王崇倡，徐曉昶，王曉婉

（遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院，遼寧 阜新123000）

傳統(tǒng)高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)采用“節(jié)點－弧段”幾何模型，它是采用二維有序坐標對來描述位置信息，空間數據庫的數據結構是將地理要素分層管理，并建立要素間的拓撲關系。如此，弧段僅能與屬性表中一條記錄相對應，不能表達要素與屬性的一對多關系，如不同路段的狀況、使用性能、材料均不同，屬性變化處須打斷弧段，記錄便存在大量空值，導致系統(tǒng)數據冗余、更新困難。要素數字化時，指示牌等沿線設施不是精準地落在中心線上，需要通過引入“偽節(jié)點”的方式打斷弧段，造成沿線設施的位置精度下降。由此戴維·弗萊特率先提出動態(tài)分段思想［1］改變這一問題，后在各線性領域中得到廣泛應用。

動態(tài)分段方法是“節(jié)點－弧段”幾何模型的改進，將基于二維的中心線模型采用“樁號＋里程值”的線性參考方法表達，可以有效地將二維坐標轉換為一維相對坐標，各種養(yǎng)護信息屬性表動態(tài)顯示，滿足高速公路宏觀尺度的養(yǎng)護管理。高速公路上下行車道和中心綠化帶卻無法分別表達，不利于上下行養(yǎng)護信息的存儲、檢索與上下行的病害定位。設計利用動態(tài)分段技術基于綜合車道的高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)，將高速公路同向行駛車道集成為一個綜合車道并作為基本建模單位［2］。這樣既可以保留宏觀交通差異、高效細致定位病害位置，又可以充分利用動態(tài)分段技術動態(tài)顯示屬性信息的管理養(yǎng)護信息手段。

1 線性參考與動態(tài)分段

1．1 線性參考

線性參考系統(tǒng)是統(tǒng)一的一維度量系統(tǒng)，它提供了利用線性要素的一維相對坐標動態(tài)描述其上每一點相對位置的方法。其本質是在離散的“節(jié)點－弧段”數據結構上建立的一個連續(xù)的一維場結構，是動態(tài)分段實現的基礎［3－4］。當線性要素給予線性參考時，可以將多組屬性與此線性要素的某一部分相關聯(lián)，而與“節(jié)點”無關，使得存儲一個線性要素的多重屬性變?yōu)榭赡?。線性參考系統(tǒng)應用于高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)中的優(yōu)勢明顯。融合各類養(yǎng)護數據，提供屬性數據脫離高速公路網絡的前提基礎，將二維坐標（x，y）轉化為一維相對坐標（樁號＋里程值），實現相對坐標區(qū)間表達多重屬性，便于養(yǎng)護數據編輯、更新，屬性信息與病害快速定位，同時為動態(tài)分段打下基礎。

在高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)中包括高速公路網絡、線性參照模型、線性參考方法、養(yǎng)護事件［4］，如圖1所示。其中，高速公路網是利用“節(jié)點－弧段”模型對現實路的描述；線性參照模型是提供地理位置參照對象的控制點集合；線性參考方法是確定事件在線性網絡中發(fā)生的位置；養(yǎng)護事件則是系統(tǒng)中要表達的屬性位置和信息。

1．2 動態(tài)分段

動態(tài)分段是基于網絡重疊概念發(fā)展起來的一種新的線性特征的動態(tài)分析、顯示和繪圖技術，通過一定的映射關系，將動態(tài)段對應到數據庫，極大地增強線性特征的動態(tài)數據處理功能［5－6］。其表現為，在地圖上顯示線性參考要素與要素屬性的過程。動態(tài)分段的實現離不開線性參考系統(tǒng)，通過建立的養(yǎng)護屬性事件表與底層線性要素使用相同線性參考系統(tǒng)，用一維相對坐標或相對坐標區(qū)間來表示單點屬性或區(qū)間屬性。事件表必須包含兩個特殊字段，一個是路徑編碼，即綜合車道號或是綠化帶號；另一個是里程值，點事件用單點里程值，線事件用起止雙點里程值。如此，養(yǎng)護屬性數據獨立于底層數據，養(yǎng)護信息的可視化顯示、查詢、更新、編輯與分析便與底層數據脫離，無需重復數字化可以多個屬性集的動態(tài)顯示、分析、查詢。點事件表和線事件表如圖2所示，動態(tài)分段查詢圖如圖3所示。

