ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Văn Thịnh TRỰC QUAN HOÁ TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI TRÊN NỀN BẢN ĐỒ SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN - 2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Văn Thịnh TRỰC QUAN HOÁ TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI TRÊN NỀN BẢN ĐỒ SỐ Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 0101 LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hóa THÁI NGUYÊN - 2015 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp, nhận nhiều giúp đỡ, động viên nhiệt tình từ thầy cô, gia đình bạn bè Và trở thành nguồn động lực lớn giúp thực luận văn nghiên cứu giao Với tất cảm kích trân trọng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất người Tôi xin bày tỏ cám ơn đặc biệt tới thầy TS Nguyễn Ngọc Hóa, người định hướng cho lựa chọn đề tài luận văn, đưa nhận xét quý giá trực tiếp hướng dẫn suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn thầy cô Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin truyền thông – Đại học Thái Nguyên dạy bảo tận tình cho suốt khoảng thời gian học tập trường Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình mình, nguồn động viên cổ vũ lớn lao động lực giúp thành công công việc sống Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp cao học CNTT K12E đặc biệt người bạn tốt bên tôi, khuyến khích, động viên cho lời khuyên chân thành sống học tập Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2015 Học viên Nguyễn Văn Thịnh i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân Những điều trình bày toàn nội dung luận văn, cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định cho lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 25 tháng 08 năm 2015 Học viên Nguyễn Văn Thịnh ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TRỰC QUAN HOÁ VÀ BÀI TOÁN TRỰC QUAN HÓA TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI 1.1 Khái quát trực quan hóa 1.1.1 Trực quan hóa 1.1.2 Trực quan hóa liệu .6 1.1.3 Trực quan hóa liệu biểu diễn trạng thái giao thông 18 1.2 Bài toán trực quan Hóa trạng thái giao thông Hà Nội 29 1.2.1 Bối cảnh hệ thống giao thông nước ta 29 1.2.2 Bài toán trực quan hóa trạng thái hóa giao thông Hà Nội đồ số 30 1.2.3 Mô hình trực quan hóa trạng thái giao thông .31 1.2.4 Mô hình kiến trúc hệ thống giải pháp trực quan hoá trạng thái giao thông 33 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ HỖ TRỢ TRỰC QUAN HÓA TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI TRÊN NỀN BẢN ĐỒ SỐ 34 2.1.Kỹ thuật thuật toán ứng dụng trực quan hóa trạng thái giao thông 34 2.1.1 Heatmap trực quan hóa tình trạng tuyến đường giao thông 34 2.1.2 Xây dựng biểu đồ thống kê liệu trạng thái giao thông 40 2.1.3 D3JS .41 iii 2.1.4 Vẽ đồ họa thực trực quan hóa 43 2.2 Giải pháp trình triển khai 46 2.2.1 Kết hợp Leaflet Heatmap 46 2.2.2 Thao tác với liệu dạng GeoJSON 46 2.2.3 Kết nối sở liệu .47 2.2.4 Cập nhật liệu thời gian thực 47 2.3 Công cụ hỗ trợ trực quan hoá trạng thái giao thông 47 2.3.1 Google Maps 47 2.3.2 Google Maps API 