一种机动车尾气遥测设备综合布点系统的制作方法

技术特征：

1.一种机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：包括基于道路相似性的布点模块、基于路网拓扑结构的布点模块与基于特定车辆路线的布点模块；

基于道路相似性的布点模块，使用一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法来实现，充分考虑了道路特性、道边环境与气象因素，提取出其中关键的属性进行聚类，采用层次聚类的方法对城市路网的不同路段进行聚类，能够将任意数目的尾气遥测设备进行优化布点；

基于路网拓扑结构的布点模块，使用一种基于图论的机动车尾气遥感监测设备布点算法来实现，以城市路网拓扑结构为主，辅以车流量等级，城市的区域功能信息，基于图与超图理论对问题进行建模，将遥测设备的布点选址问题转化为最小横贯问题，最终采用贪婪算法求解出布设尾气遥测设备的路段集合；

基于特定车辆路线的布点模块，使用一种基于图论与布尔代数的机动车尾气遥测设备布点方法来实现，针对城市公交系统尾气的普查进行尾气遥测设备选址布点，首先基于超图理论，将公交车运行路线转化为公交路线超图，然后用布尔代数的相关原理，确定尾气遥测设备在城市路网中的布设位置；

上述基于道路相似性的布点模块、基于路网拓扑结构的布点模块与基于特定车辆路线的布点模块可单独使用，也可组合使用，选择标准取决于输入信息的多少以及决策者对布设于城市路网的尾气遥测设备的功能需求；

在尾气检测信息、道路车流量信息、天气信息和道路相关信息都需要获得的情况下采用基于道路相似性的布点模块；在输入信息只包含交通路网的拓扑结构和一些容易获得的交通信息，包括路段所属区域功能、交通流量的等级及是否建有天桥时，采用基于路网拓扑结构的布点模块；需要对公交车这一种类的机动车进行重点监控时采用基于特定车辆路线的布点模块。

2.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述基于路网拓扑结构的布点模块中，一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法，包括以下步骤：

步骤一：采集所需样本数据并对样本数据进行预处理，所述所需样本数据是指用尾气遥测设备获得目标路网中每条路段一段时间内的尾气检测信息、道路车流量信息、天气信息和道路相关信息；数据预处理包括数据清洗、数据规约和数据变换三个方面；

步骤二：采用层次聚类的方法对步骤一中经过数据预处理处理后的样本数据进行聚类分析；采用欧几里德距离作为聚类距离的度量，首先将每个样本都归为一类，计算每两个类之间的相似度，也就是样本与样本两两之间距离进行度量；然后把其中相似程度最高也就是距离最小的样本聚成一类，循环重复相似性度量并进行最近类的合并，每次减少一类，最后直到所有的样本被聚到一类中去，得到聚类结果；

步骤三：根据步骤二中的聚类结果，绘制聚类谱系图，将每一步聚类的结果直观的显示在聚类谱系图上；

步骤四：对所考察的路段赋予权重，代表路段的重要程度以及优先考虑程度，将任意数目的尾气遥测设备对应相应数目的聚类结果，在聚类谱系图上找到包含类数目等于对应数目的聚类结果，选取每个类中权重最大的路段布设尾气遥测设备，最终得到将任意数目的尾气遥测设备进行布点的方案。

3.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤一具体实现如下：

(1)聚类前的样本数据采集，将目标路网中的每条路段作为一个样本，获得每个样本路段一段时间内的尾气检测信息、道路车流量信息、天气信息和道路相关信息；其中：

尾气检测信息，包括的数据项有：检测设备编号，检测时间，检测的车牌号码，车速，车辆加速度，车辆长度，CO2、CO、HC、NO浓度,烟度值，抓拍照片；

道路车流量信息，包括的数据项有：道路名称，时间，小型客车、中型客车不同类型车辆的车流量；

天气信息，包括的数据项有：时间，城市，天气状况，温度，湿度，风速，PM2.5，PM10，AQI；

道路相关信息，包括的数据项有：地理位置id，所在省份，所在城市，所在街道，连接方式，路旁植被面积，建筑物平均高度；

(2)样本数据预处理部分包括数据清洗、数据规约和数据变换三个方面；数据清洗，就是通过对数据的分析，找出缺失值、偏离过大的个别极端值进行丢弃处理；数据规约，删除与所考虑问题不相关、弱相关或冗余的属性，合并相同属性，同时不断的对相关属性的选择进行修改，以达到所要求的聚类效果；数据变换，将数据规约后的数据进行标准化处理，转化为便于处理的适当格式，以适应聚类分析的需要。

4.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤二中，采用层次聚类的方法对步骤一中处理得到的样本数据进行聚类分析具体包括以下步骤：

(1)将步骤一中处理得到样本中的每一个样本都归为一类，计算每两个类之间的相似度，即对样本与样本两两之间的距离进行度量；度量样本之间的相似性采用欧几里德距离作为聚类距离的度量，欧几里得距离如下：

