基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)

肖海紅1，蔣瑞波1，王蘭洲2，胡愈1

(1.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191； 2.鄭州測(cè)維科技有限公司，鄭州 450000；

主要研究3S技術(shù)及開(kāi)發(fā)。

摘要：為了給乘坐公交出行的人們提供準(zhǔn)確且有效率的最優(yōu)乘車(chē)路線，在GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對(duì)公交數(shù)據(jù)的模型從其公交網(wǎng)空間位置以及關(guān)系網(wǎng)方面進(jìn)行了分析和研究。對(duì)常用的公交規(guī)劃軟件的公交模型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，并對(duì)基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行了改進(jìn)，以達(dá)到最小換乘次數(shù)和最小途經(jīng)站數(shù)。該模型能夠?qū)崿F(xiàn)公交模型數(shù)據(jù)庫(kù)的快速創(chuàng)建，且維護(hù)效率高，為我國(guó)公交網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊的反饋機(jī)制提供了多種規(guī)劃方案和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：GIS；公交換乘；途徑站數(shù)；數(shù)據(jù)模型

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.029

收稿日期：2015-08-16

基金項(xiàng)目：鄭州市科技項(xiàng)目(121PPTGG357-4)

作者簡(jiǎn)介：肖海紅(1979-)，男(漢)，鄭州，碩士

中圖分類(lèi)號(hào)：P208獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

公共交通作為城市出行人群最主要以及首選的出行方式，涉及到很多方面，如換乘的次數(shù)，換乘需要步行的距離，以及出行的時(shí)間和費(fèi)用等，這些都是公交出行線路選擇的主要影響因素[1]。目前，換乘次數(shù)是出行者選擇公交出行優(yōu)先考慮的問(wèn)題。那么對(duì)于公交換乘的查詢就要求其具備一定的效率和質(zhì)量，能夠準(zhǔn)確、快速地將出行者出發(fā)地與目的地之間的最小換乘次數(shù)、最小途徑站數(shù)的乘車(chē)路線搜索并呈現(xiàn)出來(lái)。本文在GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)的基礎(chǔ)上，利用其在空間數(shù)據(jù)方面所具備的查詢、存儲(chǔ)以及表達(dá)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種公交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。該模型實(shí)現(xiàn)了高效公交換乘算法，有效地解決了我國(guó)當(dāng)前城市公交換乘信息查詢方面的實(shí)際問(wèn)題。

1基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型的研究

1.1　基于矢量數(shù)據(jù)的公交數(shù)據(jù)模型

本研究設(shè)計(jì)的基于矢量數(shù)據(jù)的公交數(shù)據(jù)模型結(jié)合了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)是以Geo data base矢量數(shù)據(jù)模型形式進(jìn)行存儲(chǔ)，而公交站點(diǎn)與線路屬性信息之間的關(guān)系存儲(chǔ)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)表中[2]。通過(guò)關(guān)鍵字段可以將空間數(shù)據(jù)和屬性表二者關(guān)聯(lián)起來(lái)，用于對(duì)復(fù)雜公交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的表達(dá)。其中Bus Stop為公交站點(diǎn)，一個(gè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量點(diǎn)狀要素圖層，用于對(duì)站點(diǎn)名稱(chēng)、編號(hào)以及坐標(biāo)等信息的儲(chǔ)存，其矢量點(diǎn)狀要素圖層主要字段見(jiàn)表1。

表1　公交站點(diǎn)字段說(shuō)明

表1中Stop Name D字段主要是用于對(duì)同名站點(diǎn)標(biāo)號(hào)的標(biāo)識(shí)，從而能夠方便地對(duì)步行換乘問(wèn)題進(jìn)行解決?？臻g位置相距較近，且具有相同名稱(chēng)，或者類(lèi)似名稱(chēng)的站點(diǎn)就叫做同名站點(diǎn)，如某某商場(chǎng)前站與某某商場(chǎng)后站等，屬于同名站點(diǎn)[3]。公交數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程為：設(shè)d為2個(gè)站點(diǎn)之間的距離，w為同名站點(diǎn)之間的距離閾值，那么根據(jù)相鄰2個(gè)站點(diǎn)之間的平均距離以及乘客的實(shí)際行為，可以取w=150 m，并將150 m作為緩沖半徑，然后將同名站點(diǎn)規(guī)定為d≤w的站點(diǎn)，通過(guò)GIS緩沖區(qū)的分析，賦予相同的Stop Name ID值。

