城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS 數(shù)據(jù)模型

孫偉偉，劉 春，2，林航飛，謝思銘

（1.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)量與國(guó)土信息工程系，上海200092；2.現(xiàn)代工程測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.同濟(jì)大學(xué) 交通工程系，上海201804）

城市道路網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性不僅表現(xiàn)為包含非常細(xì)致復(fù)雜的交通要素，如路段、道路交叉口及交通設(shè)施等，而且具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征，如交叉口不停地產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移流量、交通阻塞的形成與傳播及消散等具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性[1].更重要的是，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)道路網(wǎng)絡(luò)上的流量分布及其他動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有巨大影響，尤其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是交通擁堵的重要原因.T－GIS（transportation－geographic information system）基于傳統(tǒng)GIS技術(shù)，能夠表達(dá)城市道路網(wǎng)絡(luò)中各類信息及拓?fù)潢P(guān)系并處理網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的時(shí)空變化信息.T－GIS數(shù)據(jù)模型最初采用線性參考體系和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)表達(dá)道路要素，如文獻(xiàn)[2]的NCHRP線性參考模型、文獻(xiàn)[3]的Dueker和Buter的Enterprise T－GIS數(shù)據(jù)模型等.在導(dǎo)航應(yīng)用基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]提出導(dǎo)航T－GIS數(shù)據(jù)模型，文獻(xiàn)[5]提出基于車道的城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型.近年來(lái)，隨著時(shí)態(tài)GIS概念引入交通領(lǐng)域，文獻(xiàn)[6]通過(guò)添加交通特征的時(shí)空描述提出面向交通管理的時(shí)空T－GIS數(shù)據(jù)模型，文獻(xiàn)[7]基于面向?qū)ο蠓椒ê徒y(tǒng)一建模語(yǔ)言模型，提出滿足城市交通事故管理的T－GIS數(shù)據(jù)模型，文獻(xiàn)[8]基于面向?qū)ο蟮姆椒ㄌ岢龆喑叨榷嗄Ｊ降腡－GIS數(shù)據(jù)模型.當(dāng)前城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型的對(duì)比如表1.由表1可見(jiàn)，雖然城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型已有一些研究成果，但存在兩大問(wèn)題：①只針對(duì)單一特定功能，不能滿足城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)的多功能需求，如路網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善及流量分析研究等；②交通要素描述不細(xì)致，不能滿足復(fù)雜交通要素的建模需求，如交通信號(hào)燈配時(shí)等.

表1 城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS模型對(duì)比Tab.1 Comparison of urban road network T－GIS data model

因此，本文從研究城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性出發(fā)，引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，根據(jù)城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜特性對(duì)城市道路T－GIS數(shù)據(jù)要求，采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ趯?shí)體描述和數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系表達(dá)2個(gè)方面構(gòu)建城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型，為交通規(guī)劃和管理部門提供科學(xué)理論指導(dǎo).

1 城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與T－GIS數(shù)據(jù)模型

大量的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)不同于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)卻具有統(tǒng)計(jì)特征稱為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[9].城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的大量研究表明，城市道路是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)合體，是多重交通功能的承載體，是混合型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[10].城市道路抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)有2種方法：原始法和對(duì)偶法[11].對(duì)偶法將道路視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、交叉口視為網(wǎng)絡(luò)的邊.而原始法基于GIS理念，拓?fù)浔磉_(dá)簡(jiǎn)單直接，將交叉口視為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、路段視為連接邊，通過(guò)實(shí)際距離進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?因此，通常利用原始法將城市交通網(wǎng)絡(luò)抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并利用TGIS數(shù)據(jù)模型進(jìn)行描述.

城市道路網(wǎng)絡(luò)還具有不同于抽象網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)湫再|(zhì)，如節(jié)點(diǎn)具有明確地理空間位置；邊是實(shí)體連接，具有明確意義；節(jié)點(diǎn)連接需要一定成本；節(jié)點(diǎn)連接邊的數(shù)目受物理空間的限制等[12].城市道路網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性，首先要求T－GIS數(shù)據(jù)模型細(xì)致表達(dá)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體對(duì)象及空間信息，并描述網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系；其次，能夠提供完備的城市交通動(dòng)力學(xué)研究數(shù)據(jù)，包括道路流量、車速和道路等級(jí)等，以分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)流量、費(fèi)用及阻塞的影響，進(jìn)而為緩解交通擁堵和完善道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等提供有效的交通控制服務(wù).

2 城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)綜合描述

城市道路包括路段和節(jié)點(diǎn)兩大實(shí)體要素.道路在T－GIS模型中有描述和計(jì)算兩大作用.

