关于城市交通地理信息系统模型设计的思考与改进

・北京测绘・２００８年第１期

［收稿日期］２００７－１１－１［作者简介］王建强（１９８１－），男，助教，主要研究方向地理信息系统技术及应用。

随着城市经济的不断发展，城市交通得到了迅速发展。但城市车辆持有量的增长速度远远超过城市道路建设速度的增长［１］。据统计，北京市１９

９４年全年发生交通拥堵１１６４１起，１９９６年则升

至１６７８９起，市内干道平均运行速度为１５～２０

ｋｍ／ｈ，城市中心区平均车速降至１０～１５ｋｍ／ｈ；

市区高峰小时机动车流量超过４０００辆以上的路口有９８个，超过１００００辆以上的路口有５２个，市区主要干道负荷度已达９０％。交通拥挤必然带来交通运输效率的降低，不但延长出行时间，而且造成能源、时间、金钱的浪费，对环境造成更大的污染。同时，交通运输效率的低下还将刺激车辆的购买，以加大车辆投入的方式来弥补运输效率低下造成的运量下降。车辆总量的增加又势必导致交通的进一步拥挤，造成车辆运行效率进一步下降的恶性循环［２］。

城市交通地理信息系统

［３］［４］

（ＧＩＳｆｏｒＴｒａｎｓ－

ｐｏｒｔａｔｉｏｎ，简称ＧＩＳ－Ｔ）是一个以ＧＩＳ为技术支

撑，以城市交通为依托，以城市交通查询、规划和决策为目的的信息处理系统。它将城市交通与

ＧＩＳ技术有机地结合为一体，主要利用ＧＩＳ技术

强大的空间分析功能及属性库管理能力来管理交通资源。各大中等城市（例如武汉市）已经建立了自己的ＧＩＳ－Ｔ。本文将基于诸多学者研究成果的基础上，对城市ＧＩＳ－Ｔ数学模型进行研究，发现现有ＧＩＳ－Ｔ模型在开放性与针对性上还存在

不足，在此提出改进建议，以供参考。

１

现有ＧＩＳ－Ｔ模型

１．１

城市交通网拓扑结构

根据收集的资料分析，城市交通网在空间上

具有两种结构，交通网络和交通树。其数学模型为

Ｄ＝ｆ

（Ｓ，Ｖ，Ａ，Ｃ）其中，Ｄ为交通网，Ｓ为网上站点的集合，Ｖ为路径方向改变点（如十字路口）的集合，Ａ为路径集合，Ｃ为与交通有关的因素集合（网络流）。

影响交通体系中网络流的因素：

①运输工具，路面的材质、

宽度、坡度等因素；②道路辅助设施，包括路灯、

围栏和标志牌等；③道路周围的社会经济环境，包括经济发展

状况、居民、工厂、学校和商店等。

１．１．１网络结构

交通网络是由路径、路口和站点等组成的一

个封闭的全连通的流量运动体系（图１）。

在交通网络的实际问题中，对于网络流要求：①每一个路径的流量不能超过该弧的最大通过能力（即容量）；②在一定的时间内，中间点的流入与流出量相等，即净流量为零。

关于城市交通地理信息系统模型设计的思考与改进

王建强

（丽水职业技术学院，浙江丽水

３４４０００）

［摘要］ＧＩＳ－Ｔ模型是建立城市交通地理信息系统的主体，本文对现有ＧＩＳ－Ｔ模型进行了简单的分析与评

价，并且为了增加政府与公众做出决策的正确性，提出了路径畅通可靠度模型、城市交通综合指数模型、交通出行指数模型三个数学模型，以达到量化城市交通与完善ＧＩＳ－Ｔ模型的目的。

［关键词城市交通；地理信息系统；网络流

［中图分类号］Ｐ２０８［文献标识码］Ｂ［文章编号］１００７－３０００

（２００８）０１－３图１

交通网络

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・北京测绘・２００８年第１期１．１．２

树结构

交通树是由路径、路口和站点等组成的一个开放的、全连通的流量运动体系（图２）。

在交通树的结构中对网络流的要求与交通网络相同。在一定范围内的树结构在另一尺度上可能是网结构，即树结构具有空间相对性。在一定区域内的树结构位于网结构的外围，其支路径必为双向线路，否则不能满足净流量为零的要求，造成车辆永久滞留的不良现象。

