地理信息系统在交通运输规划与管理中的应用研究.pdf

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1、Vol?17?No?2公?路?交?通?科?技2000 年 4 月JOURNAL OF HIGHWAY AND TRANSPORTAT ION RESEARCH AND DEVELOPMENT文章编号:1002?0268(2000)02?0030?03收稿日期:1999?05?05基金项目:国家自然科学基金资助项目(59638220)作者简介:杨兆升(1938-),男,辽宁复县人,吉林工业大学教授,博士生导师,研究方向为运输系统规划、智能运输系统和交通控制?地理信息系统在交通运输规划与管理中的应用研究杨兆升,刘红红(吉林工业大学交通学院,吉林?长春?130025)摘要:地理信息系统是为特定的应用

2、目标建立的空间信息系统,是在计算机软硬件和网络的支持下,为解决与地理位置有关的问题而建立起来的计算机技术系统。本文从交通运输规划和管理与地理信息系统结合的必要性入手,探讨了地理信息应用于交通问题的研究和分析需要解决的几个问题。关键词:地理信息系统;交通运输规划中图分类号:U495?文献标识码:AResearch on the Application of Geographic InformationSystemto TransportationPlanning and ManagementYANG Zhao?sheng,LI U Hong?hong(Jilin University of Te

3、chnology,Jilin?Changchun?130025,China)Abstract:Geographic Information System(GIS)is a spatial information system built for certain application and a computertechnique system established for solving the problems related to geographic situation with the aid of computer hardware,soft-ware and network.T

4、 o begin with the necessity of the combination of transportation planning and management with GIS,thispaper has studied the relative problems which must be solved if we use GIS to study and analyze traffic problems?Key words:Geographic Information System;Traffic planning1?交通管理与地理信息系统结合的必要性和可能性交通拥挤和交

5、通事故越来越严重地困扰着世界各国的大城市,解决这一问题的重大社会经济意义已为人们所共识。对此,人们提出了种种办法加以解决,归纳起来有两种:(1)利用行政手段改变交通流的运动规律,例如:通过工作时间的交错,如错开上下班的时间等,改变出行从而达到改变交通流的目的;确定某车道为单行道;在市中心建立步行区域等。(2)利用先进技术改善现有交通运输系统的状况。第二种办法一直被认为是解决交通问题的最佳途径,尤其是现代城市所产生的浩如烟海的交通信息,必须借助于电子计算机对信息进行采集、存储、分析和决策。而把地理信息系统应用于交通问题的研究被认为是交通运输规划与管理现代化的一个重要组成部分,因此,本文提出把交通

6、管理与地理信息系统结合起来研究具有必要性和迫切性。交通涉及的各种各样的信息除了具有信息量大、动态、不确定、复杂、非线性、时变等特征外,还具有明显的地理特征,这就决定了研究交通问题离不开地理图,同时不仅需要文字和图形描述的信息,还要对信息的文字和图形进行描述。把地理信息系统应用于交通,即把道路信息、交通信息以及交通事故等与地图结合在一起,可以直观地为决策人员提供有关信息和分析结果。2?地理信息系统应用于交通问题的研究和分析中需要解决的几个关键问题2?1?适于交通的地理信息的采集和输入由于现实世界中地理要素或现象的分布是连续的任意形态,而计算机能操作和处理的是离散的数据,只有在离散化的基础上,化无

7、限为有限才能对其进行描述。根据离散形式的不同,数据的采集和输入方式也多种多样。交通数据分为空间数据和属性数据,空间数据的获取方式有野外测量、摄影与遥感、现场调查、利用已有资料等。属性数据要求考虑以下属性:(1)路段的几何特性;(2)交通状况;(3)路段的建设情况;(4)道路收费情况;(5)信号控制装置的设置;(6)交通事故状况;(7)检测装置的类型与分布;(8)通讯设施等等。数据输入的常用方法有 5 种:(1)键盘输入;(2)图形数字化仪输入;(3)扫描仪输入;(4)坐标几何法输入;(5)对现有数据的转换。2?2?交通地图数据库的建立地理信息系统若应用于交通,必须具备快速的图示显示、动态轨迹显

8、示、灵活快速的信息查询和路径计算与选择等功能。因而设计地图数据库应遵循以下原则:图形结构简单,拓扑关系简单,冗余度小,图形刷新速度快,有良好的图形剪裁功能,非空间数据功能强。1?常见数据结构与模型存在的问题地图数据的种类繁多、数据量大、变化快,建立一个集中式、分功能型的地图数据结构存在理论和技术上的困难。现有的数据结构和模型都是针对具体问题设计而成的,既有各自特点,又存在局限性。例如:对偶独立地图编码(Dual lndependent Map En-code),又称 DIME,这种结构的主要缺点是:对复杂对象的操作困难。对于复杂对象,由于被多个共享的节点分开,没有建立索引,因此定位复杂对象只能