47 2.3.3 PostgreSQL/PostGIS 48 2.3.4 Apache 50 2.3.5 Leaflet .51 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TRỰC QUAN HÓA TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI 52 3.1 Phân tích thiết kế hệ thống 52 3.1.1 Kiến trúc hệ thống 52 3.1.2 Chức hệ thống 53 3.1.3 Lược đồ sở liệu .55 3.2 Xây dựng ứng dụng thử nghiệm .60 3.2.1 Môi trường ứng dụng 60 3.2.2 Dữ liệu thử nghiệm 60 3.3 Kết thử nghiệm .61 3.4 Đánh giá 65 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Trực quan hóa khoa học mô bất ổn định Raleigh-Taylor hòa trộn chất lưu .3 Hình 1.2 : Trực quan hóa liệu bước phân tích trình diễn liệu .7 Hình 1.3: Mô hình khái niệm trực quan hóa .10 Hình 1.4: Vai trò mô hình liệu phần mềm trực quan hóa 10 Hình 1.5: Sơ đồ mô tả mô hình tham khảo trực quan hóa thông tin .11 Hình 1.6: Một trực quan hóa liệu mạng xã hội 13 Hình 1.7: Bản chất trực quan hóa dựa vào đánh giá mối quan hệ thành phần 15 Hình 2.1: Mô hình trực quan hóa trạng thái giao thông 31 Hình 2.2: Mô hình kiến trúc hệ thống WebGIS .33 Hình 2.3 : kết hiển thị điểm đồ 36 Hình 2.4 : Kết vẽ theo phương pháp “đóng hộp” 36 Hình 2.5 : Kết vẽ theo phương pháp mật độ nhân .38 Hình 2.6 : Tập điểm biểu diễn tuyến đường .39 Hình 2.7 : Luật vẽ trực giao .44 Hình 3.1: Mô hình kiến trúc .52 Hình 3.2 : Sơ đồ áp dụng mô hình trực quan hóa 54 Hình 3.3: Lược đồ sở liệu .56 Hình 3.4: Màn hình chương trình thử nghiệm 62 Hình 3.5: Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo thời điểm 63 Hình 3.6: Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo ngày 63 Hình 3.7: Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo tuần 64 Hình 3.8: Biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo tháng 64 Hình 3.9: Trực quan trạng thái giao thông đồ theo thời điểm chọn 65 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Trường liệu thông tin trạng thái giao thông .57 Bảng 3.2: Trường liệu thông tin tuyến đường giao thông 58 Bảng 3.3: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo ngày .58 Bảng 3.4: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo tuần 59 Bảng 3.5: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo tháng 59 Bảng 3.6: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo năm 60 vi LỜI MỞ ĐẦU Giao thông vấn đề quan trọng, ùn tắc giao thông vấn đề “nóng” đô thị lớn, để giải tình trạng ùn tắc giao thông địa bàn Hà Nội, ngành giao thông cần đẩy mạnh việc ứng dụng CNTT cách tổng thể Đó giải pháp thu thập thông tin giao thông; quy hoạch, điều tiết đường sá; điều khiển giao thông; xác định lưu lượng cung cấp thông tin giao thông tới người tham gia giao thông, cảnh báo sớm cho người tham gia giao thông tình trạng ùn tắc tuyến phố, để người dân chủ động thay đổi phương tiện, hướng đường … Thực trạng động lực để em chọn đề tài luận văn “Trực quan hoá trạng thái giao thông Hà Nội đồ số” để thực luận văn Cao học Trong luận văn nghiên cứu mã số 01C-04/08-2014-2 Sở KH-CN Hà Nội “Hệ thống thông tin trạng thái giao thông thành phố Hà Nội: Thực trạng giải pháp”, xây dựng thu thập cung cấp thông tin trạng thái giao thông số tuyến