基于空間網(wǎng)絡(luò)分析的高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)技術(shù)

劉 浩，陳鳳濤

(1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210039)

基于空間網(wǎng)絡(luò)分析的高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)技術(shù)

劉 浩1，陳鳳濤2

(1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210039)

在數(shù)量適度的情況下，合理布設(shè)高速公路交通量調(diào)查觀測站點，使觀測數(shù)據(jù)準確反映路網(wǎng)運行特征是高速公路交通量調(diào)查與信息服務(wù)體系構(gòu)建的重要支撐。文中運用GIS空間網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，結(jié)合“兩階段”宏觀布設(shè)法和OD反推布設(shè)法，開發(fā)交通量調(diào)查觀測站布設(shè)軟件。當(dāng)缺少歷史流量數(shù)據(jù)時，用“兩階段”宏觀布設(shè)法以路段累計重要度代替路段流量，并進行累計重要度計算。最后以江蘇省高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)為例進行驗證，結(jié)果表明，軟件可基本實現(xiàn)科學(xué)、高效的高速公路一類調(diào)查觀測站布設(shè)。

空間網(wǎng)絡(luò)分析；調(diào)查觀測站；布設(shè)技術(shù)

公路交通調(diào)查自2002年起納入國家統(tǒng)計制度，已成為公路建設(shè)與管理的基礎(chǔ)工作之一，合理布設(shè)交通量調(diào)查觀測站是調(diào)查數(shù)據(jù)能夠準確反映公路網(wǎng)交通流實時狀況的保障。我國現(xiàn)階段公路交通調(diào)查工作具有一定程度的盲目性和隨意性，調(diào)查站覆蓋率不高，代表性不強，難以準確反映路網(wǎng)的運行特征，不能很好地滿足公路規(guī)劃、建設(shè)、養(yǎng)護及公眾日益增長的出行信息需求。如何在數(shù)量適度的情況下，合理布設(shè)公路交通量調(diào)查觀測站點，使觀測數(shù)據(jù)準確反映路網(wǎng)運行特征，是公路交通管理的重要問題之一。

地理信息系統(tǒng)(GIS)的特點之一是具有很強的空間分析能力，并已應(yīng)用于交通規(guī)劃、建設(shè)與管理方面，形成了具有交通特色的交通地理信息系統(tǒng)(GIS-T)。在對現(xiàn)有高速公路一類調(diào)查站布設(shè)方法分析研究的基礎(chǔ)上，本文運用GIS空間網(wǎng)絡(luò)分析、統(tǒng)計學(xué)等方法，結(jié)合交通量調(diào)查站點布設(shè)相關(guān)理論，研究基于GIS技術(shù)的高速公路一類調(diào)查站布設(shè)技術(shù)問題。

1 布設(shè)方法算法設(shè)計

高速公路交通量調(diào)查站根據(jù)其功能劃分為一類調(diào)查站和二類調(diào)查站，一類調(diào)查站以反映路網(wǎng)宏觀交通量特征和道路運行特征為主；二類調(diào)查站以反映路段微觀交通流特征和道路運行狀況為主。一類調(diào)查站在物理布局上，以“滿足指標精度，避免數(shù)據(jù)冗余”為原則，追求布局規(guī)模與布局效果的均衡協(xié)調(diào)，現(xiàn)多采用“兩階段”宏觀布設(shè)法和OD反推布設(shè)法。

1.1 “兩階段”宏觀布設(shè)法及其算法設(shè)計

“兩階段”宏觀布設(shè)法的第一階段進行相對偏差分析，通過分析基本路段上交通量的數(shù)值大小與變化規(guī)律，找出交通流量數(shù)值在一定偏差范圍內(nèi)的相鄰路段；第二階段進行相關(guān)系數(shù)分析，尋找變化規(guī)律類似的路段，當(dāng)相鄰路段交通流數(shù)值大小相近和規(guī)律趨同時，進行合并，在其上布設(shè)調(diào)查站，用同一調(diào)查站觀測數(shù)據(jù)代表已合并路段的數(shù)據(jù)。這種布設(shè)方法在一定誤差范圍內(nèi)，反映路網(wǎng)運行狀況，達到交通量調(diào)查站布設(shè)規(guī)模和效率的最優(yōu)平衡狀態(tài)，減少不必要的成本投入。

