张耀允，戴　玮

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088）

地理信息技术在公路运行速度协调性分析中的应用

张耀允，戴玮

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088）

分析了当前公路项目运行速度预测缺乏空间支持的不足，探讨利用GIS进行运行速度预测计算的流程和关键点，最后利用实际公路项目数据，基于GIS进行运行速度的计算单元确定、建模、计算、分析与结果输出，讨论了将GIS作为公路项目安全性评价基本手段的可行性。

运行速度；GIS；公路路线

1　引言

公路项目的安全性评价是从行车安全性的角度对公路项目的可行性研究、设计成果及运营公路进行评价，达到减少交通事故，降低交通事故危害的目的。随着我国新建公路和运营公路的快速增长，对公路的安全性评价的需求越来越迫切。公路运行速度V85预测计算是公路安全性评价首先面临的问题，研究者提出了许多运行速度预测的数学模型，论证了不同自然条件、不同铺装材料和不同车辆对运行速度的影响。在实际运用中，这些模型大部分是以电子表格的形式进行计算与分析。即便采用程序计算，输出的结果也是表格，抽象繁琐。主要表现的问题有：

（1）由于缺乏空间图形的支持，表格形式的运行速度不形象直观，难以进行结果的总体校审与宏观评价；

（2）计算中不能充分考虑地理因素的影响；

（3）表格的格式交付，难以直接进行后续空间分析应用拓宽的条件。

目前市场上的公路安全性分析系统主要是纬地软件的HintSF，该软件实现了根据设计平纵的CAD成果自动计算分析线路的运行速度，极大地简化了计算的复杂程度。但是该软件单纯由路线几何条件计算结果，缺乏模型拓展的空间。此外，输出的成果是电子表格，依旧不能直接进行后续空间分析应用。

GIS（地理信息科学）具有良好的空间展示、信息处理、空间分析、地学统计等特点，在公路路线运行速度的预测中，可以实现模型编程、属性处理、图形查询与展示等一系列环节，极大方便了公路路线运行速度的应用。利用几何信息同时，实现各类属性与图形单元的对应，是基于GIS进行路线运行速度分析的特点之一。本文对GIS技术在公路运行速度预测中的流程、方法、关键点进行初步探讨，并以某地公路进行了计算，对提出的相关方法和思路进行验证。

2　基于GIS的公路运行速度计算

以GIS为基础平台，将路线图形信息和属性信息、速度计算模型中的各类影响因子综合，使用脚本语言编写速度预测模型的程序，然后计算得出空间分布的运行速度结果，对结果进行分析与输出。具体的流程如图1：

2.1路线计算单元确定

目前，路线设计主要是使用二、三维CAD分别进行平面设计和纵断面设计，平面线中包含直线、圆曲线和缓和曲线，纵面包含竖曲线和直线。如何将路线设计的平、纵成果转换为可用的GIS数据，是首要问题。总体原则是依据速度预测模型的需求，将平面线和纵面线各自进行单元划分，然后再将两者取交集，修改整理后形成最终的路线计算单元。

2.2计算相关要素

许多速度计算模型中都包含地理气象环境因子、车辆因子和其它因子。地理气象环境因子（如风场、雨雪雾分布、限速区、交通网络等）数据采集或收集以后，一般形成矢量或栅格数据格式，叠加在一起，如图2。这些地理数据可以通过空间连接（join on spatial location）与路线计算单元相挂接。车辆因子（如车辆加速度、制动类型）需要明确不同车型的相关参数，一般是基于统计、测试基础上的经验值。其它因子包括路面材料、路面状况、驾驶员等方面，根据不同的计算模型选取不同的因子。

2.3建模计算

GIS优异的二次开发支持是其一大特点，主流GIS平台都支持脚本程序或者独立应用程序的编写。工程人员只需要将速度预测模型利用VB、Python、C/C++、C#等编程语言进行编码实现即可。

2.4运行速度计算

调用编写的程序模块，读入计算单元，输入初始速度、车辆加速度等设定值，循环执行得出各单元的运行速度结果。

2.5问题定位与分析

依据计算的速度，结合该公路的设计速度等，进行分级渲染和空间查询，快速定位运行速度问题区段。对于问题区段进行缓冲区分析，叠加其它数据，计算影响范围内的匝道口、路政管理处、清障点等兴趣点。

2.6成果输出

利用GIS强大的样式管理器，选择适当的符号样式和图形图表，输出相关速度数值表、分级渲染图、超速或低速缓冲区图、危险区段点状图、速度曲线图、直方图、多维图等多种形式的成果。依据关注点的不同，可以输出关于计算单元的驶入速度、驶出速度、中间速度、运行速度与设计速度差值等等数值的结果图。

