張耀允，戴　瑋

（安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088）

地理信息技術在公路運行速度協(xié)調性分析中的應用

張耀允，戴瑋

（安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088）

分析了當前公路項目運行速度預測缺乏空間支持的不足，探討利用GIS進行運行速度預測計算的流程和關鍵點，最后利用實際公路項目數(shù)據(jù)，基于GIS進行運行速度的計算單元確定、建模、計算、分析與結果輸出，討論了將GIS作為公路項目安全性評價基本手段的可行性。

運行速度；GIS；公路路線

1　引言

公路項目的安全性評價是從行車安全性的角度對公路項目的可行性研究、設計成果及運營公路進行評價，達到減少交通事故，降低交通事故危害的目的。隨著我國新建公路和運營公路的快速增長，對公路的安全性評價的需求越來越迫切。公路運行速度V85預測計算是公路安全性評價首先面臨的問題，研究者提出了許多運行速度預測的數(shù)學模型，論證了不同自然條件、不同鋪裝材料和不同車輛對運行速度的影響。在實際運用中，這些模型大部分是以電子表格的形式進行計算與分析。即便采用程序計算，輸出的結果也是表格，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，表格形式的運行速度不形象直觀，難以進行結果的總體校審與宏觀評價；

（2）計算中不能充分考慮地理因素的影響；

（3）表格的格式交付，難以直接進行后續(xù)空間分析應用拓寬的條件。

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，該軟件實現(xiàn)了根據(jù)設計平縱的CAD成果自動計算分析線路的運行速度，極大地簡化了計算的復雜程度。但是該軟件單純由路線幾何條件計算結果，缺乏模型拓展的空間。此外，輸出的成果是電子表格，依舊不能直接進行后續(xù)空間分析應用。

GIS（地理信息科學）具有良好的空間展示、信息處理、空間分析、地學統(tǒng)計等特點，在公路路線運行速度的預測中，可以實現(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行速度的應用。利用幾何信息同時，實現(xiàn)各類屬性與圖形單元的對應，是基于GIS進行路線運行速度分析的特點之一。本文對GIS技術在公路運行速度預測中的流程、方法、關鍵點進行初步探討，并以某地公路進行了計算，對提出的相關方法和思路進行驗證。

2　基于GIS的公路運行速度計算

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

2.1路線計算單元確定

目前，路線設計主要是使用二、三維CAD分別進行平面設計和縱斷面設計，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。如何將路線設計的平、縱成果轉換為可用的GIS數(shù)據(jù)，是首要問題?？傮w原則是依據(jù)速度預測模型的需求，將平面線和縱面線各自進行單元劃分，然后再將兩者取交集，修改整理后形成最終的路線計算單元。

2.2計算相關要素

許多速度計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（如風場、雨雪霧分布、限速區(qū)、交通網(wǎng)絡等）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）與路線計算單元相掛接。車輛因子（如車輛加速度、制動類型）需要明確不同車型的相關參數(shù)，一般是基于統(tǒng)計、測試基礎上的經(jīng)驗值。其它因子包括路面材料、路面狀況、駕駛員等方面，根據(jù)不同的計算模型選取不同的因子。

2.3建模計算

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

2.4運行速度計算

調用編寫的程序模塊，讀入計算單元，輸入初始速度、車輛加速度等設定值，循環(huán)執(zhí)行得出各單元的運行速度結果。

2.5問題定位與分析

依據(jù)計算的速度，結合該公路的設計速度等，進行分級渲染和空間查詢，快速定位運行速度問題區(qū)段。對于問題區(qū)段進行緩沖區(qū)分析，疊加其它數(shù)據(jù)，計算影響范圍內的匝道口、路政管理處、清障點等興趣點。

2.6成果輸出

利用GIS強大的樣式管理器，選擇適當?shù)姆枠邮胶蛨D形圖表，輸出相關速度數(shù)值表、分級渲染圖、超速或低速緩沖區(qū)圖、危險區(qū)段點狀圖、速度曲線圖、直方圖、多維圖等多種形式的成果。依據(jù)關注點的不同，可以輸出關于計算單元的駛入速度、駛出速度、中間速度、運行速度與設計速度差值等等數(shù)值的結果圖。

