秦 菡，張 峻，李華彥，鄭建宜

（1.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570206；2.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南 海口 570206；3.海南省飛行者科技有限公司，海南 ?？?570203）

疫情期間交通系統(tǒng)成為救援物資運(yùn)輸?shù)闹匾?道[1]，但由于道路設(shè)計(jì)特征，很多車輛在救援物資運(yùn)輸過程中將花費(fèi)更多成本。隨著越來越多的電力建設(shè)、冶金、石油化工等大型工程項(xiàng)目在海內(nèi)外立項(xiàng)開展，涉及的大型設(shè)備采購(gòu)與運(yùn)輸也越來越多。與傳統(tǒng)運(yùn)輸方式相比，大件運(yùn)輸是指運(yùn)送超長(zhǎng)、超大、超重的大型設(shè)備和物資的運(yùn)輸[2]。其運(yùn)輸線路一般較長(zhǎng)，需運(yùn)送的物資設(shè)備價(jià)格也相對(duì)昂貴，因此設(shè)計(jì)合理的運(yùn)輸方案能大大提高運(yùn)輸作業(yè)的效率[3]。公路運(yùn)輸作為大件運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑粌H機(jī)動(dòng)靈活，可直接將設(shè)備運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，避免了其他運(yùn)輸方式的倒運(yùn)環(huán)節(jié)，有效節(jié)省了工程成本；而且即使某些重大件利用水路或鐵路運(yùn)輸，在距離碼頭或火車站的臨近路程也需通過公路運(yùn)輸來完成。因此，為公路大件運(yùn)輸設(shè)計(jì)一條最優(yōu)路徑不僅是許多運(yùn)輸承運(yùn)單位的迫切需要，也為大型工程項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴峁┝酥匾ＷC。

在道路網(wǎng)中進(jìn)行路徑規(guī)劃一般通過GIS最短路徑分析方法來實(shí)現(xiàn)[4]。然而，對(duì)于大件運(yùn)輸方案的路徑選擇，由于其運(yùn)輸車輛具有超高、超重等特點(diǎn)，使得車輛在通行過程中受到諸多道路障礙的限制[5]。傳統(tǒng)的最短路徑算法僅考慮了道路的長(zhǎng)度、寬度和路況等基本因素，沒有針對(duì)大件運(yùn)輸車輛的特點(diǎn)，對(duì)道路不滿足車輛高度和重量需求時(shí)所產(chǎn)生的耗時(shí)進(jìn)行綜合考慮。本文基于道路網(wǎng)模型和傳統(tǒng)Dijkstra算法[6]，著重考慮運(yùn)輸車輛受道路限高限重的影響，提出了一種顧及道路限高限重的最短路徑分析方法，為電力等行業(yè)的大件運(yùn)輸設(shè)計(jì)和規(guī)劃了運(yùn)營(yíng)線路，大大降低了公路大件運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路、高速公路等線要素可在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上生成網(wǎng)絡(luò)模型，具備使用GIS網(wǎng)絡(luò)分析功能的條件[7]。實(shí)現(xiàn)大件運(yùn)輸方案的核心在于如何通過給定的起止點(diǎn)確定車輛最終行駛路線，且通常情況下以路線長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，即GIS最經(jīng)典的最短路徑分析。然而，經(jīng)典最短路徑分析方法通常只考慮邊線（Edge）、交匯點(diǎn)（Junction）、轉(zhuǎn)向（Turn）和連通性（Connectivity）[8]等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的重要元素，未考慮實(shí)際問題中的限高限重。

系統(tǒng)基于ArcGIS Engine開發(fā)，實(shí)施過程分為兩個(gè)階段：①建立基于道路等線要素?cái)?shù)據(jù)限高限重的輔助網(wǎng)絡(luò)；②設(shè)計(jì)大件運(yùn)輸方案模塊，包括道路限高限重字段的編輯、實(shí)際運(yùn)輸起止點(diǎn)的設(shè)置等，以實(shí)現(xiàn)最短路徑的智能選擇。

