基于SuperMap的公路交通运输安全评估系统设计与实现

牟夏 魏向旺 肖飒 胡超 李欢欢

（1.北京超图信息技术有限公司 北京市 100015 2.北京宇航系统工程研究所 北京市 100076）

公路作为重要的交通基础设施之一，对于国民经济及社会发展具有极为重要作用，公路行车及运输安全也关乎人民群众的生命及财产安全。公路交通运输安全状况是对公路路网或某路段的交通安全状况的客观描述，可反映某个时间段内公路行车安全状况。国内外对交通安全的研究主要集中在气象与交通安全、安全评估方法、预警技术及评估系统等方面。李云峰等[1]分析了近10年吉林省主要高速公路交通事故与气象要素的关系，得出了降雨、阴天、降雪天气是气象要素影响下交通事故发生的主要原因，降雨量级、降雪量级与交通事务的发生均成正比关系。朱涵和杨润凯[2]在突变理论的基础上建立了城市道路交通安全评估模型，对江西多个城市进行交通安全评估及合理性验证，为道理交通安全评估提供了新的途径。吴方健和李磊[3]基于智能交通技术建设了山东省智能交通安全系统，并阐述了系统的组成、数据流设计及网络部署等，使山东交通安全管理更智慧化、便捷化。近些年，随着信息化技术的不断进步，智能交通技术突飞猛进，交通监控系统已普遍应用于城市交通运输中，而交通运输安全评估也逐渐开始推广应用[4-6]。市场化高度发展的今天，从人们的衣食住行到生产生活都需要长距离运输，而运输安全直接关系到生命及财产安全，深入分析公路交通运输安全的影响因素，构建起公路运输安全的评估指标及算法，搭建起安全评估系统，对于降低交通运输事故发生概率、保障人民群众生命及财产安全具有重要意义。

1 公路交通运输安全影响因素分析

公路交通运输安全受多种因素影响，包括车、路、环境等方面[7]。交通事故的发生不仅受单一因素影响，往往是多个因素综合作用的结果，分析公路运输安全的影响因素是公路安全评估的基础和关键。

1.1 车辆因素

车辆是交通运输的主要载体，也是道路交通系统的主要组成之一。车辆属性对车辆的行驶安全具有影响，不同型号的车辆性能特性不同，对道路要求也不一样，不同的道路状况以及气象环境对不同车辆的影响程度也不一样。车辆属性分析站在车辆角度，结合车辆自身特点分析车辆在道路上的通过、通行性情况。

1.1.1 车辆外形

车辆外形主要考虑车辆的长度、宽度和高度三个主要外形因素。车辆外形与道路、桥梁、隧道的通过性情况密切相关，如针对重型抢险车辆、应急救援车辆等大型车辆，其车辆高度、宽度必须小于道路及附属设施的设计高度、宽度要求，才能保证顺利通过。

1.1.2 车辆重量

桥梁、道路具有设计限重指标，对于行驶在道路、桥梁上的车辆具有限重要求。车辆重量属性影响桥梁通过性、道路通过性。将车辆满载重量与桥梁的限重相结合并开展分析，确定路线的通过性指标。

1.1.3 车辆行驶条件

车辆行驶限制条件（如道路等级、弯度、坡度等）将影响道路通过性。车辆在道路上行驶，事故发生概率与道路质量密切相关，尤其是路面、线形情况、交通状况等对行车安全的影响很大，道路等级越高，车辆的行驶环境更好。道路坡度及弯度也会影响车辆的行驶，当坡度过多则影响车辆的通过性；同理，当道路弯道过多或过大，也会影响车辆的通过条件。

1.2 道路因素

道路是整个公路交通系统的基础，道路好坏直接影响到车辆的行驶状态，对交通运输安全影响也最直接。道路及道路设施对公路交通运输安全的影响因子包括道路等级、路面坡度、路面承载力、以及公路设施等。

