城市复杂道路网络T－GIS 数据模型

孙伟伟，刘 春，2，林航飞，谢思铭

（1.同济大学 测量与国土信息工程系，上海200092；2.现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室，上海200092；3.同济大学 交通工程系，上海201804）

城市道路网络的复杂性不仅表现为包含非常细致复杂的交通要素，如路段、道路交叉口及交通设施等，而且具有复杂的拓扑结构和动力学特征，如交叉口不停地产生和转移流量、交通阻塞的形成与传播及消散等具有复杂的动态特性[1].更重要的是，网络拓扑对道路网络上的流量分布及其他动力学过程具有巨大影响，尤其网络规模及拓扑结构是交通拥堵的重要原因.T－GIS（transportation－geographic information system）基于传统GIS技术，能够表达城市道路网络中各类信息及拓扑关系并处理网络实体的时空变化信息.T－GIS数据模型最初采用线性参考体系和动态分段技术表达道路要素，如文献[2]的NCHRP线性参考模型、文献[3]的Dueker和Buter的Enterprise T－GIS数据模型等.在导航应用基础上，文献[4]提出导航T－GIS数据模型，文献[5]提出基于车道的城市道路网络T－GIS数据模型.近年来，随着时态GIS概念引入交通领域，文献[6]通过添加交通特征的时空描述提出面向交通管理的时空T－GIS数据模型，文献[7]基于面向对象方法和统一建模语言模型，提出满足城市交通事故管理的T－GIS数据模型，文献[8]基于面向对象的方法提出多尺度多模式的T－GIS数据模型.当前城市道路网络T－GIS数据模型的对比如表1.由表1可见，虽然城市道路网络T－GIS数据模型已有一些研究成果，但存在两大问题：①只针对单一特定功能，不能满足城市复杂道路网络的多功能需求，如路网结构完善及流量分析研究等；②交通要素描述不细致，不能满足复杂交通要素的建模需求，如交通信号灯配时等.

表1 城市道路网络T－GIS模型对比Tab.1 Comparison of urban road network T－GIS data model

因此，本文从研究城市道路网络复杂性出发，引入复杂网络理论，根据城市道路网络复杂特性对城市道路T－GIS数据要求，采用面向对象的建模方法，在实体描述和数据逻辑关系表达2个方面构建城市复杂道路网络T－GIS数据模型，为交通规划和管理部门提供科学理论指导.

1 城市道路网络复杂性与T－GIS数据模型

大量的真实网络不同于规则网络或随机网络却具有统计特征称为复杂网络[9].城市道路网络复杂性的大量研究表明，城市道路是一个复杂的网络结合体，是多重交通功能的承载体，是混合型的复杂网络[10].城市道路抽象为复杂网络有2种方法：原始法和对偶法[11].对偶法将道路视为网络节点、交叉口视为网络的边.而原始法基于GIS理念，拓扑表达简单直接，将交叉口视为网络节点、路段视为连接边，通过实际距离进行网络拓扑分析.因此，通常利用原始法将城市交通网络抽象为复杂网络，并利用TGIS数据模型进行描述.

城市道路网络还具有不同于抽象网络的空间拓扑性质，如节点具有明确地理空间位置；边是实体连接，具有明确意义；节点连接需要一定成本；节点连接边的数目受物理空间的限制等[12].城市道路网络的复杂特性，首先要求T－GIS数据模型细致表达网络实体对象及空间信息，并描述网络内部复杂拓扑关系；其次，能够提供完备的城市交通动力学研究数据，包括道路流量、车速和道路等级等，以分析网络结构对道路网络流量、费用及阻塞的影响，进而为缓解交通拥堵和完善道路网络结构等提供有效的交通控制服务.

2 城市复杂道路网络综合描述

城市道路包括路段和节点两大实体要素.道路在T－GIS模型中有描述和计算两大作用.

2.1 节点描述

节点是道路中断的分界点，由3种方式产生：①道路交叉口；②道路起始和终止点；③交通小区出入口点.现实道路（图1a）与其他道路相交，D为交叉口节点，A，B为起始和终止节点（图1b），C1和C2为交通小区出入口节点.节点具有表达和计算双重作用，其描述采用3个层次（表2），数据层（level－0）、抽象层（level－1）和综合层（level－2）.数据层描述节点图形信息；抽象层存储交叉口节点；综合层描述抽象层中交叉口的转向、渠化和信号配时信息，常规的T－GIS节点描述没有该层.

（1）交叉口转向。交叉口转向描述车辆的转向规则，与路径诱导、交通流量分配等研究密切相关.交叉口转向通过“起始节点－交叉口节点－终止节点”描述，分为左转、直行、右转和掉头4种.图2中，节点D－A－E为左转，节点D－A－B为直行，D－A－C为右转，D－A－D为掉头.

（2）交叉口渠化和信号配时。交叉口渠化是微观的转向表达，以车道为基础描述对象，表达进口车道与出口车道之间的转入、转出关系，对流量统计、转向延误分析等有重要作用.渠化通过起始路段、起始车道、终止车道和终止路段联合表达.图3的交叉口A中，路段L1的车道1右转到L2的1车道，L1的2车道右转到L2的2车道.信号配时指交叉口的信号灯配制方案，其表达与交叉口和车道转向关联，通过渠化及信号配时方案共同表达.

