基于GISDK的复杂环境下车辆最佳路径选择

尹旭日, 徐成达

(蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011)



基于GISDK的复杂环境下车辆最佳路径选择

尹旭日, 徐成达

(蚌埠汽车士官学校 运输勤务系，安徽 蚌埠 233011)

寻找车辆最佳运输路线是军交运输指挥员在组织车辆调度时的一项重要活动，为使所选的最佳运输路线更加贴近部队实际需求，必须考虑多因素对路网的影响。在讨论基于GISDK复杂环境下路网拓扑构建的基础上，提出在GISDK复杂环境下车辆最佳路径选择方法，设计和实现基于GISDK复杂环境下车辆最佳路径分析系统。试用结果表明，该系统比以前的车辆路径选择系统更加实用和高效。

GISDK；车辆最佳路径；复杂环境；路网拓扑

怎样使基于地理信息系统(goegraphic infromation system,GIS)的路网分析应用系统更加贴近部队、更加贴近战场，满足信息化条件下的军交运输决策需求，充分发挥应用系统的运行效率，是当前军交运输信息化建设者们必须考虑的问题。近些年来，基于地理信息系统的最佳路径分析研究成果不断出现。文献[1]提出并实现了基于MapX的损毁路网情况下最佳路线分析方法；文献[2]以ArcGIS软件为地理信息平台，在分析武警部队遂行保障任务中的道路需求影响因素基础上，提出了基于ArcGIS的最优路径选择实现方案；文献[3]设计并实现了交通运输最短路径分析系统,优化了运输资源配置。这些成果在不同的GIS平台上探讨了最佳路径分析策略，但是对运输的实际环境考虑不够细致，没有考虑道路路网中存在单行线或禁止左转等实际问题，也没有考虑恶劣天气事件对道路交通系统的影响。因此，这些方法或系统在实际应用中效率不高。

GISDK(geographic information system developer’s kit，GISDK)作为主流交通规划软件TransCAD提供的宏汇编语言，已在城市公交线网优化、OD数据合成、路网拓扑构建等方面得到较好的应用[4-5]。但是通过掌握的资料来看，没有发现考虑到路网中存在单行线、左(右)转向禁止或天气影响等复杂环境下基于GISDK的公路网拓扑构建与车辆最佳路径选择的相关研究报道。本文讨论了基于GISDK的复杂环境下路网拓扑构建的关键技术，在此基础上，提出和实现了复杂环境下车辆最佳路径选择分析方法。

1 问题分析

公路军事运输任务是在复杂的实际环境中实施和完成的，在实施过程中受到很多因素的影响，例如道路状况、交通流量、交通规则、敌人袭扰和恶劣天气等。鉴于篇幅，本文仅讨论交通规则和恶劣天气对公路军事运输的影响。

1.1 道路交通规则的影响

道路交通规则对公路军事运输，尤其对平时军事运输保障有很大影响。常见的交通规则有速度限制、单行线、禁止掉头或转向等。速度限制包括车辆在某路段上的最高速度或最低速度限制，直接影响车辆在该路段的运行时间；道路单行线只能准许车辆朝一个方向行进；禁止掉头或转向则禁止车辆朝指定方向掉头或转向：后两种交通规则直接影响车辆在路网上的行驶方向与路径。这些道路交通规则对基于路网分析的各种应用将产生直接的影响。因此，在考虑构建各种基于GIS的公路网应用系统时，应该充分考虑道路交通规则对车辆运行的实际影响。

1.2 恶劣天气事件的影响

恶劣天气事件通常是指特定时空下对交通最佳运行不利的大气气象条件，既包括普通频发的雨雪雾天，又包括极端罕见的暴风雪、飓风等。恶劣天气事件对车辆运行速度有很大影响。Chin等[6]的研究表明，不同类型道路在遭遇降雨事件时运行车速降低幅度在10%～25%之间。降雪事件也会降低平均运行车速，其范围在3%～38% 之间。邢恩辉等[7]研究发现，快速路冰雪路面上的平均车速比非冰雪路面降低20%。Salonen等[8]在研究恶劣天气与交通安全的关系时，发现光线明亮度变弱会使运行速度降低5 km/h。平均车速的变化，将导致路段上通行时间的变化，自然会导致路网上任意两点间最短路径的变化，直接影响运输路线的选择。

通常情况下，恶劣天气事件对公路运输影响往往不是全国性，而是区域性的。同时，恶劣天气事件对各个区域的影响也是有差别的。这要求，基于GIS的应用系统应该具备能对不同区域范围内的道路进行区别处理分析的能力。另外，由于恶劣天气事件对公路运输影响也是随时间变化而变化的。今天的天气与明天的天气可能是不一样的，即使是同一天，上午的天气与下午的天气也可能不一样，因此，这也要求基于GIS的应用系统应具有随天气变化而变化的实时分析处理能力。