$d(i,j)=\sqrt[2]{{(x_{i1}-x_{j1})}^2+{(x_{i2}-x_{j2})}^2+\mathrm{...}+{(x_{{\mathrm{iM}}_1}-x_{{\mathrm{jM}}_4})}^2}$

其中，d(i,j)表示欧几里得距离，i和j为第i个样本和第j个样本的样本标号，分别代表第i条路段和第j条路段，M₄表示选取的相关属性个数，相关属性包括属性合并后的污染物总浓度、烟度值、属性合并后的总车流量、连接方式、路旁植被面积、建筑物平均高度，x表示相关属性经过标准化后的数值，x_i1表示第i个样本的第1个属性，x_i2表示第i个样本的第2个属性，表示第i个样本的第M₄个属性，x_j1表示第j个样本的第1个属性，x_j2表示第j个样本的第2个属性，表示第j个样本的第M₄个属性；

(2)把步骤(1)中相似程度最高也就是距离最小的两个样本聚成一类，假设为样本N₅和样本M₆，将样本N₅，M₆合并为一新类，记为Cla₁＝{N₅,M₆}，新产生的类Cla₁的相关属性用路段N₅，M₆对应属性的均值表示，即新类的属性表示为

其中，N₅和M₆为第N₅个样本和第M₆个样本的样本标号，M₄表示选取的相关属性个数，x表示相关属性经过标准化后的数值，表示第N₅个样本的第1个属性，表示第N₅个样本的第M₄个属性，表示第M₆个样本的第1个属性，表示第M₆个样本的第M₄个属性；

(3)新类和其他类一起得到一个N₄-1容量的样本，计算样本中所有样本点每两个之间的相似度，即两两之间的距离进行度量；将其中使得距离最小的两个样本聚成一类，记为Cla₂，新产生的类Cla₂的相关属性用类中包含的两个样本的对应属性的均值表示；

(4)类似地，重复进行相似性度量和最近类的合并，每次减少一类，依次得到新类最后类的个数减少为1，所有的样本被聚到一类中去，得到聚类结果。

5.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤三中，根据聚类过程绘制聚类谱系图，横坐标为1处代表第一次聚类的结果，横坐标为2处代表第二次聚类的结果，依次类推，将每一步聚类的结果直观的显示在聚类谱系图上，聚类谱系图充分展示了聚类的每一步过程，让从可视化的层面了解到每一步哪些路段被聚为一类，每一步聚类结束后不同类的数目和这些类中分别包含哪些路段。

6.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：一种基于道路相似性的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤四中，对所考察的路段赋予权重，权重综合考虑该路段的设备布设成本、设备布设难易程度要素后确定，权重越大代表路段的重要程度越大以及优先考虑程度越高；假设需要将数目为M₅的尾气遥测设备进行，从聚类谱系图找到对应类数目为M₅的聚类结果，即第N₄-M₅次聚类后的结果，选取这M₅个类中每个类的权重最大的路段布设尾气遥测设备，最终得到对任意数目的尾气遥测设备进行布点的方案。

7.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述基于路网拓扑结构的布点模块中，一种基于图论的机动车尾气遥测设备布点方法，包括以下步骤：

步骤一：将城市交通路网依据拓扑结构和交通流方向抽象成一个有向图，将交通路网信息抽象成一个数据矩阵，采用深度优先搜索算法找到所述有向图中的所有有向回路；

步骤二：将所有路段作为有向回路超图的顶点，所有有向回路作为有向回路超图的超边，建立城市路网的有向回路超图，简化该有向回路超图，得到简单有向回路超图，建立简单有向回路超图中顶点的加权度模型，寻找加权度模型中加权度最大的顶点，采用贪婪算法求出简单有向回路超图的最小横贯，即为机动车尾气遥感监测设备的布点路段；所述加权度是指融合了交通路网信息的简单有向回路超图的顶点的度，所述简单有向回路超图的最小横贯是指能够覆盖简单有向回路超图所有边的最小顶点集合。

8.根据权利要求7所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤一中，将交通路网信息抽象成一个数据矩阵，如下：

其中，表示交通路网的所有路段，M₇为路网中路段总数；表示路段的信息，包括路段所属区域功能，交通流量的等级，是否建有天桥；N₇为布点方法中所利用的路段信息种类；R_ij，i＝1,2,...,M₇,j＝1,2,…,N₇表示将路段信息数字化后的具体数值。

9.根据权利要求7所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤一中，采用深度优先搜索算法找到所述有向图中的所有有向回路的过程如下：

(1)首先将城市交通路网依据拓扑结构和交通流方向抽象成一个有向图，然后将有向图转换为线图；

(2)从步骤(1)中的线图的一个初始顶点出发，沿着线图的有向弧和不同的顶点寻找有向路径，直到不存在有向弧到达下一个顶点，判断是否存在有向弧回到初始顶点，若存在，表明检测到一个圈；

