輔助決策系統(tǒng)在城市快速公交專用道設(shè)置中的應(yīng)用

摘要:將GIS技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，先對(duì)城市地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，然后用與或樹結(jié)構(gòu)對(duì)公共交通領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表達(dá)，并采用深度優(yōu)先搜索和回溯技術(shù)實(shí)現(xiàn)推理引擎。對(duì)GIS和ES之間的接口和其中所涉及到的空間知識(shí)進(jìn)行了研究探討。所構(gòu)建的輔助決策系統(tǒng)能夠很好地對(duì)城市公交線路進(jìn)行指標(biāo)評(píng)測(cè)和完成對(duì)公交專用道規(guī)劃的選取。

關(guān)鍵詞:地理信息系統(tǒng); 專家系統(tǒng); 公交專用道

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0607－03

隨著城市經(jīng)濟(jì)和建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大#65380;人口迅速增長(zhǎng)，對(duì)城市交通提出了更高要求。由于公共交通具有污染小#65380;占地面積小#65380;運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢(shì)，是大城市優(yōu)先考慮的交通方式。公共交通一般分為地鐵#65380;輕軌和公交系統(tǒng)等。地鐵和輕軌的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用高，需要考慮城市經(jīng)濟(jì)承受能力，而且建設(shè)后其靈活程度差，不適合應(yīng)用于中小型城市。在沒有建立地鐵和輕軌的城市中，乘客的運(yùn)送主要依靠地面公交系統(tǒng)，而在已經(jīng)建立地鐵和輕軌的城市中，其乘客運(yùn)送主要以地鐵和輕軌為主軸，輔之以公交系統(tǒng)[1]。快速公交系統(tǒng)是一種以常規(guī)公交系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以地面道路網(wǎng)為支撐，結(jié)合了現(xiàn)代巴士技術(shù)，吸取軌道交通的優(yōu)點(diǎn)，且獲得一定時(shí)空優(yōu)先權(quán)和政策優(yōu)先支持的新型城市公交系統(tǒng)。它與常規(guī)公交系統(tǒng)和軌道交通相比優(yōu)勢(shì)明顯，能夠有效地緩解城市交通壓力和提高城市居民生活質(zhì)量，也是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一。但現(xiàn)在我國(guó)公交專用道的設(shè)置規(guī)劃還處于初步階段，缺乏有效的理論作為指導(dǎo)，使得有些城市設(shè)置公交專用道未能達(dá)到預(yù)期的效果。根據(jù)《上海城市交通“十一五”規(guī)劃綱要》，上海市將在2010年建立300 km的公交專用道，現(xiàn)在還處于調(diào)研規(guī)劃初步實(shí)施階段。對(duì)公交專用道路設(shè)置是實(shí)現(xiàn)快速公交系統(tǒng)的前期工作，且起著重要的作用，選取的好壞直接影響到快速公交系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)性能。

地理信息系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的地理學(xué)研究技術(shù)，是一種空間信息系統(tǒng)。它不僅要完成管理大量復(fù)雜地理數(shù)據(jù)的任務(wù)，更為重要的是要完成與地理數(shù)據(jù)相關(guān)的分析#65380;評(píng)價(jià)#65380;預(yù)測(cè)和輔助決策等任務(wù)[2]。在進(jìn)行公交專用道路選取時(shí)涉及到大量的空間信息，利用GIS軟件可以存儲(chǔ)這些空間信息并形象直觀地顯示給相關(guān)決策人員，對(duì)涉及到的空間信息進(jìn)行輔助決策分析。專家系統(tǒng)是人工智能學(xué)科研究中重要和活躍的一個(gè)分支，它利用大量專業(yè)知識(shí)以解決只有專家才能解決的問題[2]，能夠高效#65380;迅速和準(zhǔn)確地求解問題，而且受時(shí)間和空間影響因素少。采用傳統(tǒng)方法對(duì)公交專用道進(jìn)行設(shè)置這一過程復(fù)雜繁瑣#65380;周期長(zhǎng)。因此，可以利用專家系統(tǒng)把專家的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)綜合起來在對(duì)公交線網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)公交專用道路進(jìn)行規(guī)劃選取。充分利用專家系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來，是構(gòu)建輔助決策系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，建造出來的系統(tǒng)能夠比較經(jīng)濟(jì)和直觀地對(duì)現(xiàn)有公交線路進(jìn)行評(píng)價(jià)和公交專用道路規(guī)劃選取。

