考慮連接性標(biāo)識(shí)的指引信息可達(dá)性分析及評(píng)價(jià)

李 敏，黃 敏，鈕中銘，李爾達(dá)

(中山大學(xué) 工學(xué)院 廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

考慮連接性標(biāo)識(shí)的指引信息可達(dá)性分析及評(píng)價(jià)

李 敏，黃 敏＊，鈕中銘，李爾達(dá)

(中山大學(xué) 工學(xué)院 廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)指路標(biāo)志指引信息可達(dá)性的分析及評(píng)價(jià)，同時(shí)為后續(xù)指路標(biāo)志的優(yōu)化布設(shè)做好基礎(chǔ)，本文首先回顧了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的指路標(biāo)志指引信息的表述模型.接著應(yīng)用先前的研究，對(duì)指路標(biāo)志指引可達(dá)性進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況與管理者的角度提出相關(guān)改進(jìn)措施，在搜索路徑中考慮是否存在連接性標(biāo)識(shí)的情況下，構(gòu)建了用于搜尋指路標(biāo)志指引路徑的可達(dá)性算法模型.最后以廣州大學(xué)城路網(wǎng)為例，將上述模型應(yīng)用于該路網(wǎng)中，對(duì)指路標(biāo)志指引可達(dá)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià).實(shí)例表明，本算法模型提高了評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)狀的契合度，該算法有效、可行.

智能交通；指引可達(dá)性分析；路徑搜索算法；指路標(biāo)志；連接性標(biāo)識(shí)

本文旨在對(duì)城市道路指路標(biāo)志指引信息的可達(dá)性分析進(jìn)行研究，為后續(xù)指路標(biāo)志的優(yōu)化布設(shè)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備.結(jié)合前人的研究，首先闡述了路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的指路標(biāo)志指引信息的表述模型，此模型是指路標(biāo)志布設(shè)現(xiàn)狀的分析與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ).接著對(duì)先前的指路標(biāo)志指引可達(dá)性分析模型進(jìn)行應(yīng)用分析，并基于現(xiàn)實(shí)情況完善了路徑搜索規(guī)則.根據(jù)上述理論，在搜索路徑中考慮連接性標(biāo)識(shí)存在與否的條件下，構(gòu)建了用于搜尋指引路徑的指引信息可達(dá)性分析的算法模型.最后以廣州大學(xué)城作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對(duì)上述指路標(biāo)志指引可達(dá)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了算法的實(shí)用性及有效性.

2 指路標(biāo)志指引信息表述模型

根據(jù)前人的研究，本節(jié)對(duì)指路標(biāo)志指引信息的表述是在拓?fù)渎肪W(wǎng)下進(jìn)行的，用結(jié)點(diǎn)-弧段模型來(lái)描述路網(wǎng)，以指路標(biāo)志項(xiàng)為指引信息的基礎(chǔ)描述單位[5-7].指路標(biāo)志項(xiàng)指每個(gè)被標(biāo)識(shí)對(duì)象及其附帶信息（方向、距離等），它是指引信息的基本組成單元[4].以rs表示指路標(biāo)志項(xiàng)，其主要的表述信息包括：

rs.larc——指路標(biāo)志項(xiàng)所處弧段；

rs.node——指路標(biāo)志項(xiàng)指示的交叉口；

rs.narc——通過(guò)指示交叉口第一個(gè)到達(dá)的弧段；

rs.dir——rs.narc相對(duì)于rs.larc的轉(zhuǎn)向；

rs.inf——指路標(biāo)志項(xiàng)指示的信息名稱(chēng).

以圖1為例，圖中指路標(biāo)志牌共有6個(gè)指路標(biāo)志項(xiàng)，以右轉(zhuǎn)方向的指路標(biāo)志項(xiàng)“解放路”為例，其對(duì)應(yīng)的主要表述信息為：rs.larc=BO;rs.node=O; rs.narc=OA；rs.dir=7（右轉(zhuǎn)）；rs.inf=解放路.