圖2 點事件表和線事件表

在養(yǎng)護信息系統(tǒng)中，只有高速公路網絡數據模型具有空間坐標，養(yǎng)護事件表為某種屬性的表達，通過動態(tài)分段技術可以利用網絡數據映射出屬性事件的空間位置?？梢?，動態(tài)分段提供了將一維線性屬性數據與二維空間位置數據相結合的方法，從而將養(yǎng)護數據庫對應的多種屬性數據集與一維路徑中任何部分相關聯(lián)，而不必隨各個屬性集的分段不同來修改對應的二維空間中的坐標數據的目的。

實現平面直角坐標系統(tǒng)與線性參照系統(tǒng)之間的轉換，才能實現養(yǎng)護事件與空間位置有關的信息查詢，即一維與二維坐標的相互轉換。一種是單純的插值法，算法容易，精度不高；另一種是基于曲線要素的動態(tài)分段算法，需要參數較多，但精度較高。鑒于高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)的性質，基于綜合車道無需極高精度定位，選取基于相鄰參照點的插值分段模型，由Deuker與Vrana于1992年提出［7］。線性參考坐標轉換如圖4所示。

圖3 動態(tài)分段查詢圖

圖4 線性參考坐標轉換

其中：XA，XC，XE為已知控制點的坐標；XB，XD為待插值事件點的坐標；r為B點在AC段的相對位置系數。當兩個參照點的距離相對較小時，兩點之間的線段近似看作直線段，通過線性內插得出事件點的坐標，參照點間的距離越近，插值精度越高。當求解點事件B，D或是線事件CD 時，其過程為：首先在數據庫中由事件的里程值找到其所在的控制段AC與CE，后分別計算相對位置系數rB與rC。其次在AC，CE間訪問參照點Pi，并計算相對位置系數 Ni＝APi／AC，Mi＝CPi／CE。最后判定 Ni，Mi是否大于rB，rC，如果大于則記錄Pi與Pi＋1的坐標，之后內插B，D的坐標，如果不大于則訪問Pi＋1點在此進行判定，直到滿足條件為止。

2 綜合車道模型

高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)中關于車道模型有兩個重要的問題需要結合考慮。一是數據量，一是特征描述的情況。傳統(tǒng)建立拓撲網，當車道發(fā)生變化時，需添加一個新的節(jié)點并且重新建立拓撲。同時，針對高速公路車道間的養(yǎng)護而言，同向車道之間的特征差異性并不大，如若使用還原現實中車道的建模方式，既顯得同向間車道拓撲的多余，又需要承受巨量的數據。如此，不但操作繁瑣，而又要承擔巨大的數據量，使得高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)操作困難。

Fohl ＆Curtin曾提出了最詳實的描述方式將現實中的車道作為建模的基本單元［8］，但是由于現實中各個車道的差異使得自動化生成交通拓撲網十分困難。陸峰提出將同一高速公路上同向且可以隨時互相變道的車道進行集成，簡化為一個綜合車道。綜合車道作為系統(tǒng)建模的基本單元，一方面降低數據量的同時還原不同方向車道的差異，另一方面更好地利用動態(tài)分段技術保持幾何特征的完整性，使用有效統(tǒng)一的路徑編碼，綜合車道號＋里程值的一維定位方式代替二維定位方式，大大提高系統(tǒng)的使用性能。

