基于道路設(shè)計(jì)與交通規(guī)劃的道路選線優(yōu)化模型

曹羽++李晨熙

摘 要：結(jié)合道路設(shè)計(jì)和相關(guān)的交通理論，將地理信息系統(tǒng)作為基本的平臺(tái)，根據(jù)這一系統(tǒng)進(jìn)行道路選線模型的開發(fā)，這一模型的費(fèi)用主要指向的是優(yōu)化的問題，而且最小化費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)主要包括道路交通誘發(fā)的環(huán)境污染導(dǎo)致的不經(jīng)濟(jì)費(fèi)用、土方工程費(fèi)和建設(shè)費(fèi)用等，OD交通主要是指路網(wǎng)上的總的行走的時(shí)間。優(yōu)化模型首先就是隨機(jī)的生成了新建的道路的一種空間位置的候選方案，這一方案需要進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)，主要包括新道路的豎曲線和平曲線，之后就可以重新計(jì)算費(fèi)用。本文使用的是遺傳算法進(jìn)行空閑位置候選方案合理性的判定。

關(guān)鍵詞：道路設(shè)計(jì)；交通規(guī)則；道路選線優(yōu)化模型

選線對(duì)于道路設(shè)計(jì)是極為重要的，這是道路設(shè)計(jì)的過程中，比較根本的問題，這一設(shè)計(jì)的理念會(huì)影響到道路網(wǎng)的正常應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)中已經(jīng)有很多的專家學(xué)者進(jìn)行了研究，但是在整個(gè)過程中還存在著很多的問題，這些問題的出現(xiàn)就會(huì)影響著道路設(shè)計(jì)和交通規(guī)則的道路選線的優(yōu)化，本文是根據(jù)遺傳算法進(jìn)行空間位置的確定，在一定程度上優(yōu)化道路設(shè)計(jì)模型。

1 初始空間位置的生成

新建的道路在確定空間位置的過程中，一般會(huì)有兩個(gè)或者是多個(gè)控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)是事先已經(jīng)指定的，新建道路空間位置的確定就是明確各個(gè)控制點(diǎn)，因此在新建道路的空間控制點(diǎn)上必須要按照控制點(diǎn)連線的周邊的地形的基本數(shù)據(jù)作為設(shè)定的基礎(chǔ)，在使用了DEM數(shù)據(jù)當(dāng)做是地形數(shù)據(jù)的時(shí)候，那么線路的空間位置就會(huì)被認(rèn)為是整個(gè)線路的中心線所占用的DEM網(wǎng)格單元的一種集合，在這一集合中可以知道初始的空間位置的生成過程就是這一集合的生成過程，這一過程是極為復(fù)雜的，如果沒有及時(shí)的進(jìn)行梳理就會(huì)出現(xiàn)混亂。

本文使用的是遺傳算法進(jìn)行方案的選擇，因此為了候選方案的有效性得到提高，可以對(duì)選線的走廊進(jìn)行預(yù)先確定，在這樣的情況下，為了保證初始的空間位置有著足夠的選擇余地就必須要沿著控制點(diǎn)的沿線，每隔一段距離就設(shè)定一個(gè)橫斷面，在橫斷面上的一些網(wǎng)格單元也就是新建道路在這一橫斷面上可能通過的位置，這樣位置的確定就會(huì)更加的明確，否則就會(huì)出現(xiàn)問題，不利于后期道路的設(shè)計(jì)。假設(shè)控制點(diǎn)之間的直線能夠被分為n+1段，在這樣的情況下，就會(huì)出現(xiàn)n組網(wǎng)格單元，在這n組網(wǎng)格單元中，每一組的單元通過連續(xù)排列都可以得到每一組中網(wǎng)格單元的最大編號(hào)和最小編號(hào)，在這一情況下，初始的空間位置就可以用一個(gè)數(shù)字串來表示，數(shù)字串中每一個(gè)數(shù)字都是對(duì)應(yīng)著每一組單元格中的一個(gè)編號(hào)的，之后就可以生成道路的空間位置的初始的方案，這一方案可以使用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，而且每一組網(wǎng)格單元都可以隨機(jī)的進(jìn)行單元格的選擇，將各個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)當(dāng)做是整個(gè)道路的控制點(diǎn)，將所有生成道路的控制點(diǎn)進(jìn)行連接就可以生成道路的初始線形，也就是i。

2 遺傳算法的設(shè)計(jì)與適應(yīng)度函數(shù)的選取

遺產(chǎn)算法主要是被用來進(jìn)行候選方案中各個(gè)方案的優(yōu)劣的判斷或者是選擇新的候選方案使用的方法，主要是對(duì)代表著上一代道路的空間位置產(chǎn)生的數(shù)字串進(jìn)行選擇操作、變異和交叉，經(jīng)過這些程序就可以得出新的空間位置的候選方案，之后利用循環(huán)計(jì)算的方式進(jìn)行初始空間位置的表示，將這些初始空間位置表示成為初期染色體，這樣各個(gè)單元的編號(hào)就代表著染色體的基因，對(duì)這些染色體基因進(jìn)行交叉和變異，最后進(jìn)行染色體的選擇。

3 基于DEM數(shù)字地形進(jìn)行詳細(xì)的線形設(shè)計(jì)