Bus Line即公交路段，與公交站點(diǎn)不同，它所對(duì)應(yīng)的是矢量線狀要素圖層，主要是對(duì)有公交車(chē)直達(dá)的2個(gè)相鄰站點(diǎn)之間的路段位置信息進(jìn)行存儲(chǔ)，矢量線狀要素圖層的主要字段見(jiàn)表2。

表2　公交路段字段說(shuō)明

從表2可以看出，針對(duì)2個(gè)相鄰公交站點(diǎn)之間的距離而言，如果該路段從起點(diǎn)到終點(diǎn)的行車(chē)路線與其相反的路線，即從終點(diǎn)到起點(diǎn)的路線是相同的，那么只需要進(jìn)行一個(gè)要素的存儲(chǔ)就可，否則就要按照站點(diǎn)的順序作為兩個(gè)要素進(jìn)行分別存儲(chǔ)。而該數(shù)據(jù)可以共享于多條通過(guò)該路段的公交車(chē)路線，有效避免了數(shù)據(jù)冗余。

Bus Route即公交線路屬性表，其主要是對(duì)公交線路的名稱(chēng)、編號(hào)以及早班、晚班時(shí)間等信息進(jìn)行儲(chǔ)存，該字段的信息見(jiàn)表3。

表3　公交線路屬性結(jié)構(gòu)

從表3可以看出，雖然公交路線分為上行開(kāi)班、收班和下行開(kāi)班、收班，但是公交線路屬性表對(duì)此僅存儲(chǔ)為一條記錄，具體的信息區(qū)分會(huì)在下面的線路站點(diǎn)關(guān)系表中表述出來(lái)。

Route Stop即線路站點(diǎn)關(guān)系表，是公交換乘查詢的關(guān)鍵表格，其主要是對(duì)上下行路線序號(hào)以及公交車(chē)所經(jīng)過(guò)的站點(diǎn)等信息進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，線路站點(diǎn)關(guān)系表的結(jié)構(gòu)和示例見(jiàn)表4。

表4　線路站點(diǎn)關(guān)系示例數(shù)據(jù)

從表4可以看出，站點(diǎn)線路上行、下行的序號(hào)分別是用Seg Up、Seg Dn來(lái)表示，如果表中站點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，則表示公交車(chē)不經(jīng)過(guò)該站點(diǎn)。對(duì)于相鄰站點(diǎn)間路段以及站點(diǎn)編號(hào)的記錄和存儲(chǔ)，即Line ID Up、Line ID Dn，如果不存在相鄰的下一站點(diǎn)，那么這部分的值為空。如表4中的Route ID=1來(lái)說(shuō)，該路線的公交線路如圖1所示。

圖1　公交線路示意圖

從圖1的公交線路示意圖可以看出，公交車(chē)的上行線路站點(diǎn)依次為A、B、F、G、H、I、J、K，其所對(duì)應(yīng)的路段編號(hào)為1、2、3、4、5、6、7，下行線路站點(diǎn)為K、J、I、H、G、E、D、C、B、A，其所對(duì)應(yīng)的路段編號(hào)為7、6、5、4、11、10、9、8、1。這樣，通過(guò)路段以及站點(diǎn)的編號(hào)就能夠分析出上下行線路以及站點(diǎn)位置的信息。

1.2　矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的城市公交數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

1)以100 km2具有百萬(wàn)人口的城市為例，如果每個(gè)交通小區(qū)占地約1 km2，那么所有的站點(diǎn)之間就需要連接4 950條公交線路，這種情況很明顯是不現(xiàn)實(shí)的，因此就需要用公交換乘來(lái)解決。

2)由于受到城市發(fā)展條件以及投資水平的限制，其城市的公共交通線路發(fā)展也受到限制。因此，居民出行就會(huì)在公共交通與私人交通之間頻繁的轉(zhuǎn)換。我國(guó)的軌道交通還不太發(fā)達(dá)，所以居民出行的方式以及線路條數(shù)都是有限的，從而帶來(lái)了龐大的公交線路換乘量。