對于聯(lián)網(wǎng)收費的高速公路，可以通過收費站點間的車輛OD數(shù)據(jù)獲得基本路段歷年來的交通量數(shù)據(jù)。在交通量數(shù)據(jù)無法獲取的情況下，可以參考公路網(wǎng)規(guī)劃中的總量控制法[1]，采用路段累計重要度替換路段交通量?？偭靠刂品ㄖ饕悸肥牵阂罁?jù)社會生產(chǎn)力分布，確定路線節(jié)點(經(jīng)濟節(jié)點)，通過人口和GDP等經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定節(jié)點的重要度，運用重力模型計算各經(jīng)濟節(jié)點間的重要度吸引量，再通過網(wǎng)絡(luò)分析確定路段的累計重要度。具體算法流程如圖1所示。

圖1 “兩階段”布設(shè)算法

1.2 OD反推布設(shè)法及其算法設(shè)計

OD反推布設(shè)法從最大可能相對誤差即OD估計矩陣與真實矩陣之間的最大可能偏差[2]出發(fā)，首先確定布設(shè)的基本原則，即OD覆蓋、單一OD對最大流量、最大截斷流量以及路段獨立原則，然后根據(jù)OD反推布設(shè)的基本原則確定數(shù)學(xué)模型，通過模型求解進行調(diào)查站點的布設(shè)。OD反推布設(shè)法可在相對精度得到保證的情況下，使資源消耗盡可能少。

OD反推布設(shè)法通過道路空間網(wǎng)絡(luò)分析，得到各OD對之間的有效出行路徑，以O(shè)D覆蓋和觀測路段獨立作為約束條件，以最大流截斷作為目標函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，采用逐步布點方法對模型進行求解。其算法思想是：首先將所有的OD點對按照出行選擇比分配到路網(wǎng)上，當(dāng)出行選擇無法確定時，可以按照一定的分配算法分配，例如最短路徑一次加載分配。找出交通量最多的路段，設(shè)置觀測點。然后，移除所有經(jīng)過該觀測點的路徑流量，找出路網(wǎng)中交通量次多的路段并設(shè)點，如此反復(fù)，直到所有的路徑流量均被移除為止。此法既能保證觀測點能觀測到所有凈交通流量，又能保證所設(shè)的觀測點數(shù)量最少。算法流程如圖2所示。

圖2 OD反推布設(shè)算法

在OD反推布設(shè)法中，可以預(yù)設(shè)一定的調(diào)查站點數(shù)量為完成條件；也可以設(shè)置流量比例作為控制條件，例如將判斷條件改為已經(jīng)移除的流量達到原來所有流量的85%。

2 軟件開發(fā)

位于特定地理空間中的交通系統(tǒng)決定了可將GIS技術(shù)應(yīng)用到這一領(lǐng)域，本文基于ArcGIS Engine，在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境中，采用C#語言，開發(fā)了高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)軟件，該軟件綜合了“兩階段”宏觀布設(shè)法和OD反推布設(shè)法，可對高速公路網(wǎng)、收費站點等幾何數(shù)據(jù)進行管理，建立拓撲關(guān)系和進行交通流量分配，以專題圖形式表示布設(shè)結(jié)果。

2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用三層結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)

2.2 軟件功能模塊設(shè)計

如圖4所示，軟件主要包括數(shù)據(jù)管理模塊、“兩階段”宏觀布設(shè)模塊、OD反推布設(shè)模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。

圖4 軟件功能模塊

3 江蘇省高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)實踐

本文運用2010年至2014年《江蘇省統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)、2014年收費站車輛OD數(shù)據(jù)、2014年高速公路幾何數(shù)據(jù)以及2014年收費站點幾何數(shù)據(jù)，通過所開發(fā)軟件進行布設(shè)實踐。

3.1 “兩階段”宏觀布設(shè)法布設(shè)實踐

1)經(jīng)濟節(jié)點選擇和路網(wǎng)拓撲關(guān)系建立。高速公路直接覆蓋區(qū)域為高速公路兩側(cè)30 min內(nèi)可達區(qū)域[3]。按平均行駛車速40 km/h計，直接覆蓋區(qū)域為高速公路兩側(cè)20 km，以此范圍內(nèi)的縣級以上經(jīng)濟節(jié)點作為分析對象。在建立路網(wǎng)拓撲關(guān)系時，將經(jīng)濟節(jié)點抽象為質(zhì)點并與鄰近出入口關(guān)聯(lián)。本文采用傳統(tǒng)的節(jié)點，弧段模型進行高速公路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，路網(wǎng)中心線作為弧段，以中心線交叉點以及收費站點作為節(jié)點構(gòu)建拓撲網(wǎng)絡(luò)。已建2014年江蘇省高速公路網(wǎng)絡(luò)包含463個節(jié)點和506個高速公路中心線弧段。