1.2.1 道路等级

道路等级是公路行车要重点考虑的因素，不同道路等级其行车速度要求及安全性不同。公路运输时，应尽量选择路面状况好、道路等级高的路线进行行驶。

1.2.2 路面坡度

路面坡度也是影响公路运输安全的影响因子之一，坡度越大行驶难度越大。分析路面坡度情况，尤其是长大纵坡的情况对于车辆安全行驶具有必要。

1.2.3 道路弯道

道路弯道，尤其是急弯对公路运输安全具有较大影响。若行驶车辆较长而道路弯道大、路面窄，对车辆的通行性具有较大限制；若对车辆通行有限制的急弯越多，则车辆通行性条件更差。

1.2.4 道路承载力

道路承载力也是影响公路运输安全的影响因子之一，若车辆满载重超过道路承载力，对于车辆的通行性及道路的安全性均具有影响。

1.2.5 桥梁属性

桥梁具有设计限重、限宽等指标，对行驶在桥梁上的车辆有限重、限宽等要求。若桥梁最大承载力低于车辆满载重量，或桥梁宽度小于车辆宽度，则对车辆的通行性甚至是通过性均具有较大影响。

1.2.6 隧道属性

隧道具有设计限高、限宽等指标，对行驶在隧道上的车辆有限宽、限宽等要求。若隧道高度低于车辆高度，或隧道宽度小于车辆宽度，则对车辆的通行性甚至是通过性均具有较大影响。

1.3 环境因素

气象环境及自然灾害对于车辆行驶影响较大。本文主要从气象环境和地质灾害出发，分析天气状况、地质灾害对路面造成的影响，进而对车辆通行造成限制。

1.3.1 气象环境

强降水、降雪、浓雾等恶劣气象条件是威胁公路运输安全的重要因素之一。降雨、降雪导致的路面湿滑会降低路面摩擦系数，使车辆制动性能减弱，危险性增加[8]；雨雪也使得驾驶员水平能见度降低，视野不开阔，影响道路标志标线或车间距的辨识，增加驾驶员误判的概率。

雾对公路安全的影响主要体现在能见度降低上。雾天能见度低，视线障碍大，驾驶员可视距离大大缩短，由于景物、交通标线及前后车辆都难以辨别，使驾驶员容易判断失误，导致前后车追尾。同时，雾会使光线散漫并吸收光线，致使物体亮度降低，影响驾驶员观察。

1.3.2 自然灾害

泥石流、滑坡等地质灾害发生时，往往会引发道路损毁、掩埋、山体落石等危险事件，对于车辆运输安全具有较大影响。公路运输时需要考虑行驶路线的自然灾害发生现状或自然灾害风险情况，避免运输过程中遭遇自然灾害。

2 公路交通运输安全评估算法设计

2.1 评估指标构建

通过对交通运输安全的影响因素分析得知，交通运输安全与车辆、道路、环境等相关，且受多种因素的综合影响。本文时间、空间纬度，考虑车辆、道路及附属设施、环境三大要素，针对具体运输任务构建影响公路交通运输安全的道路通过性、道路通行性、环境影响3 项一级指标及15 项二级指标。评估系统默认采用此指标体系，同时为使评估指标更科学合理，系统可支持指标新增、修改、删除等自定义设置，满足不同情境下公路交通运输安全评估需求。

2.1.1 道路通过性

道路通过性是车辆行驶安全的前提条件。道路通过性指标基于车辆、道路的基本属性进行构建，通过分析车辆属性与道路及其附属设施之间的关系，来评估车辆是否可通过某具体的公路路线。基于公路运输安全影响因素分析成果，重点考虑公路附属设施（如桥梁、隧道等）的设计标准是否满足车辆的行驶要求，来作为车辆能否通过的评估指标。本文考虑道路附属设施限重、限宽、限高等因子，构建起道路通过性的二级指标，如表1所示。

