基于GISDK的復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇

尹旭日, 徐成達

(蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系，安徽 蚌埠 233011)

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基于GISDK的復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇

尹旭日, 徐成達

(蚌埠汽車士官學校 運輸勤務系，安徽 蚌埠 233011)

尋找車輛最佳運輸路線是軍交運輸指揮員在組織車輛調(diào)度時的一項重要活動，為使所選的最佳運輸路線更加貼近部隊實際需求，必須考慮多因素對路網(wǎng)的影響。在討論基于GISDK復雜環(huán)境下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建的基礎上，提出在GISDK復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇方法，設計和實現(xiàn)基于GISDK復雜環(huán)境下車輛最佳路徑分析系統(tǒng)。試用結(jié)果表明，該系統(tǒng)比以前的車輛路徑選擇系統(tǒng)更加實用和高效。

GISDK；車輛最佳路徑；復雜環(huán)境；路網(wǎng)拓撲

怎樣使基于地理信息系統(tǒng)(goegraphic infromation system,GIS)的路網(wǎng)分析應用系統(tǒng)更加貼近部隊、更加貼近戰(zhàn)場，滿足信息化條件下的軍交運輸決策需求，充分發(fā)揮應用系統(tǒng)的運行效率，是當前軍交運輸信息化建設者們必須考慮的問題。近些年來，基于地理信息系統(tǒng)的最佳路徑分析研究成果不斷出現(xiàn)。文獻[1]提出并實現(xiàn)了基于MapX的損毀路網(wǎng)情況下最佳路線分析方法；文獻[2]以ArcGIS軟件為地理信息平臺，在分析武警部隊遂行保障任務中的道路需求影響因素基礎上，提出了基于ArcGIS的最優(yōu)路徑選擇實現(xiàn)方案；文獻[3]設計并實現(xiàn)了交通運輸最短路徑分析系統(tǒng),優(yōu)化了運輸資源配置。這些成果在不同的GIS平臺上探討了最佳路徑分析策略，但是對運輸?shù)膶嶋H環(huán)境考慮不夠細致，沒有考慮道路路網(wǎng)中存在單行線或禁止左轉(zhuǎn)等實際問題，也沒有考慮惡劣天氣事件對道路交通系統(tǒng)的影響。因此，這些方法或系統(tǒng)在實際應用中效率不高。

GISDK(geographic information system developer’s kit，GISDK)作為主流交通規(guī)劃軟件TransCAD提供的宏匯編語言，已在城市公交線網(wǎng)優(yōu)化、OD數(shù)據(jù)合成、路網(wǎng)拓撲構(gòu)建等方面得到較好的應用[4-5]。但是通過掌握的資料來看，沒有發(fā)現(xiàn)考慮到路網(wǎng)中存在單行線、左(右)轉(zhuǎn)向禁止或天氣影響等復雜環(huán)境下基于GISDK的公路網(wǎng)拓撲構(gòu)建與車輛最佳路徑選擇的相關(guān)研究報道。本文討論了基于GISDK的復雜環(huán)境下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎上，提出和實現(xiàn)了復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇分析方法。

1 問題分析

公路軍事運輸任務是在復雜的實際環(huán)境中實施和完成的，在實施過程中受到很多因素的影響，例如道路狀況、交通流量、交通規(guī)則、敵人襲擾和惡劣天氣等。鑒于篇幅，本文僅討論交通規(guī)則和惡劣天氣對公路軍事運輸?shù)挠绊憽?/p>

1.1 道路交通規(guī)則的影響

道路交通規(guī)則對公路軍事運輸，尤其對平時軍事運輸保障有很大影響。常見的交通規(guī)則有速度限制、單行線、禁止掉頭或轉(zhuǎn)向等。速度限制包括車輛在某路段上的最高速度或最低速度限制，直接影響車輛在該路段的運行時間；道路單行線只能準許車輛朝一個方向行進；禁止掉頭或轉(zhuǎn)向則禁止車輛朝指定方向掉頭或轉(zhuǎn)向：后兩種交通規(guī)則直接影響車輛在路網(wǎng)上的行駛方向與路徑。這些道路交通規(guī)則對基于路網(wǎng)分析的各種應用將產(chǎn)生直接的影響。因此，在考慮構(gòu)建各種基于GIS的公路網(wǎng)應用系統(tǒng)時，應該充分考慮道路交通規(guī)則對車輛運行的實際影響。

