mobile communication technology

中D分類號：F274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0065-02

0 引言

城市智能交通系統的建立，極大地扭轉了城市交通堵塞、減緩交通擁擠的現象，是一項高效、科學的技術措施，當前國內外越來越受重視[1]。不僅如此，利用射頻技術、傳感器技術、GPS等信息傳感設備孕育而生的物聯網能夠將所有物品和互聯網進行智能連接，再利用通訊技術，完成了對網絡的物體進行智能化識別、跟蹤、定位、監控和管理。

1 建設基于物聯網技術的城市智能交通存在的困境

現階段，智能交通的信息數據還并沒有完全實現全天候的提供現場信息的能力。城市智能交通在建設的過程中仍會面臨的困境：一是智能交通流的集散點布置過多；二是智能交通流的路線、流量往往時常發生變化，其路線與車輛流量并不穩定；三是交通運輸的工具類別不盡相同，其速度也有很大差異大；四是交通客流、車流以及車流之間存在很多交叉，彼此干擾大；五是城市智能交通必須要有大量的附屬設施以及交通管理設施；六是城市智能交通的車輛管理牽涉到交通路面包括運輸、公安、城建等很多單位部門。但是現階段并沒有妥善處理城市交通擁堵、疏通以及車輛動態誘導行之有效的手段，故而全面加強突發交通事件的應急處理能力成為建設城市智能交通的當務之急。

2 建設基于物聯網技術的城市智能交通架構

通過每一種不同方法收集路面交通的信息，充分融入物聯網技術，全面交通路面中的公交、出租車以及車輛的日常運營現實水平，通過車載的GPS系統與無線通訊技術的移動車檢測手段，完成路網全景式，最終得以呈現交通中的車輛流量、路面占有率、車輛行車的均速，時間等一系列的交通信息，并且實施全方位、全天候的監測。

全方位收取路網的交通信息，用諸如數學建模、數據融合、無線傳輸、人工智能、警用GIS系統等相關技術，盡可能地完成以公交優先、公眾車輛以及特殊車輛優先的最優路徑規劃[2]，與此同時，完成對路面突發事件的交通管制、動態誘導以及面臨交通堵塞的預警功能。利用物聯網技術對交通路網的流量進行動態分析預測與對現實交通狀況展開判斷，給路面交通的控制策略、路網建設還有有關城市交通規劃給予意見與建議。

上述是以物聯網技術在城市智能交通架構中關于建設路網交通信息采集的相關規范和標準，以便能夠更好地整合交通信息，給城市交通信息數據平臺提供一個全景式、多角度的整體服務。城市智能交通系統正是通過路網立體式交通信息完成第一時間的全天信息分析與獲取，充分結合車載GPS定位設備與各個通訊手段，達到行車路徑的最優處理、車輛動態誘導、信號控制的物聯網交通管理控制與智能綠波控制。以下為基于物聯網技術的城市智能交通架構：

一是中心性子系統。這個系統涵蓋了路面交通管理的10個子系統，分別是：維護與工程管理子系統、突發事件管理子系統、收費管理子系統、尾氣排放管理子系統、商用車輛管理子系統、提供信息服務的子系統、管理公共交通的子系統、車輛運行和貨運調度管理子系統及數據分析管理子系統等。這10個子系統的一致的特點，便是在空間位置的選擇上不需要受到實際交通基礎設施的限制，有著非常強的空間獨立性。

二是旅行者子系統。這個系統主要是以從事旅行服務業的人員以及旅行人員作為設計對象，通過城市智能交通系統中的有關功能完成了對各種存在的旅行模式進行有效服務。

此外，再充分配合個人信息訪問子系統以及遠距離旅行支持子系統，利用通訊設備和別的類型子系統間實施直接的信息傳遞。

三是區域型子系統。這個子系統包括道路運行狀況、收費、安全監控、停車管理及商用車輛核查等子系統。

四是車輛型子系統。這一系統具體裝置于交通行駛的車輛上，按照每一種類型的車輛，可把這一系統劃分為公交車輛、出租車輛子、商用車輛、普通車輛、緊急車輛和維護與工程車輛子系統。

3 建設基于物聯網技術的城市智能交通的運用

3.1 無線射頻識別技術

無線射頻識別技術屬于一種便于操控簡單實用，在進行識別時不需要人工干預，適合用于自動化控制管理的一門應用技術。它的識別功能既能支持只讀工作模式，同時也能支持讀寫模式，無需物體間的接觸或瞄準；其性能不會受到油漬、霧霾污染等氣候環境的影響，適應環境變化的能力較強；無線射頻識別技術產品運用最廣泛的領域還是在交通運行管理上，能識別距離較長，例如常用于不停車公路收費和自動識別車牌等。

其實，無線射頻自動識別技術獨特的優越性，其他識別技術是不可比擬的：

第一， 識別讀取數據能力強。在沒有光源，甚至物品有外包裝的情況下，也能夠準確無誤地讀出相關數據。有效識別的距離較大，當讀取自帶電源的主動標簽時，無線射頻自動識別系統有超過三十米的有效識別距離。

第二，識別讀取數據的速度快。識別解讀器能在第一時間準確讀取到進入磁場范圍內的車輛信息，也可以同時讀取多個標簽，實現批量次車輛信息的識別。

第三，技術的使用年限更長，其應用區域更廣。具備無線電通信方式，能夠使無線射頻識別技術應用在放射性環境或遭受粉塵等污染的環境，封閉式的技術路徑使其壽命遠遠超過條形碼識別技術。

第四，具有動態更改標簽數據的功能。其目的是通過編程器而賦予RFID電子標簽實現交互式便攜數據文件，寫入標簽時比打印條形碼的速度更快。

第五，正常情況下，標簽與解讀器的通信頻率達到50～100次/秒，所以，只要附著RFC標簽的物體在解讀器的有效識別范圍內，就能實施對該物體的位置和動態進行監控及追蹤。

3.2 無線射頻技術的模塊分析

根據智能交通監控系統的功能屬性和數據對象需求，可以把智能交通監控系統分為四種功能型模塊：一是數據顯示模塊。該模塊主要展示智能交通監控系統可視化階段的數據，其通用性很強，是全面展現系統數據信息體現的重要模塊。二是信息管理模塊。這是具有較好通用性的職能模塊，是實現計算機監控系統功能必不可少的模塊。三是數據預處理模塊。是實現數據顯示模塊功能的一個輔助型模塊，當數據處理對象不斷增加，接近飽和狀態時，使用數據預處理模塊可以有效提升數據檢索效率；四是數據設置模塊。該業務模塊屬于物聯網中計算機監控系統中的核心模塊，根據系統功能設置的相關參數及監控的對象數據都能主要呈現在這個模塊中。