圖1 指路標(biāo)志項(xiàng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of guide sign item

3 指引信息可達(dá)性分析算法模型

本節(jié)首先概述了指引可達(dá)性的含義，接著對(duì)先前的指路標(biāo)志指引可達(dá)性分析模型進(jìn)行應(yīng)用分析，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況對(duì)駕駛員的默認(rèn)尋路規(guī)則加以改善，為后續(xù)指路標(biāo)志可達(dá)性?xún)?yōu)化做好基礎(chǔ).根據(jù)上述分析，在搜索路徑中連接性標(biāo)識(shí)存在與否的情況下，建立搜尋指路標(biāo)志指引路徑的指引可達(dá)性分析算法模型，同時(shí)定義其評(píng)價(jià)指標(biāo).

3.1 指引信息可達(dá)性分析

一般情況下出行者在出發(fā)前都會(huì)上網(wǎng)查找目的地信息，了解目的地的方向、目的地所在的區(qū)域等信息，從而對(duì)整個(gè)行程有個(gè)大致的了解，再結(jié)合誘導(dǎo)系統(tǒng)提供的指引信息尋路到達(dá)目的地.當(dāng)出行者來(lái)到交叉口時(shí)，尋找目的地的指引信息，若有則按照指示前進(jìn)，若無(wú)則根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)選擇路徑.稱(chēng)在缺乏指引信息下道路使用者結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定路徑的規(guī)則為默認(rèn)規(guī)則[8-11].若出行者通過(guò)指路標(biāo)志的指引及其默認(rèn)規(guī)則能夠到達(dá)目的地，則稱(chēng)為指引可達(dá).有學(xué)者基于上述理論，構(gòu)建了指路標(biāo)志指引可達(dá)性的分析評(píng)價(jià)模型[4].模型中采用直行或保持在同等級(jí)道路上行駛作為尋路的默認(rèn)規(guī)則.然而，該模型僅從出行者尋路的角度考慮，若直接應(yīng)用于評(píng)價(jià)分析則具有其局限性.

將上述模型應(yīng)用于廣州大學(xué)城中，對(duì)中環(huán)東路的指引可達(dá)性進(jìn)行分析，如圖2所示.圖中的線(xiàn)表示連續(xù)指引路徑，即通過(guò)指引信息及默認(rèn)規(guī)則能夠到其目的地.前人的研究對(duì)于默認(rèn)規(guī)則只考慮直行、道路等級(jí)等條件，并沒(méi)有考慮連接性標(biāo)識(shí)的缺失情況.由于缺少連接性指引信息駕駛員有可能兜了個(gè)圈仍可到達(dá)目的地或者不可達(dá)，這樣本可以轉(zhuǎn)個(gè)彎就能到其目的地，現(xiàn)卻需要按照默認(rèn)規(guī)則行駛很遠(yuǎn)，這樣很明顯不符合現(xiàn)實(shí)情況及交通管理的要求.如圖2中所示，假設(shè)出行者從S處出發(fā)，根據(jù)指引信息行駛到A處，由于A處缺少對(duì)中環(huán)東路的直接指引（根據(jù)前人的研究將A處所缺的直接指引稱(chēng)為連接性標(biāo)識(shí)[5]），因此根據(jù)先前的研究，則繼續(xù)向前搜尋，背離目的地，繞行一段距離后仍能到達(dá)目的地，其行駛路線(xiàn)為S-O-A-B-C-D-E-F-G-H；雖然駕駛員能到達(dá)目的地，但此條行駛路線(xiàn)是不合理的.為此本文對(duì)前人的可達(dá)性分析模型[4]進(jìn)行改進(jìn)，使得指路標(biāo)志可達(dá)性分析結(jié)果更加與現(xiàn)狀相吻合.

圖2 中環(huán)東路指引可達(dá)性部分示意圖Fig.2 The partial guiding accessibility diagram of Zhonghuandong road

3.2 連接性標(biāo)識(shí)

根據(jù)指引信息與拓?fù)渎肪W(wǎng)的關(guān)系可以將指路標(biāo)志項(xiàng)分成連接性標(biāo)識(shí)、方向性標(biāo)識(shí)、狀態(tài)性標(biāo)識(shí)3種[5].其中連接性標(biāo)識(shí)的定義為：在道路網(wǎng)絡(luò)中，指路標(biāo)志項(xiàng)所指示的路段與其所在的路段是直接相連，且相交于同一交叉口則稱(chēng)該指路標(biāo)志項(xiàng)為連接性標(biāo)識(shí).其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：若rs.larc≠rs.narc，但 rs.larc?rs.narc=rs.node，稱(chēng)rs為連接性標(biāo)識(shí).以圖1為例，在圖中北京路（東）、北京路（西）、中山一路均為連接性標(biāo)識(shí).