以往的车辆最佳路径选择方法由于受所用的GIS平台所限，对复杂环境下车辆最佳路径分析存在一定困难，大部分方法简化了对实际应用中各种因素对运输的影响。而GISDK提供了丰富的路网分析函数，利用宏汇编语言，可以非常灵活地分析实际运输中各影响因素对运输的影响，所开发的系统具有开发周期短、运行效率高等特点。因此，采用GISDK环境，分析和实现复杂环境下车辆最佳路径是一种有益的尝试。

2 路网拓扑的构建

路网拓扑结构由若干节点以及节点之间的弧(边)构成，并且这些弧(边)的长度已知。在道路拓扑结构的基础上，可以应用具体算法来进行路网分析，因此，路网拓扑结构构建是关键。正常情况下，读入数字地图后，使用GISDK提供的CreateNetwork()方法创建路网拓扑结构，并以文件形式保存至指定的路径。但是，在考虑到单行线、转向处罚或天气等因素影响下，不能直接使用该方法，在其调用前需要进行一些关键技术分析。

2.1 道路交通规则约束下路网拓扑构建

在考虑单行线约束条件下，此时的路网拓扑可以看成是一个有向图，需要知道路网结构中哪些道路是单行通行以及具体的通行方向。首先，利用GISDK提供的函数SetLinkDirections(string layer_set, string direction)来设定当前内存路网拓扑中layer_set道路集，包含道路的通行方向为direction。其中，Direction的值可以是North、South、East、West或Null。前4个值分别表示方向为北、南、东和西，而当值为null 时，表示该道路为双向通行。然后，利用CreateNetwork()方法创建路网拓扑结构。

禁止转向约束通常有左转限制、右转限制和调头限制等。限制包括禁止和处罚，其中禁止是指绝对不允许车辆通过，而处罚是允许车辆通过，但需要增加车辆通过该路段的成本，例如增加通行时间等。通过Dbase数据库DBF文件格式的处罚文件，保存具体车辆转向限制信息。

首先通过CreateNetwork()方法创建初始路网拓扑；然后使用ChangeNetworkSettings() 方法将处罚文件绑定到该道路拓扑上；最后使用CreateNetwork()方法完成转向处罚条件下路网拓扑结构的最终构建。

2.2 恶劣天气事件影响下路网拓扑构建

恶劣天气事件对路网的影响主要体现在两个方面：一是路网中哪些道路受到了影响；二是天气对道路上车辆通行速度影响程度怎样。通常采用确定受天气影响区域weather_area，继而通过该区域与公路图层的拓扑关系操作确定该区域内道路为受影响的道路。

SetSelectInclusion("Intersecting")// 设置影响区域与公路图层的相交操作，获取影响区域内道路

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

天气对道路上车辆通行速度影响程度通过影响因子w来描述。w值越大，对车辆速度影响越小，反之越大。通过下面公式计算车辆在受天气影响道路的通行时间t。

式中：v为正常情况下车辆在该道路的通行速度；d为道路长度。

在GISDK环境下，通过下面代码实现天气对车辆通行速度的影响。

rh = GetFirstRecord(In_set,)

while rh<>null do

values_array = GetRecordValues(, rh, {"Length"}) //读取道路长度，设置受天气影响导致车辆平均速度下降后的实际通行时间

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

rh = GetNextRecord(In_set, , )

end

列宁在生命垂危之际，以口授的方式留下了《我们怎样改组工农检察院》《宁肯少些，但要好些》《给代表大会的信》等文章和书信。这些文章和书信作为列宁最后的政治交代，构成了列宁的“政治遗嘱”。学者们曾从多种视角对列宁的“政治遗嘱”进行解读，但鲜有从干部队伍建设的角度探讨列宁“政治遗嘱”对领导干部素质提出的要求。实际上，列宁作为俄共（布）的“顶层设计师”，在逝世前对党的领导干部提出了许多要求和期许，其中蕴含的干部队伍建设思想，可以为当前加强党的干部队伍建设提供重要的理论参考。

最后，使用CreateNetwork()方法以文件形式保存公路网受天气影响的道路拓扑结构。

3 复杂环境下车辆最佳路径选择算法

基于上述复杂环境下路网拓扑构建关键技术的讨论，设计了基于GISDK复杂环境下车辆最佳路径选择算法，其步骤如下。

步骤1 导入路网地图。

步骤2 创建4个Selection。单行线：oneway_set；转向处罚：prohibit_from_set和prohibit_to_set；天气影响区域：Influenced_regions。