3 系統(tǒng)需求與結構功能分析

3．1 養(yǎng)護信息同總體需求分析

通過對用戶需求與養(yǎng)護建設需求的分析、養(yǎng)護機構的業(yè)務流程以及與省級交通廳系統(tǒng)數據良好接洽，提出系統(tǒng)總體需求如下；

1）高效的養(yǎng)護數據管理。通過GIS數據庫信息化建設，建立詳實的養(yǎng)護設施地理空間和屬性數據庫。對多源養(yǎng)護數據及檢測數據進行統(tǒng)一管理，對高速公路及其設施使用統(tǒng)一編碼，利用動態(tài)分段技術提供高效的數據更新維護，同時實現高速率數據導入、數據對接、查詢檢索統(tǒng)計、輸出報表等。

2）圖文并茂的可視化展示。結合GIS強大的可視化與統(tǒng)計功能，對養(yǎng)護業(yè)務以圖表的方式展示，進行多維度的分析與統(tǒng)計，一目了然地了解高速公路資產分布情況，能夠上傳病害圖片，為養(yǎng)護決策與預算、養(yǎng)護預測提供高效的數據支撐。

3高速公路質量評價功能。根據采集到的PQI（路面使用性能指數）、RQI（路面行駛質量指數）、RDI（路面車轍深度指數）、SRI（路面抗滑性能指數）、PSSI（路面結構強度指數）、PCI（路面損壞狀況指數）等高速公路性能參數、年限、地區(qū)類型、高速公路等級、裂縫類、松散類、變形類指標動態(tài)設置決策樹后來確定養(yǎng)護性質（日常養(yǎng)護、大修、中修、預防性養(yǎng)護），為養(yǎng)護決策提供計算養(yǎng)護性質依據。養(yǎng)護決策圖如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護決策圖

3．2 養(yǎng)護信息系統(tǒng)總體結構

高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)以地理數據庫與養(yǎng)護屬性數據庫為基礎，以養(yǎng)護決策樹、預測樹設置為核心，為高速公路提供可視化的信息查詢顯示與病害的決策、預測服務［9］。高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)以綜合車道為基本建模單位，結合動態(tài)分段將養(yǎng)護屬性以事件表的形式存儲于養(yǎng)護屬性數據庫中。系統(tǒng)由高速公路基本信息系統(tǒng)、高速公路設施信息系統(tǒng)、養(yǎng)護系統(tǒng)、外業(yè)數據采集系統(tǒng)、綜合輔助決策支持系統(tǒng)、日常應用與管理系統(tǒng)6部分組成，如圖6所示。

高速公路基本信息系統(tǒng)由路徑基本信息、車道特征、平曲線、縱曲線、縱坡、橫斷面、路肩、定位控制點、養(yǎng)護范圍等組成。高速公路設施信息系統(tǒng)由路基、路面、主要構造物、沿線設施組成。兩部分系統(tǒng)構成高速公路信息系統(tǒng)的基礎。養(yǎng)護信息系統(tǒng)由養(yǎng)護路段、重點保潔路段、鏟除冰雪路段、易塌方路段、養(yǎng)護計劃、養(yǎng)護方案、養(yǎng)護預算、養(yǎng)護機構組成，用來存儲養(yǎng)護相關數據。外業(yè)數據采集系統(tǒng)包括各種設施的病害信息與質量參數的采集與復查，及時提供準確的路況信息。綜合輔助決策支持系統(tǒng)包括路面等質量評價、預測模型以及在評價指標基礎上建立的決策支持。日常應用與管理系統(tǒng)為養(yǎng)護專業(yè)人士提供方便的專業(yè)操作，自動化的辦公體系。各個部分之間相互聯(lián)系，構成主體養(yǎng)護系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)結構

3．3 養(yǎng)護信息系統(tǒng)模塊功能

根據系統(tǒng)總體需求分析，基于動態(tài)分段技術的高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)分為以下功能模塊：

