基于空间网络分析的高速公路网一类调查观测站布设技术

刘 浩，陈凤涛

(1.湖北省交通投资集团有限公司，湖北 武汉 430074；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210039)

基于空间网络分析的高速公路网一类调查观测站布设技术

刘 浩1，陈凤涛2

(1.湖北省交通投资集团有限公司，湖北 武汉 430074；2.东南大学 交通学院，江苏 南京 210039)

在数量适度的情况下，合理布设高速公路交通量调查观测站点，使观测数据准确反映路网运行特征是高速公路交通量调查与信息服务体系构建的重要支撑。文中运用GIS空间网络分析技术，结合“两阶段”宏观布设法和OD反推布设法，开发交通量调查观测站布设软件。当缺少历史流量数据时，用“两阶段”宏观布设法以路段累计重要度代替路段流量，并进行累计重要度计算。最后以江苏省高速公路网一类调查观测站布设为例进行验证，结果表明，软件可基本实现科学、高效的高速公路一类调查观测站布设。

空间网络分析；调查观测站；布设技术

公路交通调查自2002年起纳入国家统计制度，已成为公路建设与管理的基础工作之一，合理布设交通量调查观测站是调查数据能够准确反映公路网交通流实时状况的保障。我国现阶段公路交通调查工作具有一定程度的盲目性和随意性，调查站覆盖率不高，代表性不强，难以准确反映路网的运行特征，不能很好地满足公路规划、建设、养护及公众日益增长的出行信息需求。如何在数量适度的情况下，合理布设公路交通量调查观测站点，使观测数据准确反映路网运行特征，是公路交通管理的重要问题之一。

地理信息系统(GIS)的特点之一是具有很强的空间分析能力，并已应用于交通规划、建设与管理方面，形成了具有交通特色的交通地理信息系统(GIS-T)。在对现有高速公路一类调查站布设方法分析研究的基础上，本文运用GIS空间网络分析、统计学等方法，结合交通量调查站点布设相关理论，研究基于GIS技术的高速公路一类调查站布设技术问题。

1 布设方法算法设计

高速公路交通量调查站根据其功能划分为一类调查站和二类调查站，一类调查站以反映路网宏观交通量特征和道路运行特征为主；二类调查站以反映路段微观交通流特征和道路运行状况为主。一类调查站在物理布局上，以“满足指标精度，避免数据冗余”为原则，追求布局规模与布局效果的均衡协调，现多采用“两阶段”宏观布设法和OD反推布设法。

1.1 “两阶段”宏观布设法及其算法设计

“两阶段”宏观布设法的第一阶段进行相对偏差分析，通过分析基本路段上交通量的数值大小与变化规律，找出交通流量数值在一定偏差范围内的相邻路段；第二阶段进行相关系数分析，寻找变化规律类似的路段，当相邻路段交通流数值大小相近和规律趋同时，进行合并，在其上布设调查站，用同一调查站观测数据代表已合并路段的数据。这种布设方法在一定误差范围内，反映路网运行状况，达到交通量调查站布设规模和效率的最优平衡状态，减少不必要的成本投入。

对于联网收费的高速公路，可以通过收费站点间的车辆OD数据获得基本路段历年来的交通量数据。在交通量数据无法获取的情况下，可以参考公路网规划中的总量控制法[1]，采用路段累计重要度替换路段交通量。总量控制法主要思路是：依据社会生产力分布，确定路线节点(经济节点)，通过人口和GDP等经济社会统计数据确定节点的重要度，运用重力模型计算各经济节点间的重要度吸引量，再通过网络分析确定路段的累计重要度。具体算法流程如图1所示。

图1 “两阶段”布设算法

1.2 OD反推布设法及其算法设计

OD反推布设法从最大可能相对误差即OD估计矩阵与真实矩阵之间的最大可能偏差[2]出发，首先确定布设的基本原则，即OD覆盖、单一OD对最大流量、最大截断流量以及路段独立原则，然后根据OD反推布设的基本原则确定数学模型，通过模型求解进行调查站点的布设。OD反推布设法可在相对精度得到保证的情况下，使资源消耗尽可能少。

OD反推布设法通过道路空间网络分析，得到各OD对之间的有效出行路径，以OD覆盖和观测路段独立作为约束条件，以最大流截断作为目标函数，建立数学模型，采用逐步布点方法对模型进行求解。其算法思想是：首先将所有的OD点对按照出行选择比分配到路网上，当出行选择无法确定时，可以按照一定的分配算法分配，例如最短路径一次加载分配。找出交通量最多的路段，设置观测点。然后，移除所有经过该观测点的路径流量，找出路网中交通量次多的路段并设点，如此反复，直到所有的路径流量均被移除为止。此法既能保证观测点能观测到所有净交通流量，又能保证所设的观测点数量最少。算法流程如图2所示。

