GIS在交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理中的應(yīng)用＊

索明亮 梁艷平

（北京交通大學(xué)城市交通復(fù)雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044）

0 引 言

地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）是指在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)方法，對(duì)地表空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、顯示、查詢、操作、分析和建模，以提供對(duì)資源、環(huán)境和區(qū)域等方面規(guī)劃、管理、決策和研究的人－機(jī)系統(tǒng).在GIS技術(shù)不斷發(fā)展下，目前GIS的應(yīng)用已從基礎(chǔ)信息管理與規(guī)劃轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的區(qū)域開發(fā)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，甚至與衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合用于全球監(jiān)測(cè)，成為重要的輔助決策工具.本文從地理信息系統(tǒng)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，分析了交通地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、數(shù)據(jù)分析與處理等GIS應(yīng)用于交通需要解決的關(guān)鍵問題，最后預(yù)測(cè)并設(shè)想了GIS在交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理中的城市道路設(shè)計(jì)、車輛誘導(dǎo)、城市交通預(yù)測(cè)、城市交通設(shè)施管理幾個(gè)方面的應(yīng)用.

1 GIS在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

交通規(guī)劃中經(jīng)常要涉及到人口、國(guó)民經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，各類城市規(guī)劃的用地與規(guī)模，道路長(zhǎng)度等級(jí)與通行能力，交通量，交通分區(qū)等眾多內(nèi)容，用地理信息系統(tǒng)來管理，可以在兼容接口的條件下接收上述大部分現(xiàn)有數(shù)據(jù)，大幅度減少各部門數(shù)據(jù)調(diào)查和數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間和工作，從而縮短規(guī)劃項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期，提高工作效率［1］.現(xiàn)在許多大城市（如北京、上海、廣州等）規(guī)劃，大都采用了美國(guó)MapInfo公司研制的GIS軟件平臺(tái)MapInfo桌面地理信息系統(tǒng)軟件將交通規(guī)劃與GIS相結(jié)合，對(duì)城市的綜合交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，效果良好.圖1表示的是交通規(guī)劃中利用MapInfo繪制的北京市公路交通數(shù)據(jù)采集與發(fā)布設(shè)施布設(shè)現(xiàn)狀圖，對(duì)路網(wǎng)上的交調(diào)設(shè)備，視頻監(jiān)控設(shè)備，可變情報(bào)板等基本設(shè)施進(jìn)行了布設(shè)、屬性標(biāo)注和管理.

數(shù)據(jù)真正的價(jià)值不在于海量的原始數(shù)據(jù)而在于在此基礎(chǔ)上的實(shí)用分析，GIS系統(tǒng)的決勝之處就在于它的智能性，能將數(shù)據(jù)合理地分化、分析，并能用一些易于觀看、簡(jiǎn)練的表達(dá)方式，如一些統(tǒng)計(jì)圖表、分區(qū)圖、專題圖等.如北京市交管局從2000年起開始啟動(dòng)的北京交通治理地理信息系統(tǒng)建設(shè)（見圖1），該系統(tǒng)采用的是基于RSRI產(chǎn)品構(gòu)架的GIS平臺(tái)，它以專業(yè)化、綜合性、可視化的基礎(chǔ)地理信息為基礎(chǔ)，綜合集成現(xiàn)有系統(tǒng)，將監(jiān)控視頻、交通控制信號(hào)、交通違章監(jiān)測(cè)等的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息等各種數(shù)據(jù)采集起來進(jìn)行集中治理、分析，以便交通治理人員做出快速響應(yīng)，從而達(dá)到疏導(dǎo)交通、緩解擁堵的目標(biāo)，進(jìn)一步提高北京市交通治理的現(xiàn)代化水平.

圖1 北京市路網(wǎng)設(shè)施規(guī)劃總體效果圖

2 GIS應(yīng)用于交通需要解決的關(guān)鍵問題

2.1 交通地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

地理信息系統(tǒng)若應(yīng)用于交通，必須具備快速的圖示顯示、動(dòng)態(tài)軌跡顯示、靈活快速的信息查詢和路徑計(jì)算與選擇等功能.因而設(shè)計(jì)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)遵循以下原則：圖形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單，冗余度小，圖形刷新速度快，有良好的圖形剪裁功能，非空間數(shù)據(jù)功能強(qiáng).

