顧及限高限重的公路大件運輸方案設計

秦 菡，張 峻，李華彥，鄭建宜

（1.海南省海洋地質資源與環境重點實驗室，海南 海口 570206；2.海南省海洋地質調查研究院，海南 海口 570206；3.海南省飛行者科技有限公司，海南 海口 570203）

疫情期間交通系統成為救援物資運輸的重要通 道[1]，但由于道路設計特征，很多車輛在救援物資運輸過程中將花費更多成本。隨著越來越多的電力建設、冶金、石油化工等大型工程項目在海內外立項開展，涉及的大型設備采購與運輸也越來越多。與傳統運輸方式相比，大件運輸是指運送超長、超大、超重的大型設備和物資的運輸[2]。其運輸線路一般較長，需運送的物資設備價格也相對昂貴，因此設計合理的運輸方案能大大提高運輸作業的效率[3]。公路運輸作為大件運輸的主要方式，不僅機動靈活，可直接將設備運至現場，避免了其他運輸方式的倒運環節，有效節省了工程成本；而且即使某些重大件利用水路或鐵路運輸，在距離碼頭或火車站的臨近路程也需通過公路運輸來完成。因此，為公路大件運輸設計一條最優路徑不僅是許多運輸承運單位的迫切需要，也為大型工程項目設備運輸的安全性和可靠性提供了重要保證。

在道路網中進行路徑規劃一般通過GIS最短路徑分析方法來實現[4]。然而，對于大件運輸方案的路徑選擇，由于其運輸車輛具有超高、超重等特點，使得車輛在通行過程中受到諸多道路障礙的限制[5]。傳統的最短路徑算法僅考慮了道路的長度、寬度和路況等基本因素，沒有針對大件運輸車輛的特點，對道路不滿足車輛高度和重量需求時所產生的耗時進行綜合考慮。本文基于道路網模型和傳統Dijkstra算法[6]，著重考慮運輸車輛受道路限高限重的影響，提出了一種顧及道路限高限重的最短路徑分析方法，為電力等行業的大件運輸設計和規劃了運營線路，大大降低了公路大件運輸的成本。

1 系統設計

道路、高速公路等線要素可在拓撲結構上生成網絡模型，具備使用GIS網絡分析功能的條件[7]。實現大件運輸方案的核心在于如何通過給定的起止點確定車輛最終行駛路線，且通常情況下以路線長度為基準，即GIS最經典的最短路徑分析。然而，經典最短路徑分析方法通常只考慮邊線（Edge）、交匯點（Junction）、轉向（Turn）和連通性（Connectivity）[8]等網絡數據集的重要元素，未考慮實際問題中的限高限重。

系統基于ArcGIS Engine開發，實施過程分為兩個階段：①建立基于道路等線要素數據限高限重的輔助網絡；②設計大件運輸方案模塊，包括道路限高限重字段的編輯、實際運輸起止點的設置等，以實現最短路徑的智能選擇。

1.1 方法流程

大件運輸方案系統屬于一個以設計為主的系統，包括數據庫層、數據處理層和功能設計層。系統的技術架構如圖1所示。

圖1 大件運輸方案系統架構圖

基于系統架構圖，本文設計最短路徑方法的流程為：①對已有的城市道路圖層數據進行編輯處理（預處理），使其與實際道路相符合，并進行拓撲檢查，其中預處理包括檢查道路的準確性、完整性和一致性；②利用道路限高限重輔助數據生成網絡數據集；③利用人工交互的方式，在道路網上選取路線的起點、途經點和終點；④根據生成的網絡數據集和起止點數據等信息進行網絡分析，得到真實的最優路徑。

1.2 網絡數據集的創建

對于大件運輸方案而言，許多規劃者為了避開交通流量的高峰，選擇夜間運輸，道路的車流量大小對其影響相對較低，且許多城市路口紅綠燈進入午夜后會自動轉換為黃閃，因此在十字路口等待信號燈的延時影響也可忽略。然而，由于運輸車輛基本都是使用大型平板掛車或拖車，在城市道路網中，大型平板運輸車輛對道路有更嚴格的要求。本文將道路的限高限重和長度作為大件運輸選線的依據，設計了限高限重輔助網絡數據的存儲結構，如表1所示。

表1 限高限重輔助網絡數據的存儲結構

網絡數據集由一系列參與網絡的要素組成，通過其數據源生成網絡元素[9]。本文首先判斷所需的地圖線圖層要素是否有限高、限重兩個字段，若沒有則完善字段；然后將新道路數據存儲于本地地理數據庫，并根據該線要素生成基礎網絡數據集[10]，同時生成線路經過點和障礙線路要素圖層。網絡數據集的創建流程如圖2所示。

圖2 網絡數據集的創建流程圖

1.3 障礙設置模塊

根據實際情況，從原道路數據中提取低于車輛高度或小于車輛重量的線路，將其作為不可通行道路保存于障礙線路中；同時可根據實時掌握數據，將在修葺路段的限高限重設為低于車輛高度或小于車輛載重的數值，即設置其為不可通行道路，以便用于后續分析。其核心代碼為：

上述代碼中，weight和height分別表示大件運輸車輛實際的重量與高度。

1.4 路徑分析模塊

路徑分析至少需要兩個停靠點作為起止點，可在地圖上依次點擊參與網絡分析線要素附近的任意位置來添加線路起止點和中間停靠點[9]，并保存于線路經過點點要素類中。

在最短路徑實際分析過程中，會避開障礙線路及其端點，將線路經過點位置納入路徑規劃，最終得到滿足道路限高限重的最短路徑。

2 實驗結果與分析

為了驗證基于道路限高限重輔助網絡的最短路徑分析方法在大件運輸方案運輸路徑選擇中的有效性，本文利用青島某城區的線狀道路圖層，構建了基于道路限高限重的輔助網絡，并在此基礎上構建了網絡數據集進行路徑規劃，結果如圖3所示。路徑規劃完成后，對路徑進行了詳細說明，如圖4所示。

圖3 基于限高限重的最短路徑

圖4 路徑說明

實驗結果能簡單論證在考慮道路限高限重的情況下，最短路徑分析方法在實際問題中的應用效果。若后續考慮諸如道路轉彎角對車輛轉彎時間的影響等其他制約因素，可在該系統的基礎上繼續添加道路轉彎角的權重等，以便在實際應用中發揮更大的 作用。

3 結 語

為解決大件運輸方案路徑選擇的問題，本文設計并實現了大件運輸方案系統。實驗結果表明，根據裝載車輛的高度、重量以及給定的起止點和中間停靠點，能較快規劃出一條合理的運輸路徑，為大件運輸行業提供決策支持；疫情期間亦可節省物資運輸車輛碰到限高限重道路進行折返而浪費的運輸時間，具有現實指導意義。