步骤3 获取基本信息：

(1)在数字地图上指定并显示单行线，将其保存于oneway_set；

(2)在数字地图上指定并显示禁止转向道路，分别保存于prohibit_from_set和prohibit_to_set中，设定其转向处罚值并保存至MyPenalty.dbf文件中；

(3)在数字地图上指定并显示天气影响区域，将其保存于Influenced_regions；设定各个区域的天气影响因子。

步骤4 设置道路参数：

(2)根据prohibit_from_set和prohibit_to_set道路，读入MyPenalty.dbf，在路网中设定该禁止转向道路和转向处罚值；

(3)根据Influenced_region，计算各影响区域内道路；

(4)根据天气影响影子，计算车辆在各区域内道路通行时间。

步骤5 道路拓扑构建。使用CreateNetwork()方法构建并保存道路拓扑结构。

步骤6 车辆最佳路径选择：

(1)使用ReadNetwork()方法读入道路拓扑结构文件；

(2)使用ShortestPath()方法搜索最佳路径；

(3)在地图上显示指定节点间的最佳路径。

步骤7 结束。

4 算法实现

本文以安徽省国、省道数字地图作为路网，开发了基于GISDK复杂环境下车辆最佳路径选择应用系统。其中GIS开发平台为TransCAD 4.5和GISDK语言开发包。为了直观分析，采用运输时间最短为标准的最佳路径分析方法，逐一比较上述复杂环境影响下的路网分析应用结果。实验中，假定正常情况下车辆的运行速度为50 km/h(如图1所示)。

(a) 正常情况下最短路径 (b)单行道情况下最短路径

(c)转向禁止情况下最短路径 (d)恶劣天气影响下最短路径图1 复杂环境下车辆最佳路径选择

正常情形下，路网上节点A至节点B之间的最短运行时间为8.92 h, 最短路径如图1(a)中黑色粗实线所示。

在单行道情况下，路网上节点A至节点B之间的最短运行时间为9.16 h。图1(b)中黑色粗实线所示的为最短路径，黑色带箭头的粗实线代表单行线道路。

在转向禁止情况下，路网上节点A至节点B之间的最短运行时间为9.38 h。图1(c)中黑色粗实线所示的为最短路径，箭头线所指为左转禁止路段。

在恶劣天气影响下，根据天气影响程度，分别设定各城市天气影响因子。例如：黄山市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。不受天气影响的城市，影响因子设为1.0。系统运行显示，车辆在节点A至节点B之间的最短运行时间为11.93 h，推荐的最佳行车路线如图1(d)中黑色粗实线所示，其中阴影区域为天气影响区。

5 结 语

在GIS环境下建立高效又贴近部队实际的应用系统是当前信息化建设的重要任务。本文分析了单行线、禁止转向和天气因素对车辆运输的影响，在此基础上讨论了基于GISDK的复杂环境下路网拓扑的构建，提出并实现了在GISDK复杂环境下路网拓扑构建和车辆最佳路径分析方法。该方法综合考虑到单行线、禁止转向和天气等常见因素对运输的影响，紧贴公路军事运输实际，具有很强的实用性。

[1] YIN X R.Topology analysis for the damaged road network based MapX[J].Advanced Materials Research,2014，1022:321-324.

[2] 王尚顺，陈艺天.基于ArcGIS最优路径选择系统在武警遂行保障任务中的应用研究[J].武警工程大学学报，2013(2): 8-11.

[3] 张晓楠，任志国，曹一冰，等.交通运输最短路径分析系统的设计与实现[J].测绘工程，2014,23(1):25-30.

[4] 王子明，胡郁葱，庞清阁，等.基于GISDK进行公路网区域OD数据合成系统的开发研究[J].内蒙古公路与运输，2010(1): 1-5.

[5] 尹旭日.基于GISDK路网拓扑结构的构建与应用[J].军事交通学院学报，2016，18(8): 90-93.

[6] CHIN S M，FRANZESE O，GREENE D L，et al.Temporary loss of highway capacity and impact on performance:phase 2[R]．Oak Ridge:Oak Ridge National Laboratory,2004.

[7] 邢恩辉，张明强，吴贵福，等.寒地城市快速路冰雪路面交通流特性研究[J]．佳木斯大学学报(自然科学版)，2010，28(2)：232-234.

[8] 孙洪运，杨金顺，李林波，等.恶劣天气事件对道路交通系统影响的研究综述[J].交通信息与安全，2012，30(6):26-32.

(编辑：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

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology