GIS在公路幾何線形評價中的應用探討

張耀允，　戴　瑋，　王詩青

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥　230088)

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GIS在公路幾何線形評價中的應用探討

張耀允，戴瑋，王詩青

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：文章分析了當前公路項目安全性評價中運行速度計算和線形評價的不足，探討利用GIS進行運行速度預測計算的技術路線，從而提高公路線形的評價的科學性。最后利用實際的項目數據，基于GIS進行運行速度的計算單元確定、建模、計算、分析與結果輸出，討論將GIS作為公路項目安全性評價的基本手段的可行性。

關鍵詞：運行速度；地理信息科學(GIS)；公路路線

0引言

公路項目的安全性評價從行車安全性的角度對公路項目的可行性研究、設計成果及運營公路進行評價，達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營公路的快速增長，對公路的安全性評價的需求越來越迫切。公路安全性評價的主要內容包括總體、路線、路基路面、橋梁、隧道、路線交叉和交通工程及沿線設施。其中，運行速度計算是評價的基礎工作，路線評價又分為幾何線型(平縱、坡度、線形組合)、視距分析及橫斷面等。公路運行速度計算作為首要面臨的問題，本文提出較多運行速度預測的數學模型，論證不同自然條件、不同鋪裝材料和不同車輛對運行速度的影響[1-5]。但是目前主流模型是基于路線幾何特征的預測計算，得出運行速度V85。目前，在運行速度V85計算中，使用表格計算和展示，難以對結果進行總體校審與宏觀評價，缺乏進行后續空間分析應用拓寬的條件。

GIS(地理信息科學)具有良好的空間展示、信息處理、空間分析及地學統計等特點，在公路路線評價中，可以實現圖形屬性合一，結合二次開發編程，極大方便了公路路線運行速度，以及后續的平縱曲線半徑、緩和曲線和直線長度、視距計算等工作[6-7]。本文以GIS技術在公路運行速度預測為主要切入點，對線形評價的流程、方法、關鍵點進行探討。

1公路運行速度計算

以GIS為基礎平臺，將路線圖形信息和屬性信息、速度計算模型中的各類影響因子綜合，使用腳本語言編寫速度預測模型的程序，然后計算得出空間分布的運行速度結果，對結果進行分析與輸出。

1.1路線計算單元確定

路線設計成果主要分為平面設計成果和縱斷面設計成果。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。總體原則是依據速度預測模型的需求，將平面線和縱面線各自進行單元劃分，然后再將兩者取交集，修改整理后形成最終的路線計算單元。

1.2數據格式轉換

將路線設計的CAD數據轉換為GIS數據的過程中，會出現圖形精度的變化，如CAD中的圓弧(Arc)類型變為線串類型，造成精度丟失；圖形拓撲結構和類型的變化，如應當相交或相切的圖形，實際上并不滿足條件。

1.3整理圖元屬性

將圖元與計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。由于數據庫是GIS的特征之一，因此，通過某個外鍵，可以實現SQL左連接、右連接和內連接等屬性連接。通過空間連接，可以實現其他空間數據與路線計算單元相掛接。

此外，利用SQL實現數據查詢與統計，實現各種需求的查詢、篩選和統計。數據庫存儲形式的原始數據和結果數據，有利于統一管理和交付使用。同時數據庫的應用，還方便了歷史案例對比和分析，建立數據檔案。

1.4建模計算

GIS優異的二次開發支持是其一大特點，主流GIS平臺都支持腳本程序或者獨立程序的編寫。工程人員只需要將速度預測模型利用VB、Python、C/C++、C#等編程語言進行編碼實現即可。二次開發時，可以直接調用GIS相關的API，進行必要的預處(如建立空間索引)，提高計算效率。

1.5運行速度計算

調用編寫的程序模塊，讀入計算單元，輸入初始速度、車輛加速度等設定值，循環執行得出各單元的運行速度結果。

2公路線形計算

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

2.1問題定位與分析

依據計算速度，結合該公路的設計速度等，進行分級渲染和空間查詢。針對線形的各類計算結果，快速定位問題區段。對于問題區段進行緩沖區分析，疊加其他數據，計算影響范圍內的匝道口、路政管理處、清障點等興趣點。

2.2成果輸出

輸出相關速度數值表、分級渲染圖、超速或低速緩沖區圖、危險區段點狀圖、速度曲線圖、結果疊加圖等多種形式的成果。

3應用案例

交通部于2004年發布了推薦性行業標準[8]，初步提出針對我國高速公路和一級公路安全性評價的內容、方法和標準，本文以該標準中的運行速度模型為例進行論述。選用ArcGIS作為GIS平臺進行分析計算，路線設計成果為AutoCAD的dwg格式。該條公路為中國西部某省山區二級公路，設計速度為80 km/h。計算中,小客車初始駛入速度設定為95 km/h，大貨車初始駛入速度設定為65 km/h。

按照文獻[8]中的運行速度預測模型，依據曲線半徑和縱坡大小，將計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。具體標準如下：

(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個小半徑曲線之間，長度小于200 m的直線段。

在數據處理中，首先在AutoCAD中將平面線和縱斷面的基本單元劃分完畢，然后加載到ArcGIS中，導出為矢量文件。

整理圖元屬性，對屬性字段(樁號、半徑、單元程度、坡度等)進行補充與完善，結果如圖1所示。

速度計算依據前一段計算單元的輸出速度作為駛入速度，參考文獻[8]，使用不同的公式進行計算，結果如圖2所示。

對于公路線形計算，將運行速度作為參數，帶入給定的公式[8]，計算得到停車視距、視距對應的平曲線最小半徑及超高橫坡等參數，結果如圖3所示。

圖1　最終計算單元的屬性

圖2　運行速度計算結果

圖3　運行速度計算結果

運行速度和線形計算完成后，結合疊加分析、緩沖區分析及網絡分析等空間分析手段，對結果數據進行深入分析。同時可以與后期的道路運維數據疊加分析，探求各種相關因素的影響，為科學規劃提供可靠依據。小客車運行速度分布曲線與折線，如圖4所示。

圖4　小客車運行速度分布與折線圖

4結束語

GIS作為公路項目安全性評價的基礎平臺，可以提高公路項目安全性評價的直觀性、總體性和成果的可用性，帶來工作思路、評價理念、實現方式和輸出結果各個環節的改變[9]。

本文以安全性評價中首要的速度預測為切入點，初步探討了基于GIS進行運行速度計算以及線形評價的相關流程?；贕IS的公路項目安全性評價，目前雖然具備技術上的條件，但是沒有一個通用的軟件平臺作為支撐，導致安全性評價在實際中基本是計算電子表格和編寫文字，缺乏真正宏觀、微觀一致的評價體系。因此，繼續開發和完善基于GIS的公路安全性軟件[10]迫在眉睫。

〔參考文獻〕

[1] 張靜芬.高速公路復雜地形環境風數值模擬及行車安全研究[D].南京：東南大學，2009.

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

[3]宋濤,張永生，郭彩香.山區公路平曲線運行速度預測模型研究[J].交通運輸工程與信息學報,2007,5(1):118-123.

[4]許金良,葉亞麗,蘇英平，等.雙車道二級公路縱坡段車輛運行速度預測模型[J].中國公路學報，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的道路交通安全評價與預測方法研究[D].北京：北京交通大學，2012.

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

[8]JTG/T B05-2004,公路項目安全性評價指南[S].

[9]唐琤琤，張鐵軍.道路交通安全評價[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的研究[J].中國安全科學學報，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，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司工程師．

中圖分類號：U495

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0019-03