GIS在公路几何线形评价中的应用探讨

2016-06-12张耀允王诗青

工程与建设 2016年1期

关键词：线形路线半径

张耀允，　戴　玮，　王诗青

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥　230088)

GIS在公路几何线形评价中的应用探讨

张耀允，戴玮，王诗青

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)

摘要：文章分析了当前公路项目安全性评价中运行速度计算和线形评价的不足，探讨利用GIS进行运行速度预测计算的技术路线，从而提高公路线形的评价的科学性。最后利用实际的项目数据，基于GIS进行运行速度的计算单元确定、建模、计算、分析与结果输出，讨论将GIS作为公路项目安全性评价的基本手段的可行性。

关键词：运行速度；地理信息科学(GIS)；公路路线

0引言

公路项目的安全性评价从行车安全性的角度对公路项目的可行性研究、设计成果及运营公路进行评价，达到减少交通事故及降低交通事故危害的目的。随着我国新建公路和运营公路的快速增长，对公路的安全性评价的需求越来越迫切。公路安全性评价的主要内容包括总体、路线、路基路面、桥梁、隧道、路线交叉和交通工程及沿线设施。其中，运行速度计算是评价的基础工作，路线评价又分为几何线型(平纵、坡度、线形组合)、视距分析及横断面等。公路运行速度计算作为首要面临的问题，本文提出较多运行速度预测的数学模型，论证不同自然条件、不同铺装材料和不同车辆对运行速度的影响[1-5]。但是目前主流模型是基于路线几何特征的预测计算，得出运行速度V85。目前，在运行速度V85计算中，使用表格计算和展示，难以对结果进行总体校审与宏观评价，缺乏进行后续空间分析应用拓宽的条件。

GIS(地理信息科学)具有良好的空间展示、信息处理、空间分析及地学统计等特点，在公路路线评价中，可以实现图形属性合一，结合二次开发编程，极大方便了公路路线运行速度，以及后续的平纵曲线半径、缓和曲线和直线长度、视距计算等工作[6-7]。本文以GIS技术在公路运行速度预测为主要切入点，对线形评价的流程、方法、关键点进行探讨。

1公路运行速度计算

以GIS为基础平台，将路线图形信息和属性信息、速度计算模型中的各类影响因子综合，使用脚本语言编写速度预测模型的程序，然后计算得出空间分布的运行速度结果，对结果进行分析与输出。

1.1路线计算单元确定

路线设计成果主要分为平面设计成果和纵断面设计成果。平面线中包含直线、圆曲线和缓和曲线、纵面包含竖曲线和直线。总体原则是依据速度预测模型的需求，将平面线和纵面线各自进行单元划分，然后再将两者取交集，修改整理后形成最终的路线计算单元。

1.2数据格式转换

将路线设计的CAD数据转换为GIS数据的过程中，会出现图形精度的变化，如CAD中的圆弧(Arc)类型变为线串类型，造成精度丢失；图形拓扑结构和类型的变化，如应当相交或相切的图形，实际上并不满足条件。

1.3整理图元属性

将图元与计算因子及其他属性挂接，主要方式分为外键连接和空间连接。由于数据库是GIS的特征之一，因此，通过某个外键，可以实现SQL左连接、右连接和内连接等属性连接。通过空间连接，可以实现其他空间数据与路线计算单元相挂接。

此外，利用SQL实现数据查询与统计，实现各种需求的查询、筛选和统计。数据库存储形式的原始数据和结果数据，有利于统一管理和交付使用。同时数据库的应用，还方便了历史案例对比和分析，建立数据档案。

1.4建模计算

GIS优异的二次开发支持是其一大特点，主流GIS平台都支持脚本程序或者独立程序的编写。工程人员只需要将速度预测模型利用VB、Python、C/C++、C#等编程语言进行编码实现即可。二次开发时，可以直接调用GIS相关的API，进行必要的预处(如建立空间索引)，提高计算效率。

1.5运行速度计算

调用编写的程序模块，读入计算单元，输入初始速度、车辆加速度等设定值，循环执行得出各单元的运行速度结果。

2公路线形计算

公路线性计算主要包括平曲线半径、缓和曲线、最短直线段长度、视距计算及上下坡修正、坡度、坡长、竖曲线半径、横断面、超高和平纵组合，这些都需要单元运行速度作为计算参数。

2.1问题定位与分析

依据计算速度，结合该公路的设计速度等，进行分级渲染和空间查询。针对线形的各类计算结果，快速定位问题区段。对于问题区段进行缓冲区分析，叠加其他数据，计算影响范围内的匝道口、路政管理处、清障点等兴趣点。