１．２网络流模型

网络流是指定义在路径集合Ａ上的一个权值

函数ｆ＝ｆ（ｖｉ，ｖｊ!"），并称ｆ（ｖｉ，ｖｊ）为路径上的流量（简记作ｆｉｊ）。它是单位时间内允许通过路径（ｖｉ，ｖｊ）上的流动实体的数量。其数学模型为

!ｆ!ｃ＝#（ｖｉ

，ｖｊ

）

$ｂｉｊｆｉｊｆ为网络流，ｃ为影响因素，#为拉普拉斯算子，ｂｉｊ为线性系数，表示路径（ｖｉ，ｖｊ）上的流量。

求解上式的边界条件是：

（１）顶点平衡条件ｊ

$ｆ（ｉ，ｊ）－ｊ

$ｆ（ｊ，ｉ）＝０

在中间点，进入的流量应等于自该点发出的流量，达到车辆和其他资源的平衡配置。

（２）非负条件和容量限制条件０%ｆ（ｉ，ｊ）%"（ｉ，ｊ）

流量为非负值，且在某一路径上的流量最大值为容量，实际中不能超过最大流量，否则造成交通拥挤或堵塞的现象。

在实际问题中当对路径长度求偏导时则得到最短路径Ｌ＝ｍｉｎ（$Ｌｉｊｆｉｊ）。

当对费用求偏导，则得到最小费用路径

Ｍ＝ｍｉｎ（$Ｋｉｊｆｉｊ）。

当同时对以上二者求偏导，则得到最佳路

ＬＭ＝ｏｐｔ（$ＬｉｊＫｉｊｆｉｊ）。

２对ＧＩＳ－Ｔ模型的思考与改进

现有ＧＩＳ－Ｔ模型比较详细地分析了城市交

通情况，较合理地建立了城市交通网拓扑结构。在网络流模型中，设计者应用ＧＩＳ强大的空间分

析功能，综合考虑了最短路径、最小费用路径、最佳路径的情况。但是以现有城市交通地理信息系统设计模型所开发系统仍难以满足城市发展的需要，比如政府决策、

公众需求等。为了满足政府及相关部门的宏观决策和公众出行路径选择的需要，本文提出增加一个城市交通网评价模块，在这个模块中引入三个参数：

（１）路径畅通可靠度模型

对于任一条路径ｊ相当于由一系列的道路单元（路口或路段）构成的串联系统，当各单元的畅通概率已知时，此路径的畅通可靠度应为其所经各单元畅通可靠度之积。即路径ｊ畅通可靠度为#ｒ

ｊ

＝Ｐ高峰时间内，路径ｊ上的车辆畅通行!

"驶ＣＩｊ

ｉ＝１

ＰＲｉ式中，ＰＲｉ为路径ｊ所经过的单元的畅通可靠度，Ｉｊ为路径ｊ所经单元的总数。这个参数可以直观地为用户出行做出正确的决策。具体算法可参见文献［５］［６］。

（２）城市交通综合指数模型城市交通综合指数模型为Ｔｔｏｔａｌ＝

Ｎ

ｉ＝１

$$ｉＴ

ｉ

Ｎ

ｉ＝１

$$

ｉ

其中，Ｔｔｏｔａｌ为交通综合指数；Ｔｉ为主干道、快速道交通指数；$ｉ综合指数加权因子；Ｎ为决策路网主干道、快速道总量。

这个参数可以对城市交通适时做出量化评价。有助于政府等相关部门进行城市交通的宏观调控。

（３）交通出行指数模型

交通出行指数模型为Ｔｔｒａｖｅｌ＝$ｔＴｔ＋$ｗＴｗ＋$ｅＴｅ

$ｔ＋$ｗ＋$ｅ

其中Ｔｔｒａｖｅｌ为交通出行指数；Ｔｔ为交通综合指数；Ｔｗ为气象指数；Ｔｅ为环境指数；$ｔ，$ｗ，$ｅ为因素加权因子。具体算法见参考文献［７］［８］。

通过以上三个模型，在建立城市交通地理信息系统时，可以更加合理地对城市交通进行评价。为政府与公众做出及时正确决策提供准确的数据依据。当然通过三个基本模型也可以对城市交通的其它方面做出定量化的分析，例如把一个城市交通中各路径的畅通可靠度加权平均就可以得到整个城市交通网的畅通可靠度。因此可认为这三个模型也是建立城市交通地理信息系统中不缺少的部分。

图２

交通树结构

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