开源数据视角下的路网规划研究

摘要 文章研究旨在利用开源数据来改善路网规划的效果和性能。通过收集相关的地理空间数据，建立一种综合的路网规划模型。该模型考虑了交通流量、道路容量、环境影响因素等多个方面，采用线性规划算法进行求解。研究结果显示，采用开源数据方法进行路网规划可以实现更高的道路容量利用率。经过实验评估，发现道路容量利用率均保持在95%以上，平均通行时间仅为15 min，远低于其他方法超过60 min的较长通行时间，进一步验证了开源数据方法在优化交通流动性方面的效果和优越性。

关键词 开源数据；路网规划；数据采集；容量利用率

中图分类号 U412.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0047-03

0 引言

从传统的规划和设计到现在基于数据驱动的决策，开源数据在路网规划中扮演着越来越重要的角色。随着智能交通系统和地理信息系统的飞速发展，越来越多的路网数据成为开放获取的信息资源。这些包括实时交通流量、路面状况、车辆轨迹等一系列数据，它们为路网规划与优化提供了丰富的信息基础。同时，开源数据的使用也符合信息透明、共享共赢的大方向，与社会发展的要求相契合。

近年来，学者们对路网规划进行了广泛研究。例如，王砾等^[1]提出了一种基于雾计算的路网—野区路径规划方法，它通过下沉计算和决策功能至路网设备，实现了实时路径规划和优化。该方法具有实时性和分布式决策的优点，但也存在设备资源限制和数据更新延迟的缺点。李才能等^[2]提出了一种基于空间句法的城镇路网规划方法，它通过分析城镇路网的空间句法关系来生成合理的规划方案。该方法考虑了语义信息和空间约束，然而，计算复杂性和数据准确性是其面临的挑战。综合而言，这些研究方法为改进路网规划提供了有价值的思路和方法，但在实际应用中需根据实际情况权衡各自的优势和限制，以实现更高效、可持续和优化的交通系统。

为了解决上述方法中存在的问题，该文提出开源数据视角下的路网规划研究。

1 开源数据在路网规划中的应用

1.1 开源交通数据的特点

开源交通数据具有以下几个显著特点：首先，开源交通数据具有开放性和透明度，这意味着它们是公开获取和使用的，任何人都可以获取并利用这些数据进行研究和分析。其次，开源交通数据具有实时性和全面性，涵盖了交通流量、速度、车辆轨迹等多方面信息，且能够提供最新的、实时的数据，帮助研究人员更加全面地了解交通状况。此外，开源交通数据具有丰富性和多样性，包括不同类型的交通方式（如汽车、公交、自行车等）以及不同时间段和地域范围内的数据，为研究人员提供了丰富的研究对象和数据样本。最后，开源交通数据具有共享性和易获取性，这使得研究者可以更加便捷地获取所需的数据，降低了数据获取的门槛，促进了交通领域研究工作的开展和合作^[3]。

1.2 开源地图数据的应用

开源地图数据具有广泛的应用，包括但不限于交通规划、地理信息系统、智能导航、城市规划等领域。开源地图数据在智能导航领域也发挥着重要作用，提供准确的导航信息和实时的交通状态，为驾驶员和行人提供了便利。开源地图数据可以支持城市规划工作，为城市建設、土地利用、区域规划提供空间信息基础，帮助规划者作出科学决策，对促进城市发展、改善交通状况以及提升居民生活质量具有重要意义。

1.3 开源数据对路网规划决策的影响

开源数据的使用降低了数据获取和处理的成本，为规划者节约了大量时间和资源，使得规划决策工作更加高效。开源数据还能够促进规划决策工作的透明度和公正性，使更多的利益相关者参与到规划过程中，确保决策的公开和民主。开源数据还为规划决策带来更大的创新空间，促进跨领域、跨部门的合作，为规划决策注入更多元化的思路和方法。最重要的是，开源数据的应用还可以体现政府部门的责任和公共服务意识，为城市发展和居民福祉着想，从而推动规划决策朝着更加符合社会需求的方向发展。

2 基于开源数据的路网规划方法

2.1 开源数据采集

随着数字化时代的到来，越来越多的城市和地区开始提供自己的地理信息数据，这给道路规划提供了丰富的数据资源。开源数据采集是获取这些开源数据的过程，在进行道路规划时，可以使用API接口采集开源数据。采集到的数据包括路网结构、道路属性、交通流量、道路停车位分布等，这些数据是进行路网规划所必需的基础信息。具体的API接口参数如表1所示。

通过开源数据的采集和处理，可以为城市道路规划提供更准确、可靠的数据基础，从而推动城市交通的发展和改善。

2.2 开源数据预处理

开源数据预处理是在数据分析和建模之前对原始开源数据进行处理、清洗和转换的过程。这个步骤旨在准备数据，使其适合后续的数据分析和挖掘任务。在开源数据预处理中，具体的步骤包括数据清洗、缺失值处理、异常值检测和处理、数据变换和归一化。在开源数据预处理中，标准化可以将数据缩放到特定范围内，使得不同特征之间具有相似的尺度。标准化公式如式（1）所示：

x'=x?min（x）/max（x）?min（x） （1）

式中，x——原始数据；x'——经过标准化后的数据；min（x）、max（x）——原始数据中的最小值和最大值。通过标准化，可以将数据映射到[0，1]的范围内，使得不同特征的取值范围统一，有利于后续的数据分析和建模。