9、采用穷尽顺序搜索法。拓扑模型具有结构紧凑、冗余度低的特点,但数据结构复杂,拓扑结构建立较困难,导致空间查询和空间分析算法也相当复杂,计算时间长。2?交通地图数据库的建立本文采用在现有的 GIS 平台下(如 ARC/INFO,MapInfo 等)建立,这样需要将现有的地图数据转换成相应的 GIS 平台下数据,再利用 GIS 平台拓扑化功能将数据拓扑化,建立起完备的拓扑化的地图道路交通网络,通过外部的 DBMS 管理属性数据,从而完成各项复杂的功能。这样建立起来的地图数据库能够充分利用现有 GIS 平台的强大功能,如空间查询、网络分析等。对属性数据的管理采用关系模型,从数据库理论看,关系模型可以解

10、决层次模型和网络模型所能解决的全部问题,并且数据结构清晰,便于管理。象dBase、FoxBASE 等微机上的关系数据库,已广泛为用户接受,并具有方便的用户接口。2?3?交通问题中数据的分析与处理1?信号交叉口服务水平分析道路或路网的总行车延误中,交叉口延误所占比例一般都在 80%以上,对交叉口的分析具有重要意义。采用 GIS 技术,可以直观地显示交叉口的类型、进口道的车道数、宽度、坡度、渠化情况以及交通控制装置及有无停车站点等,这就为交叉口服务水平的分析提供了直观空间信息。分析采用的主要评价指标为机动车停车延误,包括:进口道停顿延误计算、路口平均停车延误计算、整个路口服务水平定级。目前广泛采用

11、经现场观测与计算机模拟研究,由英国韦伯斯特提出的信号控制下计算单车延误的公式?d=c(1-?)22(1-?x)+x22q(-x)-0?65cq213x(2+5?)式中,d?进口道单车平均停车延误,s/veh;c?周期长,s;?进口道绿信比;q?交通流量;x?进口道饱和度。饱和度 x 0?8 时,采用下列公式d=0?38c(1-?)2(1-?x)+173?x2(x-1)+(x-1)2+16xc计算得到 d 后,根据HCM 信息交叉口服务水平标准为交叉口服务水平定级。2?路径分析和最佳路径选择GIS 编辑显示和查询功能为用户提供的是信息服务,不能为用户提供直接的决策支持。路径的分析计算是求解从出发

12、点到目的点符合条件的路径,使 GIS从只能提供信息服务到可供选择路径的决策支持。最佳路径的选择采用弗洛伊德算法(Floyd),算法的基本原理是:假设求从节点 Ni的最佳路径,如果从 vi到 vj有弧(公路),则从 vi到 vj存在一条耗费值 cost i,j 的路径,该路径不一定为最佳路径,需进行 n 次试探。首先考虑路径(vi,v1,vj)地理信息系统在交通运输规划与管理中的应用研究?杨兆升等?是否存在。如果存在,则比较(vi,vj)和(vi,v1,vj)的路径长度,取长度较短者为从 vi到 vj的中间顶点的序号不大于 1 的最短路径。假如在路径上再增加 一个顶点 v2,也就 是说,如果(v

13、i,?,v2),(v2,?,vj)分别是当前找到的中间顶点的序号大于 1 的最短路径,那么(vi,?,v2,?,vj)就有可能是从 vi到 vj中间顶点序号不大于 2 的最短路径,将它和已得到的从 vi到 vj中间序号不大1的最短路相比较,从中选出中间顶点的序号不大于2的最短路径之后,再增加一个顶点 v3,继续进行试探,依次类推。在一般情况下,若(vi,?,vk)和(vk,?,vj)分别是从 vi到 vk和从vk到vj的中间顶点的序号不大于k-1 的最短路径,则将(vi,?,vk,?,vj)和已经得到的从 vi到vj且中间顶点序号不大于k-1 的最短路径相比较,其长度较短者便是从 vi到vj的

14、中间顶点的序号不大于k 的最短路径。这样,在经过 n 次比较后,最后求得的必是从 vi到vj的最短路径。按此方法,可以同时求得各对顶点间的最短路径。C 语言编制的电子地图最佳路径算法如下。Void Best-Route()for(i=o;i Num-Node;i+)for(j=o;j Num-Node;j+)length i j=cost i j;for(i=o;i Num-Node;i+)length i j=0;path i=0;for(k=0;k Num-Node;k+)for(i=0;i Num-Node;i+)for(j=0;j Num-Node;j+)?if(length i k)

15、+length k j)length i j)?length i j=length i k+length k j;?path i j=path i k+path k j;?其中 path i j 为从节点 vi到 vj的最短路径。length i j 为相应的最短长度。3?GIS在交通运输规划和管理中的应用研究1?交通运输网络规划运输系统规划是对区域和城市运输系统的预测和优化研究,分近期和远期规划,近期规划是一个实时处理系统,根据各段道路车辆通行情况、物流、人流,实时调度车辆;远期规划是通过长期对各路段交通状况数据进行统计分析,结合经济人口发展状况进行道路路网的规划。另外利用 GIS 的缓冲区