3.3 瞬時值監測與歷史值監測

物聯網技術在智能交通監控系統中的應用，對瞬時值監測其主要目的是實現對監測對象的實時監控，重點關注可視化數據的動態變化特性。對收集的數據信息量并非要進行固定值的靜態比較，而是要根據對各個監測對象采集到實時的靜態信息，通過肉眼視覺延遲的感受實現對實時信息進行的對比。

對監控系統歷史值監測的意義在于觀測數據的變化趨勢，通過數據的變化過程，來分析判斷道路交通流的運行羈觥

因此，如何才能把數據本身與比較信息解釋得更為客觀全面，是智能交通監控系統功能實現的關鍵。

3.4 監控系統可視化分析

根據物聯網組成元素分析，通過傳感層一般是采集到道路路面受力狀態的數據，傳輸層是把預設標準所采集來的電信號通過無線手段傳輸到計算機監控系統的后臺數據庫，服務器再把貯存在數據庫中的數據進行實時處理，從而來應用層監控客戶端發輸送的請求，并且把最終的數據情況呈現到屏幕上來。在這過程中，監控系統中的可視化技術重點應用在自后臺數據庫服務器到前臺客戶端的環節。

所以，監控重點是客戶端的實際呈現的狀態，其所見內容一方面涵括了傳感器所得到的數據信息，另一方面也涵括了計算機監控計算即時監控到的參數信息，也只有完善的應用配合方可實現在客觀角度實現智能的要求。

綜上所述，物聯網如今被視為繼計算機、互聯網后，信息產業的第三次浪潮，物聯網也是信息產業的全新領域，其發展對普通人群的生產生活和社會經濟發展都會產生巨大影響。隨著物聯網技術的推廣應用，必然推動著交通運輸業朝著智能化、標準化的方向發展，智能交通必將是交通事業朝著健康可持續發展的必然路徑，是交通事業的一場革命。

本文以物聯網技術在城市智能交通建設的系統領域中出現的數據類別多、信息量大、數據之間關系龐雜等現實的問題為分析論點，提出了對于解決上述問題所有的積極影響，并展開了相應地驗證與實踐。

參考文獻：

[1]張國伍.城市智能交通物聯網建設探討――“交通7+1論壇”第二十三次會議紀實[J].交通運輸系統工程與信息，2011，12（04）：1-9.

[2]蘭嵐.城市智能交通管理系統方案研究與設計[D].江長安大學，2010.

篇7

【 關鍵詞 】 多機場；流量調配；整數規劃；時隙分配；Job Shop

Research of Flow Allocation Under Multi-airport System on Mixed-integer Program

Chen Xiang 1 Li Yu-sheng 2

（1. China's Civil Aviation Air Traffic Management Bureau of Fujian Sub-Bureau FujianFuzhou 350000；

2. University of Science and Technology of China AnhuiHefei 230000）

【 Abstract 】 With the rapid development of the national air traffic，the air traffic flow is increasing day by day，and it becomes the main reason of flight delay. How to allocate air traffic flow reasonably has become an important issue in recent years. In this paper， we consider the problem of typical traffic allocation problem based on the airport and route point constraints. By introducing the traditional scheduling problem， the problem is transformed into a mixed integer programming problem and the global optimal solutions are obtained. Finally， the validity of the model is verified by the numerical tests.

【 Keywords 】 multi-airport； air traffic flow allocation； mixed-integer program； time slot allocation； job shop

1 引言

隨著經濟發展，伴隨著日益增長的交通運輸需求，航空交通的規模和復雜性日益加大。2010年，我國境內民用航空（頒證）機場共有175個（不含香港和澳門），其中定期航班通航機場175個，定期航班通航城市172個。我國民航業已保持了30多年17.6%的年均增長率，創造了全球航空運輸業的奇跡。

《中國民航十二五發展規劃》指出，到2015年，我國運輸總周轉量達990億噸公里，旅客運輸量達4.5億人次，貨郵運輸量達900萬噸，年均分別增長13%、11%和10%，航班正常率高于80%。我國經濟發達地區，如北上廣深地區，出現了幾個多機場的終端區域，以往簡單的放行策略已經無法滿足如今繁忙的空域狀況，建立多機場終端區的協同決策系統迫在眉睫。為航班分配合理的放行時隙是該系統的核心模塊之一，也是減少航班延誤的關鍵因素。

多機場系統這一概念最早由美國德克薩斯州委員會與20世紀50年代提出，隨著都市群的不斷壯大，多機場系統的涌現以及美國NextGen計劃的發展，美國眾多學者對多機場展開深入研究。多機場終端區域聯合放行，是指通過調整終端區域內航班的起降時刻，以達到滿足終端區跑道，移交點等流量約束要求，并盡可能少得減少航班延誤，盡早放飛未起飛航班。

多機場系統中涉及多個機場、多個航空公司和多元運行限制，且多機場系統運行極易受到外界干擾和波動，如何合理科學地分配放行時隙，統籌安排航班放行，增強多機場系統運行保障能力和抗干擾能力，是研究的關鍵。解決基于航班時刻優化的多機場聯合放行問題，可有效地提高機場運營效率和安全性，所以此問題是近期研究的熱點問題。

2 多機場流量調配建模

2.1 問題描述

考慮同一終端區內所有要起飛的航班，其中部分航班使用相同的跑道和多個公共離場定位點，從而在這些地方形成資源上的競爭，這些關鍵點有一定的間隔要求，如何合理安排起飛次序是充分利用資源的保證。盡管各國學者在航班離場排序問題上進行了大量研究，但以往的很多研究多集中于單機場離場航班排序策略問題，協調同一終端區內多機場系統的離場放行策略研究比較少，即使有很多技術上也不成熟，而且國外研究的具體條件和國內環境有一定的差別。多機場系統航班離場排序問題又是NP難問題，這也在一定程度上增加了研究的難度，只能提出一些近似算法，得到問題的近似解。

建模之前先做一些符號說明。考慮一系列要排序的航班F={f1，...，fn}，分屬于AN個機場，所有機場的跑道共RN個，航班經過的移交點個數為PN。各個跑道之間的最小間隔要求分別為TR1，...，TRRN，移交點之間最小間隔要求分別為TP1，...，TPPN。航班的預定起飛時刻為r1，...，rn。第i架航班從起飛到達第a個移交點的時間為ta，i。假設在一次排序中，航班不能提前起飛，航班到各個移交點的時間固定且已知。