表2 节点信息的分层描述Tab.2 Stratified description of node information

2.2 路段描述

路段是2个节点间的道路，相邻路段间相互独立.路段具有图形表达和计算2种作用，因此描述采用3个层次（表3），车道层（l－0）、数据层（l－1）和合并层（l－2）.车道层描述路段车道类型和编号；数据层存储路段图形；合并层用于路段车速计算及道路统计，而常规T－GIS的没有该层.路段通常采用道路中心线表示，而特殊路段，如桥隧和高架桥、立交和高架路以及匝道等，其表达与常规路段不同.

表3 路段信息的分层描述Tab.3 Stratified description of lin k information

（1）桥隧和高架桥。桥隧和高架桥与其他路段立体相交（图4a），产生的节点不会同时连接上下层道路.采用双线表达，将桥隧或高架桥分为正反方向2个路段，使用各自中心线表达.由于2个节点间仅允许1条路段，所以将桥隧或高架桥打断，各形成2条路段（图4b）.

（2）匝道和高架。高架是相对于地面路的快速路（图5a）.将高架路分为正反方向2个路段，使用各自中心线表达.高架下地面路采用中心线表达，匝道以道路中心线描述（图5b）.

2.3 道路网络数据的属性描述

城市道路网络复杂性要求T－GIS模型提供交通动力学研究的各项数据，以分析道路网络对交通流量及费用和道路阻塞的影响及道路网络的演化特性.城市道路网络各项属性数据依附于节点和路段.

（1）节点属性。常规T－GIS节点属性仅考虑其几何位置或名称，忽略其作为城市复杂道路网络要素的特殊作用.节点既是网络连接点，又是流量产生、转移及交通堵塞的关键部位.节点具有很多属性。由于篇幅有限，仅列出部分属性（表4）。

表4 节点部分属性Tab.4 Part attribute for node

（2）路段属性。路段属性能够完整描述道路实体，又为交通流量分配和路径诱导等研究提供数据，这不同于常规T－GIS模型.路段具有很多属性，如长度和名称、断面形式、通行能力等.由于篇幅有限，表5仅列出部分属性.

表5 路段部分属性Tab.5 Part attribute for link

3 城市复杂道路网络数据逻辑关系

城市道路网络T－GIS模型一方面描述实体要素的图形和属性，另一方面需要准确表达内部复杂逻辑关系，满足城市交通动力学研究及网络演化的计算需求，如图6，其中，PK是网络实体信息表达的主键标识，FK是与其他信息表相关联的字段标识.路段描述分为3层，车道、路段和路段类型.路段和节点为城市道路网络的实体要素，其他信息如交叉口转向和渠化等都与两者密切相关.节点通过节点、交叉口节点、交叉口转向、渠化及信号配时3层联合表达.路段通过起始路段和终止路段编号与节点关联；交叉口节点通过节点编号与节点关联.交叉口渠化、车道和交叉口节点相互关联，共同描述交叉口车道转向；交叉口节点和转向相互关联，共同描述转向规则；信号配时与转向、交叉口节点及信号控制相关，通过信号控制、信号控制关联节点、信号组、信号控制关联车道渠化及交叉口共同描述.通过以上要素复杂逻辑关系全面描述城市道路网络复杂特性.

图6 城市道路网络数据逻辑关系Fig.6 Logical relationship of urban road network data

4 城市复杂道路网络T－GIS模型应用

城市复杂道路网络T－GIS数据模型已成功应用于某城市信息化建设项目中，为交通仿真和路况发布提供标准化数据.

城市复杂道路网络T－GIS数据包含路段和节点及其动力学数据属性，如交叉口延误、路段通行能力等，而且能够表达网络内部复杂的逻辑关系，如交叉口转向、交叉口渠化及信号配时.将T－GIS数据导入智能交通仿真软件VISUM中，实现宏观仿真模型运算（图7）.同时利用交叉口转向、渠化和信号配时数据模拟细部道路的车辆运行及路段拥堵状况，为解决交通拥堵提供支持.另一方面，城市复杂道路网络T－GIS数据表达网络内部的时空拓扑关系，用于实时交通诱导服务.T－GIS数据实时采集出租车全球卫星定位（global positioning system，GPS）信号，利用车速匹配算法估算路段速度，通过地图匹配和 Web GIS技术，实现路况信息的实时发布.在此基础上，通过最短路径计算，获取当前路况下的最佳出行方案，避开拥堵路段，方便市民出行（图8）.

对比现有的城市道路网络T－GIS数据模型，如LRS模型及多时态多模式T－GIS模型等，城市复杂道路网络T－GIS数据模型更符合道路网络内部复杂特性需求，能够更好辅助解决城市交通中的矛盾.

5 结语

现有城市道路网络T－GIS数据模型难以满足复杂交通网络的多功能需求.本文提出基于复杂网络的城市道路网络T－GIS数据模型框架，首先细致描述城市道路网络实体要素，然后给出实体对象的部分属性，最后从数据库的角度详细描述内部的复杂逻辑关系.相比单一功能的T－GIS数据模型，文中所提的T－GIS模型在实践中取得了很好的应用效果，能够协助交通动力学研究及实时交通诱导服务，具有很好的应用推广价值.

致谢：本文工作得到同济大学土木工程学院光华创新团队和杭州市智能交通信息平台（一期）示范工程项目的支持，并感谢杭州市交通研究中心工作人员的协助和建设性意见.

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