基于空間網絡分析的高速公路網一類調查觀測站布設技術

劉 浩，陳鳳濤

(1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210039)

基于空間網絡分析的高速公路網一類調查觀測站布設技術

劉 浩1，陳鳳濤2

(1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.東南大學 交通學院，江蘇 南京 210039)

在數量適度的情況下，合理布設高速公路交通量調查觀測站點，使觀測數據準確反映路網運行特征是高速公路交通量調查與信息服務體系構建的重要支撐。文中運用GIS空間網絡分析技術，結合“兩階段”宏觀布設法和OD反推布設法，開發交通量調查觀測站布設軟件。當缺少歷史流量數據時，用“兩階段”宏觀布設法以路段累計重要度代替路段流量，并進行累計重要度計算。最后以江蘇省高速公路網一類調查觀測站布設為例進行驗證，結果表明，軟件可基本實現科學、高效的高速公路一類調查觀測站布設。

空間網絡分析；調查觀測站；布設技術

公路交通調查自2002年起納入國家統計制度，已成為公路建設與管理的基礎工作之一，合理布設交通量調查觀測站是調查數據能夠準確反映公路網交通流實時狀況的保障。我國現階段公路交通調查工作具有一定程度的盲目性和隨意性，調查站覆蓋率不高，代表性不強，難以準確反映路網的運行特征，不能很好地滿足公路規劃、建設、養護及公眾日益增長的出行信息需求。如何在數量適度的情況下，合理布設公路交通量調查觀測站點，使觀測數據準確反映路網運行特征，是公路交通管理的重要問題之一。

地理信息系統(GIS)的特點之一是具有很強的空間分析能力，并已應用于交通規劃、建設與管理方面，形成了具有交通特色的交通地理信息系統(GIS-T)。在對現有高速公路一類調查站布設方法分析研究的基礎上，本文運用GIS空間網絡分析、統計學等方法，結合交通量調查站點布設相關理論，研究基于GIS技術的高速公路一類調查站布設技術問題。

1 布設方法算法設計

高速公路交通量調查站根據其功能劃分為一類調查站和二類調查站，一類調查站以反映路網宏觀交通量特征和道路運行特征為主；二類調查站以反映路段微觀交通流特征和道路運行狀況為主。一類調查站在物理布局上，以“滿足指標精度，避免數據冗余”為原則，追求布局規模與布局效果的均衡協調，現多采用“兩階段”宏觀布設法和OD反推布設法。

1.1 “兩階段”宏觀布設法及其算法設計

“兩階段”宏觀布設法的第一階段進行相對偏差分析，通過分析基本路段上交通量的數值大小與變化規律，找出交通流量數值在一定偏差范圍內的相鄰路段；第二階段進行相關系數分析，尋找變化規律類似的路段，當相鄰路段交通流數值大小相近和規律趨同時，進行合并，在其上布設調查站，用同一調查站觀測數據代表已合并路段的數據。這種布設方法在一定誤差范圍內，反映路網運行狀況，達到交通量調查站布設規模和效率的最優平衡狀態，減少不必要的成本投入。

對于聯網收費的高速公路，可以通過收費站點間的車輛OD數據獲得基本路段歷年來的交通量數據。在交通量數據無法獲取的情況下，可以參考公路網規劃中的總量控制法[1]，采用路段累計重要度替換路段交通量。總量控制法主要思路是：依據社會生產力分布，確定路線節點(經濟節點)，通過人口和GDP等經濟社會統計數據確定節點的重要度，運用重力模型計算各經濟節點間的重要度吸引量，再通過網絡分析確定路段的累計重要度。具體算法流程如圖1所示。

圖1 “兩階段”布設算法

1.2 OD反推布設法及其算法設計

OD反推布設法從最大可能相對誤差即OD估計矩陣與真實矩陣之間的最大可能偏差[2]出發，首先確定布設的基本原則，即OD覆蓋、單一OD對最大流量、最大截斷流量以及路段獨立原則，然后根據OD反推布設的基本原則確定數學模型，通過模型求解進行調查站點的布設。OD反推布設法可在相對精度得到保證的情況下，使資源消耗盡可能少。

OD反推布設法通過道路空間網絡分析，得到各OD對之間的有效出行路徑，以OD覆蓋和觀測路段獨立作為約束條件，以最大流截斷作為目標函數，建立數學模型，采用逐步布點方法對模型進行求解。其算法思想是：首先將所有的OD點對按照出行選擇比分配到路網上，當出行選擇無法確定時，可以按照一定的分配算法分配，例如最短路徑一次加載分配。找出交通量最多的路段，設置觀測點。然后，移除所有經過該觀測點的路徑流量，找出路網中交通量次多的路段并設點，如此反復，直到所有的路徑流量均被移除為止。此法既能保證觀測點能觀測到所有凈交通流量，又能保證所設的觀測點數量最少。算法流程如圖2所示。