現在問題變為如何給航班分配合理的放行時刻使得航班晚于預定起飛時刻，且在跑道和移交點上滿足相應的間隔要求，我們這里的目標是希望盡可能早得放飛所有航班。不同的目的要求，模型可以有不用的目標，比如加上延誤成本等因素，可以得到更為復雜的目標函數，這里只對時間要素進行優化，使得最后起飛的航班的起飛時刻盡可能早。

2.2 車間作業調度問題

調度（Scheduling）問題是在工業界應用比較廣泛的一類優化問題，有著比較長的研究歷史。車間調度就是對一個可用的加工機床集在時間上進行加工任務集分配，以滿足一個性能指標集。典型的車間調度問題包括一個要完成的作業集，每個作業由一個操作集所組成，各操作的加工需要占用機床或其它資源，并且必須按一些可行的工藝次序進行加工；每臺機床可加工工件的若干操作，并且在不同的機床上能加工的操作集可以不同。調度的目標是將作業合理地安排到各機床，并合理安排作業的加工次序和加工開始時間，使約束條件被滿足，同時優化一些性能指標。

在調度問題中，有一類很經典的問題――Job Shop問題，即車間作業調度問題。Job Shop問題是著名的組合優化問題，是調度問題中的典型難題。解決這樣的問題既有重要的科研價值，又有重大的實際工程意義。Job Shop問題是指，加工車間有n個不同的需要加工的工件和m臺機器，不同工件可以有不同的加工工序，即不同工件經過不同的機器進行加工并完工。不同的工件在不同的機器上的加工時間不同，每個工件可以有最早開始加工時間要求，即工件不能早于某一時間開始加工；工件可以有從一臺機器運輸到下一臺機器上的運輸時間，運輸時間一般是固定的；工件加工過程中可以要求中斷再繼續加工也可以要求不允許中斷；同一臺機器在同一時刻只能加工一個工件，即工件之間不能有時間上的沖突。

如圖1就表示了一種Job Shop調度問題，經常用來描述調度問題，被稱為甘特圖（Gantt Chart）。如圖1所示，共5臺機器3個工件，不同顏色方塊代表不同的工件，不同方塊的長度表示該工件在該機器上加工時間的長短。同一個工件只能在完成上道工序之后才能加工下一道工序。該問題的目標函數可以是最后一個工件的完成時間盡可能的早，也可以是加入權重的平均完成時間最少，或者其他想要達到的目標。達到目標的同時滿足一系列的約束條件，如不能早于最早開始時間，同一臺機器只能同時加工一個工件等約束條件。

Job Shop問題已經有比較長的研究歷史，但是問題本身是NP難的。為了解決問題，很多研究者提出了一些近似算法，如遺傳算法，禁忌搜索算法等，參考文獻[1]，同時也有些給出了一些精確求解的模型，參考文獻[2]。

2.3 流量調配問題建模

流量調配問題與Job Shop問題相似的地方是，我們可以將所有的跑道和移交點當做Job Shop問題中的機器，要排序的航班當做要加工的工件。預定起飛時刻為Job Shop問題約束條件中的最早開始加工時間；航班從一臺“機器”到另一臺“機器”的時間為工件從一臺機器運輸到另一臺機器的運輸時間；跑道和移交點間隔要求可以看作每個工件在每臺機器的加工時間；并且要求一旦工件開始加工中間無法停止，知道加工結束。我們這里的目標是希望盡可能早得放飛所有航班，描述為最后放飛的一架航班的起飛時間盡量的早。

這樣問題的數學模型可以表述為：

（1）

其中Cmax表示所有跑道上最后一架航班起飛的時刻；xi為分配好的第i架航班起飛時刻；ri為第i架航班的預定起飛時刻；ta，i為第i架航班從起飛到跑道或移交點a的時間，如果其為跑道則ta，i=0；pa為第a個跑道或移交點上要求的最小間隔。第一個表達式表示其他航班都早于最后一家航班起飛；最后一個表達式的意思是，經過同一個跑道或者移交點a的航班兩兩之間的間隔都要大于pa，即兩兩之間的不能小于間隔要求。

3 多機場流量調配模型求解

3.1 混合線性整數規劃模型

上一節中得到的數學模型雖然比較簡潔易于理解，但是最后一個表達式是非線性且非凸的，這樣會導致問題有許多局部最優解，實際上該問題的局部最優解特別多，全局最優解也不止一個。所以上述問題無法用常規算法求解，但是大部分可用的全局的求解算法效率都比較低。為了提高求解上的效率，現對上述模型進行調整和修改。

我們知道所有航班放行的時間不可能到無窮大，所以對最后一個不等式加入上界，為了將問題變為線性的，并引入整數0-1變量。具體做法是（1）中最后一個不等式中（xi-ta，i）-（xj-ta，j）的取值區間分為兩段，[pa-M，-pa]和[pa，M-pa]。再引入整形變量z，則取值區間變為[pa-z*M，-pa+（1-z）*M]。M為一個足夠大的數，在實際應用中只要能滿足具體實用要求的比較大的整數就可以了。

這樣模型可以變為：

（2）

其中x1表示最遲起飛航班起飛時刻變量，相當于（1）中的Cmax，這么做主要為了統一變量的命名，為模型求解帶來方便。xi為第i-1架航班的起飛時刻，i=2，...，n+1。z用來表示在a上i和j的先后順序。

這樣就將模型（1）轉化為了混合線性整數規劃模型（2），可以通過求解線性整數規劃問題比較有效的算法對其進行求解，比如說分支定界算法，或者割平面法等。同時有一些現成的軟件或者代碼包，如Cplex，GLPK，Gurobi，Lpsolve，SCIP等。這里使用開源算法包SCIP（[3]）進行求解。

SCIP（Solving Constraint Integer Programs）是開源的混合整數規劃求解器，是Branch and cut和Branch and price算法框架下搭建的，由Zuse Institute Berlin負責組織進行，目前版本為3.1.1。SCIP除了開發自己的框架外，還將市面上比較有效的開源包包括進來，同時提供了商業軟件的接口，也就是說只要你的PC上裝有相應的商業軟件，如Cplex，你可以在SCIP框架下調用Cplex的算法和求解器。SCIP還提供了常用的優化數據的讀取接口，如ZIMPL模型、MPS、OPB等數據格式。SCIP提供了大約20種約束類型的優化問題，使得它能解決包括混合線性整數規劃，混合非線性整數規劃，混合整數二次規劃，甚至一些全局優化的算法也可以進行求解。SCIP是由C語言編寫的，為了方便使用，開發者提供了C++的包，同時matlab和AMPL軟件接口也進行了包裝。據數值測試，SCIP是目前世界上最快的非商業混合整數線性規劃求解軟件，這是我們之所以選擇SCIP的原因。