2.2成果输出

输出相关速度数值表、分级渲染图、超速或低速缓冲区图、危险区段点状图、速度曲线图、结果叠加图等多种形式的成果。

3应用案例

交通部于2004年发布了推荐性行业标准[8]，初步提出针对我国高速公路和一级公路安全性评价的内容、方法和标准，本文以该标准中的运行速度模型为例进行论述。选用ArcGIS作为GIS平台进行分析计算，路线设计成果为AutoCAD的dwg格式。该条公路为中国西部某省山区二级公路，设计速度为80 km/h。计算中,小客车初始驶入速度设定为95 km/h，大货车初始驶入速度设定为65 km/h。

按照文献[8]中的运行速度预测模型，依据曲线半径和纵坡大小，将计算单元类型划分为直线段、纵坡段、平曲线段、弯坡组合段和短直线段。具体标准如下：

(1) 直线段：纵坡坡度小于3%的直线段和半径大于1 000 m的大半径曲线段。

(2) 纵坡段：纵坡大于3%、坡长大于300 m。

(3) 平曲线段：半径小于1 000 m，纵坡坡度小于3%的曲线段。

(4) 弯坡组合段：半径小于1 000 m，纵坡坡度大于3%的弯坡段。

(5) 短直线段：位于2个小半径曲线之间，长度小于200 m的直线段。

在数据处理中，首先在AutoCAD中将平面线和纵断面的基本单元划分完毕，然后加载到ArcGIS中，导出为矢量文件。

整理图元属性，对属性字段(桩号、半径、单元程度、坡度等)进行补充与完善，结果如图1所示。

速度计算依据前一段计算单元的输出速度作为驶入速度，参考文献[8]，使用不同的公式进行计算，结果如图2所示。

对于公路线形计算，将运行速度作为参数，带入给定的公式[8]，计算得到停车视距、视距对应的平曲线最小半径及超高横坡等参数，结果如图3所示。

图1　最终计算单元的属性

图2　运行速度计算结果

图3　运行速度计算结果

运行速度和线形计算完成后，结合叠加分析、缓冲区分析及网络分析等空间分析手段，对结果数据进行深入分析。同时可以与后期的道路运维数据叠加分析，探求各种相关因素的影响，为科学规划提供可靠依据。小客车运行速度分布曲线与折线，如图4所示。

图4　小客车运行速度分布与折线图

4结束语

GIS作为公路项目安全性评价的基础平台，可以提高公路项目安全性评价的直观性、总体性和成果的可用性，带来工作思路、评价理念、实现方式和输出结果各个环节的改变[9]。

本文以安全性评价中首要的速度预测为切入点，初步探讨了基于GIS进行运行速度计算以及线形评价的相关流程。基于GIS的公路项目安全性评价，目前虽然具备技术上的条件，但是没有一个通用的软件平台作为支撑，导致安全性评价在实际中基本是计算电子表格和编写文字，缺乏真正宏观、微观一致的评价体系。因此，继续开发和完善基于GIS的公路安全性软件[10]迫在眉睫。

〔参考文献〕

[1] 张静芬.高速公路复杂地形环境风数值模拟及行车安全研究[D].南京：东南大学，2009.

[2]杨杰.基于熵值原理的高速公路线形安全评估方法[D].西安：长安大学，2014.

[3]宋涛,张永生，郭彩香.山区公路平曲线运行速度预测模型研究[J].交通运输工程与信息学报,2007,5(1):118-123.

[4]许金良,叶亚丽,苏英平，等.双车道二级公路纵坡段车辆运行速度预测模型[J].中国公路学报，2008，21(6):31-36.

[5]Misaghip N. Modeling Operating speed and speed differential on two lane rural roads[J]. Journal of Transportation Engineering,2005(6):408-416.

[6]刘丹.基于GIS的道路交通安全评价与预测方法研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[7]廖军洪,刘德福，邵春福.基于GIS的公路交通安全评价技术研究[J].公路交通科技， 2011(8)：125-130.

[8]JTG/T B05-2004,公路项目安全性评价指南[S].

[9]唐琤琤，张铁军.道路交通安全评价[M].北京：人民交通出版社，2008.

[10]秦利燕,邵春福.基于GIS的道路安全管理系统的研究[J].中国安全科学学报，2004，14(2):34-36.

收稿日期：2015-12-21；修改日期：2016-01-13