圖2 OD反推布設算法

在OD反推布設法中，可以預設一定的調查站點數量為完成條件；也可以設置流量比例作為控制條件，例如將判斷條件改為已經移除的流量達到原來所有流量的85%。

2 軟件開發

位于特定地理空間中的交通系統決定了可將GIS技術應用到這一領域，本文基于ArcGIS Engine，在Visual Studio 2010開發環境中，采用C#語言，開發了高速公路網一類調查觀測站布設軟件，該軟件綜合了“兩階段”宏觀布設法和OD反推布設法，可對高速公路網、收費站點等幾何數據進行管理，建立拓撲關系和進行交通流量分配，以專題圖形式表示布設結果。

2.1 軟件體系結構

軟件結構如圖3所示，采用三層結構，包括數據層、業務邏輯層和表現層。

圖3 軟件結構

2.2 軟件功能模塊設計

如圖4所示，軟件主要包括數據管理模塊、“兩階段”宏觀布設模塊、OD反推布設模塊和數據可視化模塊。

圖4 軟件功能模塊

3 江蘇省高速公路網一類調查觀測站布設實踐

本文運用2010年至2014年《江蘇省統計年鑒》數據、2014年收費站車輛OD數據、2014年高速公路幾何數據以及2014年收費站點幾何數據，通過所開發軟件進行布設實踐。

3.1 “兩階段”宏觀布設法布設實踐

1)經濟節點選擇和路網拓撲關系建立。高速公路直接覆蓋區域為高速公路兩側30 min內可達區域[3]。按平均行駛車速40 km/h計，直接覆蓋區域為高速公路兩側20 km，以此范圍內的縣級以上經濟節點作為分析對象。在建立路網拓撲關系時，將經濟節點抽象為質點并與鄰近出入口關聯。本文采用傳統的節點，弧段模型進行高速公路網絡構建，路網中心線作為弧段，以中心線交叉點以及收費站點作為節點構建拓撲網絡。已建2014年江蘇省高速公路網絡包含463個節點和506個高速公路中心線弧段。

2)節點重要度的確定。根據江蘇省2010—2014年《統計年鑒》中人口、GDP、公共財政預算收入、出口總額、社會消費品零售總額和城鎮固定資產投資總額的指標數值[4-5]，利用SPSS統計分析軟件中的主成分分析法，得到各評價指標的權重，根據節點重要度計算模型得出各節點重要度。

3)布設結果。當相對偏差分析取u限=0.15，相對系數分析取ρ限=0.85[6]時，“兩階段”宏觀法布設112個觀測點，具體布設位置如圖5所示。

3.2 OD反推布設法布設實踐

拓撲網絡建立與“兩階段”宏觀布設法一致，通過2014年收費站車輛OD數據獲得OD對間的交通量，按照最短路分配得到網絡流量數據，逐步布點。布點個數與可觀測到的網絡凈流量關系如圖6所示，當各路徑流量均為零時，布設91個觀測點，布設點位如圖5所示。

圖5 布設位置

圖6 布點個數與可觀測到的網絡凈流量關系

3.3 布設結果分析

1)OD反推法布設結果分析。由圖6可知，可觀測到的網絡凈流量百分比隨著觀測點個數增加而增加，且增加的幅度越來越小。當布設觀測站點個數為32時，可觀測到90%的網絡凈流量，因此在布設條件有限的情況下，可以優先布設這32個觀測點。同時由于OD反推布設法得到的布設點位由OD對間的流量控制，在流量分布不均勻的網絡中，求解得到的優先布設點位分布不均勻，如圖5所示，優先布設的32個觀測點主要集中于江蘇南部經濟發達區域，因此在最終確定布設點位時還應考慮觀測站點分布的均衡性，并結合網絡本身特點對布設點位進行調整。

2)兩種方法布設結果對比。如圖7所示，三角形代表OD反推布設法布設站點，方框代表的“兩階段”宏觀布設法布設站點。在圖7(a)中，為了觀測到灌云縣—響水縣、響水縣—濱海縣、濱海縣—射陽縣之間的流量，滿足OD覆蓋原則，OD反推布設法在這幾處都設置了觀測站點；但這幾處的流量值偏差較小，故“兩階段”宏觀布設法只在灌云縣—響水縣之間設置了觀測站點。在圖7(b)中，環形交叉的各個鄰接路段的流量值之間的偏差較大，“兩階段”宏觀布設法在環形交叉的三個鄰接路段都設置觀測站點。但是鄰接路段之間的流量存在相關關系，即某個路段可以由其他路段推出，OD反推布設法為滿足路段獨立性原則，因此不會在每個鄰接路段都設置觀測站點。

“兩階段”宏觀布設法是基于數據計算得出布設結果，布設調查站點的路段可以代表交通量變化規律類似且交通量數值偏差較小的路段，但有些路段之間的交通量存在一定的相關性，即可能出現三條鄰接路段上的交通量存在V1+V2=V3的情況，而三個路段按照“兩階段”宏觀布設法需分別設置調查觀測站點，存在一定數據冗余。OD反推布設法可以通過滿足路段獨立性原則避免“兩階段”宏觀布設結果中的數據冗余。

