區域交通規劃模型及應用系統的設計

王長鵬，張學明，吳闖

(濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250013)

1 引 言

現階段交通規劃在我國依然是一個十分年輕的行業[1]。合理的交通規劃能夠促進社會經濟健康發展，為城市的各項功能合理有序的發展提供一個穩定的保障和堅實的基礎。近年來，在各級別、各類交通規劃的指導和控制下，城市交通發展的科學性、有序性得到了很大提高，對于交通發展中減少對資源的占用、降低對環境的負影響、提高建設效益和降低建設成本、提高對社會經濟的服務水平等多方面都起到了很重要的作用[2]。隨著在城市交通規劃陸續取得了一些成功，人們開始擴大研究范圍，對于區域交通規劃的研究開始被大家重視起來。同城市交通系統相比較，區域交通系統更加復雜和綜合，所以從整體上進行綜合考慮。目前區域交通規劃和城市交通規劃一樣，正朝著定量化、綜合化、前瞻性發展，而且更加重視交通對環境以及區域社會經濟發展的影響[3]。

湖北省位于我國的中部地區，具有承東啟西、接南納北的獨特地理優勢，而它“九省通衢”的特點也使湖北省成為重要的交通運輸樞紐。作為“中部崛起”的一個重要戰略要點，在全國經濟發展戰略格局中，湖北省的作用和經濟競爭力將得到進一步提高，很大程度上也刺激了對交通更大的需求。“一帶兩圈、雙輪驅動”新的經濟發展格局，標志著武漢市的區域發展戰略覆蓋到了全省，發展到區域協調共進的新局面和新狀況，對交通規劃也提出更高層次的要求[4]。

基于湖北省交通規劃的現狀，對湖北省省內的交通信息化管理是十分重要的。要想轉變交通規劃的發展方式必須借助信息化的手段。要想實現交通規劃的信息化，一定要充分利用現代化的通訊和網絡技術，讓一切與交通有關的信息資源都為交通規劃來服務，全面提高交通規劃處理事務的辦事效率，使得交通規劃更好地向信息化發展[5]。本文中的區域交通規劃模型及應用模型系統就是交通規劃信息化的成果之一。

系統體系結構采用以數據庫為技術核心、地理信息系統為支持的C/S模式，即在系統軟件和支撐軟件的基礎上，建立應用軟件層/信息處理層/數據支撐層的多層結構，如圖1所示。不同的服務層具有不同的應用特點，在處理系統建設中也具有不同程度的復用和更新。其中數據層和組件層的通信采用數據庫適配器技術，支持多源異構數據庫的讀取和存儲。業務層通過對組件層的細粒度服務進行封裝，提供簡潔實用的業務操作服務。

圖1 系統體系結構圖

2 數據庫建設

區域交通規劃模型應用系統由三個子數據庫組成，分別為：管理矢量圖形數據的空間數據庫、管理交通專題業務數據的屬性數據庫和管理用戶及配置數據的用戶數據庫。如圖2所示：

圖2 數據庫結構設計

矢量空間數據的各個地物對象通過其唯一的地理編碼與系統的屬性數據庫中的數據形成關聯。獨立的用戶數據庫不僅能夠增強對數據庫訪問的安全性，而且可以很大程度上方便用戶權限及角色的設置和分配。

需要將大量的歷史交通規劃數據連續變化，而不是間斷的特點能夠體現在該系統的交通業務屬性數據庫中，設計了一個數據庫字典表和多個面向交通規劃業務的視圖，以便規劃人員查詢信息和規劃成果表格的提交。

數據庫后臺管理子系統是建立在用戶數據庫的基礎上。在這個基礎上，區域交通規劃模型應用系統中的數據庫后臺管理子系統才可以進行用戶信息存儲、用戶權限分配、系統角色設置以及系統數據源管理。

3 交通規劃空間算法

交通規劃空間算法主要涉及的GIS中常見空間分析算法有Dijkstra算法、動態分段、緩沖區分析[6]，這些算法是GIS技術同交通領域的結合點。最短路徑Dijkstra算法不僅簡單，容易理解，而且使用方便。動態分段技術在交通規劃系統中，不僅可以實現道路圖形和屬性的雙向動態可視化查詢和分析，還能夠動態描述不同屬性之間的關系，使得對數據的查詢、分析和處理更加方便、快速。緩沖區分析思想在交通規劃評價中的應用也是非常廣泛，對全面評價交通規劃是非常重要的。

