动态分段在高速公路养护信息系统中的应用

王崇倡，徐晓昶，王晓婉

（辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新123000）

传统高速公路养护信息系统采用“节点－弧段”几何模型，它是采用二维有序坐标对来描述位置信息，空间数据库的数据结构是将地理要素分层管理，并建立要素间的拓扑关系。如此，弧段仅能与属性表中一条记录相对应，不能表达要素与属性的一对多关系，如不同路段的状况、使用性能、材料均不同，属性变化处须打断弧段，记录便存在大量空值，导致系统数据冗余、更新困难。要素数字化时，指示牌等沿线设施不是精准地落在中心线上，需要通过引入“伪节点”的方式打断弧段，造成沿线设施的位置精度下降。由此戴维·弗莱特率先提出动态分段思想［1］改变这一问题，后在各线性领域中得到广泛应用。

动态分段方法是“节点－弧段”几何模型的改进，将基于二维的中心线模型采用“桩号＋里程值”的线性参考方法表达，可以有效地将二维坐标转换为一维相对坐标，各种养护信息属性表动态显示，满足高速公路宏观尺度的养护管理。高速公路上下行车道和中心绿化带却无法分别表达，不利于上下行养护信息的存储、检索与上下行的病害定位。设计利用动态分段技术基于综合车道的高速公路养护信息系统，将高速公路同向行驶车道集成为一个综合车道并作为基本建模单位［2］。这样既可以保留宏观交通差异、高效细致定位病害位置，又可以充分利用动态分段技术动态显示属性信息的管理养护信息手段。

1 线性参考与动态分段

1．1 线性参考

线性参考系统是统一的一维度量系统，它提供了利用线性要素的一维相对坐标动态描述其上每一点相对位置的方法。其本质是在离散的“节点－弧段”数据结构上建立的一个连续的一维场结构，是动态分段实现的基础［3－4］。当线性要素给予线性参考时，可以将多组属性与此线性要素的某一部分相关联，而与“节点”无关，使得存储一个线性要素的多重属性变为可能。线性参考系统应用于高速公路养护信息系统中的优势明显。融合各类养护数据，提供属性数据脱离高速公路网络的前提基础，将二维坐标（x，y）转化为一维相对坐标（桩号＋里程值），实现相对坐标区间表达多重属性，便于养护数据编辑、更新，属性信息与病害快速定位，同时为动态分段打下基础。

在高速公路养护信息系统中包括高速公路网络、线性参照模型、线性参考方法、养护事件［4］，如图1所示。其中，高速公路网是利用“节点－弧段”模型对现实路的描述；线性参照模型是提供地理位置参照对象的控制点集合；线性参考方法是确定事件在线性网络中发生的位置；养护事件则是系统中要表达的属性位置和信息。

1．2 动态分段

动态分段是基于网络重叠概念发展起来的一种新的线性特征的动态分析、显示和绘图技术，通过一定的映射关系，将动态段对应到数据库，极大地增强线性特征的动态数据处理功能［5－6］。其表现为，在地图上显示线性参考要素与要素属性的过程。动态分段的实现离不开线性参考系统，通过建立的养护属性事件表与底层线性要素使用相同线性参考系统，用一维相对坐标或相对坐标区间来表示单点属性或区间属性。事件表必须包含两个特殊字段，一个是路径编码，即综合车道号或是绿化带号；另一个是里程值，点事件用单点里程值，线事件用起止双点里程值。如此，养护属性数据独立于底层数据，养护信息的可视化显示、查询、更新、编辑与分析便与底层数据脱离，无需重复数字化可以多个属性集的动态显示、分析、查询。点事件表和线事件表如图2所示，动态分段查询图如图3所示。

图2 点事件表和线事件表

在养护信息系统中，只有高速公路网络数据模型具有空间坐标，养护事件表为某种属性的表达，通过动态分段技术可以利用网络数据映射出属性事件的空间位置。可见，动态分段提供了将一维线性属性数据与二维空间位置数据相结合的方法，从而将养护数据库对应的多种属性数据集与一维路径中任何部分相关联，而不必随各个属性集的分段不同来修改对应的二维空间中的坐标数据的目的。

实现平面直角坐标系统与线性参照系统之间的转换，才能实现养护事件与空间位置有关的信息查询，即一维与二维坐标的相互转换。一种是单纯的插值法，算法容易，精度不高；另一种是基于曲线要素的动态分段算法，需要参数较多，但精度较高。鉴于高速公路养护信息系统的性质，基于综合车道无需极高精度定位，选取基于相邻参照点的插值分段模型，由Deuker与Vrana于1992年提出［7］。线性参考坐标转换如图4所示。