由此可以看出，在整個(gè)公交系統(tǒng)中，公交換乘系統(tǒng)是必不可少的。

1.3　基于GIS-T的公交網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

公交路徑通過(guò)動(dòng)態(tài)分段技術(shù)以事件的方式反映到拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，這應(yīng)算是一種公交網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的辦法。這種方式不僅可以實(shí)現(xiàn)弧段一對(duì)多的綜合操作，還可以給定參考值便于表達(dá)公交網(wǎng)絡(luò)。這種路徑提供了GIS-T的公交網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法。達(dá)科和巴特勒改進(jìn)了以事件為中心的GIS-T Enterprise模型，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模塊與線性基準(zhǔn)模塊以及地圖模塊的鏈接，并分開(kāi)了網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使其靈活性增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙洪澤等(2001)對(duì)拓?fù)鋵优c基線層以及線性參照層的關(guān)系進(jìn)行了分析。本研究將分別從線性與非線性數(shù)據(jù)2個(gè)層面對(duì)我國(guó)整個(gè)交通系統(tǒng)進(jìn)行劃分，從而構(gòu)建整個(gè)公交網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建方法如圖2所示。

圖2　整體交通系統(tǒng)構(gòu)建方法

2公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1　GIS設(shè)計(jì)方法

GIS對(duì)于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的管理采用的是一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，主要是對(duì)其屬性數(shù)據(jù)管理的方式、空間進(jìn)行有效管理。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展到現(xiàn)在，其管理方式主要是采用Geo data base來(lái)進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)庫(kù)以及統(tǒng)一空間的管理。

2.2　公交網(wǎng)絡(luò)圖層設(shè)置

可以抽象地將公交網(wǎng)路圖層設(shè)置為5個(gè)層次：1)用于儲(chǔ)存站點(diǎn)位置的站點(diǎn)層；2)用于儲(chǔ)存線路信息的線路層；3)用于儲(chǔ)存道路網(wǎng)路信息的道路層；4)用于儲(chǔ)存小區(qū)公交站點(diǎn)信息的小區(qū)層；5)用于儲(chǔ)存站點(diǎn)周?chē)Y源信息的資源層。

2.3　關(guān)系表的設(shè)計(jì)

將各個(gè)表之間的關(guān)系進(jìn)行清楚的表達(dá)是關(guān)系表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，在GIS系統(tǒng)中，為了表示公交線路與站臺(tái)之間的關(guān)系，并將道路網(wǎng)絡(luò)與站臺(tái)聯(lián)系起來(lái)，可以采用定位以及線性參照系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)公交網(wǎng)絡(luò)關(guān)系表。定位參照系統(tǒng)主要用來(lái)對(duì)公交站臺(tái)的位置進(jìn)行確定，而線性參照系統(tǒng)則主要是用來(lái)定位站臺(tái)在行車(chē)路線上的位置。表5和表6分別為站臺(tái)表線路表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表7和表8分別為公交線路—站臺(tái)表和公交線路—站臺(tái)表數(shù)據(jù),表9為轉(zhuǎn)變控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表。

表5　公交站臺(tái)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表6　公交線路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表7　公交線路—站臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表8　公交線路—站臺(tái)表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表9　轉(zhuǎn)變控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從表6～9中可以看出，對(duì)于關(guān)系數(shù)據(jù)表的強(qiáng)化可以采用添加語(yǔ)義關(guān)系名字的方式來(lái)進(jìn)行，同時(shí)可以通過(guò)加入時(shí)間要素的方法在公交站點(diǎn)、線路中來(lái)設(shè)定公交服務(wù)的時(shí)間范圍[4]。

2.4　公交線路和站點(diǎn)編碼原則

1)簡(jiǎn)單原則，即代碼要簡(jiǎn)單易懂，方便記憶和操作；對(duì)于計(jì)算機(jī)處理的方式也要盡量做到簡(jiǎn)單。

2)唯一性原則，即公交線路的代碼和站點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，對(duì)于一個(gè)代碼對(duì)應(yīng)多個(gè)站點(diǎn)的情況要盡量避免。

3)易識(shí)別原則，即對(duì)于代碼所表示的站點(diǎn)要進(jìn)行識(shí)別，且保證一看到代碼就很容易識(shí)別出站點(diǎn)，代碼的編制要符合習(xí)慣和語(yǔ)境。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)編碼的原則并結(jié)合具體的公交信息特點(diǎn)來(lái)對(duì)公交線路和站點(diǎn)進(jìn)行編碼。