1城市公交空間數(shù)據(jù)的GIS表示

與傳統(tǒng)的表示方法相比，采用GIS對(duì)城市地理信息進(jìn)行表示其優(yōu)勢(shì)很明顯。它是融合計(jì)算機(jī)圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)于一體，儲(chǔ)存和處理空間信息的高新技術(shù)，將地理位置與相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)確真實(shí)#65380;圖文并茂地輸出給用戶，滿足城市建設(shè)#65380;企業(yè)管理#65380;居民生活對(duì)空間信息的要求，借助其獨(dú)有的空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策[2]。

在用GIS對(duì)城市地理信息系統(tǒng)進(jìn)行表示時(shí)，空間數(shù)據(jù)信息采用分層管理和存儲(chǔ)。每一圖層存放有特征相同或相近的地理對(duì)象，并且與每個(gè)圖層對(duì)應(yīng)的是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，圖層中每一對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表中的一條記錄相對(duì)應(yīng)。GIS 利用層的概念來存儲(chǔ)#65380;管理和分析信息，然后不同的圖層相互疊加起來，實(shí)現(xiàn)了對(duì)研究區(qū)域信息的可視化。在對(duì)城市地理信息進(jìn)行表示時(shí)涉及到的圖層有城市區(qū)域#65380;城市河流#65380;城市建筑物#65380;城市道路#65380;交通小區(qū)#65380;公交線路#65380;軌道交通和公交站臺(tái)共八層。

空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有著不可分割的關(guān)系，每個(gè)圖層與之對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)表。其中:交通小區(qū)層的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為{交通小區(qū)id#65380;交通小區(qū)名稱#65380;所屬區(qū)域#65380;面積#65380;出行人口};城市道路層屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為{道路id#65380;道路名稱#65380;級(jí)別#65380;方向#65380;寬度#65380;高峰小時(shí)交通流量#65380;公交線路重復(fù)系數(shù)};公交線路層屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為{公交線路id#65380;線路名稱#65380;平均每天客運(yùn)量#65380;高峰小時(shí)客運(yùn)量#65380;平均車速#65380;起始站點(diǎn)#65380;終止站點(diǎn)};公交站臺(tái)層所對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為{公交站臺(tái)id#65380;公交站臺(tái)名稱#65380;所屬道路名稱#65380;公交站點(diǎn)總數(shù)}。

空間分析功能是GIS的核心和靈魂，是區(qū)別于一般信息系統(tǒng)#65380;CAD或者電子地圖系統(tǒng)的主要標(biāo)志之一[3]。其主要通過空間數(shù)據(jù)和空間模型的組合分析來挖掘空間目標(biāo)的潛在信息。這些空間目標(biāo)的基本信息包括空間位置#65380;分布#65380;距離#65380;方位和拓?fù)潢P(guān)系等。其中，距離#65380;方位和拓?fù)潢P(guān)系組成了空間目標(biāo)的空間關(guān)系。GIS經(jīng)過近四十年的發(fā)展已逐漸趨于成熟，但其應(yīng)用還主要停留在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與管理#65380;空間實(shí)體查詢#65380;空間疊置分析#65380;緩沖區(qū)分析及成果輸出上。由于缺乏知識(shí)處理和進(jìn)行啟發(fā)式推理的能力，其決策支持功能仍很弱[4]。專家系統(tǒng)能夠很好地彌補(bǔ)這一點(diǎn)，從而可將GIS各種查詢和空間分析的結(jié)果作為專家系統(tǒng)的輸入，結(jié)合兩者各自的優(yōu)點(diǎn)來構(gòu)建一個(gè)基于GIS的輔助決策系統(tǒng)。

2基于GIS輔助決策系統(tǒng)構(gòu)建機(jī)制及知識(shí)表示和推理機(jī)實(shí)現(xiàn)原理

通常一個(gè)較完善的專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)#65380;推理機(jī)#65380;綜合數(shù)據(jù)庫(kù)#65380;知識(shí)獲取系統(tǒng)#65380;解釋系統(tǒng)和人機(jī)接口六個(gè)部分組成。GIS與專家系統(tǒng)的集成應(yīng)用中，GIS所起的作用主要是管理#65380;存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)空間分析[5];專家系統(tǒng)的作用是進(jìn)行知識(shí)表示和利用知識(shí)進(jìn)行推理。將GIS 進(jìn)行分析所得到的結(jié)果作為專家系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策時(shí)的知識(shí)或事實(shí)，以及專家系統(tǒng)進(jìn)行推理時(shí)利用GIS中相關(guān)空間查詢和空間分析操作是兩者進(jìn)行優(yōu)勢(shì)結(jié)合的所在。本系統(tǒng)分為知識(shí)獲取#65380;原子操作定義實(shí)現(xiàn)#65380;GIS空間分析#65380;解釋和推理引擎共五大模塊，各個(gè)模塊之間分工協(xié)作共同完成公交線網(wǎng)評(píng)價(jià)和公交專用道設(shè)置工作。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