phố Hà Nội Dựa vào kết thu thập liệu trạng thái giao thông Hà Nội từ nguồn khác (từ VOV giao thông, từ cộng đồng, từ hệ thống camera giám sát giao thông, …) Với mục tiêu cụ thể cần làm ta hiển thị đồ tuyến đường giao thông Hà Nội dựa đồ số, đồ trực quan hình ảnh giao thông thời gian thực hiển thị biểu đồ thống kê mức độ tắc nghẽn giao thông thời điểm Từ cho phép người tham gia giao thông, cán quản lý giao thông đô thị,… quan sát, nắm bắt phân tích cách đầy đủ dễ hình dung, dễ đánh giá, so sánh trạng thái điểm nóng giao thông thành phố Nội dung luận văn trình bày chương sau: Chương – Khái quát Trực quan hóa toán trực quan hóa trạng thái giao thông Hà Nội Chương - Một số hỗ trợ trực quan hóa trạng thái giao thông Hà Nội đồ số Chương - Thực nghiệm đánh giá hệ thống Trực quan hóa trạng thái giao thông Hà Nội CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TRỰC QUAN HOÁ VÀ BÀI TOÁN TRỰC QUAN HÓA TRẠNG THÁI GIAO THÔNG HÀ NỘI 1.1 Khái quát trực quan hóa 1.1.1 Trực quan hóa Trực quan hóa (visualization) kỹ thuật tạo hình ảnh, biểu đồ để diễn tả thông điệp Trực quan hóa nghiên cứu trình bày cách trực quan, tương tác khối liệu trừu tượng để tăng cường nhận thức người Trực quan hóa thông qua hình tượng trực quan diễn tả ý tưởng trừu tượng cụ thể từ thủa sơ khai loài người Những ví dụ lịch sử hình vẽ hang động, chữ tượng hình Ai Cập, hình học Hi Lạp phương pháp mang tính cách mạng vẽ kỹ thuật dành cho mục tiêu khoa học công nghệ Leonardo da Vinci [4] Ngày nay, trực quan hóa mở rộng ứng dụng ngành khoa học, đào tạo, công nghệ, môi trường tương tác, dược, điển hình ứng dụng trực quan hóa sử dụng đồ họa máy tính Việc phát minh đồ họa máy tính phát triển quan trọng trực quan hóa kể từ phát minh cách phối cảnh trung tâm từ thời kỳ Phục Hưng Và phát triển animation giúp gia tăng trực quan hóa Việc sử dụng trực quan hóa để biểu diễn liệu tượng Nó sử dụng đồ, vẽ khoa học, sơ đồ liệu từ hàng ngàn năm trước Đồ họa máy tính từ đời sử dụng để nghiên cứu vấn đề khoa học Tuy nhiên, ngày đầu thiếu lực đồ họa hạn chế lợi ích chúng Tầm quan trọng trực quan hóa năm 1987 xuất “Visualization in Scientific Computing, a special issue of Computer Graphics” Từ có vài hội nghị, hội thảo bảo trợ IEE Computer Society ACM SIGGRAPH dành cho chủ đề thông thường lĩnh vực đặc biết trực quan hóa khối lượng trung bình trạng thái giao thông tuyến Biểu đồ thể giá trị tổng hợp trạng thái giao thông theo thời gian Dữ liệu qua ngày tổng hợp để xây dựng biểu đồ Do thời gian kéo dài nên biểu đồ có biểu đồ phụ phía để người dùng phóng tới thời điểm cần quan tâm để xem chi tiết Chức có lựa chọn xem biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông theo thời điểm lấy liệu xem biểu đồ tổng hợp trạng thái giao thông ngày, tuần, tháng, năm - Tiện ích chọn vào thời điểm thể trạng thái giao thông tổng hợp biểu đồ đồ hiển thị trạng thái giao thông tuyến phố thời điểm - Chức lựa chọn thời gian để xem trực quan liệu trạng thái giao thông cho phép người dùng chọn thời gian quan tâm để xem - Chức phóng biểu đồ để xem biểu đồ trạng thái giao thông tổng hợp mức