表 1：道路通过性指标评判标准

表 2：道路安全状况分析指标评判标准

表 3：道路安全状况分析指标权重

2.1.2 道路通行性

在公路能通过前提下，公路条件（如道路等级、坡度、弯道、承载力等）可影响车辆的行使状态。基于公路运输安全影响因素分析成果，重点考虑公路及其附属设施的空间状态及条件对车辆行驶的影响，来作为车辆通行状况好坏的评估依据。本文考虑道路等级、桥梁数量、急弯数量及长大纵坡等因子，构建起道路通行性的二级评估指标，如表2所示。

2.1.3 环境影响

恶劣天气、自然灾害等环境因素是车辆运输安全的重要影响因素之一。基于公路运输安全影响因素分析成果，从时间、空间两个维度，重点考虑运输过程中可能遭遇的降水、大风、能见度、自然灾害等因子，构建起环境影响的二级评估指标，如表2所示。

2.2 评估算法设计

在影响因素分析及指标体系构建基础上进行公路交通运输安全评估算法设计，首先进行道路通过性的先行判断，然后进行道路通行性及其他安全因素的评判分析，得到公路交通安全总体评估算法。评价算法包含通过性判断、道路安全得分计算及道路总体安全等级评估。

系统默认采用此评估算法，同时为使评估更科学合理，系统可支持指标评分标准、指标权重的修改等自定义设置，满足不同情境下公路交通安全评估需求。

2.2.1 通过性判断

基于行驶车辆与道路属性数据，系统设置道路通过性的优先判断算法，若判断通过性的指标显示“不能通过”，则自动将当前路线判断为不能通过，并中止其他道路安全指标计算，优先评判标准如表1所示。

2.2.2 道路安全得分计算

（1）指标评分标准设计。

在道路“能通过”基础上，基于已构建的道路通行性、环境影响指标体系，计算出每个二级指标的评估结果。系统依据知识经验自动将计算结果从0-10 分进行打分，由此可得出每个二级指标的得分。各二级指标的评分标准设置如表2所示。

（2）指标权重设定。

依据专家打分[9]及经验积累，对分别对一级、二级指标进行权重设定，设定的结果如表3所示。

（3）指标得分计算。

基于指标算法、评分标准可得出二级指标的得分，在此基础上可计算出一级指标得分及道路总体安全评估得分，计算方法如下所示：

2.2.3 道路总体安全等级评估

基于依据行业经验及知识图谱，将公路交通总体安全状况分为6 个等级，分别是极其严重、比较严重、严重、一般、比较安全和安全。每个等级评判标准如表4所示。同时，将一级指标计算得分、道路总体得分与评判等级进行匹配，即可得到某公路交通安全等级。

表4：公路交通安全等级描述

3 公路交通运输安全评估系统实现

3.1 系统总体设计

本系统基于Supermap Desktop 在服务发布、自动化制图、交通分析、空间分析、网络分析、三维等方面的专业功能进行二次开发，系统采用C/S 架构，包含数据层、支撑层和应用层，如图1所示。数据层包含基础地理数据（矢量、影像、地形等）、交通路网数据、气象数据、专题事件数据、三维实体数据等，数据存储在SuperMap 自定义的UDB 本地数据库中供系统调用和展示。支撑层包括SuperMap Desktop以及SuperMap Objects Java 组件，为安全评估系统提供三维地球及精细化小场景、交通分析、空间分析、网络分析等技术支撑。应用层用于交通安全状况评估应用实现，包含评估事件管理、指标体系管理、数据分析处理、交通安全评估及交通安全展示等模块。

图1：系统架构设计

本系统针对具体公路交通运输安全状态评估进行设计，用户确定好运输任务的起终点、经停点，以及出发、到达时间等信息，输入相应的专题事件数据、选取相关的评估指标，系统可进行运输路线规划及各路线的行车安全状况评估及展示，使用户能从运输道路的通过性、通行性及气象环境影响等方面，全方位了解运输过程中的行车安全状况，辅助抢险救灾时选取最优行驶路线。运输任务、数据、评估结果等均保存在SuperMap 自定义的工作空间中，系统的运行流程设计如图2所示。