图2 OD反推布设算法

在OD反推布设法中，可以预设一定的调查站点数量为完成条件；也可以设置流量比例作为控制条件，例如将判断条件改为已经移除的流量达到原来所有流量的85%。

2 软件开发

位于特定地理空间中的交通系统决定了可将GIS技术应用到这一领域，本文基于ArcGIS Engine，在Visual Studio 2010开发环境中，采用C#语言，开发了高速公路网一类调查观测站布设软件，该软件综合了“两阶段”宏观布设法和OD反推布设法，可对高速公路网、收费站点等几何数据进行管理，建立拓扑关系和进行交通流量分配，以专题图形式表示布设结果。

2.1 软件体系结构

软件结构如图3所示，采用三层结构，包括数据层、业务逻辑层和表现层。

图3 软件结构

2.2 软件功能模块设计

如图4所示，软件主要包括数据管理模块、“两阶段”宏观布设模块、OD反推布设模块和数据可视化模块。

图4 软件功能模块

3 江苏省高速公路网一类调查观测站布设实践

本文运用2010年至2014年《江苏省统计年鉴》数据、2014年收费站车辆OD数据、2014年高速公路几何数据以及2014年收费站点几何数据，通过所开发软件进行布设实践。

3.1 “两阶段”宏观布设法布设实践

1)经济节点选择和路网拓扑关系建立。高速公路直接覆盖区域为高速公路两侧30 min内可达区域[3]。按平均行驶车速40 km/h计，直接覆盖区域为高速公路两侧20 km，以此范围内的县级以上经济节点作为分析对象。在建立路网拓扑关系时，将经济节点抽象为质点并与邻近出入口关联。本文采用传统的节点，弧段模型进行高速公路网络构建，路网中心线作为弧段，以中心线交叉点以及收费站点作为节点构建拓扑网络。已建2014年江苏省高速公路网络包含463个节点和506个高速公路中心线弧段。

2)节点重要度的确定。根据江苏省2010—2014年《统计年鉴》中人口、GDP、公共财政预算收入、出口总额、社会消费品零售总额和城镇固定资产投资总额的指标数值[4-5]，利用SPSS统计分析软件中的主成分分析法，得到各评价指标的权重，根据节点重要度计算模型得出各节点重要度。

3)布设结果。当相对偏差分析取u限=0.15，相对系数分析取ρ限=0.85[6]时，“两阶段”宏观法布设112个观测点，具体布设位置如图5所示。

3.2 OD反推布设法布设实践

拓扑网络建立与“两阶段”宏观布设法一致，通过2014年收费站车辆OD数据获得OD对间的交通量，按照最短路分配得到网络流量数据，逐步布点。布点个数与可观测到的网络净流量关系如图6所示，当各路径流量均为零时，布设91个观测点，布设点位如图5所示。

图5 布设位置

图6 布点个数与可观测到的网络净流量关系

3.3 布设结果分析

1)OD反推法布设结果分析。由图6可知，可观测到的网络净流量百分比随着观测点个数增加而增加，且增加的幅度越来越小。当布设观测站点个数为32时，可观测到90%的网络净流量，因此在布设条件有限的情况下，可以优先布设这32个观测点。同时由于OD反推布设法得到的布设点位由OD对间的流量控制，在流量分布不均匀的网络中，求解得到的优先布设点位分布不均匀，如图5所示，优先布设的32个观测点主要集中于江苏南部经济发达区域，因此在最终确定布设点位时还应考虑观测站点分布的均衡性，并结合网络本身特点对布设点位进行调整。

2)两种方法布设结果对比。如图7所示，三角形代表OD反推布设法布设站点，方框代表的“两阶段”宏观布设法布设站点。在图7(a)中，为了观测到灌云县—响水县、响水县—滨海县、滨海县—射阳县之间的流量，满足OD覆盖原则，OD反推布设法在这几处都设置了观测站点；但这几处的流量值偏差较小，故“两阶段”宏观布设法只在灌云县—响水县之间设置了观测站点。在图7(b)中，环形交叉的各个邻接路段的流量值之间的偏差较大，“两阶段”宏观布设法在环形交叉的三个邻接路段都设置观测站点。但是邻接路段之间的流量存在相关关系，即某个路段可以由其他路段推出，OD反推布设法为满足路段独立性原则，因此不会在每个邻接路段都设置观测站点。

“两阶段”宏观布设法是基于数据计算得出布设结果，布设调查站点的路段可以代表交通量变化规律类似且交通量数值偏差较小的路段，但有些路段之间的交通量存在一定的相关性，即可能出现三条邻接路段上的交通量存在V1+V2=V3的情况，而三个路段按照“两阶段”宏观布设法需分别设置调查观测站点，存在一定数据冗余。OD反推布设法可以通过满足路段独立性原则避免“两阶段”宏观布设结果中的数据冗余。