khác nhau: Biểu đồ thể trạng thái giao thông trung bình theo thời điểm lấy mẫu, theo ngày, theo tuần, theo tháng, năm - Chức cập nhật liệu theo thời gian thực Hệ thống tự động cập nhật liệu để hiển thị trạng thái giao thông có sở liệu 3.1.3 Lược đồ sở liệu Dữ liệu sau chuẩn hóa, đưa vào sở liệu phục vụ trực quan hóa gồm có 02 bảng lưu trữ sở liệu PostgreSQL/PostGIS lưu thông tin tình trạng giao thông tuyến đường, 04 bảng lưu thông tin tình trạng giao thông tổng hợp theo ngày, tuần, tháng, năm Lược đồ sở liệu hệ thống hình 3.3 55 Hình 3.3: Lược đồ sở liệu Mô tả cụ thể bảng liệu lược đồ sở liệu: Bảng Thông tin trạng thái giao thông Mã bảng: tb_traffic Kiểu liệu: Bảng liệu Mô tả: Bảng liệu tb_traffic thể thông tin trạng thái giao thông tuyến đường xác định thời điểm cụ thể Các trường liệu bảng tb_traffic: STT Mã trường ID Tên trường Kiểu liệu bigint Mã Mô tả Khóa bảng liệu road_id int Mã tuyến đường Mã tuyến đường khảo sát status int Trạng thái Dạng số khoảng từ 05 lưu giá trị tình trạng giao thông tuyến đường Giá trị lớn ứng với tình trạng đường tắc nghẽn Các mức cụ thể gồm: 0: Thông thoáng 1: Dễ 2: Hơi đông 56 3: Đông đúc 4: Tắc 5: Tắc nghẽn time datetime Thời gian Thời điểm có liệu đánh giá tình trạng giao thông duration int Khoảng thời gian Khoảng thời gian trì tình trạng giao thông tính phút description ntext Mô tả Mô tả thêm thông tin trạng thái giao thông Bảng 3.1: Trường liệu thông tin trạng thái giao thông Bảng Thông tin tuyến đường giao thông Mã bảng: tb_street Kiểu liệu: Bảng liệu Mô tả: Bảng liệu tb_ street thể thông tin tuyến đường xác định Các trường liệu bảng tb_ street: STT Mã trường ID Tên trường Kiểu liệu bigint Mã Mô tả Khóa bảng liệu Là mã tuyến đường khảo sát name ntext Tên tuyến đường Tên tuyến đường khảo sát direction int Hướng di chuyển Hướng di chuyển tuyến đường khảo sát Giá trị : 0: Tuyến phố hai chiều 1: Tuyến phố chiều từ điểm đầu đến điểm cuối -1: Tuyến phố chiều từ điểm cuối đến điểm đầu description ntext Mô tả 57 Mô tả thêm thông tin tuyến đường giao thông geom geometry Thông tin địa lý Dữ liệu địa lý tuyến đường (theo kiểu Polyline) Bảng 3.2: Trường liệu thông tin tuyến đường giao thông Thống kê trạng thái giao thông theo ngày Mã bảng: tb_day_statistics Kiểu liệu: Bảng liệu Mô tả: Bảng liệu tb_day_statistics thống kê trạng thái giao thông tổng hợp theo ngày Dữ liệu bảng liệu tổng hợp trung bình trạng thái giao thông hệ thống theo ngày Các trường liệu bảng tb_day_statistics: STT Mã trường ID Kiểu liệu bigint Tên trường Mã Mô tả Khóa bảng liệu day date Ngày thống kê Ngày thống kê liệu trạng thái giao thông trung bình status real Trạng thái giao thông Giá trị trạng thái giao thông trung bình ngày Bảng 3.3: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo ngày Thống kê trạng thái giao thông theo tuần Mã bảng: tb_week_statistics Kiểu liệu: Bảng liệu Mô tả: Bảng liệu tb_week_statistics thống kê trạng thái giao thông tổng hợp theo tuần Dữ liệu bảng liệu tổng hợp trung bình trạng thái giao thông hệ thống theo tuần Các trường liệu bảng tb_week_statistics: STT Mã trường ID Kiểu liệu