3.3 默認(rèn)搜索規(guī)則介紹

當(dāng)?shù)缆烦鲂姓咝旭傇谀骋唤徊婵跁r(shí)，此交叉口由于缺少對(duì)目的地指引信息，從而按照道路使用者的默認(rèn)規(guī)則來(lái)選擇道路.其中搜索規(guī)則主要考慮以下幾方面的限制因素：

（1）搜索的弧段必須為相鄰且連通的弧段；

（2）特殊區(qū)域內(nèi)部的道路不在其搜索范圍中（如景區(qū)內(nèi)部道路、村落道路等）；

（3）在默認(rèn)尋路中，假設(shè)相鄰弧段均連通，轉(zhuǎn)向優(yōu)先性為：直行>右轉(zhuǎn)>左轉(zhuǎn)>掉頭；

（4）考慮連接性標(biāo)識(shí)存在與否，防止已到目的地但由于缺少連接性標(biāo)識(shí)而錯(cuò)誤地繼續(xù)搜索.

（5）考慮搜索距離的限制.

圖3 默認(rèn)搜索規(guī)則算法流程圖Fig.3 The default search rules algorithm

判斷是否需要繼續(xù)搜索路徑的思路為:

首先在當(dāng)前所有的連通弧段中，按照轉(zhuǎn)向優(yōu)先性選出一條轉(zhuǎn)向優(yōu)先級(jí)最高的非限制弧段（非限制弧段指不屬于特殊區(qū)域內(nèi)部的道路），判斷從指路標(biāo)志指引信息缺失處到該弧段處的距離，若大于距離D則停止搜索，否則判斷該弧段是否屬于連接性標(biāo)識(shí)所指示的弧段，若是則說(shuō)明已經(jīng)到達(dá)目的地，否則判斷其余連通且非限制弧段是否有連接性標(biāo)識(shí)所指示的弧段，若有則停止搜索（說(shuō)明此處是由于缺少連接性標(biāo)識(shí)使得駕駛員不能夠到達(dá)目的地，防止駕駛員錯(cuò)誤地繼續(xù)背離目的地搜索路徑），若無(wú)則以先前轉(zhuǎn)向等級(jí)最高的道路繼續(xù)前進(jìn)行駛.其中默認(rèn)搜索規(guī)則主要算法流程圖如圖3所示.

3.4 指引可達(dá)性分析算法模型

基于上述理論方法，提出了指引信息可達(dá)性分析算法模型，其算法的基本思想：

獲取當(dāng)前路網(wǎng)中所有指示目的地的指路標(biāo)志項(xiàng)，按照標(biāo)志項(xiàng)的指引搜索路徑，若到達(dá)某一交叉口時(shí)沒(méi)有相關(guān)指引信息，則按照上節(jié)中的默認(rèn)搜索規(guī)則繼續(xù)尋路直至到達(dá)目的地或目的地的入口路段；當(dāng)默認(rèn)搜索的距離大于給定的閾值或由于連接性標(biāo)識(shí)的缺失而不能使得駕駛員到達(dá)目的時(shí)，則停止搜索，認(rèn)為沒(méi)有連續(xù)的指引路徑即指引信息不可達(dá).算法流程如圖4所示.其中：

O——被標(biāo)識(shí)對(duì)象；

Oetn——為O在路網(wǎng)上的入口路段集，指引到達(dá)Oetn為完成；

rs，tmprs——指路標(biāo)志項(xiàng)，相關(guān)屬性如第1節(jié)所列；

rs.flag——用于標(biāo)示指路標(biāo)志項(xiàng)rs是否已找到有效指引路徑；

RSO——指示O的指路標(biāo)志項(xiàng)集合，RSO={rs |rs.inf=O}；

cuar——當(dāng)前正在搜索的弧段；cuar.len——弧段cuar的長(zhǎng)度；W——指引路徑標(biāo)記，W＝1有連續(xù)路徑，W＝0沒(méi)有連續(xù)路徑；

dist——在搜索過(guò)程中，已經(jīng)過(guò)路段的長(zhǎng)度之和；

D——搜索距離閾值D，從開(kāi)始搜索的第一個(gè)標(biāo)志項(xiàng)起到當(dāng)前搜索弧段的距離，搜索距離大于D則認(rèn)為找不到連續(xù)路徑，認(rèn)為指引不可達(dá).

