輔助決策系統在城市快速公交專用道設置中的應用

摘要:將GIS技術與專家系統相結合，先對城市地理空間數據進行表示，然后用與或樹結構對公共交通領域知識進行表達，并采用深度優先搜索和回溯技術實現推理引擎。對GIS和ES之間的接口和其中所涉及到的空間知識進行了研究探討。所構建的輔助決策系統能夠很好地對城市公交線路進行指標評測和完成對公交專用道規劃的選取。

關鍵詞:地理信息系統; 專家系統; 公交專用道

中圖分類號:TP311文獻標志碼:A

文章編號:1001－3695(2008)02－0607－03

隨著城市經濟和建設的快速發展，城市規模不斷擴大#65380;人口迅速增長，對城市交通提出了更高要求。由于公共交通具有污染小#65380;占地面積小#65380;運輸效率高等優勢，是大城市優先考慮的交通方式。公共交通一般分為地鐵#65380;輕軌和公交系統等。地鐵和輕軌的建設和維護費用高，需要考慮城市經濟承受能力，而且建設后其靈活程度差，不適合應用于中小型城市。在沒有建立地鐵和輕軌的城市中，乘客的運送主要依靠地面公交系統，而在已經建立地鐵和輕軌的城市中，其乘客運送主要以地鐵和輕軌為主軸，輔之以公交系統[1]。快速公交系統是一種以常規公交系統為基礎，以地面道路網為支撐，結合了現代巴士技術，吸取軌道交通的優點，且獲得一定時空優先權和政策優先支持的新型城市公交系統。它與常規公交系統和軌道交通相比優勢明顯，能夠有效地緩解城市交通壓力和提高城市居民生活質量，也是實現城市可持續發展的有效措施之一。但現在我國公交專用道的設置規劃還處于初步階段，缺乏有效的理論作為指導，使得有些城市設置公交專用道未能達到預期的效果。根據《上海城市交通“十一五”規劃綱要》，上海市將在2010年建立300 km的公交專用道，現在還處于調研規劃初步實施階段。對公交專用道路設置是實現快速公交系統的前期工作，且起著重要的作用，選取的好壞直接影響到快速公交系統的運營性能。

地理信息系統是20世紀60年代開始迅速發展起來的地理學研究技術，是一種空間信息系統。它不僅要完成管理大量復雜地理數據的任務，更為重要的是要完成與地理數據相關的分析#65380;評價#65380;預測和輔助決策等任務[2]。在進行公交專用道路選取時涉及到大量的空間信息，利用GIS軟件可以存儲這些空間信息并形象直觀地顯示給相關決策人員，對涉及到的空間信息進行輔助決策分析。專家系統是人工智能學科研究中重要和活躍的一個分支，它利用大量專業知識以解決只有專家才能解決的問題[2]，能夠高效#65380;迅速和準確地求解問題，而且受時間和空間影響因素少。采用傳統方法對公交專用道進行設置這一過程復雜繁瑣#65380;周期長。因此，可以利用專家系統把專家的經驗與知識綜合起來在對公交線網進行評價的基礎上對公交專用道路進行規劃選取。充分利用專家系統和地理信息系統各自的優點，將兩者結合起來，是構建輔助決策系統的出發點，建造出來的系統能夠比較經濟和直觀地對現有公交線路進行評價和公交專用道路規劃選取。

1城市公交空間數據的GIS表示

與傳統的表示方法相比，采用GIS對城市地理信息進行表示其優勢很明顯。它是融合計算機圖形與數據庫于一體，儲存和處理空間信息的高新技術，將地理位置與相關屬性有機結合起來，根據實際需要準確真實#65380;圖文并茂地輸出給用戶，滿足城市建設#65380;企業管理#65380;居民生活對空間信息的要求，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達，進行各種輔助決策[2]。

在用GIS對城市地理信息系統進行表示時，空間數據信息采用分層管理和存儲。每一圖層存放有特征相同或相近的地理對象，并且與每個圖層對應的是一個數據庫表，圖層中每一對象與數據庫表中的一條記錄相對應。GIS 利用層的概念來存儲#65380;管理和分析信息，然后不同的圖層相互疊加起來，實現了對研究區域信息的可視化。在對城市地理信息進行表示時涉及到的圖層有城市區域#65380;城市河流#65380;城市建筑物#65380;城市道路#65380;交通小區#65380;公交線路#65380;軌道交通和公交站臺共八層。