3.2 啟發式算法

為了和上一節中混合整數規劃模型的結果進行對比，這里還給出一個比較簡單的啟發式算法。算法的思想比較簡單，按照原先給出的航班的優先級從高到低進行遍歷，對每一架航班首先按照預訂起飛時刻起飛，假如不滿足跑道和移交點的約束條件就將其起飛時刻向后移，直到滿足所有約束為止，將此時刻定為航班的起飛時刻。

算法流程如下：

啟發式算法框架：

輸入：航班列表（按照優先級排好序），航班經過的移交點等，機場、移交點等容量約束；

For i=1，...，n ：n為航班個數

為每個航班fi安排離場時刻，判斷它是否滿足機場、移交點容量約束：

If滿足：按照這個時刻離場

Else If不滿足：調整離場時刻，在現有基礎上加上一個量Δ

End For

算法中每次增加的Δ是可以讓航班起飛的最小時間段，這樣就保證了上述算法得到的解是具有局部最優性質的解。而通過模型求得的則是問題的全局最優解，即保證放飛所有的航班鎖用的時間最少。

我們通過了大量的數值實驗表明了該問題有很多的全局最優解和局部最優解，并且通過啟發式算法求得的局部解與數學模型求得的全局最優解之間的差距并不大，約束條件越是寬松，即間隔要求越短，兩者的差距就越小，這是符合常識的結果。接下來一節就展示了我們的一些數值實驗的結果。

4 數值實驗

數值實驗采用數據為我國華北管制區多機場系統不同時段的實際數據。混合線性整數規劃使用算法包SCIP進行求解，為了求解方便，我們使用SCIP的matlab配置版本，啟發式算法同樣使用matlab編程實現。所有程序運行環境MATLAB 8.0，處理器主頻3.3GHz，雙核，運行內存8GB，系統Windows7 32位個人電腦平臺上。

實驗共進行5組，為便于結果比較，航班時刻歸一化為從0時刻開始，時間單位化為秒（s）。

實驗一：共50架航班，共6個機場，8個跑道和19個移交點，跑道間隔要求為90s，移交點間隔要求分別為240s。混合線性整數模型中0-1變量個數為582個，相關的線性不等式約束1164個。

實驗二：共60架航班，共6個機場，8個跑道和21個移交點，跑道間隔要求為90s，移交點間隔要求分別為180s。混合線性整數模型中0-1變量個數為696個，相關的線性不等式約束1392個。

實驗三：共40架航班，共6個機場，8個跑道和19個移交點，跑道間隔要求為90s，移交點間隔要求分別為180s。混合線性整數模型中0-1變量個數為314個，相關的線性不等式約束628個。

實驗四：共80架航班，共6個機場，8個跑道和15個移交點，跑道間隔要求為90s，移交點間隔要求分別為180s。混合線性整數模型中0-1變量個數為1390個，相關的線性不等式約束2780個。

實驗五：共90架航班，共6個機場，8個跑道和21個移交點，跑道間隔要求為90s，移交點間隔要求分別為180s。混合線性整數模型中0-1變量個數為1896個，相關的線性不等式約束3792個。

從上述數值實驗中可以得出四個結論。

（1）隨著航班量的增加，0-1變量的數量和線性約束不等式的量不只是成倍增加的，所以如何減少無效的0-1變量的個數是提高算法效率的關鍵。

（2）當跑道或移交點間隔要求比較寬松時，啟發式算法求得的解與全局最優解之間的差距會更小，如實驗2，實驗4和實驗5；相反要求比較嚴格時，兩者的差距是比較大的，如實驗1和實驗3。

（3）基于數學模型求解的算法效率相對較低一些，這一方面和使用的軟件包有一定關系，基于C語言的實現效率會更高一些。也與建立的模型有很大關系。如何提高求解效率是我們以后需要深入研究的重點。

（4）基于模型求解的結果的確在一定程度上能夠縮短放行航班的時間，達到充分利用空域資源的目標。

5 結束語

本文通過引入經典的調度問題將多機場航空流量調配問題進行建模并轉化為混合線性整數規劃問題，最后利用經典的求解混合線性整數規劃問題的算法求解得到全局最優解，為多機場流量調配問題提供了一種解決思路。但是如果每次放飛的航班量比較大且移交點數量較多時，模型求解效率會隨之降低，達不到實時求解的目的。我們希望后期會再進行一些深入的研究，發展更為快速的求解算法或者對模型進行一些更有效的改進，以達到更加快速求解得目的。

參考文獻

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[2] David Applegate，William Cook A computational study of the Job-Shop scheduling problem[J].ORSA Journal on Computing，1991，3（2）：151-156.

[3] SCIP[EB/OL].http：//scip.zib.de/.

作者簡介：

篇8

關鍵詞：線性方程組 教學 MATLAB

中圖分類號：G623.5

一、 線性方程組教學中存在的問題

當今知識創新與技術創新正成為時代的基本特征。學校培養的人才應該具有很強的

自學能力與應用意思，把學到的基礎知識能用到實際中去解決實際問題，也是我們數學教學中亟待研究的課題。目前線性代數的教學內容普遍還是采用學科體系，教學中過分強調知識知識的系統性、理論的嚴謹性和抽象性，計算上強調技巧性，在知識的應用上有所欠缺，造成學生學習無興趣，把數學看成是高不可攀屠龍之術，在一定程度上影響教學質量。教學中主要存在以下幾個問題：

1.重知識傳授缺少應用知識能力

教師在實際教學中，往往強調知識的傳授的系統性、嚴謹性、抽象性，以學科體系展開教學，注重理論的給出和計算方法與技巧的形成，而忽略知識的實際應用。學習中學生往往形成"我學它有什么用"的疑問，一定程度上造成教學中出現理論與實際脫節。

2.教學方式缺少師生互動

一方面是理論性過強，學生很難跟上教師的節奏，"滿堂灌"的教學現象相當普遍，缺少師生互動的教學，學生處于被動地位，學習效果與教學質量當然受到影響。培養學生自主學習、高效學習成為一句空話。

3.學生學習目的不清楚

線性代數一般都在大一開設，學生沒有學習專業知識，往往對數學學習的目的不明確，因而出現被動學習的情況，只求及格就萬事大吉，有的學生越學起沒興趣，覺得數學深奧難懂、枯燥無用，選擇放棄者有之。

諸此種種，說明教學上存在理論與實際脫離是根本問題。這些問題不解決，數學學習成為學生學習障礙，培養學生的數學素質是不可能的，更談不上培養創新人才。課堂教學的問題最終還是要在課堂上解決的。經驗告訴我們：只有培養學生學習數學的興趣，才能使學生學好數學。而對學生來說，讓他們清楚地認識到學習的數學知識能實實在在的解決實際問題，才能引起學生極大的興趣，投入到數學的學習中。如何在縝密的數學課程內容中融入相關的實際應用內容，這正是我們要探討的問題，本文從一個側面：即線性方程組教學中應用意思培養，在解線性方程組教學中引入兩個實例，并用數學軟件MATLAB求解，嘗試解決以上三個問題。經過幾年的實踐證明，在教學中收到良好了的教學效果。

二、 線性方程組教學中應用問題的融入

怎樣在教學中適時適當地引入應用數學知識，在教學中鼓勵學生主動探索知識、發現知識，在嘗試探索知識的過程中實現主動學習呢？在我們準備教學時大量地吸取應用案例，通過再加工成為我們的教學內容。

[案例1 ] 三家物流公司為運輸需要，他們同意彼此實行資源共享，由于運輸工具與成本各異，他們達成了如下協議：（1）每個公司總共工作10天（包括給自家公司工作）； （2）每個公司的應得的日資金根據測算在60～80萬元之間；（3）每個公司的總收入與總支出相等.下表是他們協商后制定出的工作天數的分配方案，請你計算出他們每個公司應得的日資金？

表1

針對這個問題進行問題分析，把學生就近分成若干小組，進行小組合作學習。

設分別表示公司應得的日資金，由條件建立模型，得到線性方程組：

化簡得三家公司的日資金數應滿足如下的齊次線性方程組：

解齊次線性方程組，得它的通解為

（為任意實數）.

最后，由于每個公司的日資金在60～80萬元之間，故選擇，則三家公司每天的日資金分別為62萬元、64萬元和72萬元.

這個過程由學生來完成，到化成齊次線性方程組時，學生深深體會到數學無處不在，求解之后更能體會到通解中"為任意實數"在實際問題中的涵義.

事實上，管理中存在大量可以應用于數學課堂教學的現實材料，我們循序漸進地引入一些案例，融入知識的講授中，既可以使得課堂教學變得生動，又能體現"從實際中來，到實際中去"的原則，同時又是對"數學是解決實際問題的工具"這一教育特征的很好闡述。

教學的過程最好能恰當地設為解決現實問題的應用過程。我們在教學中必須強調數學理論來源于實踐，用于實踐解決實際問題，在現實生活中各個領域都有廣泛的應用。

大中城市交通擁堵的問題，可以說是世界許多城市遇到的難題。現在中國的許多城市也趕上了這一"時代"。要解決這個問題也用到我們的線性方程組去解決。

[案例2] 圖1給出了某城市單行道的交通流量（每小時過車數）.

圖1

假設 （1）全部流入一個節點的流量等于全部流出此節點的流量；（2）全部流入網絡的流量等于全部流出網絡的流量.試建立數學模型確定該交通網絡未知部分的具體流量.

針對這個問題進行問題分析，把學生就近分成若干小組，進行小組合作學習。

由網絡流量假設（1），對于各節點：流入與流出的流量相等，可列9個方程：

由網絡流量假設（2），對于整個網絡：流入與流出的流量相等，可列1個方程：

綜合上述，所給問題滿足如下線性方程組：

解得非齊次線性方程組的通解為

其中為任意實數.

取一組值，就得到一組交通網絡未知部分的具體流量.它有無窮多個流量分布.如果布局不合理，就會產生交通擁堵。

在這個過程中學生親身體驗到數學知識的實用性，在解決問題中的必不可少。

三、引入軟件MATLAB求解線性方程組應用問題

對于實際問題的數學建模得到的線性方程組，學生往往更關注它的結果，在教學中不但要開啟一個很好的理論聯系實際的窗口，更應該引導學生解決問題的辦法，就前面兩個案例求解過程用MATLAB軟件求解展示，對學生進行學無止境的教育是起到事半功倍的作用。

篇9

[關鍵詞]供求匹配；層次分析；最小二乘法；指標權重；判斷矩陣

[DOI]1013939/jcnkizgsc201720162

隨著中國經濟的發展，出租車在城市交通中扮演著不可替代的角色，[1]但是，近年中國人口數量的大幅增加使城市出現了出租車資源難以合理配置的現像。目前，在出租車資源配置問題研究方面，國內學者提出多種方法，在對出租車資源配置的研究中采用BP神經網絡對西安市出車資源供求匹配情況進行分析；[2]在成都市出租車運營系統問題及對策研究中，從政策法規、資源配置、信息系統、交通狀況及經營機制等方面分析了造成這一表象的原因；[3]在“互聯網+”時代的出租車資源配置模型中分析了乘客和出租車之間的信息透明度關系，以及補貼方案對供求匹配程度的影響。[4 ]但以上研究主要從價格、服務、政策等方面對某一地域運用綜合評價模型進行研究，這些模型能夠從宏觀上解決某一地域出租車“供求匹配”程度問題，預測結果準確性較低，不能適應于其他城市。本文通過運用層次分析模型計算目標城市的出租車“供求匹配”程度，結合目標城市的四個指標得出目標城市的出租車“供求匹配”程度具體情況，進而得出目標城市的出租車資源配置方案，旨在向相關人員提供決策準則和依據。[5]

1評價指標建立

出租車資源配置情況主要體現在出租車資源“供求匹配”程度，出租車資源“供求匹配”程度主要受出租車有效利用程度、出租車數量、乘客滿意程度的影響，因此，建立空駛率、萬人擁有量、里程利用率、車輛滿載率四個指標衡量出租車資源配置合理程度。

11空駛率

空駛率主要反映運營出租車擁有量是否合理，根據經驗，其值在30%～40%較為合適，公式建立如下：[6]

式（1）中：Py為出租車平均有效行駛里程（萬千米）；T為出租車一天平均營業時間（小時）；V為出租車平均運營車速（千米/小時）；N為出租車總量。

12萬人擁有量

萬人擁有量表示平均每一萬人所占有出租車數，根據經驗，小城市每萬人不少于120輛，大城市每萬人不少于350輛，中等城市可在該范圍取值，其公式建立如下：[7][8][9]