定義被標(biāo)識(shí)對(duì)象O的可達(dá)性指引率Pa(O)，可達(dá)性指引率為在所有指示O的指路標(biāo)志項(xiàng)中，能夠連續(xù)指引路徑的指路標(biāo)志項(xiàng)的比重[12].其計(jì)算公式為

Pa(O)=(S1(O)/S(O))×100%

式中 S1(O)=#{rs|rs.flag=1,rs∈RSO}，S(O)= #{rs|rs∈RSO}符號(hào)#表示集合元素的個(gè)數(shù).

圖4 指引可達(dá)性分析算法流程Fig.4 Algorithm model for accessibility analysis of guiding information

4 實(shí)例應(yīng)用

在拓?fù)渎肪W(wǎng)結(jié)構(gòu)下，以廣州大學(xué)城為應(yīng)用示范區(qū)域，并構(gòu)建其指路標(biāo)志誘導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Visual Basic語(yǔ)言以及ArcGIS二次開(kāi)發(fā)組件建立了指路標(biāo)志評(píng)價(jià)分析模塊.

選取廣州大學(xué)城主要道路：西五路、中環(huán)東路、中環(huán)西路、外環(huán)西路、北一路等主要道路作為被標(biāo)識(shí)對(duì)象，運(yùn)用上述算法對(duì)指路標(biāo)志指引可達(dá)性進(jìn)行分析，計(jì)算各對(duì)象的可達(dá)性指引率，其中得到評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示.從表中可以看出，廣州大學(xué)城指路標(biāo)志系統(tǒng)對(duì)各主干道的指引較多而且可達(dá)性也較好，對(duì)次干道的指引較少.其中，西五路與北三路的指引可達(dá)性最高，已經(jīng)達(dá)到100%，而北一路由于是次干道對(duì)其指引較少，且可達(dá)性也比較低.以中環(huán)東路為例，應(yīng)用前人提出的算法模型[4]得到的指引路徑搜尋結(jié)果已如圖2所示，而應(yīng)用本文提出的算法模型，得到指引路徑搜尋結(jié)果如圖5、圖6所示，其中兩個(gè)算法所得到的可達(dá)性指引率如表2所示.由于本文根據(jù)現(xiàn)狀及交通管理者后續(xù)優(yōu)化的角度，排除了因缺少連接性標(biāo)識(shí)而背離目的地搜索，例如兜了個(gè)圈后又回到目的地的情況，而是認(rèn)為在缺少連接性標(biāo)識(shí)下，背離目的地繼續(xù)行駛是一種指引不可達(dá)的情況，故指引可達(dá)性要稍低于先前的算法模型.圖5、圖6中形式的點(diǎn)為對(duì)“中環(huán)東路”進(jìn)行指引的指路標(biāo)志點(diǎn)，為不連續(xù)指引路徑，弧段為連續(xù)指引路徑.圖5是在默認(rèn)搜索路徑中考慮了連接性標(biāo)識(shí)缺失的情況，由于A處缺失連接性標(biāo)識(shí)，則認(rèn)為指引不可達(dá)，無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行路徑搜索即S-O-A段是不連續(xù)指引.從圖6中可以看出，在不連續(xù)路徑上，由于部分交叉口缺少對(duì)被標(biāo)識(shí)對(duì)象的指引信息，道路使用者不能順利到達(dá)目的地，圖6中有5處地方不連續(xù)都是由于缺乏連接性標(biāo)識(shí)所導(dǎo)致的（圖中大圓圈表示缺乏連接性標(biāo)識(shí)處）.在連續(xù)指引路徑上，道路使用者可以通過(guò)指路標(biāo)志的指引信息并結(jié)合默認(rèn)尋路規(guī)則到達(dá)目的地.

