基于道路设计与交通规划的道路选线优化模型

曹羽++李晨熙

摘 要：结合道路设计和相关的交通理论，将地理信息系统作为基本的平台，根据这一系统进行道路选线模型的开发，这一模型的费用主要指向的是优化的问题，而且最小化费用的目标函数主要包括道路交通诱发的环境污染导致的不经济费用、土方工程费和建设费用等，OD交通主要是指路网上的总的行走的时间。优化模型首先就是随机的生成了新建的道路的一种空间位置的候选方案，这一方案需要进行自动设计，主要包括新道路的竖曲线和平曲线，之后就可以重新计算费用。本文使用的是遗传算法进行空闲位置候选方案合理性的判定。

关键词：道路设计；交通规则；道路选线优化模型

选线对于道路设计是极为重要的，这是道路设计的过程中，比较根本的问题，这一设计的理念会影响到道路网的正常应用。目前国内外的设计中已经有很多的专家学者进行了研究，但是在整个过程中还存在着很多的问题，这些问题的出现就会影响着道路设计和交通规则的道路选线的优化，本文是根据遗传算法进行空间位置的确定，在一定程度上优化道路设计模型。

1 初始空间位置的生成

新建的道路在确定空间位置的过程中，一般会有两个或者是多个控制点，这些控制点是事先已经指定的，新建道路空间位置的确定就是明确各个控制点，因此在新建道路的空间控制点上必须要按照控制点连线的周边的地形的基本数据作为设定的基础，在使用了DEM数据当做是地形数据的时候，那么线路的空间位置就会被认为是整个线路的中心线所占用的DEM网格单元的一种集合，在这一集合中可以知道初始的空间位置的生成过程就是这一集合的生成过程，这一过程是极为复杂的，如果没有及时的进行梳理就会出现混乱。

本文使用的是遗传算法进行方案的选择，因此为了候选方案的有效性得到提高，可以对选线的走廊进行预先确定，在这样的情况下，为了保证初始的空间位置有着足够的选择余地就必须要沿着控制点的沿线，每隔一段距离就设定一个横断面，在横断面上的一些网格单元也就是新建道路在这一横断面上可能通过的位置，这样位置的确定就会更加的明确，否则就会出现问题，不利于后期道路的设计。假设控制点之间的直线能够被分为n+1段，在这样的情况下，就会出现n组网格单元，在这n组网格单元中，每一组的单元通过连续排列都可以得到每一组中网格单元的最大编号和最小编号，在这一情况下，初始的空间位置就可以用一个数字串来表示，数字串中每一个数字都是对应着每一组单元格中的一个编号的，之后就可以生成道路的空间位置的初始的方案，这一方案可以使用公式（1）进行计算，而且每一组网格单元都可以随机的进行单元格的选择，将各个网格的中心点当做是整个道路的控制点，将所有生成道路的控制点进行连接就可以生成道路的初始线形，也就是i。

2 遗传算法的设计与适应度函数的选取

遗产算法主要是被用来进行候选方案中各个方案的优劣的判断或者是选择新的候选方案使用的方法，主要是对代表着上一代道路的空间位置产生的数字串进行选择操作、变异和交叉，经过这些程序就可以得出新的空间位置的候选方案，之后利用循环计算的方式进行初始空间位置的表示，将这些初始空间位置表示成为初期染色体，这样各个单元的编号就代表着染色体的基因，对这些染色体基因进行交叉和变异，最后进行染色体的选择。

3 基于DEM数字地形进行详细的线形设计

3.1 平曲线在GIS中的实现

遗传算法在每一次在GIS数据库中生成的多条道路线形都是一种折线对象，在对线路设计也有着明确的要求，道路平面的线性设计必须要符合相关的要求，尤其是圆曲线、缓和曲线和直线的连接原则等，但是这样的方法在使用的过程中会增加难度，也就增加了计算的负担，本文是的研究对于缓和曲线并不考虑，使用圆曲线平滑新建的道路中么一个折点，这样圆曲线就可以和直线连接，形成设计的图形。

新建的道路线形中，每一个控制点都必须要有两条线段与其相邻，在这样的情况下，就要取水平长度比较短的线段的长度的1/2当做是这一圆曲线的切线长，根据切线和半径存在的数学关系，就可以确定圆曲线的半径。以控制点C2为例，C1C2长度小于C2C3，T点为线段C1C2的中点，确定圆曲线半径R=TC2tan（α）。同理在C3，C4，C5等控制点处可以确定另外一条圆曲线。这种方法并不能保证所有的圆曲线半径满足最小圆曲线半径的要求，因此要利用惩罚费用对不满足该要求的方案进行处理，以便在进入到下一次循环之前淘汰它们。

3.2 竖曲线在GIS中的实现

在道路设计中通常要满足平包竖的原则，用二次抛物线平滑新建道路纵断面上的各个折点。根据道路的竖曲线设计原理，在纵断面上针对于每个控制点，取与之相邻的水平长度较短的线段的1/3作为二次抛物线的切线长，由于在平曲线设计时以长度的1/2作为圆曲线的切线长，这样可以很好地满足平包竖的原则。但是这样也不能保证所有的纵坡都满足设计规范的要求，因此还要对包含不满足纵坡要求的线形附加惩罚费用。

4 评价新建道路对路网服务水平的影响

新建道路对路网服务水平的影响，表现为节约的OD总走行时间的价值，汽车尾气排放所引起的金钱损失两个方面。在对每个方案实施自动路网拓扑后，可以用Frame-Wolf法进行OD交通量的分配，从而获得同一个OD交通量在各个路网中路段上的交通流量、走行时间以及行车速度，最后计算出整个OD交通量在各路网上的总走行时间的金钱价值、各种尾气排放量以及相应的金钱损失额度。

5 计算新建道路涉及的费用

新建道路涉及的费用是评价各选线方案的关键原则，本研究将它作为遗传算法的适应度函数的主要部分。本研究将新建道路的社会总费用成本以及惩罚函数作为遗传算法中的适应度值。这里从道路设计和交通规划的角度分别计算费用，最后综合兩方面计算总费用成本。

CT=CD+CL

这里，CT为一条新建道路的总费用成本，CD为与设计相关的费用总和；CL为与道路交通相关的费用总和。

1）与道路设计相关费用：

CD=CC+CE+CB+CP

CC为基本建设费用，是单位长度的基本建设费用与道路长度的乘积；CE为土方工程费；CB为桥梁隧道费用；CP为惩罚费用。

2）与道路交通相关的费用

CL=CA+CTT+CG+CR

CA为环境负荷费用，对于每一种线形方案都进行新路网的重新拓扑与交通量平衡分配，通过分配的输出结果（路段交通量、走行时间、平均车速等）可以计算环境负荷费用和走行时间费用。

结束语

从道路工程和交通规划的角度研究了道路选线问题，与道路工程的微观选线不同该方法考虑了新建道路本身的工程造价、土方量的费用，也考虑了由于新建道路所导致的路网结构变化所引起的整个路网服务水平的变化，表现为OD交通行程时间的节约，尾气排放量的金钱损失变化。通过有机地结合道路设计方法和交通量分配模型优化了新建道路的线形，一体化了道路规划和设计过程。

参考文献

[1]曾志芳.试论基于环保设计的山区道路选线新思路[J].四川水泥，2015（05）.

[2]白万鹏.浅析不同地区道路选线问题[J].科技创新与应用，2015（16）.

[3]杨问春.山区道路选线方案的多目标优选决策[J].公路工程，2014（01）.