2)節(jié)點重要度的確定。根據(jù)江蘇省2010—2014年《統(tǒng)計年鑒》中人口、GDP、公共財政預(yù)算收入、出口總額、社會消費品零售總額和城鎮(zhèn)固定資產(chǎn)投資總額的指標數(shù)值[4-5]，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件中的主成分分析法，得到各評價指標的權(quán)重，根據(jù)節(jié)點重要度計算模型得出各節(jié)點重要度。

3)布設(shè)結(jié)果。當(dāng)相對偏差分析取u限=0.15，相對系數(shù)分析取ρ限=0.85[6]時，“兩階段”宏觀法布設(shè)112個觀測點，具體布設(shè)位置如圖5所示。

3.2 OD反推布設(shè)法布設(shè)實踐

拓撲網(wǎng)絡(luò)建立與“兩階段”宏觀布設(shè)法一致，通過2014年收費站車輛OD數(shù)據(jù)獲得OD對間的交通量，按照最短路分配得到網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)，逐步布點。布點個數(shù)與可觀測到的網(wǎng)絡(luò)凈流量關(guān)系如圖6所示，當(dāng)各路徑流量均為零時，布設(shè)91個觀測點，布設(shè)點位如圖5所示。

圖5 布設(shè)位置

圖6 布點個數(shù)與可觀測到的網(wǎng)絡(luò)凈流量關(guān)系

3.3 布設(shè)結(jié)果分析

1)OD反推法布設(shè)結(jié)果分析。由圖6可知，可觀測到的網(wǎng)絡(luò)凈流量百分比隨著觀測點個數(shù)增加而增加，且增加的幅度越來越小。當(dāng)布設(shè)觀測站點個數(shù)為32時，可觀測到90%的網(wǎng)絡(luò)凈流量，因此在布設(shè)條件有限的情況下，可以優(yōu)先布設(shè)這32個觀測點。同時由于OD反推布設(shè)法得到的布設(shè)點位由OD對間的流量控制，在流量分布不均勻的網(wǎng)絡(luò)中，求解得到的優(yōu)先布設(shè)點位分布不均勻，如圖5所示，優(yōu)先布設(shè)的32個觀測點主要集中于江蘇南部經(jīng)濟發(fā)達區(qū)域，因此在最終確定布設(shè)點位時還應(yīng)考慮觀測站點分布的均衡性，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)本身特點對布設(shè)點位進行調(diào)整。

2)兩種方法布設(shè)結(jié)果對比。如圖7所示，三角形代表OD反推布設(shè)法布設(shè)站點，方框代表的“兩階段”宏觀布設(shè)法布設(shè)站點。在圖7(a)中，為了觀測到灌云縣—響水縣、響水縣—濱?？h、濱?？h—射陽縣之間的流量，滿足OD覆蓋原則，OD反推布設(shè)法在這幾處都設(shè)置了觀測站點；但這幾處的流量值偏差較小，故“兩階段”宏觀布設(shè)法只在灌云縣—響水縣之間設(shè)置了觀測站點。在圖7(b)中，環(huán)形交叉的各個鄰接路段的流量值之間的偏差較大，“兩階段”宏觀布設(shè)法在環(huán)形交叉的三個鄰接路段都設(shè)置觀測站點。但是鄰接路段之間的流量存在相關(guān)關(guān)系，即某個路段可以由其他路段推出，OD反推布設(shè)法為滿足路段獨立性原則，因此不會在每個鄰接路段都設(shè)置觀測站點。

“兩階段”宏觀布設(shè)法是基于數(shù)據(jù)計算得出布設(shè)結(jié)果，布設(shè)調(diào)查站點的路段可以代表交通量變化規(guī)律類似且交通量數(shù)值偏差較小的路段，但有些路段之間的交通量存在一定的相關(guān)性，即可能出現(xiàn)三條鄰接路段上的交通量存在V1+V2=V3的情況，而三個路段按照“兩階段”宏觀布設(shè)法需分別設(shè)置調(diào)查觀測站點，存在一定數(shù)據(jù)冗余。OD反推布設(shè)法可以通過滿足路段獨立性原則避免“兩階段”宏觀布設(shè)結(jié)果中的數(shù)據(jù)冗余。