式（2）中：M為城市人口數（萬人）。

13里程利用率J

里程利用率反映出租車載客效率，表示平均每公里運營里程，與空駛率是相對的，一般里程利用率控制在50%～60%最為合適，其公式建立如下：

式（3）中：b為營業里程（公里）；c為行駛總里程（公里）。

14出租車滿載率L

出租車滿載率是通過在幾個具有代表性的地點選取長期觀測點，記錄單位時間內通過載有乘客的出租車數量占總通過出租車數量的比值，[10]經驗表明，70%相當于出租車滿載率的一個臨界點，其公式建立為：

式（4）中：e為載客車輛數；f為總通過車輛數。

2層次分析模型

21模型建立

空駛率、萬人擁有量、里程利用率、出租車滿載率四個指標分別不同程度地衡量了城市出租車資源供求情況，為了綜合分析城市出租車“供求匹配”程度，利用四個指標構建一個層次分析結構，層次模型分為三層，最高為目標層，即出租車“供求匹配”程度；中間層為準則層，即指標權重，最低為準則方案層，即四個指標，如下圖所示。

22權重計算

喲畏治黿峁茍ㄐ緣胤從吵齜槳覆愀髦副曖肽勘瓴愕墓叵擔為了定量對各指標進行分析，對四個指標進行權重分析，利用層次分析法[11]中的幾何平均法計算空駛率、萬人擁有量、里程利用率、出租車滿載率四個指標在目標層中所占權重分別為W1、W2、W3、W4，建立計算公式如下：

23模型求解

經過上述分析，利用式（5）和式（6）計算出每個指標在目標層中所占權重Wi，用最小二乘法原理，建立目標函數，求租車“供求匹配”程度Z，即

將各個權重值代入式（7），即可算出城市的出租車“供求匹配”程度。根據對中國多個城市檢驗分析得：一線城市Z的標準值為150，二線城市Z的標準值為135，三線城市Z的標準值為110，若Z值低于標準值，則應先調整四個指標中權重較大的指標，根據式（1）至式（4）計算各個指標確定值，確定指標調整范圍和大小，再依次調整其他指標，使調整過后出租車“供求匹配”程度達到最優。[12][13]

3模型檢驗

上海市是中國一線城市，其交通發達，出租車系統龐大，以上海為例研究上海的出租車資源配置情況具有一定的代表性，故以上海為目標城市，運用上述模型對其出租車資源“供求匹配”程度進行分析（以下數據來源于中國數據統計年鑒）。

31指標的分析

為了計算上海一天不同時段的平均空駛率，對上海2013年出租車行駛里程統計數據進行整理總結，上海出租車平均一個運營日不同時段空駛率如表2所示，其中空駛里程和行駛里程指的是平均每輛車行駛里程。

由表2可知，在6～21時間段出租車空駛率較小，說明出租車資源利用率較高，反映了白天出租車資源的“供求匹配”程度基本符合理論要求；而0～3、3～6這兩個時間段的空駛率超過60%，空駛率較大，表明在這兩個時間段出租車資源分配過多，應當適當減小出車量，這與實際問題也是相符的。

2013年年末，上海總計人數2500萬人，運營出租車506萬，萬人擁有量為494輛，遠遠滿足出租車資源分配，但存在出租車資源浪費的問題。以2013年上海出租車運營里程統計數據計算上海出租車平均一個運營日不同時段里程利用率，以平均每輛車在不同時間段內的數據為標準經過處理后的數據如表3所示。

由表3可知，在6～21時段里程利用率分布在50%～60%，并且6～9、12～15、18～21三個時段的里程利用率最大，表明車輛行駛中載客比例高，乘客打車等待時間相對較長，反映了供求關系比例緊張；0～3、3～6兩個時間段的里程利用率最小，反映乘客打車方便的同時經營者的經濟效益降低，這與實際情況基本相符。

以2013年上海出租車滿載客車輛統計數據計算上海平均一個運營日不同時段出租車滿載率，經過處理后的數據如表4所示。

由表4可知，在6～21時段出租車滿載率較大，出租車滿載率在70%左右，而運力與運量的適當平衡可以由通過控制出租車滿載率來實現，70%便相當于一個臨界點，0～6、21～24時間段出租車滿載率遠低于該臨界點，則應適當降低出租車運力；而6～9、12～15、18～21三個時段的出租車滿載率接近70%，基本滿足運力與運量的平衡關系；通過稍微調節出租車運力來保持運力與運量的平衡，低于臨界點時，則應適當降低出租車運力；反之，則應適當增加出租車運力，提高服務質量。

32指標權重的計算

根據上海出租車分配情況，得出空駛率、萬人擁有量、里程利用率、車輛滿載率四個指標的比較判斷矩陣A：

由此可見，可看出上海出租車空駛率（W1）和萬人擁有量（W2）對出租車“供求匹配”程度影響最大，另外是里程利用率（W3），影響最小的是出租車滿載率（W4）。

33出租車“供求匹配”程度的計算

將權重Wj代入式（7）得出上海出租車“供求匹配”程度Z=1418，比較接近標準值150，但出租車資源分配不夠合理，存在一定的資源浪費，供求不夠平衡，應當采取措施提高出租車利用率。

根據單指標計算結果可知：上海出租車資源分配過多，供過于求，里程利用率較大，市民打車等待時間比較長，求與供的關系緊張；出租車滿載率較低，上海相關機構應適當降低出租車運力，在晚上適當減少，傍晚和中午適當增加運營出租車數，適當擴大出租車運營范圍，充分調配與利用現有資源。

4結論

第一，通過影響城市出租車“供求匹配”程度的因素建立四個指標，運用層次分析模型，在一線城市中，出租車“供求匹配”程度主要受空駛率、萬人擁有量影響，指標權重高達15，與實際情況相符，為層次分析模型的準確性校核提供了強有力的依據。層次分析模型具有較高的準確性。[14]

第二，利用判斷矩陣公式，可以對不同的城市根據目標城市具w情況建立判斷矩陣，使得層次分析模型適用于不同的城市，其適用性能滿足中國城市復雜情況，同時更加提高了分析結果的準確性。