3　基于GIS的公路运行速度计算关键点

3.1图元与计算单元的统一

在线型CAD数据转换到GIS数据时，会出现以下问题：

（1）图形类型的变化，如CAD中的圆弧（Arc）类型变为线串类型；

（2）数据精度的变化，转换过程中可能会发生精度的丢失；

（3）平面线和纵面线单元划分，依据不同的计算模型，计算单元和图元之间需要统一，以图元为载体承载计算单元。

3.2二次开发

二次开发时，可以直接调用GIS相关的API进行，需要注意的关键问题是部分高级计算，如矩阵计算、回归分析、神经网络等等，需要自行开发或者加载第三方数学函数。此外，如果速度预测模型较复杂，则需要进行预处（如建立空间索引），提高计算效率。

3.3空间处理与分析

借助GIS的空间处理可以实现基于空间相交、重合、相邻等拓扑关系的空间数据连接；缓冲区分析和叠加分析方便了结果的空间分析。

3.4数据库的支持

利用SQL实现数据查询与统计，实现各种需求的查询，实现数据的有效提取。数据库存储形式的原始数据和结果数据，有利于统一管理和交付使用。同时数据库的应用还方便了历史案例对比和分析，建立数据档案。

4　应用案例

交通部于2004年发布了推荐性行业标准《公路项目安全性评价指南》（下称《指南》），初步提出了针对我国高速公路和一级公路安全性评价的内容、方法和标准，本案例以该标准中的运行速度模型为例进行论述。本案例选用ArcGIS作为GIS平台进行分析计算，路线设计成果为AutoCAD的dwg格式。该条公路为中国西部某省山区二级公路，设计速度80km/h。计算中小客车初始驶入速度设定为95km/h，大货车初始驶入速度设定为65km/h。

4.1计算单元划分

按照《指南》中的运行速度预测模型，依据曲线半径和纵坡大小，将计算单元类型划分为：直线段、纵坡段、平曲线段、弯坡组合段和短直线段。具体标准如表1：

表1　计算单元划分

在数据处理中，首先，将平面线按照平面形状打断成直线和曲线两部分，缓和曲线部分属于曲线计算单元，形成平面图层P；然后，将平面线以变坡点为界打断成各个坡度单元，然后赋予坡度字段以对应数值，形成纵坡分布图层Z；图层P与图层Z做空间运算，得到包含平纵信息的各个计算单元，最后对属性字段（桩号、半径、单元程度、坡度等）进行补充与完善，结果如图3：

速度计算模型程序实现中，速度计算依据前一段计算单元的输出速度作为驶入速度，参考《指南》附录B使用不同的公式进行计算。

4.2结果渲染

依据绝对驶出速度值，分级设计结果和运行速度V85曲线如图5；在设计速度与运行速度的协调性分析中，运行速度与设计速度差值（《指南》中的V85-V设）大于20km/h的路段分布如图6，差值直方分布如图7；在运行速度协调性分析中，相邻路段的运行速度之差绝对值＞20km/h、10～20km/h、＜10km/h的分级如图8。

运行速度计算完成后，结合叠加分析、缓冲区分析、网络分析等空间分析手段，对平曲线半径、结果数据进行深入的分析。同时可以与后期的道路运维数据叠加分析，探求各种相关因素的影响，为科学规划提供可靠依据。

5　结论

随着公路项目安全性评价重要性的凸显，对大中型公路项目进行安全性评价的需求越来越多。使用GIS进行公路运行速度预测分析以及安全性评价，可以提高公路项目安全性评价的科学性和可用性，带来工作思路、评价理念、实现方式和输出结果各个环节的改变。本文以安全性评价中首要的速度预测为切入点，初步探讨了基于GIS进行运行速度计算的相关流程与方式，替代了原有的电子表格计算结果形式。提交的成果不但包括各类图表，还可以提供空间数据，方便更深层次的空间分析。

结合地理信息二次开发，基于GIS的公路项目安全性评价尚有很多需要研究的空间。如何在二三维GIS系统下，进行深度的速度预测、动静态视距分析、行车模拟、构筑物分析等等，最后开发出适用于不同公路项目安全性评价的工具和软件，是利用GIS进行公路安全性评价中需要继续深入研究的问题。

［1］ 廖军洪，刘德福，等.基于GIS的公路交通安全评价技术研究［J］.公路交通科技，2011（8）.

［2］ 中华人民共和国交通部.JTG/T B05-2004公路项目安全性评价指南［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 刘丹.基于GIS的道路交通安全评价与预测方法研究［D］.北京：北京交通大学，2012.

［4］ 张静芬.高速公路复杂地形环境风数值模拟及行车安全研究［D］.南京：东南大学，2009.

The Application of GIS in Analysing Consistency of Operating Speed

ZHANG Yao-yun，Dai wei
（Anhui Transport Consulting&Design Institute Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

The lack of spatial support for the current highway project operation speed prediction is analyzed. Then the process and key points in the calculation of operating speed on GIS platform are discussed.Finally，based on the actual road project data，the GIS is used to determine，model，calculate，analyze and result output.The feasibility of the GIS as the basic means of highway project safety evaluation is discussed.

Operating speed；GIS；Highway route

U495

B

1673-6052（2016）03-0077-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.023