圖7 兩種方法差異比較圖

OD反推布設(shè)法中模型的求解過程必然會受到OD點劃分粒度大小的影響。以觀測流量為算法結(jié)束條件，粒度越小，布設(shè)站點的數(shù)量越多。當(dāng)出現(xiàn)有些OD點間的流量較小，OD點間路段的流量變化不大時，為滿足OD覆蓋原則，依然需要布設(shè)站點，存在一定的數(shù)據(jù)冗余。而“兩階段”宏觀布設(shè)法則，通過合并變化規(guī)律避免OD反推布設(shè)法為滿足OD覆蓋造成數(shù)據(jù)冗余。

在具體應(yīng)用中，可將“兩階段”宏觀布設(shè)法與OD反推布設(shè)法相結(jié)合，OD反推布設(shè)法作為“兩階段”宏觀布設(shè)法的補充，同時“兩階段”宏觀布設(shè)法對OD反推布設(shè)法進行限制，使選擇的觀測點位不僅能夠截取網(wǎng)絡(luò)中較大的路徑流量，而且保證觀測點位選在能夠代表周邊路段交通流特性的路段上。

結(jié)合兩種布設(shè)方法，當(dāng)布設(shè)經(jīng)費和相關(guān)資源有限或者不能一次性同時布設(shè)所有站點時，可按如下順序進行交通調(diào)查站點的布設(shè)：

1)優(yōu)先布設(shè)OD反推法有序解中排序靠前的點，以較少的觀測點盡可能多的獲得網(wǎng)絡(luò)凈交通量。結(jié)合路網(wǎng)特點，考慮布設(shè)的均衡性，適當(dāng)進行調(diào)整。

2)其次布設(shè)兩種方法求解結(jié)果中共同點，OD反推布設(shè)法避免了“兩階段”宏觀布設(shè)法由于未滿足路段獨立性造成的數(shù)據(jù)冗余，“兩階段”宏觀布設(shè)法避免了OD反推法為了滿足OD覆蓋原則而造成的數(shù)據(jù)冗余。

3)結(jié)合《國家高速公路網(wǎng)交通量調(diào)查觀測站點布局規(guī)劃》布設(shè)方法指導(dǎo)思想中的定性部分，對兩種方法求解結(jié)果中不一樣的部分，做適當(dāng)調(diào)整和補充。

4 結(jié)束語

本文運用GIS空間網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，并結(jié)合“兩階段”宏觀布設(shè)法和OD反推布設(shè)法，開發(fā)了高速公路網(wǎng)一類觀測站的布設(shè)軟件?！皟呻A段”宏觀布設(shè)法中，在缺少歷史流量數(shù)據(jù)的情況下，采用路段累計重要度替換路段交通量，并實現(xiàn)累計重要度的計算。以江蘇省高速公路網(wǎng)一類觀測站布設(shè)為例，分析了“兩階段”宏觀布設(shè)法和OD反推布設(shè)法的優(yōu)缺點，提出了兩種方法相結(jié)合的省域高速公路網(wǎng)一類觀測站布設(shè)思路。布設(shè)結(jié)果滿足宏觀上的數(shù)據(jù)調(diào)查要求，基本達到了科學(xué)、高效地完成省域高速公路網(wǎng)一類觀測站點的布設(shè)的要求。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Layout technique on the expressway class I traffic survey observation station of expressway based on spatial network analysis

LIU Hao1, CHEN Fengtao2

(1.Hubei Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd, Wuhan 430074，China; 2.School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210039, China)

In the case of moderate quantity, the reasonable layout of traffic survey observation station of expressway can make the observation accurately reflect the characteristic of road network, which is an important support to the construction of the national expressway traffic survey and information service system. With GIS spatial network analysis, combined with the “two-stage” layout method and the layout method based on OD backstepping, this paper develops the software about layout of traffic survey observation station. When the historical traffic flow data lack, the “two-stage” layout method uses the importance of the road section in place of the traffic flow of road, and completes the calculation of the road cumulative importance. Finally this paper takes the class I observation station layout of expressway network in Jiangsu Province as an example to verify the software. The result shows that the software can basically realize the scientific and efficient layout.

spatial network analysis; survey observation station; layout technique

2017-02-13

劉 浩(1963-)，男，高級工程師.

陳鳳濤(1992-)，男，碩士研究生.

著錄：劉浩，陳鳳濤.基于空間網(wǎng)絡(luò)分析的高速公路網(wǎng)一類調(diào)查觀測站布設(shè)技術(shù)[J].測繪工程，2017，26(8)：45-49.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.010

U491

A

1006-7949(2017)08-0045-05