图7 两种方法差异比较图

OD反推布设法中模型的求解过程必然会受到OD点划分粒度大小的影响。以观测流量为算法结束条件，粒度越小，布设站点的数量越多。当出现有些OD点间的流量较小，OD点间路段的流量变化不大时，为满足OD覆盖原则，依然需要布设站点，存在一定的数据冗余。而“两阶段”宏观布设法则，通过合并变化规律避免OD反推布设法为满足OD覆盖造成数据冗余。

在具体应用中，可将“两阶段”宏观布设法与OD反推布设法相结合，OD反推布设法作为“两阶段”宏观布设法的补充，同时“两阶段”宏观布设法对OD反推布设法进行限制，使选择的观测点位不仅能够截取网络中较大的路径流量，而且保证观测点位选在能够代表周边路段交通流特性的路段上。

结合两种布设方法，当布设经费和相关资源有限或者不能一次性同时布设所有站点时，可按如下顺序进行交通调查站点的布设：

1)优先布设OD反推法有序解中排序靠前的点，以较少的观测点尽可能多的获得网络净交通量。结合路网特点，考虑布设的均衡性，适当进行调整。

2)其次布设两种方法求解结果中共同点，OD反推布设法避免了“两阶段”宏观布设法由于未满足路段独立性造成的数据冗余，“两阶段”宏观布设法避免了OD反推法为了满足OD覆盖原则而造成的数据冗余。

3)结合《国家高速公路网交通量调查观测站点布局规划》布设方法指导思想中的定性部分，对两种方法求解结果中不一样的部分，做适当调整和补充。

4 结束语

本文运用GIS空间网络分析技术，并结合“两阶段”宏观布设法和OD反推布设法，开发了高速公路网一类观测站的布设软件。“两阶段”宏观布设法中，在缺少历史流量数据的情况下，采用路段累计重要度替换路段交通量，并实现累计重要度的计算。以江苏省高速公路网一类观测站布设为例，分析了“两阶段”宏观布设法和OD反推布设法的优缺点，提出了两种方法相结合的省域高速公路网一类观测站布设思路。布设结果满足宏观上的数据调查要求，基本达到了科学、高效地完成省域高速公路网一类观测站点的布设的要求。

[1] 李淑庆.高速公路交通量观测站布设方法研究[J].交通标准化,2008(6)：93-96.

[2] 杨琪,王炜.用于OD反推的路段交通量观测点设置研究[J].中国公路学报,1999(5):81-87.

[3] 李绍鹏.高速公路网交通量调查观测站点布局规划[D].重庆：重庆交通大学,2008.

[4] 周伟,姚志刚，王元庆，等.基于节点重要度的公路运输站场建设序列[J].长安大学学报,2006(2)：334.

[5] 贾俊红，包丽华，朱继新，等.重要度分析法在区域公路网布局优化中的应用[J].东北公路,2001(2)：68-70.

[6] 刘继伟.省域高速公路网交通调查观测站点布局规划研究与应用[D].西安：长安大学,2011.

[7] 李晓红.兰州地区公路网交通量观测点布设研究[J].甘肃科技,2004,2(8):8-10.

[8] 孙海浩,林航飞,陈小鸿.地区公路网交通量观测点布设研究[J].广东公路交通,2004(l):59-63.

[9] 胡秀全.关于公路交通量观测点布设问题的研究[J].公路交通技术,2005(4):166-168.

[责任编辑：李铭娜]

Layout technique on the expressway class I traffic survey observation station of expressway based on spatial network analysis

LIU Hao1, CHEN Fengtao2

(1.Hubei Provincial Communications Investment Group Co.,Ltd, Wuhan 430074，China; 2.School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210039, China)

In the case of moderate quantity, the reasonable layout of traffic survey observation station of expressway can make the observation accurately reflect the characteristic of road network, which is an important support to the construction of the national expressway traffic survey and information service system. With GIS spatial network analysis, combined with the “two-stage” layout method and the layout method based on OD backstepping, this paper develops the software about layout of traffic survey observation station. When the historical traffic flow data lack, the “two-stage” layout method uses the importance of the road section in place of the traffic flow of road, and completes the calculation of the road cumulative importance. Finally this paper takes the class I observation station layout of expressway network in Jiangsu Province as an example to verify the software. The result shows that the software can basically realize the scientific and efficient layout.

spatial network analysis; survey observation station; layout technique

2017-02-13

刘 浩(1963-)，男，高级工程师.

陈凤涛(1992-)，男，硕士研究生.

著录：刘浩，陈凤涛.基于空间网络分析的高速公路网一类调查观测站布设技术[J].测绘工程，2017，26(8)：45-49.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.010

U491

A

1006-7949(2017)08-0045-05