2.3 开源数据分析及挖掘

开源数据分析及挖掘是利用开源数据进行数据分析、模式识别和信息提取的过程。通过应用统计学、机器学习和数据挖掘等技术，可以从海量数据中发现隐藏的模式、关联关系和趋势，帮助作出决策和预测。

（1）探索性数据分析（Exploratory Data Analysis，EDA）：通过统计图表、描述统计和可视化等手段来探索数据的分布、互相关系和异常情况，以获得对数据集的基本了解。

（2）相关性分析：用来评估不同变量之间的相关性强度或方向。皮尔逊相关系数的计算公式如式（2）：

2.4 实现路网规划

假设需要在一个区域内进行道路网络的规划，目标是使得道路的总长度最小化。可以将该问题建模为一个最小化总长度的优化模型，变量定义：x_ij表示道路连接点i和点j之间是否存在一条道路。如果存在，取值为1；否则，取值为0。这里假设道路是双向的，x_ij=x_ji计算最小化道路的总长度。可以根据道路连接点的坐标和道路是否存在来计算总长度。d（i， j）表示道路连接点i和点j之间的距离（长度）。所以，目标函数可以表示为：

确保每个点有且只有一条出入道路。对于每个点i，有以下约束条件：其中，j表示邻接点。该约束条件意味着从点i出去的道路数目必须等于进入点i的道路数目。对于每对不同的点i和j，如果它们之间存在一条道路，则至少存在一条路径可以从点i到达点j，可通过加入连通性约束来实现。

综上所述，通过建立目标函数和约束条件来建立路网规划模型，然后使用线性规划算法求解该模型，以获得最优的道路网络规划方案。

通过建立线性回归模型，对未知数据进行预测和分类。线性回归模型假设自变量与因变量之间存在线性关系，可以表示为：

y=β₀+β₁×x+ε （4）

式中，y——因变量（要预测/解释的变量）；x——自变量（用来预测/解释因变量的变量）；β₀——截距项，表示当自变量x为0时，因变量y的预测值；β₁——斜率项，表示自变量x每增加一个单位时，因变量y的预测值的变化量ε是误差项，表示模型不能完全解释的因变量的部分。

线性回归的目标是通过拟合最优的β₀和β₁来使预测值与实际观测值之间的误差最小化。通过最小化残差平方和来求解最优参数。最小二乘估计的公式如式（5）、（6）：

β₀=y_mean?β₁×x_mean（6）

式中，x_i、y_i——第i个样本观测点的自变量和因变量；x_mean、y_mean——所有观测点的自变量和因变量的平均值。

使用最小二乘估计可以得到最优的β₀和β₁，从而建立线性回归模型，并利用该模型进行预测因变量的变化。当进行路网规划时，首先需要收集相关的地理空间数据，并通过地理信息系统分析进行数据处理和拓扑结构建立。然后，根据目标和约束条件，利用数学建模方法构建路网规划模型。接着，应用优化算法求解模型，以获取最优的路网规划方案。在生成方案后，需要进行评估与优化，包括交通流量分析、仿真模拟等，从而不断优化方案。

3 案例论证

3.1 实验准备

为了验证该文方法的可行性，选取某市的交通路网作为研究对象，以道路容量利用率以及平均通行时间作为实验指标，分别使用该文方法、王砾等研究方法、李才能等研究方法对该市的交通路网进行规划，对比规划结果。项目的参数设置如表2所示。

3.2 结果分析

为了进一步验证该文方法的可行性，以道路容量利用率为实验指标，分别使用该文方法、王砾等研究方法、李才能等研究方法对该市的交通路网进行规划，对比规划结果，具体规划结果如图1所示。

分析图1可知，该文所提出的方法在道路容量利用率方面表现优异，均高于95%。与其他两种方法相比，它们的道路容量利用率都低于80%。这意味着该文方法通过有效地规划和管理道路网络，能够更高效地利用现有道路容量。相比之下，其他两种方法可能存在道路拥堵或资源浪费等问题，导致道路容量利用率较低。

为了进一步验证该文方法的适用性，以平均通行时间作为实验指标，分别使用该文方法、王砾等研究方法、李才能等研究方法对该市的交通路网进行规划，对比规划结果具体如表3所示。

分析表3的分析结果，可以发现该文所提出的方法在平均通行时间方面取得了显著的改善效果。平均通行时间仅为15 min，明显低于其他两种方法超过60 min的较长通行时间。这表明该文方法能够有效优化道路网络流动性，减少交通拥堵，提高车辆通行效率。相比之下，其他两种方法可能存在交通阻塞、道路瓶颈或不合理的路径规划等问题，导致了较长平均通行时间的情况。

4 结论

综上所述，该文研究展示了以开源数据视角进行路网规划的重要性和潜力。通过对道路网络进行综合建模与优化算法求解，能够有效改善道路容量利用率，减少通行时间，为提供更便捷高效的出行方式提供了有益的指导。该研究为路网规划领域的进一步研究和实践提供了新的思路和方向。

参考文献

[1]王砾， 岳东峰， 刘严岩， 等. 基于雾计算的路网-野区路径规划研究[J]. 火力与指挥控制， 2021（6）： 121-126.

[2]李才能， 王琳. 基于空間句法的城镇路网规划研究——以灵璧县黄湾镇为例 [J]. 青岛理工大学学报， 2022（2）： 91-96.

[3]卢顺达， 朱闯. 国土空间规划背景下中山市干线路网规划研究[J]. 交通与运输， 2022（S1）： 14-19.

收稿日期：2023-12-12

作者简介：王若愚（1991—），男，本科，工程师，研究方向：综合交通规划。