動態分段在高速公路養護信息系統中的應用

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）

傳統高速公路養護信息系統采用“節點－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。

動態分段方法是“節點－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，各種養護信息屬性表動態顯示，滿足高速公路宏觀尺度的養護管理。高速公路上下行車道和中心綠化帶卻無法分別表達，不利于上下行養護信息的存儲、檢索與上下行的病害定位。設計利用動態分段技術基于綜合車道的高速公路養護信息系統，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分段技術動態顯示屬性信息的管理養護信息手段。

1 線性參考與動態分段

1．1 線性參考

線性參考系統是統一的一維度量系統，它提供了利用線性要素的一維相對坐標動態描述其上每一點相對位置的方法。其本質是在離散的“節點－弧段”數據結構上建立的一個連續的一維場結構，是動態分段實現的基礎［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，而與“節點”無關，使得存儲一個線性要素的多重屬性變為可能。線性參考系統應用于高速公路養護信息系統中的優勢明顯。融合各類養護數據，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），實現相對坐標區間表達多重屬性，便于養護數據編輯、更新，屬性信息與病害快速定位，同時為動態分段打下基礎。

在高速公路養護信息系統中包括高速公路網絡、線性參照模型、線性參考方法、養護事件［4］，如圖1所示。其中，高速公路網是利用“節點－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生的位置；養護事件則是系統中要表達的屬性位置和信息。

1．2 動態分段

動態分段是基于網絡重疊概念發展起來的一種新的線性特征的動態分析、顯示和繪圖技術，通過一定的映射關系，將動態段對應到數據庫，極大地增強線性特征的動態數據處理功能［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。動態分段的實現離不開線性參考系統，通過建立的養護屬性事件表與底層線性要素使用相同線性參考系統，用一維相對坐標或相對坐標區間來表示單點屬性或區間屬性。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，養護屬性數據獨立于底層數據，養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顯示、分析、查詢。點事件表和線事件表如圖2所示，動態分段查詢圖如圖3所示。

圖2 點事件表和線事件表

在養護信息系統中，只有高速公路網絡數據模型具有空間坐標，養護事件表為某種屬性的表達，通過動態分段技術可以利用網絡數據映射出屬性事件的空間位置。可見，動態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，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與線性參照系統之間的轉換，才能實現養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分段算法，需要參數較多，但精度較高。鑒于高速公路養護信息系統的性質，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

高速公路養護信息系統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。傳統建立拓撲網，當車道發生變化時，需添加一個新的節點并且重新建立拓撲。同時，針對高速公路車道間的養護而言，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，使得高速公路養護信息系統操作困難。

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分段技術保持幾何特征的完整性，使用有效統一的路徑編碼，綜合車道號＋里程值的一維定位方式代替二維定位方式，大大提高系統的使用性能。

3 系統需求與結構功能分析

3．1 養護信息同總體需求分析

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

1）高效的養護數據管理。通過GIS數據庫信息化建設，建立詳實的養護設施地理空間和屬性數據庫。對多源養護數據及檢測數據進行統一管理，對高速公路及其設施使用統一編碼，利用動態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強大的可視化與統計功能，對養護業務以圖表的方式展示，進行多維度的分析與統計，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，為養護決策與預算、養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、地區類型、高速公路等級、裂縫類、松散類、變形類指標動態設置決策樹后來確定養護性質（日常養護、大修、中修、預防性養護），為養護決策提供計算養護性質依據。養護決策圖如圖5所示。

圖5 養護決策圖

3．2 養護信息系統總體結構

高速公路養護信息系統以地理數據庫與養護屬性數據庫為基礎，以養護決策樹、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］。高速公路養護信息系統以綜合車道為基本建模單位，結合動態分段將養護屬性以事件表的形式存儲于養護屬性數據庫中。系統由高速公路基本信息系統、高速公路設施信息系統、養護系統、外業數據采集系統、綜合輔助決策支持系統、日常應用與管理系統6部分組成，如圖6所示。

高速公路基本信息系統由路徑基本信息、車道特征、平曲線、縱曲線、縱坡、橫斷面、路肩、定位控制點、養護范圍等組成。高速公路設施信息系統由路基、路面、主要構造物、沿線設施組成。兩部分系統構成高速公路信息系統的基礎。養護信息系統由養護路段、重點保潔路段、鏟除冰雪路段、易塌方路段、養護計劃、養護方案、養護預算、養護機構組成，用來存儲養護相關數據。外業數據采集系統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為養護專業人士提供方便的專業操作，自動化的辦公體系。各個部分之間相互聯系，構成主體養護系統。

圖6 系統結構

3．3 養護信息系統模塊功能

根據系統總體需求分析，基于動態分段技術的高速公路養護信息系統分為以下功能模塊：

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。根據用戶查詢及養護業務需求，將查詢統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）養護數據查詢統計與分析模塊。系統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。為業內人士的日常養護工作提供一個方便快捷的平臺，主要包括：

外業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。

系統設置。由用戶管理、系統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）動態分段技術模塊。依據養護需求建立養護事件表，有效降低數據量，提高系統運行速率，將屬性寫入事件表中，利用線性參照系統可以使屬性數據可視化地顯示在地圖上，是系統技術的精髓，舉例說明見表1。

表1 高速公路養護事件

續表1

5）養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）以及各種詳細的養護記錄，包括檢測工程細節、養護維修工程細節、施工單位、施工圖紙、負責人等，給后續養護工作詳細的參考資料。

6）養護決策支持模塊。高速公路養護未來的發展方向就是預防性養護，就是根據評價模型與采集到的評價參數在系統中建立決策樹模型，提供有效的設施性能評價、養護預測以及為已經出現的病害提供養護決策，給予有效的養護措施［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護的實際情況與需求，系統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

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

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［3］ GUO Bo．A Feature Based Linear Data Model Supported by Temporal Dynamic Segmentation［D］．Kansa：University of Kansa，2001．

［4］ 童小華．GIS－T的理論及其應用研究［D］．上海：同濟大學，1999．

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［6］ 桂智明，晏磊，嚴明．線性參考系統和動態分段技術在GIS－T中的應用［J］．計算機工程與應用，2003，39（9）：208－209．

［7］ DEUKER K J，VRANA R．Dynamic Seg mentation Re－visited．A Milepoint Linear data mode［J］．URISA Journal，1992，4（2）：92－105．

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［10］白日華．瀝青路面病害檢測與養護決策研究［D］．長春：吉林大學，2013．