地理信息技術(shù)在公路運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性分析中的應(yīng)用

張耀允，戴　瑋

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥市 230088）

地理信息技術(shù)在公路運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性分析中的應(yīng)用

張耀允，戴瑋

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 合肥市 230088）

分析了當(dāng)前公路項(xiàng)目運(yùn)行速度預(yù)測缺乏空間支持的不足，探討利用GIS進(jìn)行運(yùn)行速度預(yù)測計(jì)算的流程和關(guān)鍵點(diǎn)，最后利用實(shí)際公路項(xiàng)目數(shù)據(jù)，基于GIS進(jìn)行運(yùn)行速度的計(jì)算單元確定、建模、計(jì)算、分析與結(jié)果輸出，討論了將GIS作為公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)基本手段的可行性。

運(yùn)行速度；GIS；公路路線

1　引言

公路項(xiàng)目的安全性評(píng)價(jià)是從行車安全性的角度對公路項(xiàng)目的可行性研究、設(shè)計(jì)成果及運(yùn)營公路進(jìn)行評(píng)價(jià)，達(dá)到減少交通事故，降低交通事故危害的目的。隨著我國新建公路和運(yùn)營公路的快速增長，對公路的安全性評(píng)價(jià)的需求越來越迫切。公路運(yùn)行速度V85預(yù)測計(jì)算是公路安全性評(píng)價(jià)首先面臨的問題，研究者提出了許多運(yùn)行速度預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，論證了不同自然條件、不同鋪裝材料和不同車輛對運(yùn)行速度的影響。在實(shí)際運(yùn)用中，這些模型大部分是以電子表格的形式進(jìn)行計(jì)算與分析。即便采用程序計(jì)算，輸出的結(jié)果也是表格，抽象繁瑣。主要表現(xiàn)的問題有：

（1）由于缺乏空間圖形的支持，表格形式的運(yùn)行速度不形象直觀，難以進(jìn)行結(jié)果的總體校審與宏觀評(píng)價(jià)；

（2）計(jì)算中不能充分考慮地理因素的影響；

（3）表格的格式交付，難以直接進(jìn)行后續(xù)空間分析應(yīng)用拓寬的條件。

目前市場上的公路安全性分析系統(tǒng)主要是緯地軟件的HintSF，該軟件實(shí)現(xiàn)了根據(jù)設(shè)計(jì)平縱的CAD成果自動(dòng)計(jì)算分析線路的運(yùn)行速度，極大地簡化了計(jì)算的復(fù)雜程度。但是該軟件單純由路線幾何條件計(jì)算結(jié)果，缺乏模型拓展的空間。此外，輸出的成果是電子表格，依舊不能直接進(jìn)行后續(xù)空間分析應(yīng)用。

GIS（地理信息科學(xué)）具有良好的空間展示、信息處理、空間分析、地學(xué)統(tǒng)計(jì)等特點(diǎn)，在公路路線運(yùn)行速度的預(yù)測中，可以實(shí)現(xiàn)模型編程、屬性處理、圖形查詢與展示等一系列環(huán)節(jié)，極大方便了公路路線運(yùn)行速度的應(yīng)用。利用幾何信息同時(shí)，實(shí)現(xiàn)各類屬性與圖形單元的對應(yīng)，是基于GIS進(jìn)行路線運(yùn)行速度分析的特點(diǎn)之一。本文對GIS技術(shù)在公路運(yùn)行速度預(yù)測中的流程、方法、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行初步探討，并以某地公路進(jìn)行了計(jì)算，對提出的相關(guān)方法和思路進(jìn)行驗(yàn)證。

2　基于GIS的公路運(yùn)行速度計(jì)算

以GIS為基礎(chǔ)平臺(tái)，將路線圖形信息和屬性信息、速度計(jì)算模型中的各類影響因子綜合，使用腳本語言編寫速度預(yù)測模型的程序，然后計(jì)算得出空間分布的運(yùn)行速度結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行分析與輸出。具體的流程如圖1：

2.1路線計(jì)算單元確定

目前，路線設(shè)計(jì)主要是使用二、三維CAD分別進(jìn)行平面設(shè)計(jì)和縱斷面設(shè)計(jì)，平面線中包含直線、圓曲線和緩和曲線，縱面包含豎曲線和直線。如何將路線設(shè)計(jì)的平、縱成果轉(zhuǎn)換為可用的GIS數(shù)據(jù)，是首要問題?？傮w原則是依據(jù)速度預(yù)測模型的需求，將平面線和縱面線各自進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，然后再將兩者取交集，修改整理后形成最終的路線計(jì)算單元。