4 交通規劃模型

對系統所涉及的大部分交通規劃模型，包括了通用模型、技術指標評價模型以及效益指標評價模型進行研究。其中通用模型包括彈性系數法、國土系數法以及生長曲線法等方法，模型的計算結果為交通規劃業務提供預測、量化分析和評價功能服務[7，8]。技術指標評價主要從路網連通率、路網覆蓋率、路網平均車速和路網平均擁擠度等方面對路網進行評價，實現對道路網的各項指標綜合、全面、多角度地進行分析，針對性的對路網建設制定決策，下一階段的交通規劃工作更有科學性[9]。效益指標的評價主要包括：運行時間、運輸成本以及交通事故這三個方面進行評價。這三個方面能夠從側面反映出交通規劃決策的優劣。基于這三個方面進行交通規劃的評價更加專業和全面，制定出的交通規劃更具針對性和科學性[10]。

5 區域交通規劃模型系統設計

為了有效地管理和使用交通規劃應用分析模型，充分發揮它們在規劃管理中的作用，系統功能的設計開發將緊緊圍繞需求分析，劃分為以下4個功能子系統：

①圖形管理子系統

②數據庫后臺管理子系統

③信息查詢與輸出子系統

④交通規劃模型子系統

5.1 圖形管理子系統

圖形管理子系統主要用于滿足交通規劃模型對圖形數據的一些使用要求，這其中就包括對交通圖形數據的管理；對各類圖形數據(主要為1∶250 000交通矢量數據)的編輯；提供圖形形式的多種信息查詢功能；提供各類專題圖形的制作及輸出等功能，系統主界面如圖3所示。

圖3 圖形管理子系統主界面

圖形管理子系統中具有視圖控制、圖層管理、空間量算、空間查詢、要素選取、地圖編輯、制圖及輸出等模塊。這些模塊不僅可以實現對地圖放大、縮小、漫游等基本操作，還可以以圖層為管理單元，對系統加載的數據進行管理，實現地物要素的面積量算、距離量算等操作。這樣就實現了對湖北省綜合交通系統的圖層管理，交通基礎設施、交通運輸量、社會經濟等數據進行圖形管理率，使得信息處理實現了綜合化和形象化。

5.2 數據庫后臺管理子系統

數據庫后臺管理子系統是區域交通規劃模型應用系統的支撐，是實現各種功能的中心環節。數據庫管理子系統的設計應在充分分析數據源的基礎上，對數據進行分類組織，設計結構合理、層次清晰、便于查詢、調用方便、信息完整的數據庫表結構。信息應包括道路、水路、鐵路、社會經濟、航空資料、技術報告文檔等屬性或空間信息，應支持空間信息的存儲和海量數據的管理，應充分滿足科學計算、圖形顯示、查詢輸出等對使用數據的要求，實現常規報表的生成輸出，采用現代網絡數據庫技術，支持多種查詢方式。

提供各級用戶的分級及操縱權限管理，確保系統的安全。提供備份管理，以避免系統的軟硬件故障及操作失誤造成破壞時的數據庫恢復。

5.3 信息查詢與輸出子系統

查詢統計模塊包括兩個類別的功能：交通業務信息查詢、交通圖形信息查詢。其中每個類別的功能下面又包含一些功能。

交通業務信息查詢包括數據瀏覽、條件查詢、復雜查詢、查詢條件保存、自定義查詢、數據編輯、數據保存、數據輸出。這些功能主要提供詳細的屬性數據的查詢、修改、統計和分析功能；提供用戶自定義查詢和查詢配置功能；實現基本信息查詢、空間信息數據查詢、系統信息數據查詢等各種類型的數據信息查詢功能。

交通圖形信息查詢包括按行政區查詢、多點查詢、二維模擬顯示、最優路徑查詢。行政區查詢、多點查詢提供對行政區域內的各種要素信息進行查詢與顯示，實現對某個區域內信息的方便獲取；二維模擬顯示提供依據屬性數據庫中的交通屬性數據對高速公路和國省道等線狀空間圖形數據進行實時的交通量二維模擬顯示，依據數據庫中的數據現狀，系統可以對高速公路和國省道進行交通量和收費路段二維模擬顯示；最優路徑查詢供用戶計算湖北省范圍內任意兩點間的距離最短、時間最少和費用最省的最優路徑，并可對路網中道路的權值參數進行設定，如圖4所示。