16、分析功能,在公路网规划中,以道路中心线为主体,产生该中心线的等距线可确定公路的用地范围或据此判断拓宽道路要动迁多少居民等。2?事故的定位、预测和分析将交通事故数据文件和 GIS 集成为一个整体,开发出事故定位系统,可以形象直观地报告事故地点、性质和原因,并对各事故点的发生频率比较,找出事故多发地段,结合现有道路条件进行事故预测。系统定义了路标层,它的作用在于便于分析学校、影院等所诱发的交通量。3?对车辆的诱导车辆在运行中,有关道路图、停车设施、道路属性、购物及游览信息直观地呈现在驾驶员面前,并提示车辆的当前位置,帮助驾驶员搜索到达目的地的最佳路径。4?道路设施的管理将路网实体数据和属性数据以分

17、路段的方式与地理坐标联系起来,可以进行路面质量的管理和路面维修管理,对信号装置以及桥梁的维护进行管理。5?环境监控汽车排放废气、制造噪音,对环境造成污染,为了有效控制污染程度,对环境进行监控十分必要。利用传感器和传输线路与主控计算机相连,对传感器获得的数据分析处理,及时汇报管理部门以便做出决策。4?结语把GIS 应用于交通,能对空间信息和非空间信息如自然、社会、经济等属性信息同时进行分析和处理。同时 GIS 的结果大多以图形方式表示,直观上除反映量的概念,还能反映区域分布的差异性,这显然比以统计报表输出的管理信息系统更便于应用。GIS 技术的诞生,以及为解决交通问题进行的GIS 功能二次开发,

18、为处理具有地理特征的交通信息提供了新的技术手段。(下转第 41 页)公路交通科技?2000 年?第 2 期?=15,f3=12,f4=13;路段阻抗函数用(1)表示,参数取值为:?=0?5,?=4,m=2,?=0?5。图 3?数值算例表 1 为算例的上机计算结果,图 3 的网络中,路径流量即路段流量。种群数为 200,迭代 130 次时得到 SUE 路 段流量 解(90?997,90?997,112?063,112?063,96?941,96?941),各条公交线路上的客流量根据式(4)计算。实验结果符合本文中提出的乘客选择路径的原则(式(5),说明提出的模型和算法是可行的,能真实地反映路网的

19、状态。另外,调整模型参数?的值,可以适用于不同导驶信息水平的公交路网。?GA 解数值例子的结果表 1种群规模迭代次数MG路径流量h1h2h3路径阻抗c1c2c3适应值p502096?752113?58789?6614?5022?0852?965143?141803092?684111?22096?0944?1422?0003?396144?189854090?179112?82696?9963?9242?0573?459144?190703091?676112?15696?1684?0532?0343?401144?21320010090?997112?06396?9413?9942?0303

20、?455144?21820011090?997112?06396?9413?9942?0303?455144?21820013090?997112?06396?9413?9942?0303?455144?2187?结束语遗传算法解决公交 SUE 问题,既简单又有效,相对于传统的 SUE 求解方法,如 MSA,更能显示出运行速度快及并行处理的优越性。遗传算法应用于求解大规模网络均衡配流问题是值得今后深入研究的一个课题。参考文献:1?J De Cea,E Fermandez.T ransit Assignment for Congested PublicT ransport System:An E

21、quilibriummodel.Trans.Sci,1993(27).2?M Florian.A Traffic Equilibrium Model of Travel by Car and PublicT ransit Modes.T ransportation Sci,1977(8).3?J H Wu,M Florian,P Marcotte.Transit Equilibrium Assignment:A Model and Solution Algorithms.Trans.Sci,1994(28).4?林兴强,高自友.拥挤状态下城市公共交通流的随机用户平衡配流模型.第八届中国土木工程

22、学会论文集,1998.5?四兵峰,高自友.城市公交网络均衡配流模型及算法的研究.公路交通科技,1998,15(3)6?S Nguyen,S Pallotino.Equilibrium Traffic Assignment for LargeScale Transit Networks.Eur.J.Opni.Res,1988(37).7?刘勇等.非数值并行算法?遗传算法.科学出版社,1997.8?W H K Lam,Z Y Gao.A Stochastic U ser Equilibrium AssignmentModel for Congested T ransit Networks.T ra

23、nsportation ResearchB,1999(33).9?林 兴强,高自友.A capacity Restraint Assignment Model forCongested Public Transportation System.Beijing:Proceedings ofICT T?S 98,1998.(上接第 32 页)参考文献:1?Mohamed A?Abdel-Aty?81.Route Choice Models U sing GIS-Based Alternative Routes And Hypothetical Travel Time Informa-tion In

24、put.T ransportation Research Board 74thAnnual M eeting,Jan 22 28,1995?2?Wendea,O?Neill.Developing Optimal Transportation AnalysisZones Using GIS.IT E Journal,Des 1991,33-35?3?李德仁等?地理信息系统导论?测绘出版社,1993?4?王树禾?图论及其算法?合肥:中国科学技术大学出版社?5?Bancilhon F?面向对象的数据库结构?计算机科学,1988(6).6?詹舒波?导航电子地图技术及应用研究?北京航空航天大学博士学位论文,1997?用遗传算法求解拥挤条件下的公共交通随机用户平衡配流模型?姜?虹等?