1）常見數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型存在的問題 地圖數(shù)據(jù)的種類繁多、數(shù)據(jù)量大、變化快，建立一個(gè)集中式、分功能型的地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在理論和技術(shù)上的困難.現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模型都是針對(duì)具體問題設(shè)計(jì)而成的，既有各自特點(diǎn)，又存在局限性.尤其是復(fù)雜對(duì)象，由于被多個(gè)共享的節(jié)點(diǎn)分開，沒有建立索引，因此定位復(fù)雜對(duì)象只能采用窮盡順序搜索法.拓?fù)淠Ｐ途哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低的特點(diǎn)，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立比較困難，導(dǎo)致空間查詢和空間分析算法也相當(dāng)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)［2］.

2）交通地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建立 采用現(xiàn)有的GIS平臺(tái)（如 MapInfo、ArcGIS等），將現(xiàn)有的地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的GIS平臺(tái)下的數(shù)據(jù)，再利用GIS平臺(tái)拓?fù)浠δ軐?shù)據(jù)拓?fù)浠?，建立起完備的拓?fù)浠牡貓D道路交通網(wǎng)絡(luò)，通過外部的DBMS管理屬性數(shù)據(jù)，從而完成各項(xiàng)復(fù)雜的功能.這樣建立起來的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)能夠充分利用現(xiàn)有GIS平臺(tái)的強(qiáng)大功能，如空間查詢、網(wǎng)絡(luò)分析等［3］.

2.2 交通問題中的數(shù)據(jù)分析與處理

1）信號(hào)交叉口服務(wù)水平分析 道路或路網(wǎng)的總行車延誤中，交叉口延誤所占比例一般都在80%以上，對(duì)交叉口的分析具有重要意義.采用GIS技術(shù)，可以直觀地顯示交叉口的類型、進(jìn)口道的車道數(shù)、寬度以及交通控制裝置等，這就為交叉口服務(wù)水平的分析提供了直觀空間信息.分析采用的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為機(jī)動(dòng)車停車延誤.目前用于直行優(yōu)先信號(hào)控制交叉口進(jìn)口道延誤計(jì)算模型主要有英國(guó)TRRL的韋伯斯特（Webster）模型和美國(guó)HCM延誤模型.

Webster交叉口進(jìn)口車道延誤模型為

式中：d為每輛車的平均延誤；c為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)；λ為綠信比；q為標(biāo)準(zhǔn)化交通量；X為飽和度［4－7］.

式（1）中，第1項(xiàng)是均勻車輛到達(dá)率所產(chǎn)生的延誤；第2項(xiàng)是車輛到達(dá)隨機(jī)性所產(chǎn)生的延誤；第3項(xiàng)是由模擬法求出的補(bǔ)償項(xiàng).該公式只適用于飽和度X＜1.

計(jì)算得到d后，再根據(jù)HCM信息交叉口服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)為交叉口服務(wù)水平定級(jí).

HCM延誤模型為

式中第1項(xiàng)是均勻車輛到達(dá)率所產(chǎn)生的延誤；第2項(xiàng)是隨機(jī)到達(dá)或超飽和流所產(chǎn)生的延誤.該式主要適用于飽和度X≤1.2時(shí).

2）最佳路徑分析與選擇 GIS能夠進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)中徑路的分析計(jì)算，從而提供最佳徑路以供選擇，如：距離最短，費(fèi)用流最小，時(shí)間最省等.

本文的最短徑路算法采用標(biāo)號(hào)法，即Dijkstra法［8－9］.Dijkstra算法的基本原理是：假設(shè)每個(gè)點(diǎn)都有一對(duì)標(biāo)號(hào)（dj，pj），其中dj是從起源點(diǎn)s到點(diǎn)j的最短路徑的長(zhǎng)度（從頂點(diǎn)到其本身的最短路徑是零路（沒有弧的路），其長(zhǎng)度等于零）；pj則是從s到j(luò)的最短路徑中j點(diǎn)的前一點(diǎn).

求解從起源點(diǎn)s到點(diǎn)j的最短路徑算法的基本步驟如下.

步驟1初始化.起源點(diǎn)設(shè)置為：（1）ds＝0，ps為空；（2）所有其他點(diǎn)：di＝∞，pi＝∞；（3）標(biāo)記起源點(diǎn)s，記k＝s，其他所有點(diǎn)設(shè)為未標(biāo)記的.

步驟2檢驗(yàn)從所有已標(biāo)記的點(diǎn)k到其直接連接的未標(biāo)記點(diǎn)j的距離，并設(shè)置dj＝min｛dj，dk＋lkj｝.式中：lkj為從點(diǎn)k到j(luò)的直接連接距離.

步驟3選取下一個(gè)點(diǎn).從所有未標(biāo)記的結(jié)點(diǎn)中，選取dj中最小的一個(gè)i：di＝min｛dj，所有未標(biāo)記的點(diǎn)j｝.點(diǎn)i就被選為最短路徑中的一點(diǎn)，并設(shè)為已標(biāo)記的.

