基于道路設計與交通規劃的道路選線優化模型

曹羽++李晨熙

摘 要：結合道路設計和相關的交通理論，將地理信息系統作為基本的平臺，根據這一系統進行道路選線模型的開發，這一模型的費用主要指向的是優化的問題，而且最小化費用的目標函數主要包括道路交通誘發的環境污染導致的不經濟費用、土方工程費和建設費用等，OD交通主要是指路網上的總的行走的時間。優化模型首先就是隨機的生成了新建的道路的一種空間位置的候選方案，這一方案需要進行自動設計，主要包括新道路的豎曲線和平曲線，之后就可以重新計算費用。本文使用的是遺傳算法進行空閑位置候選方案合理性的判定。

關鍵詞：道路設計；交通規則；道路選線優化模型

選線對于道路設計是極為重要的，這是道路設計的過程中，比較根本的問題，這一設計的理念會影響到道路網的正常應用。目前國內外的設計中已經有很多的專家學者進行了研究，但是在整個過程中還存在著很多的問題，這些問題的出現就會影響著道路設計和交通規則的道路選線的優化，本文是根據遺傳算法進行空間位置的確定，在一定程度上優化道路設計模型。

1 初始空間位置的生成

新建的道路在確定空間位置的過程中，一般會有兩個或者是多個控制點，這些控制點是事先已經指定的，新建道路空間位置的確定就是明確各個控制點，因此在新建道路的空間控制點上必須要按照控制點連線的周邊的地形的基本數據作為設定的基礎，在使用了DEM數據當做是地形數據的時候，那么線路的空間位置就會被認為是整個線路的中心線所占用的DEM網格單元的一種集合，在這一集合中可以知道初始的空間位置的生成過程就是這一集合的生成過程，這一過程是極為復雜的，如果沒有及時的進行梳理就會出現混亂。

本文使用的是遺傳算法進行方案的選擇，因此為了候選方案的有效性得到提高，可以對選線的走廊進行預先確定，在這樣的情況下，為了保證初始的空間位置有著足夠的選擇余地就必須要沿著控制點的沿線，每隔一段距離就設定一個橫斷面，在橫斷面上的一些網格單元也就是新建道路在這一橫斷面上可能通過的位置，這樣位置的確定就會更加的明確，否則就會出現問題，不利于后期道路的設計。假設控制點之間的直線能夠被分為n+1段，在這樣的情況下，就會出現n組網格單元，在這n組網格單元中，每一組的單元通過連續排列都可以得到每一組中網格單元的最大編號和最小編號，在這一情況下，初始的空間位置就可以用一個數字串來表示，數字串中每一個數字都是對應著每一組單元格中的一個編號的，之后就可以生成道路的空間位置的初始的方案，這一方案可以使用公式（1）進行計算，而且每一組網格單元都可以隨機的進行單元格的選擇，將各個網格的中心點當做是整個道路的控制點，將所有生成道路的控制點進行連接就可以生成道路的初始線形，也就是i。

2 遺傳算法的設計與適應度函數的選取

遺產算法主要是被用來進行候選方案中各個方案的優劣的判斷或者是選擇新的候選方案使用的方法，主要是對代表著上一代道路的空間位置產生的數字串進行選擇操作、變異和交叉，經過這些程序就可以得出新的空間位置的候選方案，之后利用循環計算的方式進行初始空間位置的表示，將這些初始空間位置表示成為初期染色體，這樣各個單元的編號就代表著染色體的基因，對這些染色體基因進行交叉和變異，最后進行染色體的選擇。

3 基于DEM數字地形進行詳細的線形設計

3.1 平曲線在GIS中的實現

遺傳算法在每一次在GIS數據庫中生成的多條道路線形都是一種折線對象，在對線路設計也有著明確的要求，道路平面的線性設計必須要符合相關的要求，尤其是圓曲線、緩和曲線和直線的連接原則等，但是這樣的方法在使用的過程中會增加難度，也就增加了計算的負擔，本文是的研究對于緩和曲線并不考慮，使用圓曲線平滑新建的道路中么一個折點，這樣圓曲線就可以和直線連接，形成設計的圖形。

新建的道路線形中，每一個控制點都必須要有兩條線段與其相鄰，在這樣的情況下，就要取水平長度比較短的線段的長度的1/2當做是這一圓曲線的切線長，根據切線和半徑存在的數學關系，就可以確定圓曲線的半徑。以控制點C2為例，C1C2長度小于C2C3，T點為線段C1C2的中點，確定圓曲線半徑R=TC2tan（α）。同理在C3，C4，C5等控制點處可以確定另外一條圓曲線。這種方法并不能保證所有的圓曲線半徑滿足最小圓曲線半徑的要求，因此要利用懲罰費用對不滿足該要求的方案進行處理，以便在進入到下一次循環之前淘汰它們。

3.2 豎曲線在GIS中的實現

在道路設計中通常要滿足平包豎的原則，用二次拋物線平滑新建道路縱斷面上的各個折點。根據道路的豎曲線設計原理，在縱斷面上針對于每個控制點，取與之相鄰的水平長度較短的線段的1/3作為二次拋物線的切線長，由于在平曲線設計時以長度的1/2作為圓曲線的切線長，這樣可以很好地滿足平包豎的原則。但是這樣也不能保證所有的縱坡都滿足設計規范的要求，因此還要對包含不滿足縱坡要求的線形附加懲罰費用。

4 評價新建道路對路網服務水平的影響

新建道路對路網服務水平的影響，表現為節約的OD總走行時間的價值，汽車尾氣排放所引起的金錢損失兩個方面。在對每個方案實施自動路網拓撲后，可以用Frame-Wolf法進行OD交通量的分配，從而獲得同一個OD交通量在各個路網中路段上的交通流量、走行時間以及行車速度，最后計算出整個OD交通量在各路網上的總走行時間的金錢價值、各種尾氣排放量以及相應的金錢損失額度。

5 計算新建道路涉及的費用

新建道路涉及的費用是評價各選線方案的關鍵原則，本研究將它作為遺傳算法的適應度函數的主要部分。本研究將新建道路的社會總費用成本以及懲罰函數作為遺傳算法中的適應度值。這里從道路設計和交通規劃的角度分別計算費用，最后綜合兩方面計算總費用成本。

CT=CD+CL

這里，CT為一條新建道路的總費用成本，CD為與設計相關的費用總和；CL為與道路交通相關的費用總和。

1）與道路設計相關費用：

CD=CC+CE+CB+CP

CC為基本建設費用，是單位長度的基本建設費用與道路長度的乘積；CE為土方工程費；CB為橋梁隧道費用；CP為懲罰費用。

2）與道路交通相關的費用

CL=CA+CTT+CG+CR

CA為環境負荷費用，對于每一種線形方案都進行新路網的重新拓撲與交通量平衡分配，通過分配的輸出結果（路段交通量、走行時間、平均車速等）可以計算環境負荷費用和走行時間費用。

結束語

從道路工程和交通規劃的角度研究了道路選線問題，與道路工程的微觀選線不同該方法考慮了新建道路本身的工程造價、土方量的費用，也考慮了由于新建道路所導致的路網結構變化所引起的整個路網服務水平的變化，表現為OD交通行程時間的節約，尾氣排放量的金錢損失變化。通過有機地結合道路設計方法和交通量分配模型優化了新建道路的線形，一體化了道路規劃和設計過程。

參考文獻

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