參考文獻：

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篇10

關鍵詞： 地理信息系統 高中地理課堂教學 案例 困難

1.GIS的概論

1.1 GIS的內涵

針對不同的部門和不同的應用目的，地理信息系統的定義也不盡相同。美國學者Parker認為“GIS是一種存儲、分析和顯示空間與非空間數據的信息技術”。加拿大的Roger Tomlinson認為“GIS是全方位分析和操作地理數據的數字系統”。俄羅斯學者把GIS定義為“一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內部聯系的工具集合”。這些定義，有的側重于GIS的技術內涵，有的則強調GIS的應用功能。美國聯邦數字地圖協調委員會（FIC-CDC）關于GIS的定義較為全面具體。該定義認為“GIS”是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，該系統設計支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。[1]

1.2 GIS的功能

由計算機技術與空間數據相結合而產生的GIS這一高新技術，它包含了處理地理信息的各種高級功能。GIS具有四項基本功能：

1.2.1輸入功能

利用數字化儀或掃描儀把地圖、圖像（如航空照片）和規劃圖輸入計算機中，然后進行編輯處理（修改、增補等）。

1.2.2輸出功能

把經過分析而得出的圖形、圖表或文字報告顯示在熒光屏上，也可以通過繪圖儀或打印機打印出來。

1.2.3查詢、分析功能

通過空間查詢和空間分析而得出決策結論是GIS的出發點和歸宿。這是一個復雜的處理過程，需要應用目標之間的內在空間聯系并結合各自的數學模型和理論制訂規劃和決策。典型的空間分析包括最佳路徑分析、疊加分析、鄰域分析、網絡分析、通視分析及填挖方計算和表面積計算等，可用在污染源流分析、農業布局合理性分析、城市布局合理性分析、道路選線分析等工作中。

1.2.4空間數據庫管理功能

地理對象是龐大的地理數據集，對此需要利用數據庫管理系統來進行管理[2]。

GIS依托這些基本功能，通過利用空間分析技術、模型分析技術、網絡技術、數據庫和數據集成技術等，演繹出豐富多彩的系統應用功能，滿足社會和用戶的廣泛需求。

2. GIS走進高中地理課程

著名的地圖與信息系統專家陳述彭院士認為，定性描述是地理學的第一代語言，地圖是地理學的第二代語言，地理信息系統是地理學的第三代語言。這也是廣大地理教師的共識，充分體現出GIS技術的重要性與價值所在[3]。《普通高中地理課程標準》提出了地理課程的基本理念，其中之一是強調信息技術在地理學習中的應用。在新一輪的地理課程改革中，地理信息系統成為地理選修模塊之一，作為新的重要的教學內容。

2.1 GIS技術進入高中地理的必要性

2.1.1 “GIS技術”是地理科學發展與社會信息化的重要內容

當今時代，信息技術飛速發展，地理信息技術對資源與環境可持續發展、國家經濟建設與社會進步的巨大作用日益顯著。地理信息技術應用的具體形式，大到地球村、數字國家，小到數字居民區、數字家庭。隨著工業化和信息化水平的進一步發展，世界城市化成為文明進步的標志。城市帶來了富足、繁榮，也帶來人口擁擠、交通緊張、資源短缺、用地緊張等一系列城市問題，這為地理信息技術提供了大顯身手的機會。世界各國的城市，尤其在經濟發達和發展水平較高的城市，數字城市研究日益成熟，信息化管理成為熱門研究領域，利用地理信息技術進行社會、經濟、文化、基礎設施、交通通訊、城市規劃等數字管理，成為構筑新世紀人類生存環境的新模式。

地理信息技術是“數字化地球”、“信息化地球”的基礎，信息化發展需要大量的具有地理信息技術基本素養的人才。從國家戰略的高度來講，基礎教育階段的地理信息技術素養教育很必要也很迫切。

地理信息技術作為地理科學發展的重要內容，加之其在社會生產、生活中的廣泛應用和價值，在高中階段，將其納入地理課程體系，意義重大。

2.1.2設置“地理信息技術應用”模塊有利于培養學生的信息素養

信息科技時代，教育目的不應僅是教給學生知識，更應以學生的發展為根本，全面提高學生的素質，使學生身心得到發展，發掘學生的外在和內在潛力，促使他們得到全面發展。地理信息技術在信息社會有著舉足輕重的地位和作用，設置地理信息技術課程是普及地理信息技術基礎知識的有效途徑。對學生進行地理信息技術教育，可以培養學生的思考能力和分析能力，提高學生的信息素養，符合《高中地理課程標準》的設計理念，也是提高學生綜合素質的基本途徑。

當前，基礎教育強調全面的素質教育，地理教育也應如此。在對各種地理知識（信息）掌握的基礎上，地理教育重視學生能力的提高及地理思維方式的培養，要求學生既具備地理知識素質，又具備地理能力素質。要求學生運用地理知識處理和解決地里問題。要求學生主動地吸收、掌握各種地理信息，并將信息分析、重組、應用。

2.1.3“地理信息技術”是一種重要的教學技術手段

地理信息技術作為教學技術手段應用于地理教學中也是《地理信息技術應用》模塊重要的價值取向之一。地理信息技術教育對學生信息技術的掌握、地理研究技術的了解與應用、地理區域系統思想的建立和地理空間思維能力的培養，以及地理問題的分析與處理能力的培養等具有不可替代的獨特功能[4]。

一方面，以GIS為例，GIS具有對地圖處理與操作的強大功能，地圖是地理教育的重要媒介，利用GIS的地圖疊加、地圖漫游、地圖縮放和地圖要素的增減等進行輔助教學，效果是一般教學手段不可比擬的。另一方面，GIS技術是一種解決實際問題，提供地理數據處理功能的技術和方法。GIS的數據輸入、處理與分析功能，能很好地完成地理課程在能力培養方面的要求。例如，利用GIS實現對地理事物的分布特征、分布規律的輔助教學，教師可以應用GIS在空間上顯示符合某一條件的地理要素的特征，幫助學生認識地理空間概念；利用GIS實現地理事物環境分析輔助教學，GIS技術可以確定某地理要素在一定范圍內對于其他地理要素的分布；利用GIS實現地理事物變化趨勢的輔助教學，GIS能顯示地理事物在不同時段的地理信息的空間分布，能展示其各階段的特征，有助于學生認識地理事物的發展過程；利用GIS實現數據統計分析與地理直觀的輔助教學，GIS可以進行數據排列顯示、專題地圖制作圖、地形圖、行政區劃圖、旅游規劃圖等；利用網絡GIS、多媒體GIS的輔助教學等[5]。