圖7 兩種方法差異比較圖

OD反推布設法中模型的求解過程必然會受到OD點劃分粒度大小的影響。以觀測流量為算法結束條件，粒度越小，布設站點的數量越多。當出現有些OD點間的流量較小，OD點間路段的流量變化不大時，為滿足OD覆蓋原則，依然需要布設站點，存在一定的數據冗余。而“兩階段”宏觀布設法則，通過合并變化規律避免OD反推布設法為滿足OD覆蓋造成數據冗余。

在具體應用中，可將“兩階段”宏觀布設法與OD反推布設法相結合，OD反推布設法作為“兩階段”宏觀布設法的補充，同時“兩階段”宏觀布設法對OD反推布設法進行限制，使選擇的觀測點位不僅能夠截取網絡中較大的路徑流量，而且保證觀測點位選在能夠代表周邊路段交通流特性的路段上。

結合兩種布設方法，當布設經費和相關資源有限或者不能一次性同時布設所有站點時，可按如下順序進行交通調查站點的布設：

1)優先布設OD反推法有序解中排序靠前的點，以較少的觀測點盡可能多的獲得網絡凈交通量。結合路網特點，考慮布設的均衡性，適當進行調整。

2)其次布設兩種方法求解結果中共同點，OD反推布設法避免了“兩階段”宏觀布設法由于未滿足路段獨立性造成的數據冗余，“兩階段”宏觀布設法避免了OD反推法為了滿足OD覆蓋原則而造成的數據冗余。

3)結合《國家高速公路網交通量調查觀測站點布局規劃》布設方法指導思想中的定性部分，對兩種方法求解結果中不一樣的部分，做適當調整和補充。

4 結束語

本文運用GIS空間網絡分析技術，并結合“兩階段”宏觀布設法和OD反推布設法，開發了高速公路網一類觀測站的布設軟件。“兩階段”宏觀布設法中，在缺少歷史流量數據的情況下，采用路段累計重要度替換路段交通量，并實現累計重要度的計算。以江蘇省高速公路網一類觀測站布設為例，分析了“兩階段”宏觀布設法和OD反推布設法的優缺點，提出了兩種方法相結合的省域高速公路網一類觀測站布設思路。布設結果滿足宏觀上的數據調查要求，基本達到了科學、高效地完成省域高速公路網一類觀測站點的布設的要求。

[1] 李淑慶.高速公路交通量觀測站布設方法研究[J].交通標準化,2008(6)：93-96.

[2] 楊琪,王煒.用于OD反推的路段交通量觀測點設置研究[J].中國公路學報,1999(5):81-87.

[3] 李紹鵬.高速公路網交通量調查觀測站點布局規劃[D].重慶：重慶交通大學,2008.

[4] 周偉,姚志剛，王元慶，等.基于節點重要度的公路運輸站場建設序列[J].長安大學學報,2006(2)：334.

[5] 賈俊紅，包麗華，朱繼新，等.重要度分析法在區域公路網布局優化中的應用[J].東北公路,2001(2)：68-70.

[6] 劉繼偉.省域高速公路網交通調查觀測站點布局規劃研究與應用[D].西安：長安大學,2011.

[7] 李曉紅.蘭州地區公路網交通量觀測點布設研究[J].甘肅科技,2004,2(8):8-10.

[8] 孫海浩,林航飛,陳小鴻.地區公路網交通量觀測點布設研究[J].廣東公路交通,2004(l):59-63.

[9] 胡秀全.關于公路交通量觀測點布設問題的研究[J].公路交通技術,2005(4):166-168.

[責任編輯：李銘娜]

Layout technique on the expressway class I traffic survey observation station of expressway based on spatial network analysis

LIU Hao1, CHEN Fengtao2

(1.Hubei Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd, Wuhan 430074，China; 2.School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210039, China)

In the case of moderate quantity, the reasonable layout of traffic survey observation station of expressway can make the observation accurately reflect the characteristic of road network, which is an important support to the construction of the national expressway traffic survey and information service system. With GIS spatial network analysis, combined with the “two-stage” layout method and the layout method based on OD backstepping, this paper develops the software about layout of traffic survey observation station. When the historical traffic flow data lack, the “two-stage” layout method uses the importance of the road section in place of the traffic flow of road, and completes the calculation of the road cumulative importance. Finally this paper takes the class I observation station layout of expressway network in Jiangsu Province as an example to verify the software. The result shows that the software can basically realize the scientific and efficient layout.

spatial network analysis; survey observation station; layout technique

2017-02-13

劉 浩(1963-)，男，高級工程師.

陳鳳濤(1992-)，男，碩士研究生.

著錄：劉浩，陳鳳濤.基于空間網絡分析的高速公路網一類調查觀測站布設技術[J].測繪工程，2017，26(8)：45-49.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.010

U491

A

1006-7949(2017)08-0045-05