3　基于GIS的公路運行速度計算關鍵點

3.1圖元與計算單元的統(tǒng)一

在線型CAD數(shù)據(jù)轉換到GIS數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)以下問題：

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

（2）數(shù)據(jù)精度的變化，轉換過程中可能會發(fā)生精度的丟失；

（3）平面線和縱面線單元劃分，依據(jù)不同的計算模型，計算單元和圖元之間需要統(tǒng)一，以圖元為載體承載計算單元。

3.2二次開發(fā)

二次開發(fā)時，可以直接調用GIS相關的API進行，需要注意的關鍵問題是部分高級計算，如矩陣計算、回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡等等，需要自行開發(fā)或者加載第三方數(shù)學函數(shù)。此外，如果速度預測模型較復雜，則需要進行預處（如建立空間索引），提高計算效率。

3.3空間處理與分析

借助GIS的空間處理可以實現(xiàn)基于空間相交、重合、相鄰等拓撲關系的空間數(shù)據(jù)連接；緩沖區(qū)分析和疊加分析方便了結果的空間分析。

3.4數(shù)據(jù)庫的支持

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

4　應用案例

交通部于2004年發(fā)布了推薦性行業(yè)標準《公路項目安全性評價指南》（下稱《指南》），初步提出了針對我國高速公路和一級公路安全性評價的內容、方法和標準，本案例以該標準中的運行速度模型為例進行論述。本案例選用ArcGIS作為GIS平臺進行分析計算，路線設計成果為AutoCAD的dwg格式。該條公路為中國西部某省山區(qū)二級公路，設計速度80km/h。計算中小客車初始駛入速度設定為95km/h，大貨車初始駛入速度設定為65km/h。

4.1計算單元劃分

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

表1　計算單元劃分

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算單元，形成平面圖層P；然后，將平面線以變坡點為界打斷成各個坡度單元，然后賦予坡度字段以對應數(shù)值，形成縱坡分布圖層Z；圖層P與圖層Z做空間運算，得到包含平縱信息的各個計算單元，最后對屬性字段（樁號、半徑、單元程度、坡度等）進行補充與完善，結果如圖3：

速度計算模型程序實現(xiàn)中，速度計算依據(jù)前一段計算單元的輸出速度作為駛入速度，參考《指南》附錄B使用不同的公式進行計算。

4.2結果渲染

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

運行速度計算完成后，結合疊加分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡分析等空間分析手段，對平曲線半徑、結果數(shù)據(jù)進行深入的分析。同時可以與后期的道路運維數(shù)據(jù)疊加分析，探求各種相關因素的影響，為科學規(guī)劃提供可靠依據(jù)。

5　結論

隨著公路項目安全性評價重要性的凸顯，對大中型公路項目進行安全性評價的需求越來越多。使用GIS進行公路運行速度預測分析以及安全性評價，可以提高公路項目安全性評價的科學性和可用性，帶來工作思路、評價理念、實現(xiàn)方式和輸出結果各個環(huán)節(jié)的改變。本文以安全性評價中首要的速度預測為切入點，初步探討了基于GIS進行運行速度計算的相關流程與方式，替代了原有的電子表格計算結果形式。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。

結合地理信息二次開發(fā)，基于GIS的公路項目安全性評價尚有很多需要研究的空間。如何在二三維GIS系統(tǒng)下，進行深度的速度預測、動靜態(tài)視距分析、行車模擬、構筑物分析等等，最后開發(fā)出適用于不同公路項目安全性評價的工具和軟件，是利用GIS進行公路安全性評價中需要繼續(xù)深入研究的問題。

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

［2］ 中華人民共和國交通部.JTG/T B05-2004公路項目安全性評價指南［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 劉丹.基于GIS的道路交通安全評價與預測方法研究［D］.北京：北京交通大學，2012.

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