3.1 平曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

遺傳算法在每一次在GIS數(shù)據(jù)庫中生成的多條道路線形都是一種折線對(duì)象，在對(duì)線路設(shè)計(jì)也有著明確的要求，道路平面的線性設(shè)計(jì)必須要符合相關(guān)的要求，尤其是圓曲線、緩和曲線和直線的連接原則等，但是這樣的方法在使用的過程中會(huì)增加難度，也就增加了計(jì)算的負(fù)擔(dān)，本文是的研究對(duì)于緩和曲線并不考慮，使用圓曲線平滑新建的道路中么一個(gè)折點(diǎn)，這樣圓曲線就可以和直線連接，形成設(shè)計(jì)的圖形。

新建的道路線形中，每一個(gè)控制點(diǎn)都必須要有兩條線段與其相鄰，在這樣的情況下，就要取水平長(zhǎng)度比較短的線段的長(zhǎng)度的1/2當(dāng)做是這一圓曲線的切線長(zhǎng)，根據(jù)切線和半徑存在的數(shù)學(xué)關(guān)系，就可以確定圓曲線的半徑。以控制點(diǎn)C2為例，C1C2長(zhǎng)度小于C2C3，T點(diǎn)為線段C1C2的中點(diǎn)，確定圓曲線半徑R=TC2tan（α）。同理在C3，C4，C5等控制點(diǎn)處可以確定另外一條圓曲線。這種方法并不能保證所有的圓曲線半徑滿足最小圓曲線半徑的要求，因此要利用懲罰費(fèi)用對(duì)不滿足該要求的方案進(jìn)行處理，以便在進(jìn)入到下一次循環(huán)之前淘汰它們。

3.2 豎曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

在道路設(shè)計(jì)中通常要滿足平包豎的原則，用二次拋物線平滑新建道路縱斷面上的各個(gè)折點(diǎn)。根據(jù)道路的豎曲線設(shè)計(jì)原理，在縱斷面上針對(duì)于每個(gè)控制點(diǎn)，取與之相鄰的水平長(zhǎng)度較短的線段的1/3作為二次拋物線的切線長(zhǎng)，由于在平曲線設(shè)計(jì)時(shí)以長(zhǎng)度的1/2作為圓曲線的切線長(zhǎng)，這樣可以很好地滿足平包豎的原則。但是這樣也不能保證所有的縱坡都滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，因此還要對(duì)包含不滿足縱坡要求的線形附加懲罰費(fèi)用。

4 評(píng)價(jià)新建道路對(duì)路網(wǎng)服務(wù)水平的影響

新建道路對(duì)路網(wǎng)服務(wù)水平的影響，表現(xiàn)為節(jié)約的OD總走行時(shí)間的價(jià)值，汽車尾氣排放所引起的金錢損失兩個(gè)方面。在對(duì)每個(gè)方案實(shí)施自動(dòng)路網(wǎng)拓?fù)浜?，可以用Frame-Wolf法進(jìn)行OD交通量的分配，從而獲得同一個(gè)OD交通量在各個(gè)路網(wǎng)中路段上的交通流量、走行時(shí)間以及行車速度，最后計(jì)算出整個(gè)OD交通量在各路網(wǎng)上的總走行時(shí)間的金錢價(jià)值、各種尾氣排放量以及相應(yīng)的金錢損失額度。

5 計(jì)算新建道路涉及的費(fèi)用

新建道路涉及的費(fèi)用是評(píng)價(jià)各選線方案的關(guān)鍵原則，本研究將它作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)的主要部分。本研究將新建道路的社會(huì)總費(fèi)用成本以及懲罰函數(shù)作為遺傳算法中的適應(yīng)度值。這里從道路設(shè)計(jì)和交通規(guī)劃的角度分別計(jì)算費(fèi)用，最后綜合兩方面計(jì)算總費(fèi)用成本。

CT=CD+CL

這里，CT為一條新建道路的總費(fèi)用成本，CD為與設(shè)計(jì)相關(guān)的費(fèi)用總和；CL為與道路交通相關(guān)的費(fèi)用總和。

1）與道路設(shè)計(jì)相關(guān)費(fèi)用：

CD=CC+CE+CB+CP

CC為基本建設(shè)費(fèi)用，是單位長(zhǎng)度的基本建設(shè)費(fèi)用與道路長(zhǎng)度的乘積；CE為土方工程費(fèi)；CB為橋梁隧道費(fèi)用；CP為懲罰費(fèi)用。

2）與道路交通相關(guān)的費(fèi)用

CL=CA+CTT+CG+CR

CA為環(huán)境負(fù)荷費(fèi)用，對(duì)于每一種線形方案都進(jìn)行新路網(wǎng)的重新拓?fù)渑c交通量平衡分配，通過分配的輸出結(jié)果（路段交通量、走行時(shí)間、平均車速等）可以計(jì)算環(huán)境負(fù)荷費(fèi)用和走行時(shí)間費(fèi)用。

結(jié)束語

從道路工程和交通規(guī)劃的角度研究了道路選線問題，與道路工程的微觀選線不同該方法考慮了新建道路本身的工程造價(jià)、土方量的費(fèi)用，也考慮了由于新建道路所導(dǎo)致的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化所引起的整個(gè)路網(wǎng)服務(wù)水平的變化，表現(xiàn)為OD交通行程時(shí)間的節(jié)約，尾氣排放量的金錢損失變化。通過有機(jī)地結(jié)合道路設(shè)計(jì)方法和交通量分配模型優(yōu)化了新建道路的線形，一體化了道路規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程。

參考文獻(xiàn)

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