步驟4找到點(diǎn)i的前一點(diǎn).從已標(biāo)記的點(diǎn)中找到直接連接到點(diǎn)i的點(diǎn)j＊，作為前一點(diǎn)，設(shè)置：i＝j(luò)＊.

步驟5標(biāo)記點(diǎn)i.如果所有點(diǎn)已標(biāo)記，則算法完全推出，否則，記k＝i，轉(zhuǎn)到步驟2再繼續(xù).

以下是C＋＋語(yǔ)言編制的單源最短路徑算法，代碼如下：

輸入圖形數(shù)據(jù)時(shí)，圖用鄰接矩陣表示.

運(yùn)行程序后，即能夠求出源點(diǎn)到各頂點(diǎn)的最短路長(zhǎng).

3 GIS在交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理中的應(yīng)用性研究

1）城市道路設(shè)計(jì) 在以往的城市道路設(shè)計(jì)中，工作量不僅大而且效率低下，現(xiàn)運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)將使設(shè)計(jì)者的效率大為提高.如：在城市GIS交通專題信息系統(tǒng)上利用GIS的動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行仿真、模擬、然后進(jìn)行評(píng)估，使方案滿足于當(dāng)前的需要，預(yù)測(cè)出一定的發(fā)展空間.此外，還可以利用GIS中的疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、緩沖區(qū)分析等對(duì)道路的寬度、長(zhǎng)度、最優(yōu)路徑的選擇進(jìn)行設(shè)置.GIS中的三維拓?fù)渖?，還可以使道路立體化，根據(jù)不同路段規(guī)劃哪些地方需要建設(shè)立體交叉，哪里該設(shè)公交?？空军c(diǎn)等.

2）車輛誘導(dǎo) 利用GIS技術(shù)開發(fā)出的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅可以使駕駛員在車輛運(yùn)行中直接查看道路圖、停車設(shè)施、商業(yè)點(diǎn)和旅游景區(qū)，而且還可以幫助駕駛員快速找到去往目的地的最佳路徑，從而縮短旅行時(shí)間.此外，導(dǎo)航系統(tǒng)還兼有對(duì)各路段交通現(xiàn)時(shí)擁堵狀況的分析功能，避免駕駛員駛?cè)虢煌ǘ氯麉^(qū)，從而節(jié)約行駛時(shí)間.

3）城市交通預(yù)測(cè) 在城市交通規(guī)劃與管理過程中，需要處理的數(shù)據(jù)量往往很大.采用的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜，規(guī)劃成果或分析結(jié)果的表示也要求多樣化.利用GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、圖形顯示功能，尤其是空間分析功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)交通需求預(yù)測(cè)、車流路徑選擇、道路通行能力分析、交通質(zhì)量評(píng)價(jià)等.

4）城市交通設(shè)施管理 利用地理信息系統(tǒng)軟件（如ArcGIS、Mapinfo）本身所具有的功能，首先建立綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，需要對(duì)一個(gè)城市交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，這種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)包含路網(wǎng)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)概念上交通流分布，即需要?dú)v史數(shù)據(jù)或大量的實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)作為路網(wǎng)構(gòu)架的基礎(chǔ)；其次交通流覆蓋的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)各種交通控制方式，在路網(wǎng)上的道路交叉口應(yīng)用圖層建立交通信號(hào)控制對(duì)象，控制相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中；最后建立交通設(shè)施靜態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)路網(wǎng)中的各類靜態(tài)交通設(shè)施（各種路標(biāo)、指示牌、紅綠燈設(shè)備、檢測(cè)線圈等等）的所屬信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與查詢，并將路網(wǎng)實(shí)體數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以分路段的方式與地理坐標(biāo)聯(lián)系起來，從而對(duì)各種交通設(shè)施進(jìn)行維護(hù)與管理.

4 結(jié)束語(yǔ)

城市交通網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)城市的發(fā)展中占有至關(guān)重要的地位，如何在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，利用現(xiàn)代科技對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和管理是擺在我們面前亟需解決的問題.本文利用GIS技術(shù)能對(duì)空間信息和非空間信息同時(shí)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)將結(jié)果以圖形（統(tǒng)計(jì)圖、專地圖等）方式顯示，將其應(yīng)用于交通領(lǐng)域，不僅直觀，而且差異性明顯，而且能為解決交通問題進(jìn)行二次開發(fā)，為處理具有地理特征的交通信息提供了新的技術(shù)手段.

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