2.2計(jì)算相關(guān)要素

許多速度計(jì)算模型中都包含地理氣象環(huán)境因子、車輛因子和其它因子。地理氣象環(huán)境因子（如風(fēng)場、雨雪霧分布、限速區(qū)、交通網(wǎng)絡(luò)等）數(shù)據(jù)采集或收集以后，一般形成矢量或柵格數(shù)據(jù)格式，疊加在一起，如圖2。這些地理數(shù)據(jù)可以通過空間連接（join on spatial location）與路線計(jì)算單元相掛接。車輛因子（如車輛加速度、制動(dòng)類型）需要明確不同車型的相關(guān)參數(shù)，一般是基于統(tǒng)計(jì)、測試基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)值。其它因子包括路面材料、路面狀況、駕駛員等方面，根據(jù)不同的計(jì)算模型選取不同的因子。

2.3建模計(jì)算

GIS優(yōu)異的二次開發(fā)支持是其一大特點(diǎn)，主流GIS平臺(tái)都支持腳本程序或者獨(dú)立應(yīng)用程序的編寫。工程人員只需要將速度預(yù)測模型利用VB、Python、C/C++、C#等編程語言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)即可。

2.4運(yùn)行速度計(jì)算

調(diào)用編寫的程序模塊，讀入計(jì)算單元，輸入初始速度、車輛加速度等設(shè)定值，循環(huán)執(zhí)行得出各單元的運(yùn)行速度結(jié)果。

2.5問題定位與分析

依據(jù)計(jì)算的速度，結(jié)合該公路的設(shè)計(jì)速度等，進(jìn)行分級(jí)渲染和空間查詢，快速定位運(yùn)行速度問題區(qū)段。對于問題區(qū)段進(jìn)行緩沖區(qū)分析，疊加其它數(shù)據(jù)，計(jì)算影響范圍內(nèi)的匝道口、路政管理處、清障點(diǎn)等興趣點(diǎn)。

2.6成果輸出

利用GIS強(qiáng)大的樣式管理器，選擇適當(dāng)?shù)姆?hào)樣式和圖形圖表，輸出相關(guān)速度數(shù)值表、分級(jí)渲染圖、超速或低速緩沖區(qū)圖、危險(xiǎn)區(qū)段點(diǎn)狀圖、速度曲線圖、直方圖、多維圖等多種形式的成果。依據(jù)關(guān)注點(diǎn)的不同，可以輸出關(guān)于計(jì)算單元的駛?cè)胨俣取Ⅰ偝鏊俣?、中間速度、運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差值等等數(shù)值的結(jié)果圖。

3　基于GIS的公路運(yùn)行速度計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)

3.1圖元與計(jì)算單元的統(tǒng)一

在線型CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GIS數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下問題：

（1）圖形類型的變化，如CAD中的圓?。ˋrc）類型變?yōu)榫€串類型；

（2）數(shù)據(jù)精度的變化，轉(zhuǎn)換過程中可能會(huì)發(fā)生精度的丟失；

（3）平面線和縱面線單元?jiǎng)澐?，依?jù)不同的計(jì)算模型，計(jì)算單元和圖元之間需要統(tǒng)一，以圖元為載體承載計(jì)算單元。

3.2二次開發(fā)

二次開發(fā)時(shí)，可以直接調(diào)用GIS相關(guān)的API進(jìn)行，需要注意的關(guān)鍵問題是部分高級(jí)計(jì)算，如矩陣計(jì)算、回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等，需要自行開發(fā)或者加載第三方數(shù)學(xué)函數(shù)。此外，如果速度預(yù)測模型較復(fù)雜，則需要進(jìn)行預(yù)處（如建立空間索引），提高計(jì)算效率。

3.3空間處理與分析

借助GIS的空間處理可以實(shí)現(xiàn)基于空間相交、重合、相鄰等拓?fù)潢P(guān)系的空間數(shù)據(jù)連接；緩沖區(qū)分析和疊加分析方便了結(jié)果的空間分析。

3.4數(shù)據(jù)庫的支持

利用SQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種需求的查詢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效提取。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)形式的原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，有利于統(tǒng)一管理和交付使用。同時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用還方便了歷史案例對比和分析，建立數(shù)據(jù)檔案。

4　應(yīng)用案例

交通部于2004年發(fā)布了推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南》（下稱《指南》），初步提出了針對我國高速公路和一級(jí)公路安全性評(píng)價(jià)的內(nèi)容、方法和標(biāo)準(zhǔn)，本案例以該標(biāo)準(zhǔn)中的運(yùn)行速度模型為例進(jìn)行論述。本案例選用ArcGIS作為GIS平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算，路線設(shè)計(jì)成果為AutoCAD的dwg格式。該條公路為中國西部某省山區(qū)二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80km/h。計(jì)算中小客車初始駛?cè)胨俣仍O(shè)定為95km/h，大貨車初始駛?cè)胨俣仍O(shè)定為65km/h。