1）地圖管理模塊。地圖管理模塊是整個系統(tǒng)的基礎框架和操作核心，主要包括：

地圖操作。包括地圖文檔管理、圖層操作、地圖縮放、地圖平移、全圖顯示、鷹眼功能等。

文件加載。包括GDB、Lyr、DEM、Shp、柵格圖等各種類型的文件。

制圖輸出。根據用戶查詢及養(yǎng)護業(yè)務需求，將查詢統(tǒng)計分析的結果制成各種專題地圖、圖表、報表，并提供打印輸出功能。

2）養(yǎng)護數據查詢統(tǒng)計與分析模塊。系統(tǒng)實行多種查詢方式相結合，高速公路各設施圖形與屬性的雙向查詢、SQL條件查詢、養(yǎng)護事件表屬性查詢、地圖點與多邊形查詢。

3）日常應用與管理模塊。為業(yè)內人士的日常養(yǎng)護工作提供一個方便快捷的平臺，主要包括：

外業(yè)數據收集整理與入庫。將自動檢測車數據、彎沉檢測數據、地面雷達檢測數據、橋涵病害圖片等進行收集整理后導入數據庫。

入庫數據校準與糾錯。入庫后的數據進行檢測校準，直到每一份數據都符合規(guī)范。

評價分析。高中層管理人員獲取權限查看評價分析報告、趨勢分析、決策方案。

系統(tǒng)設置。由用戶管理、系統(tǒng)參數設置以及數據字典管理部分組成，設置用戶權限，更好地為用戶使用。

4）動態(tài)分段技術模塊。依據養(yǎng)護需求建立養(yǎng)護事件表，有效降低數據量，提高系統(tǒng)運行速率，將屬性寫入事件表中，利用線性參照系統(tǒng)可以使屬性數據可視化地顯示在地圖上，是系統(tǒng)技術的精髓，舉例說明見表1。

表1 高速公路養(yǎng)護事件

續(xù)表1

5）養(yǎng)護工程資料管理模塊。高速公路施工文檔、竣工文檔（每項工程的文檔）以及各種詳細的養(yǎng)護記錄，包括檢測工程細節(jié)、養(yǎng)護維修工程細節(jié)、施工單位、施工圖紙、負責人等，給后續(xù)養(yǎng)護工作詳細的參考資料。

6）養(yǎng)護決策支持模塊。高速公路養(yǎng)護未來的發(fā)展方向就是預防性養(yǎng)護，就是根據評價模型與采集到的評價參數在系統(tǒng)中建立決策樹模型，提供有效的設施性能評價、養(yǎng)護預測以及為已經出現的病害提供養(yǎng)護決策，給予有效的養(yǎng)護措施［10］。主要評價參數包括：路面使用性能（PQI）、路基狀況（SCI）、橋涵建筑物技術狀況（BCI）、路面性能（PCI）、路面行駛質量（RQI）、路面車轍深度（RDI）、路面抗滑性能（SRI）、國際平整度（IRI）、破損率（DR）、路面結構強度（PSSI）。結合我國高速公路養(yǎng)護的實際情況與需求，系統(tǒng)中采用公路技術狀況評定指南（JTG H20－2007）中的評價方法體系，并支持模型的生成與修改。

4 結束語

本文針對養(yǎng)護信息系統(tǒng)的需求、結構、功能模塊與關鍵技術相結合的方式來闡釋系統(tǒng)優(yōu)勢。根據高速公路的線性特征，基于動態(tài)分段技術的高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護信息系統(tǒng)相比，在數據管理方面有著很大的優(yōu)勢。將綜合車道作為建模的基本單元，在利用動態(tài)分段技術降低數據量的同時，更好地描述高速公路形態(tài)。隨著ITS的發(fā)展，低數據量、高效檢索、預測功能的養(yǎng)護信息系統(tǒng)是未來交通平臺的發(fā)展方向。

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