知識(shí)是專家系統(tǒng)的核心，知識(shí)庫(kù)中擁有知識(shí)的多少和知識(shí)的質(zhì)量決定了所構(gòu)建的專家系統(tǒng)解決問題的能力[6]。在所構(gòu)建的系統(tǒng)中知識(shí)的獲取是從公共交通領(lǐng)域?qū)＜液拖嚓P(guān)技術(shù)文獻(xiàn)中獲得。知識(shí)表示方法是專家系統(tǒng)的基本研究?jī)?nèi)容之一，采用哪種知識(shí)表示方法十分重要，它直接影響到所建造的專家系統(tǒng)的性能。現(xiàn)有的知識(shí)表示方法有產(chǎn)生式#65380;框架結(jié)構(gòu)#65380;語義網(wǎng)絡(luò)#65380;腳本和與或樹表示等。在進(jìn)行公交線網(wǎng)評(píng)價(jià)和快速公交線路規(guī)劃涉及到的知識(shí)有操作性知識(shí)和屬性知識(shí)，在充分比較了各種方法的優(yōu)劣后，采用與或樹表示法對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表示。當(dāng)一個(gè)問題比較復(fù)雜時(shí)，直接對(duì)該問題求解往往比較困難，此時(shí)可以對(duì)該問題進(jìn)行分解或變換，將它轉(zhuǎn)換為一系列簡(jiǎn)單的問題，然后對(duì)這些簡(jiǎn)單問題求解實(shí)現(xiàn)對(duì)原問題的求解。樹中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表要解決的單一問題或問題集合，樹中的根節(jié)點(diǎn)代表原始問題。節(jié)點(diǎn)有與節(jié)點(diǎn)#65380;或節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)三種類型。與節(jié)點(diǎn)表示只有解決了所有的子問題才能解決本問題;或節(jié)點(diǎn)表示只要解決一個(gè)子問題就可以解決本問題;葉子節(jié)點(diǎn)表示本原問題可以直接求解。在進(jìn)行公交線路評(píng)價(jià)計(jì)算和快速專用線路選取規(guī)劃時(shí)涉及到交通領(lǐng)域知識(shí)有求非直線系數(shù)#65380;公交重復(fù)系數(shù)#65380;線網(wǎng)密度和公交專用道規(guī)劃選取等。公交專用道規(guī)劃選取知識(shí)的與或樹表示如圖2所示。

推理機(jī)是實(shí)施問題求解的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是對(duì)知識(shí)進(jìn)行解釋的程序，根據(jù)知識(shí)的語義對(duì)按一定策略找到相應(yīng)的知識(shí)進(jìn)行解釋執(zhí)行，并將結(jié)果登記到適當(dāng)?shù)目臻g。根據(jù)與或樹結(jié)構(gòu)對(duì)交通領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表示。推理引擎主要采用度優(yōu)先搜索和回溯技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其算法主要思想是對(duì)所構(gòu)建的與或樹進(jìn)行深度優(yōu)先搜索和回溯，先從根節(jié)點(diǎn)開始根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的種類判斷其子問題是否可解。如果不可解則繼續(xù)判斷其子問題的子問題，直至葉子節(jié)點(diǎn);如果葉子節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的原子問題不能在原子操作表中查詢到，表示該原子問題不可解，所以根節(jié)點(diǎn)表示的問題也不可解則求解結(jié)束;如果能夠找到對(duì)應(yīng)的原則操作，則進(jìn)行回溯返回結(jié)果。如此下去直至根問題不可解或與問題可解返回結(jié)果。推理引擎所要完成的主要工作有:a)進(jìn)行問題識(shí)別，輸入?yún)?shù)提取和構(gòu)建黑板;b)根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行問題匹配;c)對(duì)該問題所對(duì)應(yīng)到的與或樹進(jìn)行深度優(yōu)先搜索和回溯;d)當(dāng)搜索到原子節(jié)點(diǎn)時(shí)，要提取輸入和輸出參數(shù)進(jìn)入相應(yīng)的原子操作，當(dāng)該原子操作完畢后，將所得到的結(jié)果登記在黑板中;e)當(dāng)與或樹遍歷完畢后，從黑板中獲取最終結(jié)果并進(jìn)行問題結(jié)果輸出和執(zhí)行對(duì)應(yīng)的解釋程序，最后注銷黑板。推理引擎實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