空間數據和屬性數據有著不可分割的關系，每個圖層與之對應一個屬性數據表。其中:交通小區層的屬性數據結構為{交通小區id#65380;交通小區名稱#65380;所屬區域#65380;面積#65380;出行人口};城市道路層屬性數據結構為{道路id#65380;道路名稱#65380;級別#65380;方向#65380;寬度#65380;高峰小時交通流量#65380;公交線路重復系數};公交線路層屬性數據結構為{公交線路id#65380;線路名稱#65380;平均每天客運量#65380;高峰小時客運量#65380;平均車速#65380;起始站點#65380;終止站點};公交站臺層所對應的屬性數據結構為{公交站臺id#65380;公交站臺名稱#65380;所屬道路名稱#65380;公交站點總數}。

空間分析功能是GIS的核心和靈魂，是區別于一般信息系統#65380;CAD或者電子地圖系統的主要標志之一[3]。其主要通過空間數據和空間模型的組合分析來挖掘空間目標的潛在信息。這些空間目標的基本信息包括空間位置#65380;分布#65380;距離#65380;方位和拓撲關系等。其中，距離#65380;方位和拓撲關系組成了空間目標的空間關系。GIS經過近四十年的發展已逐漸趨于成熟，但其應用還主要停留在空間數據庫的建立與管理#65380;空間實體查詢#65380;空間疊置分析#65380;緩沖區分析及成果輸出上。由于缺乏知識處理和進行啟發式推理的能力，其決策支持功能仍很弱[4]。專家系統能夠很好地彌補這一點，從而可將GIS各種查詢和空間分析的結果作為專家系統的輸入，結合兩者各自的優點來構建一個基于GIS的輔助決策系統。

2基于GIS輔助決策系統構建機制及知識表示和推理機實現原理

通常一個較完善的專家系統由知識庫#65380;推理機#65380;綜合數據庫#65380;知識獲取系統#65380;解釋系統和人機接口六個部分組成。GIS與專家系統的集成應用中，GIS所起的作用主要是管理#65380;存儲空間數據，進行相應空間分析[5];專家系統的作用是進行知識表示和利用知識進行推理。將GIS 進行分析所得到的結果作為專家系統進行輔助決策時的知識或事實，以及專家系統進行推理時利用GIS中相關空間查詢和空間分析操作是兩者進行優勢結合的所在。本系統分為知識獲取#65380;原子操作定義實現#65380;GIS空間分析#65380;解釋和推理引擎共五大模塊，各個模塊之間分工協作共同完成公交線網評價和公交專用道設置工作。該系統結構框圖如圖1所示。

知識是專家系統的核心，知識庫中擁有知識的多少和知識的質量決定了所構建的專家系統解決問題的能力[6]。在所構建的系統中知識的獲取是從公共交通領域專家和相關技術文獻中獲得。知識表示方法是專家系統的基本研究內容之一，采用哪種知識表示方法十分重要，它直接影響到所建造的專家系統的性能。現有的知識表示方法有產生式#65380;框架結構#65380;語義網絡#65380;腳本和與或樹表示等。在進行公交線網評價和快速公交線路規劃涉及到的知識有操作性知識和屬性知識，在充分比較了各種方法的優劣后，采用與或樹表示法對領域知識進行表示。當一個問題比較復雜時，直接對該問題求解往往比較困難，此時可以對該問題進行分解或變換，將它轉換為一系列簡單的問題，然后對這些簡單問題求解實現對原問題的求解。樹中每個節點代表要解決的單一問題或問題集合，樹中的根節點代表原始問題。節點有與節點#65380;或節點和葉子節點三種類型。與節點表示只有解決了所有的子問題才能解決本問題;或節點表示只要解決一個子問題就可以解決本問題;葉子節點表示本原問題可以直接求解。在進行公交線路評價計算和快速專用線路選取規劃時涉及到交通領域知識有求非直線系數#65380;公交重復系數#65380;線網密度和公交專用道規劃選取等。公交專用道規劃選取知識的與或樹表示如圖2所示。