圖4 最優路徑查詢

5.4 交通規劃模型子系統

交通規劃模型子系統通過選擇科學、合理的交通規劃模型建立模型庫，提供模型管理的功能。模型的調用過程中可動態調整參數，并調用數據庫中的各類數據，根據規劃任務進行數據處理與計算，提供預測、量化分析和評價等功能。依據功能的不同，可以將交通規劃模型子系統劃分為：模型管理、模型應用以及綜合評價三部分。

(1)模型管理模塊

交通規劃模型子系統中模型管理模塊主要是提供模型的基礎管理功能，包括模型的基本分類，模型查找、刪除、信息查看等功能。可以根據用戶需要對子系統中的模型庫進行管理，增加新的模型或者將已有的模型需要根據實際情況進行修改的參數重新設定。

(2)模型應用模塊

模型應用模塊是交通規劃模型子系統的核心部分，也是整個系統中最關鍵的一個模塊。模型應用模塊的主要功能是調用相關模型進行業務分析與計算等操作，包括對模型基本參數的設定，可以根據用戶需要設定參數，輔助指導交通規劃決策，其結果是以圖標的形式展現給相關的決策部門。同時還能夠將計算結果進行保存，這樣可以同實際的規劃結果進行比對，然后來矯正模型參數的設定，使規劃模型更加精確。

相關的決策部門可以利用已有的歷史數據，采用指數平滑線性預測來對未來的交通規劃狀況做出預測，以此來指導規劃決策工作，如圖5所示為利用時間序列模型進行分析預測。

圖5 時間序列模型指數平滑線性預測(平滑系數0.15)

(3)綜合評價模塊

綜合評價模塊的主要功能是根據相關的指標計算公式，計算出交通規劃業務所需要用到的各項指標，主要包括技術指標與效益指標兩項內容，評價的方式包括按地區評價、按年份評價、按指標評價、按所有指標綜合評價，其主要功能多方式評價以及相關分析。

①多方式評價

以往對交通評價方式往往比較單一，很多時候造成評價比較片面，通常會比較缺乏說服力，給相關的決策部門和決策人員做決策的時候不能從多方式來做出下一階段的規劃工作，還是存在一定的缺陷。在綜合評價模塊中，通過引用了多方式評價的方法，可以按照不同地區、不同年份、不同評價指標或者是所有的評價指標來多方式的進行評價，從而能夠更加全面地發現問題，能夠更加有針對性地去解決問題，避免了下一階規劃工作中有可能會出現的冗余工作。圖6就是從綜合指標對湖北省交通評價的成果圖。

圖6 按所有指標評價

②相關分析

相關分析是用來獲取數據間的相關系數。用戶通過選擇需要執行分析的數據列表，然后執行相關分析操作，就可以獲得相關系數的計算結果，如圖7所示，為貨物運輸平均距離與路網相關因素的相關性分析。

圖7 相關分析操作結果

6 結 語

基于本文建立的區域交通規劃模型應用系統已經在湖北省交通廳中被廣泛應用，提高了工作效率，現對所做的工作總結如下：

(1)設計一個能實現以下功能的C/S模式的區域交通規劃模型：安全可靠的數據管理、方便快捷的信息查詢、功能強大并且專業性強、易于操作的系統。區域交通規劃模型旨在真實、準確整理并分析湖北省的交通數據信息，快速、高效的處理大量歷史數據，并結合現代專業的數學計算和預測模型來進行科學的分析和預測，準確反映湖北省的交通狀況及發展規律。該系統是基于ArcEngine開發的，集成了湖北省的地形、各種級別的交通路線矢量文件，能夠在系統上進行查詢、管理，為相關部門提供直觀的基礎信息表現。

(2)子系統的劃分。根據需要將系統合理的劃分為四個子系統：圖形管理子系統、數據庫后臺管理子系統、信息查詢與輸出子系統、交通規劃模型子系統。實現對湖北省的交通相關數據進行存儲、查詢和專業模塊計算結果的閱覽、查詢和管理，能夠為湖北省的交通規劃提供直觀的基礎信息表現，為決策者提供方案。

(3)相關的空間分析算法。系統一個主要特點就是將地理信息系統中網絡分析等一些空間分析算法同交通方面相結合，為交通部門提供一個良好的評估和決策技術支持。交通狀況指標不僅僅可以定性描述，而且可以實現定量描述。

(4)交通規劃模型。系統從與交通相關的規劃模型按照通用模型、技術評價指標模型以及效益基表評價模型分別整理。可以從不同角度、不同方面、不同用戶按照各自的需求進行查詢和分析，從而能夠提供更加準確和專業的方案。

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