2.1 節(jié)點(diǎn)描述

節(jié)點(diǎn)是道路中斷的分界點(diǎn)，由3種方式產(chǎn)生：①道路交叉口；②道路起始和終止點(diǎn)；③交通小區(qū)出入口點(diǎn).現(xiàn)實(shí)道路（圖1a）與其他道路相交，D為交叉口節(jié)點(diǎn)，A，B為起始和終止節(jié)點(diǎn)（圖1b），C1和C2為交通小區(qū)出入口節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)具有表達(dá)和計(jì)算雙重作用，其描述采用3個(gè)層次（表2），數(shù)據(jù)層（level－0）、抽象層（level－1）和綜合層（level－2）.數(shù)據(jù)層描述節(jié)點(diǎn)圖形信息；抽象層存儲(chǔ)交叉口節(jié)點(diǎn)；綜合層描述抽象層中交叉口的轉(zhuǎn)向、渠化和信號(hào)配時(shí)信息，常規(guī)的T－GIS節(jié)點(diǎn)描述沒(méi)有該層.

（1）交叉口轉(zhuǎn)向。交叉口轉(zhuǎn)向描述車輛的轉(zhuǎn)向規(guī)則，與路徑誘導(dǎo)、交通流量分配等研究密切相關(guān).交叉口轉(zhuǎn)向通過(guò)“起始節(jié)點(diǎn)－交叉口節(jié)點(diǎn)－終止節(jié)點(diǎn)”描述，分為左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)和掉頭4種.圖2中，節(jié)點(diǎn)D－A－E為左轉(zhuǎn)，節(jié)點(diǎn)D－A－B為直行，D－A－C為右轉(zhuǎn)，D－A－D為掉頭.

（2）交叉口渠化和信號(hào)配時(shí)。交叉口渠化是微觀的轉(zhuǎn)向表達(dá)，以車道為基礎(chǔ)描述對(duì)象，表達(dá)進(jìn)口車道與出口車道之間的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出關(guān)系，對(duì)流量統(tǒng)計(jì)、轉(zhuǎn)向延誤分析等有重要作用.渠化通過(guò)起始路段、起始車道、終止車道和終止路段聯(lián)合表達(dá).圖3的交叉口A中，路段L1的車道1右轉(zhuǎn)到L2的1車道，L1的2車道右轉(zhuǎn)到L2的2車道.信號(hào)配時(shí)指交叉口的信號(hào)燈配制方案，其表達(dá)與交叉口和車道轉(zhuǎn)向關(guān)聯(lián)，通過(guò)渠化及信號(hào)配時(shí)方案共同表達(dá).

表2 節(jié)點(diǎn)信息的分層描述Tab.2 Stratified description of node information

2.2 路段描述

路段是2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的道路，相鄰路段間相互獨(dú)立.路段具有圖形表達(dá)和計(jì)算2種作用，因此描述采用3個(gè)層次（表3），車道層（l－0）、數(shù)據(jù)層（l－1）和合并層（l－2）.車道層描述路段車道類型和編號(hào)；數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)路段圖形；合并層用于路段車速計(jì)算及道路統(tǒng)計(jì)，而常規(guī)T－GIS的沒(méi)有該層.路段通常采用道路中心線表示，而特殊路段，如橋隧和高架橋、立交和高架路以及匝道等，其表達(dá)與常規(guī)路段不同.

表3 路段信息的分層描述Tab.3 Stratified description of lin k information

（1）橋隧和高架橋。橋隧和高架橋與其他路段立體相交（圖4a），產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)不會(huì)同時(shí)連接上下層道路.采用雙線表達(dá)，將橋隧或高架橋分為正反方向2個(gè)路段，使用各自中心線表達(dá).由于2個(gè)節(jié)點(diǎn)間僅允許1條路段，所以將橋隧或高架橋打斷，各形成2條路段（圖4b）.

（2）匝道和高架。高架是相對(duì)于地面路的快速路（圖5a）.將高架路分為正反方向2個(gè)路段，使用各自中心線表達(dá).高架下地面路采用中心線表達(dá)，匝道以道路中心線描述（圖5b）.

2.3 道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的屬性描述

城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性要求T－GIS模型提供交通動(dòng)力學(xué)研究的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以分析道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)交通流量及費(fèi)用和道路阻塞的影響及道路網(wǎng)絡(luò)的演化特性.城市道路網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)依附于節(jié)點(diǎn)和路段.

（1）節(jié)點(diǎn)屬性。常規(guī)T－GIS節(jié)點(diǎn)屬性僅考慮其幾何位置或名稱，忽略其作為城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)要素的特殊作用.節(jié)點(diǎn)既是網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)，又是流量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移及交通堵塞的關(guān)鍵部位.節(jié)點(diǎn)具有很多屬性。由于篇幅有限，僅列出部分屬性（表4）。

表4 節(jié)點(diǎn)部分屬性Tab.4 Part attribute for node

（2）路段屬性。路段屬性能夠完整描述道路實(shí)體，又為交通流量分配和路徑誘導(dǎo)等研究提供數(shù)據(jù)，這不同于常規(guī)T－GIS模型.路段具有很多屬性，如長(zhǎng)度和名稱、斷面形式、通行能力等.由于篇幅有限，表5僅列出部分屬性.