图3 动态分段查询图

图4 线性参考坐标转换

其中：XA，XC，XE为已知控制点的坐标；XB，XD为待插值事件点的坐标；r为B点在AC段的相对位置系数。当两个参照点的距离相对较小时，两点之间的线段近似看作直线段，通过线性内插得出事件点的坐标，参照点间的距离越近，插值精度越高。当求解点事件B，D或是线事件CD 时，其过程为：首先在数据库中由事件的里程值找到其所在的控制段AC与CE，后分别计算相对位置系数rB与rC。其次在AC，CE间访问参照点Pi，并计算相对位置系数 Ni＝APi／AC，Mi＝CPi／CE。最后判定 Ni，Mi是否大于rB，rC，如果大于则记录Pi与Pi＋1的坐标，之后内插B，D的坐标，如果不大于则访问Pi＋1点在此进行判定，直到满足条件为止。

2 综合车道模型

高速公路养护信息系统中关于车道模型有两个重要的问题需要结合考虑。一是数据量，一是特征描述的情况。传统建立拓扑网，当车道发生变化时，需添加一个新的节点并且重新建立拓扑。同时，针对高速公路车道间的养护而言，同向车道之间的特征差异性并不大，如若使用还原现实中车道的建模方式，既显得同向间车道拓扑的多余，又需要承受巨量的数据。如此，不但操作繁琐，而又要承担巨大的数据量，使得高速公路养护信息系统操作困难。

Fohl ＆Curtin曾提出了最详实的描述方式将现实中的车道作为建模的基本单元［8］，但是由于现实中各个车道的差异使得自动化生成交通拓扑网十分困难。陆峰提出将同一高速公路上同向且可以随时互相变道的车道进行集成，简化为一个综合车道。综合车道作为系统建模的基本单元，一方面降低数据量的同时还原不同方向车道的差异，另一方面更好地利用动态分段技术保持几何特征的完整性，使用有效统一的路径编码，综合车道号＋里程值的一维定位方式代替二维定位方式，大大提高系统的使用性能。

3 系统需求与结构功能分析

3．1 养护信息同总体需求分析

通过对用户需求与养护建设需求的分析、养护机构的业务流程以及与省级交通厅系统数据良好接洽，提出系统总体需求如下；

1）高效的养护数据管理。通过GIS数据库信息化建设，建立详实的养护设施地理空间和属性数据库。对多源养护数据及检测数据进行统一管理，对高速公路及其设施使用统一编码，利用动态分段技术提供高效的数据更新维护，同时实现高速率数据导入、数据对接、查询检索统计、输出报表等。

2）图文并茂的可视化展示。结合GIS强大的可视化与统计功能，对养护业务以图表的方式展示，进行多维度的分析与统计，一目了然地了解高速公路资产分布情况，能够上传病害图片，为养护决策与预算、养护预测提供高效的数据支撑。

3高速公路质量评价功能。根据采集到的PQI（路面使用性能指数）、RQI（路面行驶质量指数）、RDI（路面车辙深度指数）、SRI（路面抗滑性能指数）、PSSI（路面结构强度指数）、PCI（路面损坏状况指数）等高速公路性能参数、年限、地区类型、高速公路等级、裂缝类、松散类、变形类指标动态设置决策树后来确定养护性质（日常养护、大修、中修、预防性养护），为养护决策提供计算养护性质依据。养护决策图如图5所示。

图5 养护决策图

3．2 养护信息系统总体结构

高速公路养护信息系统以地理数据库与养护属性数据库为基础，以养护决策树、预测树设置为核心，为高速公路提供可视化的信息查询显示与病害的决策、预测服务［9］。高速公路养护信息系统以综合车道为基本建模单位，结合动态分段将养护属性以事件表的形式存储于养护属性数据库中。系统由高速公路基本信息系统、高速公路设施信息系统、养护系统、外业数据采集系统、综合辅助决策支持系统、日常应用与管理系统6部分组成，如图6所示。

高速公路基本信息系统由路径基本信息、车道特征、平曲线、纵曲线、纵坡、横断面、路肩、定位控制点、养护范围等组成。高速公路设施信息系统由路基、路面、主要构造物、沿线设施组成。两部分系统构成高速公路信息系统的基础。养护信息系统由养护路段、重点保洁路段、铲除冰雪路段、易塌方路段、养护计划、养护方案、养护预算、养护机构组成，用来存储养护相关数据。外业数据采集系统包括各种设施的病害信息与质量参数的采集与复查，及时提供准确的路况信息。综合辅助决策支持系统包括路面等质量评价、预测模型以及在评价指标基础上建立的决策支持。日常应用与管理系统为养护专业人士提供方便的专业操作，自动化的办公体系。各个部分之间相互联系，构成主体养护系统。