推理機是實施問題求解的核心執行機構，它是對知識進行解釋的程序，根據知識的語義對按一定策略找到相應的知識進行解釋執行，并將結果登記到適當的空間。根據與或樹結構對交通領域知識進行表示。推理引擎主要采用度優先搜索和回溯技術實現。其算法主要思想是對所構建的與或樹進行深度優先搜索和回溯，先從根節點開始根據該節點的種類判斷其子問題是否可解。如果不可解則繼續判斷其子問題的子問題，直至葉子節點;如果葉子節點所對應的原子問題不能在原子操作表中查詢到，表示該原子問題不可解，所以根節點表示的問題也不可解則求解結束;如果能夠找到對應的原則操作，則進行回溯返回結果。如此下去直至根問題不可解或與問題可解返回結果。推理引擎所要完成的主要工作有:a)進行問題識別，輸入參數提取和構建黑板;b)根據知識庫進行問題匹配;c)對該問題所對應到的與或樹進行深度優先搜索和回溯;d)當搜索到原子節點時，要提取輸入和輸出參數進入相應的原子操作，當該原子操作完畢后，將所得到的結果登記在黑板中;e)當與或樹遍歷完畢后，從黑板中獲取最終結果并進行問題結果輸出和執行對應的解釋程序，最后注銷黑板。推理引擎實現結構如圖3所示。

3實驗結果分析

目前，上海市各類公交車為18 186輛，有948條線路，每天運送乘客量約達750萬人次。現行的公交線路設置一般都是以一個居住區到市中心某一集散地，或到另一居住區為運營目的，中途又要經過某幾個目的地。因此，上海市區大部分的公交線路走勢呈現S形#65380;C形#65380;Z形等極不規則圖形，造成重復線路多#65380;繞道多和站點集中，加上私家車輛不斷增多等原因，造成公交線路行駛時間過長#65380;誤點率高等問題，給市民出行帶來很大的不便。緩解這些交通壓力彌補軌道交通的不足，采用公交專用道是有關決策部門優先考慮的方法。根據前面所述的理論和算法，以上海城區及公交線路作為主要研究對象，本文在VC 6.0#65380;Mapx 5.0和Access 2003環境中嵌入式開發本系統。系統完成各種GIS操作(如對各個圖層進行控制#65380;漫游#65380;查詢和相應的空間分析等)，并能夠在對公交線網評價的基礎上對上海整個城市道路進行公交專用道設置選取工作。圖4 是實驗系統的界面演示。圖5為現有的公交線路層。

選取公交專用道考慮的因素有道路寬度#65380;公交線路重復系數和高峰小時平均車速等。利用與或樹對該知識進行表示后通過推理引擎對該問題進行求解，結果如圖6所示。

根據《上海城市交通“十一五”規劃綱要》，到2010年全市要建設300 km公交專用道，而在中心城區則要建設100 km以上的公交專用道，高峰時段公交專用道車輛運行時速要達到18~20 km，為上班族乘車提速。從實驗結果中可以看出，其完全涵蓋了上海近期所建公交專用道(四平路——中山南路#65380; 虹橋路——肇嘉浜路——陸家浜路#65380;中山南一路——中山南二路和山東路——云南路)。對實驗結果分析可以看出，公交專用道多選取在人口出行量大的交通小區中，并與軌道交通相輔相承彌補了軌道交通產生的交通空白，緩解了一號和三號線軌道交通的壓力。

在整個系統中交通領域相關知識表示錄入界面如圖7所示。在該界面中可以定義原則操作和符號表，并根據已知的符號表和原子操作構建求解問題的與或樹。圖8是問題求解界面，當用戶在編輯框輸入要解決問題的名稱并點擊按鈕，就可以自動對已經構建好的與或樹進行推理，同時對推理時所用到的知識進行解釋。

4結束語

本文利用與或樹結構對交通領域知識進行表示，用深度優先搜索和回溯技術實現推理引擎對快速公交線路的選取提供了一種新的思路，對其設置方法進行了有益探索。

將GIS與ES結合起來，是兩者所研究的新方向。在構建系統中，GIS的作用是存儲顯示空間數據并輔以必要的空間分析，相比傳統方法能夠更直觀地顯示給用戶，且容易對線路進行編輯更新;專家系統的作用是對知識進行表示和推理后對線路的選取。在進行快速公交線路規劃時要考慮的因素很多，然而主觀上對這些因素重要性認識不同，直接會導致最后的結果不同。也就是說，知識的多少是決定本系統對線路進行選取時結果好壞的根本原因。對知識的精確表示和對問題求解高效的推理也是影響問題最終結果的重要因素。

參考文獻:

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[6]GIARRATANO J，RILEY G.Expert systems principles and programming[M]. Beijing:China Machine Press，2000:220－227.

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