bigint Tên trường Mã 58 Mô tả Khóa bảng liệu week date Tuần thống kê Ngày đại diện (đầu tiên) tuần thống kê liệu trạng thái giao thông trung bình status real Trạng thái giao thông Giá trị trạng thái giao thông trung bình tuần Bảng 3.4: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo tuần Thống kê trạng thái giao thông theo tháng Mã bảng: tb_month_statistics Kiểu liệu: Bảng liệu Mô tả: Bảng liệu tb_ month _statistics thống kê trạng thái giao thông tổng hợp theo tháng Dữ liệu bảng liệu tổng hợp trung bình trạng thái giao thông hệ thống theo tháng Các trường liệu bảng tb_ month _statistics: STT Mã trường ID Kiểu liệu bigint Tên trường Mã Mô tả Khóa bảng liệu month date Tháng thống kê Ngày đại diện (đầu tiên) tháng thống kê liệu trạng thái giao thông trung bình status real Trạng thái giao thông Giá trị trạng thái giao thông trung bình tháng Bảng 3.5: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo tháng Thống kê trạng thái giao thông theo năm Mã bảng: tb_year_statistics Kiểu liệu: Bảng liệu 59 Mô tả: Bảng liệu tb_ year _statistics thống kê trạng thái giao thông tổng hợp theo năm Dữ liệu bảng liệu tổng hợp trung bình trạng thái giao thông hệ thống theo năm Các trường liệu bảng tb_ year _statistics: STT Mã trường ID Tên trường Kiểu liệu bigint Mã Mô tả Khóa bảng liệu year date Năm thống kê Ngày đại diện (đầu tiên) năm thống kê liệu trạng thái giao thông trung bình status real Trạng thái giao thông Giá trị trạng thái giao thông trung bình năm Bảng 3.6: Trường liệu thống kê trạng thái giao thông theo năm 3.2 Xây dựng ứng dụng thử nghiệm 3.2.1 Môi trường ứng dụng - Thiết lập môi trường phát triển PHP với thư viện javascript giới thiệu: D3.js, Heatmap.js, Leaflet.js, leaflet-heatmap.js - Máy chủ web: Apache - Hệ quản trị sở liệu: PostgreSQL/PostGIS - Google Maps API: để khai thác dịch vụ đồ Google 3.2.2 Dữ liệu thử nghiệm Dữ liệu tạo để phục vụ thử nghiệm hệ thống khoảng thời gian từ 01/06/2014 đến 30/7/2015 theo lược đồ sở liệu: Dữ liệu đường giao thông: đoạn đường gồm: - Ngã ba Phạm Văn Đồng - Trần Quốc Hoàn (Hướng cầu Thăng Long) - Ngã ba Phạm Văn Đồng - Hoàng Quốc Việt (Hướng cầu Thăng Long) - Ngã ba Phạm Văn Đồng - Hoàng Quốc Việt (Hướng Phạm Hùng) - Ngã tư Khuất Duy Tiến - Nguyễn Trãi (Hướng Nguyễn Xiển) - Ngã tư Nguyễn Trãi - Nguyễn Xiển (Hướng Ngã Tư Sở) Dữ liệu trạng thái giao thông: 60 Dữ liệu sinh ngẫu nhiên cho toàn đoạn đường khoảng thời gian từ 01/06/2014 đến 30/7/2015, thời điểm lấy liệu trạng thái giao thông 15 phút/lần Tổng số 198.890 ghi liệu Dữ liệu thống kê trạng thái giao thông tổng hợp theo ngày, tuần, tháng: Theo yêu cầu, liệu tính toán cập nhật tự động sở liệu vào cuối ngày, tuần, tháng Dưới FUNCTION tính liệu trạng thái giao thông trung bình ngày (tính toán cho tuần, tháng làm tương tự) cài đặt PostgreSQL: CREATE FUNCTION f_lv_tbngay(IN fromdate date, IN todate date) RETURNS SETOF f_lv_tbngay AS $BODY$ DECLARE r somefun_type; query text := ''; var_match somefun_type; BEGIN query := 'SELECT b.dt::date as dt, 1.25 FROM tb_traffic b where b.dt>='''||cast(fromdate as date)||''' and b.dt