1.2 惡劣天氣事件的影響

惡劣天氣事件通常是指特定時空下對交通最佳運行不利的大氣氣象條件，既包括普通頻發(fā)的雨雪霧天，又包括極端罕見的暴風雪、颶風等。惡劣天氣事件對車輛運行速度有很大影響。Chin等[6]的研究表明，不同類型道路在遭遇降雨事件時運行車速降低幅度在10%～25%之間。降雪事件也會降低平均運行車速，其范圍在3%～38% 之間。邢恩輝等[7]研究發(fā)現(xiàn)，快速路冰雪路面上的平均車速比非冰雪路面降低20%。Salonen等[8]在研究惡劣天氣與交通安全的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)光線明亮度變?nèi)鯐惯\行速度降低5 km/h。平均車速的變化，將導致路段上通行時間的變化，自然會導致路網(wǎng)上任意兩點間最短路徑的變化，直接影響運輸路線的選擇。

通常情況下，惡劣天氣事件對公路運輸影響往往不是全國性，而是區(qū)域性的。同時，惡劣天氣事件對各個區(qū)域的影響也是有差別的。這要求，基于GIS的應用系統(tǒng)應該具備能對不同區(qū)域范圍內(nèi)的道路進行區(qū)別處理分析的能力。另外，由于惡劣天氣事件對公路運輸影響也是隨時間變化而變化的。今天的天氣與明天的天氣可能是不一樣的，即使是同一天，上午的天氣與下午的天氣也可能不一樣，因此，這也要求基于GIS的應用系統(tǒng)應具有隨天氣變化而變化的實時分析處理能力。

以往的車輛最佳路徑選擇方法由于受所用的GIS平臺所限，對復雜環(huán)境下車輛最佳路徑分析存在一定困難，大部分方法簡化了對實際應用中各種因素對運輸?shù)挠绊憽６鳪ISDK提供了豐富的路網(wǎng)分析函數(shù)，利用宏匯編語言，可以非常靈活地分析實際運輸中各影響因素對運輸?shù)挠绊懀_發(fā)的系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、運行效率高等特點。因此，采用GISDK環(huán)境，分析和實現(xiàn)復雜環(huán)境下車輛最佳路徑是一種有益的嘗試。

2 路網(wǎng)拓撲的構(gòu)建

路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)由若干節(jié)點以及節(jié)點之間的弧(邊)構(gòu)成，并且這些弧(邊)的長度已知。在道路拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上，可以應用具體算法來進行路網(wǎng)分析，因此，路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建是關(guān)鍵。正常情況下，讀入數(shù)字地圖后，使用GISDK提供的CreateNetwork()方法創(chuàng)建路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，并以文件形式保存至指定的路徑。但是，在考慮到單行線、轉(zhuǎn)向處罰或天氣等因素影響下，不能直接使用該方法，在其調(diào)用前需要進行一些關(guān)鍵技術(shù)分析。

2.1 道路交通規(guī)則約束下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建

在考慮單行線約束條件下，此時的路網(wǎng)拓撲可以看成是一個有向圖，需要知道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中哪些道路是單行通行以及具體的通行方向。首先，利用GISDK提供的函數(shù)SetLinkDirections(string layer_set, string direction)來設定當前內(nèi)存路網(wǎng)拓撲中l(wèi)ayer_set道路集，包含道路的通行方向為direction。其中，Direction的值可以是North、South、East、West或Null。前4個值分別表示方向為北、南、東和西，而當值為null 時，表示該道路為雙向通行。然后，利用CreateNetwork()方法創(chuàng)建路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

禁止轉(zhuǎn)向約束通常有左轉(zhuǎn)限制、右轉(zhuǎn)限制和調(diào)頭限制等。限制包括禁止和處罰，其中禁止是指絕對不允許車輛通過，而處罰是允許車輛通過，但需要增加車輛通過該路段的成本，例如增加通行時間等。通過Dbase數(shù)據(jù)庫DBF文件格式的處罰文件，保存具體車輛轉(zhuǎn)向限制信息。