目前，上海市各類公交車為18 186輛，有948條線路，每天運(yùn)送乘客量約達(dá)750萬人次。現(xiàn)行的公交線路設(shè)置一般都是以一個(gè)居住區(qū)到市中心某一集散地，或到另一居住區(qū)為運(yùn)營(yíng)目的，中途又要經(jīng)過某幾個(gè)目的地。因此，上海市區(qū)大部分的公交線路走勢(shì)呈現(xiàn)S形#65380;C形#65380;Z形等極不規(guī)則圖形，造成重復(fù)線路多#65380;繞道多和站點(diǎn)集中，加上私家車輛不斷增多等原因，造成公交線路行駛時(shí)間過長(zhǎng)#65380;誤點(diǎn)率高等問題，給市民出行帶來很大的不便。緩解這些交通壓力彌補(bǔ)軌道交通的不足，采用公交專用道是有關(guān)決策部門優(yōu)先考慮的方法。根據(jù)前面所述的理論和算法，以上海城區(qū)及公交線路作為主要研究對(duì)象，本文在VC 6.0#65380;Mapx 5.0和Access 2003環(huán)境中嵌入式開發(fā)本系統(tǒng)。系統(tǒng)完成各種GIS操作(如對(duì)各個(gè)圖層進(jìn)行控制#65380;漫游#65380;查詢和相應(yīng)的空間分析等)，并能夠在對(duì)公交線網(wǎng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)上海整個(gè)城市道路進(jìn)行公交專用道設(shè)置選取工作。圖4 是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面演示。圖5為現(xiàn)有的公交線路層。

選取公交專用道考慮的因素有道路寬度#65380;公交線路重復(fù)系數(shù)和高峰小時(shí)平均車速等。利用與或樹對(duì)該知識(shí)進(jìn)行表示后通過推理引擎對(duì)該問題進(jìn)行求解，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)《上海城市交通“十一五”規(guī)劃綱要》，到2010年全市要建設(shè)300 km公交專用道，而在中心城區(qū)則要建設(shè)100 km以上的公交專用道，高峰時(shí)段公交專用道車輛運(yùn)行時(shí)速要達(dá)到18~20 km，為上班族乘車提速。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，其完全涵蓋了上海近期所建公交專用道(四平路——中山南路#65380; 虹橋路——肇嘉浜路——陸家浜路#65380;中山南一路——中山南二路和山東路——云南路)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，公交專用道多選取在人口出行量大的交通小區(qū)中，并與軌道交通相輔相承彌補(bǔ)了軌道交通產(chǎn)生的交通空白，緩解了一號(hào)和三號(hào)線軌道交通的壓力。

在整個(gè)系統(tǒng)中交通領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)表示錄入界面如圖7所示。在該界面中可以定義原則操作和符號(hào)表，并根據(jù)已知的符號(hào)表和原子操作構(gòu)建求解問題的與或樹。圖8是問題求解界面，當(dāng)用戶在編輯框輸入要解決問題的名稱并點(diǎn)擊按鈕，就可以自動(dòng)對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的與或樹進(jìn)行推理，同時(shí)對(duì)推理時(shí)所用到的知識(shí)進(jìn)行解釋。

4結(jié)束語

本文利用與或樹結(jié)構(gòu)對(duì)交通領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表示，用深度優(yōu)先搜索和回溯技術(shù)實(shí)現(xiàn)推理引擎對(duì)快速公交線路的選取提供了一種新的思路，對(duì)其設(shè)置方法進(jìn)行了有益探索。

將GIS與ES結(jié)合起來，是兩者所研究的新方向。在構(gòu)建系統(tǒng)中，GIS的作用是存儲(chǔ)顯示空間數(shù)據(jù)并輔以必要的空間分析，相比傳統(tǒng)方法能夠更直觀地顯示給用戶，且容易對(duì)線路進(jìn)行編輯更新;專家系統(tǒng)的作用是對(duì)知識(shí)進(jìn)行表示和推理后對(duì)線路的選取。在進(jìn)行快速公交線路規(guī)劃時(shí)要考慮的因素很多，然而主觀上對(duì)這些因素重要性認(rèn)識(shí)不同，直接會(huì)導(dǎo)致最后的結(jié)果不同。也就是說，知識(shí)的多少是決定本系統(tǒng)對(duì)線路進(jìn)行選取時(shí)結(jié)果好壞的根本原因。對(duì)知識(shí)的精確表示和對(duì)問題求解高效的推理也是影響問題最終結(jié)果的重要因素。

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