3公交換乘算法實(shí)現(xiàn)

3.1　計(jì)算最小換乘次數(shù)的數(shù)學(xué)模型

乘坐公交車(chē)時(shí)，人們首要的考慮因素是最少換乘次數(shù)，因此，下面本研究將計(jì)算最少換乘次數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

定義2任意A,B∈S，如果存在k∈N,使得B∈MA,則定義站點(diǎn)A，B之間的換乘次數(shù)為n(A,B)=k。

定義3對(duì)任意A,B∈S,n(A,B)是從站點(diǎn)A到站點(diǎn)B的最小換乘次數(shù)。

定義4任意A,B∈S,n(A,B),記Line(A,B)=從A到B的最小換乘換乘次數(shù)n(A,B)的所有路徑。

3.2　基于最小換乘次數(shù)的乘車(chē)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)人們考慮了最少換乘次數(shù)之后，就要考慮最少乘車(chē)時(shí)間，下面將對(duì)最少乘車(chē)時(shí)間的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

算法設(shè)計(jì)：步驟1：在3.1節(jié)模型的基礎(chǔ)上, 給出最小換乘的所有路徑Line(A,B)及子路段的維數(shù)Mi1、換乘信息；步驟2：計(jì)算T=T區(qū)間+T換乘；步驟3：給出T最小的由站點(diǎn)A到站點(diǎn)B的路徑Line(A,B)。

3.3　算法設(shè)計(jì)

步驟1：最小換乘的所有路徑Line(A,B)子路段的維數(shù)mi1, 都在3.1節(jié)模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，q是車(chē)的類(lèi)型。步驟2：給出M最小的由站點(diǎn)A到站點(diǎn)B的路徑Line(A,B)。

GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型在換乘次數(shù)中為最小,時(shí)間為最少, 可以在很短時(shí)間內(nèi)將給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行解決，得出理想的結(jié)果。并且此模型以及算法具有通常性,適合于各類(lèi)城市公交線路。[5]但是日常生活中，例如遇到節(jié)假日、上下班高峰以及惡劣天氣等一些不能控制的因素影響著乘客對(duì)公交線路的選擇時(shí)，由于這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的信息在獲取時(shí)非常困難，所以沒(méi)有納入考慮的范圍內(nèi)。

3.4　應(yīng)用實(shí)例

本算法目前已經(jīng)成功應(yīng)用在鄭州114號(hào)碼百事通的公交地圖服務(wù)中，應(yīng)用界面和乘車(chē)路線結(jié)構(gòu)如圖3～4所示。結(jié)果表明，采用了GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建大大提升了公交模型數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建效率。

圖3　鄭州市公交換乘條件

圖4　鄭州公交換乘計(jì)算方案

4結(jié)語(yǔ)

采用GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型，可以全方位地進(jìn)行城市公交運(yùn)輸?shù)墓芾?，不僅使之前的交通運(yùn)輸環(huán)境得以改變，而且還科學(xué)合理地調(diào)查了人與車(chē)和路之間的關(guān)系。采用GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)公交網(wǎng)空間位置和關(guān)系的公交數(shù)據(jù)模型不僅改進(jìn)了其空間數(shù)據(jù)的采集方法，而且還在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了公交換乘過(guò)程中最少換乘次數(shù)以及最少途經(jīng)站數(shù)為目標(biāo)的公交換乘算法，使步行換乘以及環(huán)路換乘等其他問(wèn)題得以解決，優(yōu)化換乘點(diǎn)的選擇。

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The implementation of public transport data model based on GIS vector data structure

XIAO Hai-hong, et al.

(CollegeofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract：In order to provide the accurate and efficient optimal route for the people of bus travel, this paper makes a study and analysis to bus data model on the basis of GIS vector data structure from the bus network space location and network. The bus model database on commonly used public transport planning software has been analyzed; the space data acquisition method on bus data model based on GIS vector data structure has been improved in order to achieve minimum transfer times and minimum via stops. The model used in this paper can realize the quick creation on bus model database, high efficiency in maintaining, and provide a variety of plannings and technical supports for the feedback mechanism of public transport network system module in China.

Key words：GIS; public transport interchange; way station number; the data model