首先通過CreateNetwork()方法創(chuàng)建初始路網(wǎng)拓撲；然后使用ChangeNetworkSettings() 方法將處罰文件綁定到該道路拓撲上；最后使用CreateNetwork()方法完成轉(zhuǎn)向處罰條件下路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的最終構(gòu)建。

2.2 惡劣天氣事件影響下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建

惡劣天氣事件對路網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是路網(wǎng)中哪些道路受到了影響；二是天氣對道路上車輛通行速度影響程度怎樣。通常采用確定受天氣影響區(qū)域weather_area，繼而通過該區(qū)域與公路圖層的拓撲關(guān)系操作確定該區(qū)域內(nèi)道路為受影響的道路。

SetSelectInclusion("Intersecting")// 設置影響區(qū)域與公路圖層的相交操作，獲取影響區(qū)域內(nèi)道路

n_line = SelectByVicinity(In_set, "Several", "安徽各市|weather_area", 0.0)

天氣對道路上車輛通行速度影響程度通過影響因子w來描述。w值越大，對車輛速度影響越小，反之越大。通過下面公式計算車輛在受天氣影響道路的通行時間t。

式中：v為正常情況下車輛在該道路的通行速度；d為道路長度。

在GISDK環(huán)境下，通過下面代碼實現(xiàn)天氣對車輛通行速度的影響。

rh = GetFirstRecord(In_set,)

while rh<>null do

values_array = GetRecordValues(, rh, {"Length"}) //讀取道路長度，設置受天氣影響導致車輛平均速度下降后的實際通行時間

SetRecordValues(, rh, {{"time", values_array[1][2]/w/v}})

rh = GetNextRecord(In_set, , )

end

列寧在生命垂危之際，以口授的方式留下了《我們怎樣改組工農(nóng)檢察院》《寧肯少些，但要好些》《給代表大會的信》等文章和書信。這些文章和書信作為列寧最后的政治交代，構(gòu)成了列寧的“政治遺囑”。學者們曾從多種視角對列寧的“政治遺囑”進行解讀，但鮮有從干部隊伍建設的角度探討列寧“政治遺囑”對領(lǐng)導干部素質(zhì)提出的要求。實際上，列寧作為俄共（布）的“頂層設計師”，在逝世前對黨的領(lǐng)導干部提出了許多要求和期許，其中蘊含的干部隊伍建設思想，可以為當前加強黨的干部隊伍建設提供重要的理論參考。

最后，使用CreateNetwork()方法以文件形式保存公路網(wǎng)受天氣影響的道路拓撲結(jié)構(gòu)。

3 復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇算法

基于上述復雜環(huán)境下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的討論，設計了基于GISDK復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇算法，其步驟如下。

步驟1 導入路網(wǎng)地圖。

步驟2 創(chuàng)建4個Selection。單行線：oneway_set；轉(zhuǎn)向處罰：prohibit_from_set和prohibit_to_set；天氣影響區(qū)域：Influenced_regions。

步驟3 獲取基本信息：

(1)在數(shù)字地圖上指定并顯示單行線，將其保存于oneway_set；

(2)在數(shù)字地圖上指定并顯示禁止轉(zhuǎn)向道路，分別保存于prohibit_from_set和prohibit_to_set中，設定其轉(zhuǎn)向處罰值并保存至MyPenalty.dbf文件中；

(3)在數(shù)字地圖上指定并顯示天氣影響區(qū)域，將其保存于Influenced_regions；設定各個區(qū)域的天氣影響因子。

步驟4 設置道路參數(shù)：

(2)根據(jù)prohibit_from_set和prohibit_to_set道路，讀入MyPenalty.dbf，在路網(wǎng)中設定該禁止轉(zhuǎn)向道路和轉(zhuǎn)向處罰值；