图6 系统结构

3．3 养护信息系统模块功能

根据系统总体需求分析，基于动态分段技术的高速公路养护信息系统分为以下功能模块：

1）地图管理模块。地图管理模块是整个系统的基础框架和操作核心，主要包括：

地图操作。包括地图文档管理、图层操作、地图缩放、地图平移、全图显示、鹰眼功能等。

文件加载。包括GDB、Lyr、DEM、Shp、栅格图等各种类型的文件。

制图输出。根据用户查询及养护业务需求，将查询统计分析的结果制成各种专题地图、图表、报表，并提供打印输出功能。

2）养护数据查询统计与分析模块。系统实行多种查询方式相结合，高速公路各设施图形与属性的双向查询、SQL条件查询、养护事件表属性查询、地图点与多边形查询。

3）日常应用与管理模块。为业内人士的日常养护工作提供一个方便快捷的平台，主要包括：

外业数据收集整理与入库。将自动检测车数据、弯沉检测数据、地面雷达检测数据、桥涵病害图片等进行收集整理后导入数据库。

入库数据校准与纠错。入库后的数据进行检测校准，直到每一份数据都符合规范。

评价分析。高中层管理人员获取权限查看评价分析报告、趋势分析、决策方案。

系统设置。由用户管理、系统参数设置以及数据字典管理部分组成，设置用户权限，更好地为用户使用。

4）动态分段技术模块。依据养护需求建立养护事件表，有效降低数据量，提高系统运行速率，将属性写入事件表中，利用线性参照系统可以使属性数据可视化地显示在地图上，是系统技术的精髓，举例说明见表1。

表1 高速公路养护事件

续表1

5）养护工程资料管理模块。高速公路施工文档、竣工文档（每项工程的文档）以及各种详细的养护记录，包括检测工程细节、养护维修工程细节、施工单位、施工图纸、负责人等，给后续养护工作详细的参考资料。

6）养护决策支持模块。高速公路养护未来的发展方向就是预防性养护，就是根据评价模型与采集到的评价参数在系统中建立决策树模型，提供有效的设施性能评价、养护预测以及为已经出现的病害提供养护决策，给予有效的养护措施［10］。主要评价参数包括：路面使用性能（PQI）、路基状况（SCI）、桥涵建筑物技术状况（BCI）、路面性能（PCI）、路面行驶质量（RQI）、路面车辙深度（RDI）、路面抗滑性能（SRI）、国际平整度（IRI）、破损率（DR）、路面结构强度（PSSI）。结合我国高速公路养护的实际情况与需求，系统中采用公路技术状况评定指南（JTG H20－2007）中的评价方法体系，并支持模型的生成与修改。

4 结束语

本文针对养护信息系统的需求、结构、功能模块与关键技术相结合的方式来阐释系统优势。根据高速公路的线性特征，基于动态分段技术的高速公路养护信息系统与传统的高速公路养护信息系统相比，在数据管理方面有着很大的优势。将综合车道作为建模的基本单元，在利用动态分段技术降低数据量的同时，更好地描述高速公路形态。随着ITS的发展，低数据量、高效检索、预测功能的养护信息系统是未来交通平台的发展方向。

［1］ FLETCHER D．Modeling GIS Transportation Networ ks［A］．URISA Proceedings［C］．Washington D C，1987．

［2］ 陆锋，周成虎，万庆．基于特征的城市交通网络非平面数据模型［J］．测绘学报，2000，29（4）：334－341．

［3］ GUO Bo．A Feature Based Linear Data Model Supported by Temporal Dynamic Segmentation［D］．Kansa：University of Kansa，2001．

［4］ 童小华．GIS－T的理论及其应用研究［D］．上海：同济大学，1999．

［5］ 高小明，唐新明，张春玲．动态分段技术及其在GIS中的应用［J］．测绘通报，2007（10）：54－56．

［6］ 桂智明，晏磊，严明．线性参考系统和动态分段技术在GIS－T中的应用［J］．计算机工程与应用，2003，39（9）：208－209．

［7］ DEUKER K J，VRANA R．Dynamic Seg mentation Re－visited．A Milepoint Linear data mode［J］．URISA Journal，1992，4（2）：92－105．

［8］ FOHL P，CURTIN K M．A Nonplanar，Lane－based Navigable Data Modle for ITS［A］．Kraak MJ，Molenaar M．Proceedings，Seventh Inter national Sy mposiu m on Spatial Data Handling［C］．Delft，August，1996．

［9］ 郭范春．基础地理信息数据库管理系统的研建［J］．测绘工程，2013，22（3）：80－82．

［10］白日华．沥青路面病害检测与养护决策研究［D］．长春：吉林大学，2013．