表5 路段部分屬性Tab.5 Part attribute for link

3 城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系

城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS模型一方面描述實(shí)體要素的圖形和屬性，另一方面需要準(zhǔn)確表達(dá)內(nèi)部復(fù)雜邏輯關(guān)系，滿足城市交通動(dòng)力學(xué)研究及網(wǎng)絡(luò)演化的計(jì)算需求，如圖6，其中，PK是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體信息表達(dá)的主鍵標(biāo)識(shí)，F(xiàn)K是與其他信息表相關(guān)聯(lián)的字段標(biāo)識(shí).路段描述分為3層，車道、路段和路段類型.路段和節(jié)點(diǎn)為城市道路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體要素，其他信息如交叉口轉(zhuǎn)向和渠化等都與兩者密切相關(guān).節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)、交叉口節(jié)點(diǎn)、交叉口轉(zhuǎn)向、渠化及信號(hào)配時(shí)3層聯(lián)合表達(dá).路段通過(guò)起始路段和終止路段編號(hào)與節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)；交叉口節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián).交叉口渠化、車道和交叉口節(jié)點(diǎn)相互關(guān)聯(lián)，共同描述交叉口車道轉(zhuǎn)向；交叉口節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向相互關(guān)聯(lián)，共同描述轉(zhuǎn)向規(guī)則；信號(hào)配時(shí)與轉(zhuǎn)向、交叉口節(jié)點(diǎn)及信號(hào)控制相關(guān)，通過(guò)信號(hào)控制、信號(hào)控制關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)、信號(hào)組、信號(hào)控制關(guān)聯(lián)車道渠化及交叉口共同描述.通過(guò)以上要素復(fù)雜邏輯關(guān)系全面描述城市道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜特性.

圖6 城市道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系Fig.6 Logical relationship of urban road network data

4 城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS模型應(yīng)用

城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型已成功應(yīng)用于某城市信息化建設(shè)項(xiàng)目中，為交通仿真和路況發(fā)布提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù).

城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)包含路段和節(jié)點(diǎn)及其動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)屬性，如交叉口延誤、路段通行能力等，而且能夠表達(dá)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜的邏輯關(guān)系，如交叉口轉(zhuǎn)向、交叉口渠化及信號(hào)配時(shí).將T－GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入智能交通仿真軟件VISUM中，實(shí)現(xiàn)宏觀仿真模型運(yùn)算（圖7）.同時(shí)利用交叉口轉(zhuǎn)向、渠化和信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)模擬細(xì)部道路的車輛運(yùn)行及路段擁堵?tīng)顩r，為解決交通擁堵提供支持.另一方面，城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)表達(dá)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的時(shí)空拓?fù)潢P(guān)系，用于實(shí)時(shí)交通誘導(dǎo)服務(wù).T－GIS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集出租車全球衛(wèi)星定位（global positioning system，GPS）信號(hào)，利用車速匹配算法估算路段速度，通過(guò)地圖匹配和 Web GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路況信息的實(shí)時(shí)發(fā)布.在此基礎(chǔ)上，通過(guò)最短路徑計(jì)算，獲取當(dāng)前路況下的最佳出行方案，避開(kāi)擁堵路段，方便市民出行（圖8）.

對(duì)比現(xiàn)有的城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型，如LRS模型及多時(shí)態(tài)多模式T－GIS模型等，城市復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型更符合道路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜特性需求，能夠更好輔助解決城市交通中的矛盾.

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型難以滿足復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)的多功能需求.本文提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的城市道路網(wǎng)絡(luò)T－GIS數(shù)據(jù)模型框架，首先細(xì)致描述城市道路網(wǎng)絡(luò)實(shí)體要素，然后給出實(shí)體對(duì)象的部分屬性，最后從數(shù)據(jù)庫(kù)的角度詳細(xì)描述內(nèi)部的復(fù)雜邏輯關(guān)系.相比單一功能的T－GIS數(shù)據(jù)模型，文中所提的T－GIS模型在實(shí)踐中取得了很好的應(yīng)用效果，能夠協(xié)助交通動(dòng)力學(xué)研究及實(shí)時(shí)交通誘導(dǎo)服務(wù)，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值.

致謝：本文工作得到同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院光華創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和杭州市智能交通信息平臺(tái)（一期）示范工程項(xiàng)目的支持，并感謝杭州市交通研究中心工作人員的協(xié)助和建設(shè)性意見(jiàn).

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