2.2高中地理信息系統課程教學案例

地理信息技術是一門新興的課程，開設這門課程的主要目標是培養學生的地理信息素養。

下面以GIS在道路選線中的應用作為教學內容進行分析。

傳統的道路選線方法是選線人員通過收集和分析線路區域內有關設計資料，在大比例尺地形圖上選出幾個可能的路線方案。然后在紙上定線的基礎上，選線人員到實地勘測，經過反復比較確定一個較為經濟、合理的路線方案。它在很大程度上取決于選線人員的實際經驗和技術水平，而且費時費力，因此已不能滿足現代公路設計的需要。隨著地理信息系統技術的發展及空間信息軟件平臺的不斷開發，設計人員不但能考慮傳統的選線因素，對于地質、水文等空間屬性也能納入考慮范圍，這不管是從質量上還是從效率上都得到了較大提高。目前常用的空間軟件有ArcInfo、MapInfo、Geo系列軟件、TITANGIS等。

2.2.1地理數據的采集和處理

根據道路的設計功能和設計要求，需要收集道路沿線所有的基礎資料，包括沿線各類比例尺地形圖、地質圖、水文、氣象、交通流量等。具備了這些基本資料之后，利用GIS功能對各種資料進行分類處理。

數字化資料包括地形圖、地質圖、規劃設計圖、文字說明等多種信息資源。圖形數字化過程中需要進行投影轉換、坐標轉換，經過掃描、糾正、跟蹤、附屬性、建立拓撲關系等步驟，最終形成各類數據文件。目前，常用的數據格式有：Tiff、Arc/InfoE00、Arc/InfoCoverage、MapInfo、DXF等。在地形圖進行數字化的過程中，需對各類影響線路的空間要素進行分層空間數據管理，為以后的空間分析做好準備。沿線主要的空間數據層有：地形層、地質圖層、城市層、鄉村層、植被層、沿線水系層、水利設施層、鐵路層等。對空間數據層的分類應盡可能詳細，避免遺漏。同時，使用的資料應為最新資料，保證空間數據的時效性及其準確性。

2.2.2地理數據的空間分析

根據道路的設計標準和使用要求，利用GeoStar軟件對各類數據文件進行分析是采用地理信息系統進行道路選線的核心。GeoStar軟件的空間分析功能主要有地形分析、緩沖分析、疊置分析、網絡分析等，這能幫助設計人員宏觀地認識設計區域。在數據處理過程中，應盡可能準確規范，這對于以后建立數字地面模型DEM、地面正射影像圖DOM等數據具有重要作用。

2.2.3建立數字地面模型DEM

數字地面模型可為道路選線提供直觀圖形并可以與GIS的空間分析結果進行疊加分析。同時可為今后的道路最佳路徑分析、縱橫斷面設計、填挖方量的計算提供快捷成果。

2.2.4疊加分析

利用GeoStar軟件，將矢量數據庫、影像數據庫和DEM數據庫三庫疊加，生成三維景觀再現。在計算機疊加分析的結果里，確定道路控制點的樁號及線路的大致走向，接著根據設計規范和要求，在三維景觀里進行路線設計，確定道路變坡點位置、交點位置、坡度、曲線半徑等要素，這樣設計人員能隨時根據地形來進行設計，非常方便。

2.2.5線路的比選

根據要求一般設計兩到三條線路，然后利用GeoStar的空間分析功能進行比選，考慮的因素主要有土地、水文、路線長度、地質條件、政治因素、經濟狀況、氣象等。如，在設計中，道路應盡量避免穿過農田、森林，并且線路通過地段的地質水文狀況應滿足工程設計要求，以此作為選線條件。此時可以從空間數據層中分別提取鄉村層、植被層、地質層、沿線水系層的相應數據，將它們的數據繪以不同顏色的圖形，根據選線人員給定的選線條件和范圍分別與地形圖形拓撲疊加，此時在計算機上就可以分別顯示出滿足要求的范圍。根據這些范圍，選線人員再進行綜合修改，重新制定設計條件，在計算機上反復進行疊加拓撲分析獲取最終結果。這種選線過程非常直觀明了，結果也可隨時以圖形、表格、數字的形式打印輸出[6]。

2.3高中開設地理信息系統課程存在的困難

在當今的高中地理教學中，開設地理信息系統課程遇到了比較大的困難，學生的地理信息素養也普遍比較薄弱。

2.3.1教育觀念滯后

由于教育觀念滯后，即使是在教育較為先進的地區，地理信息系統課程開設仍困難重重。學校固守舊觀念，認為培養信息素養對于學生高考分數提高目前還沒有實質性作用，往往以各種理由拒絕開設地理信息類課程。

2.3.2經濟支持不足

地理信息系統課程開設需要一定物質基礎作為保證，例如計算機、網絡設施、配套的課程軟件等。經濟落后地區的一些學校硬件、軟件設施都不齊全，尤其像GPS這種儀器市場價一般在2000元左右，作為教具幾乎是不可能購買的，3S技術的培養成為“紙上談兵”。

2.3.3教師素質有待提高

地理信息系統是一門新興的技術，因此，當今高中里能夠熟練掌握信息技術的地理教師比較匱乏。此外，目前高師所開設的地理信息系統課程，多數只是簡單地移植綜合性大學地理信息系統專業課程的基本內容，而真正適合師范生實際操作應用技能訓練較少，并沒有培養出真正適應高中地理教學的合格的地理教師。

因此，高校在培養地理教師的過程中應重視師范生的地理信息技術學習，在學習基礎知識的同時，提高動手操作能力。同時，各地教育部門應完善教師的職后培訓，為在職地理教師提供更多的進修機會和渠道。各地教研部門要為地理教師提供學術和業務的支持，例如通過舉辦培訓班，組織教學經驗交流，推動校本教研，開發課程資源等方式幫助地理教師開展地理信息技術教學，培養學生的地理信息素養。

3.結語

鑒于我國經濟的快速發展及GIS技術強大的功能，GIS將在國民經濟中發揮越來越重要的作用。高中地理課程應緊跟時代潮流，反映時代需求。GIS進入高中地理課程是培養現代公民必備地理素養的必要舉措。盡管現在地理信息技術課程在高中的開設仍遇到一些困難，但困難是暫時的，地理信息技術最終將順利進入高中校園，成為一門培養學生基本地理信息素養的必要課程。

參考文獻：

[1]黃杏元等.地理信息系統概論.北京：高等教育出版社，2003.

[2]李智等.地理信息系統概述.甘肅科技，2004年11月.

[3]李佩武等.GIS技術及其在地理教學中的應用分析.天津教育，2005年第六期.

[4]陳澄等.普通高中地理課程標準（實驗）解讀.南京：江蘇教育出版社，2004.3.