4.1計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

按照《指南》中的運(yùn)行速度預(yù)測模型，依據(jù)曲線半徑和縱坡大小，將計(jì)算單元類型劃分為：直線段、縱坡段、平曲線段、彎坡組合段和短直線段。具體標(biāo)準(zhǔn)如表1：

表1　計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

在數(shù)據(jù)處理中，首先，將平面線按照平面形狀打斷成直線和曲線兩部分，緩和曲線部分屬于曲線計(jì)算單元，形成平面圖層P；然后，將平面線以變坡點(diǎn)為界打斷成各個(gè)坡度單元，然后賦予坡度字段以對應(yīng)數(shù)值，形成縱坡分布圖層Z；圖層P與圖層Z做空間運(yùn)算，得到包含平縱信息的各個(gè)計(jì)算單元，最后對屬性字段（樁號(hào)、半徑、單元程度、坡度等）進(jìn)行補(bǔ)充與完善，結(jié)果如圖3：

速度計(jì)算模型程序?qū)崿F(xiàn)中，速度計(jì)算依據(jù)前一段計(jì)算單元的輸出速度作為駛?cè)胨俣?，參考《指南》附錄B使用不同的公式進(jìn)行計(jì)算。

4.2結(jié)果渲染

依據(jù)絕對駛出速度值，分級(jí)設(shè)計(jì)結(jié)果和運(yùn)行速度V85曲線如圖5；在設(shè)計(jì)速度與運(yùn)行速度的協(xié)調(diào)性分析中，運(yùn)行速度與設(shè)計(jì)速度差值（《指南》中的V85-V設(shè)）大于20km/h的路段分布如圖6，差值直方分布如圖7；在運(yùn)行速度協(xié)調(diào)性分析中，相鄰路段的運(yùn)行速度之差絕對值＞20km/h、10～20km/h、＜10km/h的分級(jí)如圖8。

運(yùn)行速度計(jì)算完成后，結(jié)合疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析等空間分析手段，對平曲線半徑、結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析。同時(shí)可以與后期的道路運(yùn)維數(shù)據(jù)疊加分析，探求各種相關(guān)因素的影響，為科學(xué)規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

5　結(jié)論

隨著公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)重要性的凸顯，對大中型公路項(xiàng)目進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)的需求越來越多。使用GIS進(jìn)行公路運(yùn)行速度預(yù)測分析以及安全性評(píng)價(jià)，可以提高公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)的科學(xué)性和可用性，帶來工作思路、評(píng)價(jià)理念、實(shí)現(xiàn)方式和輸出結(jié)果各個(gè)環(huán)節(jié)的改變。本文以安全性評(píng)價(jià)中首要的速度預(yù)測為切入點(diǎn)，初步探討了基于GIS進(jìn)行運(yùn)行速度計(jì)算的相關(guān)流程與方式，替代了原有的電子表格計(jì)算結(jié)果形式。提交的成果不但包括各類圖表，還可以提供空間數(shù)據(jù)，方便更深層次的空間分析。

結(jié)合地理信息二次開發(fā)，基于GIS的公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)尚有很多需要研究的空間。如何在二三維GIS系統(tǒng)下，進(jìn)行深度的速度預(yù)測、動(dòng)靜態(tài)視距分析、行車模擬、構(gòu)筑物分析等等，最后開發(fā)出適用于不同公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)的工具和軟件，是利用GIS進(jìn)行公路安全性評(píng)價(jià)中需要繼續(xù)深入研究的問題。

［1］ 廖軍洪，劉德福，等.基于GIS的公路交通安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］.公路交通科技，2011（8）.

［2］ 中華人民共和國交通部.JTG/T B05-2004公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 劉丹.基于GIS的道路交通安全評(píng)價(jià)與預(yù)測方法研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2012.

［4］ 張靜芬.高速公路復(fù)雜地形環(huán)境風(fēng)數(shù)值模擬及行車安全研究［D］.南京：東南大學(xué)，2009.

The Application of GIS in Analysing Consistency of Operating Speed

ZHANG Yao-yun，Dai wei
（Anhui Transport Consulting&Design Institute Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

The lack of spatial support for the current highway project operation speed prediction is analyzed. Then the process and key points in the calculation of operating speed on GIS platform are discussed.Finally，based on the actual road project data，the GIS is used to determine，model，calculate，analyze and result output.The feasibility of the GIS as the basic means of highway project safety evaluation is discussed.

Operating speed；GIS；Highway route

U495

B

1673-6052（2016）03-0077-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.023