图2：系统运行流程设计

3.2 系统功能实现

依据交通运输安全评估的目标及应用场景，本系统包含运输任务管理、数据分析处理、指标体系管理、行车安全评估、安全状况展示等系统功能，使用户能从道路通过性、通行性及气象环境影响等方面，全方位了解行车安全状况，辅助用户选取最优行驶路线。

3.2.1 运输任务管理

运输任务管理重点针对具体运输任务，提供任务管理、路线管理、车辆管理功能。任务管理实现对运输任务的描述，包含运输时间、运输货物明细、运输路线及车辆等，提供任务的新建、导入、修改、删除及查询等功能，满足运输任务创建及管理；路线管理基于SuperMap 网络分析模块开发设计，可实现运输路线的自动规划，用户输入起、终点及路线经停点，系统可自动规划出可供选择的多条运输路线，并基于已规划好的多条路线，进行后续的路线安全评估；车辆管理实现对车辆长、宽、高、时速、满载重等属性信息的管理，提供车辆的新建、修改、查询等功能，并可关联运输任务。运输任务以SuperMap 自定义的.smwu 格式进行储存，添加和导入的数据源可组织进工程文件，以供分析评估及场景展示调用。

3.2.2 指标体系管理

指标体系管理在交通运输安全影响因素分析及安全评估算法研究成果基础上进行设计。系统将本文设计的公路交通运输安全评估指标体系及算法作为系统评估模板，供用户直接进行安全评估。同时，系统提供评估指标的新建、删除、指标评分标准修改、指标权重修改等功能，一方面满足用户特定运输任务安全评估的需求，另一方面也使评估结果更加科学合理。用户自定义的评估指标体系仅保存在当前运输任务中，对其他任务信息不构成影响。

3.2.3 数据分析处理

基于SuperMap 多源异构数据导入、融合及治理的能力，针对具体运输任务系统提供数据分析处理功能，包含数据导入、导出、地图预览、数据编辑、拓扑构建及检查、事件表生成等。导入每个评估指标所需要的各类专题数据，并对数据进行处理，生成动态事件表及事件数据集，可快速的实现路线的安全评估、数据上图等。用户可导入并处理当前运输任务安全评估所需的数据，为运输安全评估做好数据准备。

3.2.4 行车安全评估

行车安全评估基于已创建的运输任务、指标体系及分析处理的数据进行计算，系统提供道路通过性、通行性及环境影响的评估，用户可查看二级指标、一级指标计算得分及安全等级评估结果，也可查看路线总体得分及安全等级，全方位获取到各路线的运输安全状况，辅助最优行驶路线的选取。

3.2.5 安全状况展示

安全状况展示基于安全状况评估结果，以二三维地图方式多维度呈现路线的运输安全状况，展示内容包含规划路线展示、通过状况展示、通行状况展示、环境影响展示、道路总体安全等级展示等。结合道路、桥梁、隧道及周边环境的BIM 数据、三维实体数据，基于SuperMap 强大的三维场景搭建及空间分析展示能力，构建起车辆行驶的真实场景，全方位展示各路线上道路桥梁状况、车辆行驶状况、天气状况等；设置行驶推演器，按照任务预设要求，推演车辆在运输路线上的行驶状态，使用户能沉浸式的感受运输现场状况，达到既美观又实用的效果。

4 小结

本文基于抢险救灾公路交通运输过程中行车安全评估的需要，分析了车辆、道路及环境等影响公路运输安全的因素，开展了运输安全评估的指标体系构建及算法设计，并在此基础上完成了公路交通运输安全评估系统的设计与实现，使用户针对具体的运输任务，能提前规划好备选运输路线，并从运输道路的通过性、通行性及气象环境影响等方面评估各备选路线的安全状况及等级，全方位了解运输过程中的行车安全状况，辅助抢险救灾过程中最优行驶路线的选取。本研究以期通过智慧化手段为驾驶员提供便捷评估工具，降低行车过程中交通事故发生的概率，减少因交通事故导致的生命及财产损失。