(3)退回步骤(2)中有向路径的上一个顶点，沿着其他有向弧继续拓展有向路径，直到不存在有向弧到达下一个顶点，判断是否存在有向弧回到初始顶点，若存在，表明检测到一个圈；

(4)重复步骤(3)，直到退回初始顶点；

(5)依次以其他顶点为初始顶点，重复步骤(2)(3)(4)，线图的所有圈即为原有向图的所有有向回路。

10.根据权利要求7所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤二具体实现如下：

(1)将所有路段作为有向回路超图的顶点，所有有向回路作为有向回路超图的边，建立城市路网的有向回路超图模型；

(2)依次比较(1)中建立的有向回路超图的两条边，判断是否存在包含关系，若存在，则在有向回路超图中删去较长的那条边，并且对删除边后的有向回路超图重复此步骤，直到删除边后的有向回路超图的任意两条边都不存在包含关系，即得到简单有向回路超图；

(3)在步骤(2)得到的简单有向回路超图中建立顶点的加权度模型，寻找加权度模型中加权度最大的顶点，采用贪婪算法求出简单有向回路超图的最小横贯。贪婪算法的求解过程如下：在简单有向回路超图中，删除加权度模型中加权度最大的顶点及包含该顶点的所有边，并且对删除顶点和边后的简单有向回路超图重复此步骤，直到简单有向回路超图为空，则删除的顶点集合为简单向回路超图的最小横贯，即机动车尾气遥感监测设备的布点路段。

11.根据权利要求7所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤二中，简单有向回路超图中顶点的加权度模型的数学表达如下：

$D^{*}\left(i\right)=R_{i1}\left(w_{atr,1}\frac{\mathrm{deg}\left(i\right)}{{\mathrm{deg}}_{\max }}+\underset{j=2}{\overset{N_7}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{atr,j}\frac{R_{ij}}{r_{j\max }}\right),i=1,2,\mathrm{...},M_7$

其中，D^*(i)表示简单有向回路超图顶点i的加权度，R_ij为交通路网数据矩阵模型中的元素，i=1,2,…,M₇,j＝1,2,…,N₇；r_j为路段信息，r₁表示路段所属的区域功能，如果路段位于污染区域，则r₁=0，否则r₁=1，r_jmax表示r_j的最大值，w_atr,j表示各个路段信息的权值，满足deg(i)表示简单有向回路超图中顶点i的度，deg_max表示简单有向回路超图中所有顶点的度的最大值。

12.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述基于特定车辆路线的布点模块中，一种基于图论与布尔代数的机动车尾气遥测设备布点方法，包括以下步骤：

步骤一：将公交车行驶路线抽象为公交路线超图；

步骤二：应用布尔代数相关理论求解公交路线超图的所有极小横贯集；

步骤三：求解公交路线超图的最小横贯集，所述最小横贯集是指所有极小横贯集中基数最小的一个极小横贯集，在本发明中最小横贯集指最小监测路段集合，即需要布设尾气遥测设备的路段的集合。

13.根据权利要求12所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论与布尔代数的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤一具体实现如下：

(1)以城市实际的交通道路网络为基础，将公交车行驶路线中经过的各路段抽象为超图顶点，得到顶点集；

(2)将公交车行驶线路抽象为超边，超边是顶点集的子集；

(3)所有超边的集合即为超图，超图由公交车行驶路线所得，称之为公交路线超图。

14.根据权利要求12所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论与布尔代数的机动车尾气遥测设备布点方法中，所述步骤二具体实现如下：

(1)对公交路线超图中每个顶点设布尔变量χ_i，χ_i表示路段i是否布设尾气遥测设备，若χ_i＝1则表示此路段需要布设遥测设备；

(2)公交路线超图中每条边按其所含顶点进行布尔加法，得到各条边的布尔析取式，即：ψ_j表示第j条公交运行路线中包含的路段；

(3)将所有边的布尔析取式进行布尔乘法，得到公交路线超图的布尔合取式，即：表示整个公交路线网中所有线路所含路段的全体，N_hy为公交路线超图中超标数目；

(4)对所得的合取式用布尔运算规律整理化简，得到最简的析取式，即：其中每个子式λ_t对应的顶点集是公交路线超图的一个极小横贯集，所有的λ_t构成公交路线超图的所有极小横贯集的集合表示与公交车每条运行路线都相交的路段全体。

15.根据权利要求12所述的机动车尾气遥测设备综合布点系统，其特征在于：所述一种基于图论与布尔代数的机动车尾气遥测设备布点方法中，步骤三具体实现如下：

(1)求各个极小横贯集的基数，即所含顶点的个数；

(2)确定基数最小的极小横贯集，该极小横贯集即为最小横贯集，最小横贯集中顶点所对应的路段即为需要布设尾气遥测设备的路段，这些路段构成的集合为最小监测路段集合。