表1 廣州大學(xué)城指引信息可達(dá)性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 The guiding accessibility evaluation results in Guangzhou Higher Education Mega Center

表2 算法模型應(yīng)用結(jié)果比較Table 2 Comparison of model application

圖5 中環(huán)東路指引可達(dá)性部分示意圖Fig.5 The partial guiding accessibility diagram of Zhonghuandong road

圖6 考慮連接性標(biāo)識(shí)的指路標(biāo)志指引路徑搜尋結(jié)果示意圖Fig.6 The guiding accessibility diagram considering connection Signs

5 研究結(jié)論

指路標(biāo)志作為靜態(tài)誘導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分已經(jīng)受到交通研究機(jī)構(gòu)與管理部門(mén)的重視，對(duì)指路標(biāo)志誘導(dǎo)系統(tǒng)可達(dá)性分析研究是后續(xù)優(yōu)化指路標(biāo)志誘導(dǎo)功能的基礎(chǔ)，連續(xù)的指引信息是保障道路出行者到達(dá)目的地的前提.本文結(jié)合前人的相關(guān)工作，在搜索路徑中，考慮連接性標(biāo)識(shí)的存在與否對(duì)駕駛員的尋路規(guī)則進(jìn)行完善，建立了用于搜尋指引路徑的指引信息可達(dá)性分析算法，并將模型應(yīng)用于廣州大學(xué)城.結(jié)果表明，本算法模型提高了評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)狀的契合度.因此道路管理者可以根據(jù)該算法模型得到的路徑搜索結(jié)果去完善指路標(biāo)志的布設(shè)，并對(duì)不同被標(biāo)識(shí)對(duì)象的指引路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而滿(mǎn)足不同的交通需求，進(jìn)而充分發(fā)揮指路標(biāo)志的誘導(dǎo)指引功能.

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Analysis and Evaluation for Guiding Accessibility Considering Connection Signs

LI Min,HUANG Min,NIU Zhong-ming,LI Er-da
(Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System,School of Engineering, Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006,China)

In order to better analyze and evaluate the guiding accessibility of guide sign system,and lay a foundation of deploying and optimizing guide signs.Firstly,the representation model for guiding information is discussed based on the road network topology.And the previous study on analysis and evaluation for guiding accessibility is applied to a certain area,and some improved methods are proposed from the current situation and management.Then,the analysis algorithm model for path-finding and guiding accessibility is constructed taking connection signs into consideration according to above-mentioned improved methods.At last, a case study is conducted:the analysis algorithm model is tested in Guangzhou Higher Education Mega Center,and evaluated the guiding accessibility of guide sign system.Application revealed that this analysis algorithm model fits better with the present status,and the algorithm model is feasible and effective.

intelligent transportation;guiding accessibility analysis;path searching algorithm;guide sign; connection signs

1 引 言

2013-07-24

2013-09-25錄用日期：2013-11-29

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012B010100023）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178475）.

李敏(1988-),男,湖南常德人,碩士生.*通訊作者：huangm7@mail.sysu.edu.cn優(yōu)化指路標(biāo)志的布設(shè)，以及更好地提高指路標(biāo)志的誘導(dǎo)功能打下良好的基礎(chǔ)[2].目前許多學(xué)者對(duì)指路標(biāo)志分析評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，并提出了相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如：連接性標(biāo)識(shí)率、實(shí)地信息指引率、路徑復(fù)雜度等[3，4].

隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設(shè)不斷深入，城市快速道路、環(huán)路、立交橋等隨之融入城市路網(wǎng)之中，道路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，道路使用者的路徑選擇更趨于多樣化，從而使得道路使用者對(duì)指路標(biāo)志誘導(dǎo)系統(tǒng)的依賴(lài)越來(lái)越強(qiáng)烈.指路標(biāo)志是道路交通的語(yǔ)言，為交通參與者傳遞道路方向、地點(diǎn)、距離等信息[1].科學(xué)合理地設(shè)置指路標(biāo)志不僅能為道路使用者提供有效的指引信息，而且能提高整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行效率.對(duì)現(xiàn)有的指路標(biāo)志誘導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)能夠較為詳細(xì)地了解當(dāng)前指路標(biāo)志系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，進(jìn)而為