1.1 方法流程

大件運(yùn)輸方案系統(tǒng)屬于一個(gè)以設(shè)計(jì)為主的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)處理層和功能設(shè)計(jì)層。系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 大件運(yùn)輸方案系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于系統(tǒng)架構(gòu)圖，本文設(shè)計(jì)最短路徑方法的流程為：①對(duì)已有的城市道路圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理（預(yù)處理），使其與實(shí)際道路相符合，并進(jìn)行拓?fù)錂z查，其中預(yù)處理包括檢查道路的準(zhǔn)確性、完整性和一致性；②利用道路限高限重輔助數(shù)據(jù)生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集；③利用人工交互的方式，在道路網(wǎng)上選取路線的起點(diǎn)、途經(jīng)點(diǎn)和終點(diǎn)；④根據(jù)生成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集和起止點(diǎn)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，得到真實(shí)的最優(yōu)路徑。

1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建

對(duì)于大件運(yùn)輸方案而言，許多規(guī)劃者為了避開交通流量的高峰，選擇夜間運(yùn)輸，道路的車流量大小對(duì)其影響相對(duì)較低，且許多城市路口紅綠燈進(jìn)入午夜后會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為黃閃，因此在十字路口等待信號(hào)燈的延時(shí)影響也可忽略。然而，由于運(yùn)輸車輛基本都是使用大型平板掛車或拖車，在城市道路網(wǎng)中，大型平板運(yùn)輸車輛對(duì)道路有更嚴(yán)格的要求。本文將道路的限高限重和長(zhǎng)度作為大件運(yùn)輸選線的依據(jù)，設(shè)計(jì)了限高限重輔助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 限高限重輔助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集由一系列參與網(wǎng)絡(luò)的要素組成，通過其數(shù)據(jù)源生成網(wǎng)絡(luò)元素[9]。本文首先判斷所需的地圖線圖層要素是否有限高、限重兩個(gè)字段，若沒有則完善字段；然后將新道路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地地理數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)該線要素生成基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集[10]，同時(shí)生成線路經(jīng)過點(diǎn)和障礙線路要素圖層。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的創(chuàng)建流程圖

1.3 障礙設(shè)置模塊

根據(jù)實(shí)際情況，從原道路數(shù)據(jù)中提取低于車輛高度或小于車輛重量的線路，將其作為不可通行道路保存于障礙線路中；同時(shí)可根據(jù)實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)，將在修葺路段的限高限重設(shè)為低于車輛高度或小于車輛載重的數(shù)值，即設(shè)置其為不可通行道路，以便用于后續(xù)分析。其核心代碼為：

上述代碼中，weight和height分別表示大件運(yùn)輸車輛實(shí)際的重量與高度。

1.4 路徑分析模塊

路徑分析至少需要兩個(gè)?？奎c(diǎn)作為起止點(diǎn)，可在地圖上依次點(diǎn)擊參與網(wǎng)絡(luò)分析線要素附近的任意位置來添加線路起止點(diǎn)和中間?？奎c(diǎn)[9]，并保存于線路經(jīng)過點(diǎn)點(diǎn)要素類中。

在最短路徑實(shí)際分析過程中，會(huì)避開障礙線路及其端點(diǎn)，將線路經(jīng)過點(diǎn)位置納入路徑規(guī)劃，最終得到滿足道路限高限重的最短路徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于道路限高限重輔助網(wǎng)絡(luò)的最短路徑分析方法在大件運(yùn)輸方案運(yùn)輸路徑選擇中的有效性，本文利用青島某城區(qū)的線狀道路圖層，構(gòu)建了基于道路限高限重的輔助網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集進(jìn)行路徑規(guī)劃，結(jié)果如圖3所示。路徑規(guī)劃完成后，對(duì)路徑進(jìn)行了詳細(xì)說明，如圖4所示。

圖3 基于限高限重的最短路徑

圖4 路徑說明

實(shí)驗(yàn)結(jié)果能簡(jiǎn)單論證在考慮道路限高限重的情況下，最短路徑分析方法在實(shí)際問題中的應(yīng)用效果。若后續(xù)考慮諸如道路轉(zhuǎn)彎角對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)間的影響等其他制約因素，可在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加道路轉(zhuǎn)彎角的權(quán)重等，以便在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的 作用。

3 結(jié) 語

為解決大件運(yùn)輸方案路徑選擇的問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大件運(yùn)輸方案系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)裝載車輛的高度、重量以及給定的起止點(diǎn)和中間停靠點(diǎn)，能較快規(guī)劃出一條合理的運(yùn)輸路徑，為大件運(yùn)輸行業(yè)提供決策支持；疫情期間亦可節(jié)省物資運(yùn)輸車輛碰到限高限重道路進(jìn)行折返而浪費(fèi)的運(yùn)輸時(shí)間，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。