張耀允，　戴　瑋，　王詩青

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

?

GIS在公路幾何線形評(píng)價(jià)中的應(yīng)用探討

張耀允，戴瑋，王詩青

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：文章分析了當(dāng)前公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)中運(yùn)行速度計(jì)算和線形評(píng)價(jià)的不足，探討利用GIS進(jìn)行運(yùn)行速度預(yù)測(cè)計(jì)算的技術(shù)路線，從而提高公路線形的評(píng)價(jià)的科學(xué)性。最后利用實(shí)際的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，基于GIS進(jìn)行運(yùn)行速度的計(jì)算單元確定、建模、計(jì)算、分析與結(jié)果輸出，討論將GIS作為公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)的基本手段的可行性。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行速度；地理信息科學(xué)(GIS)；公路路線

0引言

公路項(xiàng)目的安全性評(píng)價(jià)從行車安全性的角度對(duì)公路項(xiàng)目的可行性研究、設(shè)計(jì)成果及運(yùn)營公路進(jìn)行評(píng)價(jià)，達(dá)到減少交通事故及降低交通事故危害的目的。隨著我國新建公路和運(yùn)營公路的快速增長，對(duì)公路的安全性評(píng)價(jià)的需求越來越迫切。公路安全性評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容包括總體、路線、路基路面、橋梁、隧道、路線交叉和交通工程及沿線設(shè)施。其中，運(yùn)行速度計(jì)算是評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)工作，路線評(píng)價(jià)又分為幾何線型(平縱、坡度、線形組合)、視距分析及橫斷面等。公路運(yùn)行速度計(jì)算作為首要面臨的問題，本文提出較多運(yùn)行速度預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，論證不同自然條件、不同鋪裝材料和不同車輛對(duì)運(yùn)行速度的影響[1-5]。但是目前主流模型是基于路線幾何特征的預(yù)測(cè)計(jì)算，得出運(yùn)行速度V85。目前，在運(yùn)行速度V85計(jì)算中，使用表格計(jì)算和展示，難以對(duì)結(jié)果進(jìn)行總體校審與宏觀評(píng)價(jià)，缺乏進(jìn)行后續(xù)空間分析應(yīng)用拓寬的條件。

GIS(地理信息科學(xué))具有良好的空間展示、信息處理、空間分析及地學(xué)統(tǒng)計(jì)等特點(diǎn)，在公路路線評(píng)價(jià)中，可以實(shí)現(xiàn)圖形屬性合一，結(jié)合二次開發(fā)編程，極大方便了公路路線運(yùn)行速度，以及后續(xù)的平縱曲線半徑、緩和曲線和直線長度、視距計(jì)算等工作[6-7]。本文以GIS技術(shù)在公路運(yùn)行速度預(yù)測(cè)為主要切入點(diǎn)，對(duì)線形評(píng)價(jià)的流程、方法、關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行探討。

1公路運(yùn)行速度計(jì)算

以GIS為基礎(chǔ)平臺(tái)，將路線圖形信息和屬性信息、速度計(jì)算模型中的各類影響因子綜合，使用腳本語言編寫速度預(yù)測(cè)模型的程序，然后計(jì)算得出空間分布的運(yùn)行速度結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與輸出。

1.1路線計(jì)算單元確定

路線設(shè)計(jì)成果主要分為平面設(shè)計(jì)成果和縱斷面設(shè)計(jì)成果。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?？傮w原則是依據(jù)速度預(yù)測(cè)模型的需求，將平面線和縱面線各自進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，然后再將兩者取交集，修改整理后形成最終的路線計(jì)算單元。

1.2數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

將路線設(shè)計(jì)的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)的過程中，會(huì)出現(xiàn)圖形精度的變化，如CAD中的圓弧(Arc)類型變?yōu)榫€串類型，造成精度丟失；圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和類型的變化，如應(yīng)當(dāng)相交或相切的圖形，實(shí)際上并不滿足條件。