(3)根據(jù)Influenced_region，計算各影響區(qū)域內(nèi)道路；

(4)根據(jù)天氣影響影子，計算車輛在各區(qū)域內(nèi)道路通行時間。

步驟5 道路拓撲構(gòu)建。使用CreateNetwork()方法構(gòu)建并保存道路拓撲結(jié)構(gòu)。

步驟6 車輛最佳路徑選擇：

(1)使用ReadNetwork()方法讀入道路拓撲結(jié)構(gòu)文件；

(2)使用ShortestPath()方法搜索最佳路徑；

(3)在地圖上顯示指定節(jié)點間的最佳路徑。

步驟7 結(jié)束。

4 算法實現(xiàn)

本文以安徽省國、省道數(shù)字地圖作為路網(wǎng)，開發(fā)了基于GISDK復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇應用系統(tǒng)。其中GIS開發(fā)平臺為TransCAD 4.5和GISDK語言開發(fā)包。為了直觀分析，采用運輸時間最短為標準的最佳路徑分析方法，逐一比較上述復雜環(huán)境影響下的路網(wǎng)分析應用結(jié)果。實驗中，假定正常情況下車輛的運行速度為50 km/h(如圖1所示)。

(a) 正常情況下最短路徑 (b)單行道情況下最短路徑

(c)轉(zhuǎn)向禁止情況下最短路徑 (d)惡劣天氣影響下最短路徑圖1 復雜環(huán)境下車輛最佳路徑選擇

正常情形下，路網(wǎng)上節(jié)點A至節(jié)點B之間的最短運行時間為8.92 h, 最短路徑如圖1(a)中黑色粗實線所示。

在單行道情況下，路網(wǎng)上節(jié)點A至節(jié)點B之間的最短運行時間為9.16 h。圖1(b)中黑色粗實線所示的為最短路徑，黑色帶箭頭的粗實線代表單行線道路。

在轉(zhuǎn)向禁止情況下，路網(wǎng)上節(jié)點A至節(jié)點B之間的最短運行時間為9.38 h。圖1(c)中黑色粗實線所示的為最短路徑，箭頭線所指為左轉(zhuǎn)禁止路段。

在惡劣天氣影響下，根據(jù)天氣影響程度，分別設定各城市天氣影響因子。例如：黃山市0.68，池州市 0.75，六安市0.90，合肥市0.34，淮南市0.78，亳州市0.77。不受天氣影響的城市，影響因子設為1.0。系統(tǒng)運行顯示，車輛在節(jié)點A至節(jié)點B之間的最短運行時間為11.93 h，推薦的最佳行車路線如圖1(d)中黑色粗實線所示，其中陰影區(qū)域為天氣影響區(qū)。

5 結(jié) 語

在GIS環(huán)境下建立高效又貼近部隊實際的應用系統(tǒng)是當前信息化建設的重要任務。本文分析了單行線、禁止轉(zhuǎn)向和天氣因素對車輛運輸?shù)挠绊懀诖嘶A上討論了基于GISDK的復雜環(huán)境下路網(wǎng)拓撲的構(gòu)建，提出并實現(xiàn)了在GISDK復雜環(huán)境下路網(wǎng)拓撲構(gòu)建和車輛最佳路徑分析方法。該方法綜合考慮到單行線、禁止轉(zhuǎn)向和天氣等常見因素對運輸?shù)挠绊懀o貼公路軍事運輸實際，具有很強的實用性。

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(編輯：史海英)

Selection of Optimal Path for Vehicle in Complex Environment with GISDK

YIN Xuri, XU Chengda

(Transportation Service Department, Bengbu Automobile NCO Academy, Bengbu 233011, China)

Finding optimal transportation path is an important activity for military transport commander during vehicle scheduling, and we should consider the influencing factors to make the selected optimal path meeting the actual demand of the troops. After discussing road network topology construction in complex environment with GISDK, the paper proposes optimal path selection method in complex environment with GISDK, and designs and implements optimal path analysis system. The result shows that this system is more practical and effective than former path selection systems.

geographic information system developer’s kit (GISDK); vehicle optimal path; complex environment; road network topology

2016-09-19；

2016-11-14．

尹旭日(1964—)，男，博士，教授．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.05.020

TP391

A

1674-2192(2017)05- 0088- 04

● 基礎科學與技術(shù) Basic Science & Technology