1.3整理圖元屬性

將圖元與計(jì)算因子及其他屬性掛接，主要方式分為外鍵連接和空間連接。由于數(shù)據(jù)庫是GIS的特征之一，因此，通過某個(gè)外鍵，可以實(shí)現(xiàn)SQL左連接、右連接和內(nèi)連接等屬性連接。通過空間連接，可以實(shí)現(xiàn)其他空間數(shù)據(jù)與路線計(jì)算單元相掛接。

此外，利用SQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種需求的查詢、篩選和統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)形式的原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，有利于統(tǒng)一管理和交付使用。同時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，還方便了歷史案例對(duì)比和分析，建立數(shù)據(jù)檔案。

1.4建模計(jì)算

GIS優(yōu)異的二次開發(fā)支持是其一大特點(diǎn)，主流GIS平臺(tái)都支持腳本程序或者獨(dú)立程序的編寫。工程人員只需要將速度預(yù)測(cè)模型利用VB、Python、C/C++、C#等編程語言進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)即可。二次開發(fā)時(shí)，可以直接調(diào)用GIS相關(guān)的API，進(jìn)行必要的預(yù)處(如建立空間索引)，提高計(jì)算效率。

1.5運(yùn)行速度計(jì)算

調(diào)用編寫的程序模塊，讀入計(jì)算單元，輸入初始速度、車輛加速度等設(shè)定值，循環(huán)執(zhí)行得出各單元的運(yùn)行速度結(jié)果。

2公路線形計(jì)算

公路線性計(jì)算主要包括平曲線半徑、緩和曲線、最短直線段長度、視距計(jì)算及上下坡修正、坡度、坡長、豎曲線半徑、橫斷面、超高和平縱組合，這些都需要單元運(yùn)行速度作為計(jì)算參數(shù)。

2.1問題定位與分析

依據(jù)計(jì)算速度，結(jié)合該公路的設(shè)計(jì)速度等，進(jìn)行分級(jí)渲染和空間查詢。針對(duì)線形的各類計(jì)算結(jié)果，快速定位問題區(qū)段。對(duì)于問題區(qū)段進(jìn)行緩沖區(qū)分析，疊加其他數(shù)據(jù)，計(jì)算影響范圍內(nèi)的匝道口、路政管理處、清障點(diǎn)等興趣點(diǎn)。

2.2成果輸出

輸出相關(guān)速度數(shù)值表、分級(jí)渲染圖、超速或低速緩沖區(qū)圖、危險(xiǎn)區(qū)段點(diǎn)狀圖、速度曲線圖、結(jié)果疊加圖等多種形式的成果。

3應(yīng)用案例

交通部于2004年發(fā)布了推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，初步提出針對(duì)我國高速公路和一級(jí)公路安全性評(píng)價(jià)的內(nèi)容、方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文以該標(biāo)準(zhǔn)中的運(yùn)行速度模型為例進(jìn)行論述。選用ArcGIS作為GIS平臺(tái)進(jìn)行分析計(jì)算，路線設(shè)計(jì)成果為AutoCAD的dwg格式。該條公路為中國西部某省山區(qū)二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。計(jì)算中,小客車初始駛?cè)胨俣仍O(shè)定為95 km/h，大貨車初始駛?cè)胨俣仍O(shè)定為65 km/h。

按照文獻(xiàn)[8]中的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，依據(jù)曲線半徑和縱坡大小，將計(jì)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(biāo)準(zhǔn)如下：

(1) 直線段：縱坡坡度小于3%的直線段和半徑大于1 000 m的大半徑曲線段。

(2) 縱坡段：縱坡大于3%、坡長大于300 m。

(3) 平曲線段：半徑小于1 000 m，縱坡坡度小于3%的曲線段。

(4) 彎坡組合段：半徑小于1 000 m，縱坡坡度大于3%的彎坡段。

(5) 短直線段：位于2個(gè)小半徑曲線之間，長度小于200 m的直線段。

在數(shù)據(jù)處理中，首先在AutoCAD中將平面線和縱斷面的基本單元?jiǎng)澐滞戤?，然后加載到ArcGIS中，導(dǎo)出為矢量文件。

整理圖元屬性，對(duì)屬性字段(樁號(hào)、半徑、單元程度、坡度等)進(jìn)行補(bǔ)充與完善，結(jié)果如圖1所示。

速度計(jì)算依據(jù)前一段計(jì)算單元的輸出速度作為駛?cè)胨俣?，參考文獻(xiàn)[8]，使用不同的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

對(duì)于公路線形計(jì)算，將運(yùn)行速度作為參數(shù)，帶入給定的公式[8]，計(jì)算得到停車視距、視距對(duì)應(yīng)的平曲線最小半徑及超高橫坡等參數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖1　最終計(jì)算單元的屬性

圖2　運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果

圖3　運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行速度和線形計(jì)算完成后，結(jié)合疊加分析、緩沖區(qū)分析及網(wǎng)絡(luò)分析等空間分析手段，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。同時(shí)可以與后期的道路運(yùn)維數(shù)據(jù)疊加分析，探求各種相關(guān)因素的影響，為科學(xué)規(guī)劃提供可靠依據(jù)。小客車運(yùn)行速度分布曲線與折線，如圖4所示。

圖4　小客車運(yùn)行速度分布與折線圖

4結(jié)束語

GIS作為公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)平臺(tái)，可以提高公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)的直觀性、總體性和成果的可用性，帶來工作思路、評(píng)價(jià)理念、實(shí)現(xiàn)方式和輸出結(jié)果各個(gè)環(huán)節(jié)的改變[9]。

本文以安全性評(píng)價(jià)中首要的速度預(yù)測(cè)為切入點(diǎn)，初步探討了基于GIS進(jìn)行運(yùn)行速度計(jì)算以及線形評(píng)價(jià)的相關(guān)流程。基于GIS的公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)，目前雖然具備技術(shù)上的條件，但是沒有一個(gè)通用的軟件平臺(tái)作為支撐，導(dǎo)致安全性評(píng)價(jià)在實(shí)際中基本是計(jì)算電子表格和編寫文字，缺乏真正宏觀、微觀一致的評(píng)價(jià)體系。因此，繼續(xù)開發(fā)和完善基于GIS的公路安全性軟件[10]迫在眉睫。

〔參考文獻(xiàn)〕

[1] 張靜芬.高速公路復(fù)雜地形環(huán)境風(fēng)數(shù)值模擬及行車安全研究[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[2]楊杰.基于熵值原理的高速公路線形安全評(píng)估方法[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[3]宋濤,張永生，郭彩香.山區(qū)公路平曲線運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型研究[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào),2007,5(1):118-123.

[4]許金良,葉亞麗,蘇英平，等.雙車道二級(jí)公路縱坡段車輛運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型[J].中國公路學(xué)報(bào)，2008，21(6):31-36.

[5]Misaghip N. Modeling Operating speed and speed differential on two lane rural roads[J]. Journal of Transportation Engineering,2005(6):408-416.

[6]劉丹.基于GIS的道路交通安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[7]廖軍洪,劉德福，邵春福.基于GIS的公路交通安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究[J].公路交通科技， 2011(8)：125-130.

[8]JTG/T B05-2004,公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)指南[S].

[9]唐琤琤，張鐵軍.道路交通安全評(píng)價(jià)[M].北京：人民交通出版社，2008.

[10]秦利燕,邵春福.基于GIS的道路安全管理系統(tǒng)的研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，14(2):34-36.

收稿日期：2015-12-21；修改日期：2016-01-13

作者簡介：張耀允(1987-)，男，山西盂縣人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司工程師．

中圖分類號(hào)：U495

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)01-0019-03