交通规划中的动态路网及其模型研究

V ol 119　N o 16

公　路　交　通　科　技

2002年12月

JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT

文章编号:1002Ο0268(2002)06Ο0108Ο04

收稿日期:2001Ο12Ο24

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59838310)

作者简介:任刚(1976-),男,浙江绍兴人,博士研究生,现从事交通系统分析软件的研究1

交通规划中的动态路网及其模型研究

任　刚,王　炜

(东南大学交通学院,江苏　南京　210096)

摘要:用传统的路网模型表现动态演变中的路网,存在数据冗余过大和无法揭示动态性的缺点。为此,改进了传统的路网模型,使得路网的拓扑结构与数据物理上相分离、逻辑上相结合。提出了动态路网的概念,研究了其特征,在改进后的传统路网模型基础上建立了动态路网模型,并对模型的应用进行了实例分析。该模型用方案树与邻接表描述动态路网的拓扑结构,用数据库存储路网数据,达到了尽可能减少数据冗余度并有效揭示动态性的目的。动态路网模型对于交通规划中的路网模型优化具有重要的意义,有进一步研究和应用的价值。关键词:交通规划;动态路网;动态路网模型;邻接表;方案树中图分类号:U491112 文献标识码:A

Study on Dynamic Transportation Network and its Model in Transportation Planning

REN Gang ,WANG Wei

(T ransportation C ollege ,S outheast University ,Jiangsu Nanjing 210096,China )

Abstract :In m odeling dynamically ev olutional transportation netw ork ,conventional m odels had abundant data redundancy and failed in describing ev olution 1S o ,a refined m odel was developed ,to make the netw ork topologic structure to be separated from the data physically but to be linked with each other logically 1The concepts of dynamic transportation netw ork were explained ,and its characteristics were studied 1Then ,a m odel of dynamic transportation netw ork was developed based on the refined m odel and it was applied in practical ex 2am ples 1The topology was represented with scheme 2tree and adjacency list in the new m odel with dada saved in the database ,s o that data redundancy had greatly reduced and ev olution was depict distinctly 1The new m odel has im portant effect on optimization of transportation netw ork in transportation planning ,and is w orth for further studying and applying 1

K ey words :T ransportation planning ;Dynamic transportation netw ork ;M odel of dynamic transportation netw ork ;Adjacency list ;Scheme 2

tree

交通网络的数学模型作为公路网络或者城市道路网络分析的基础,已有比较成熟的研究基础。然而,传统的数学模型通常以独立的静态路网为研究对象,无法对动态演变中的路网进行有效的描述。

实际的交通规划过程往往是针对多个规划期进行的,需要在现状路网的基础上不断改造、完善,由近及远地提出各个规划特征年的路网规划方案,同时每个规划特征年也可能存在多个比选方案以供比较,从中选取最为合理的一个作为此特征年的规划方案。类似这种经由初始路网逐步演变而得到的相互联系的一系列路网可称其为动态路网。

一些基于传统路网模型的交通规划软件,对动态

路网大多是按多个独立路网建立和分析的。这种处理方法不但造成数据冗余过大,更致命的是掩盖了路网动态演变的过程。因此有必要对传统的静态路网模型进行改进,使之能有效表现动态路网的动态性,充分揭示路网方案之间的联系。1　传统路网模型及其改进111　传统路网模型

在通常的数学模型中,交通网络根据图论理论被抽象为有向图G =(V ,E ),式中,V 表示节点(交叉

口或运输点)集合,E 表示连接V 中节点的有向弧

(路段)集合[1]。

常用的表现图的数据结构有邻接矩阵、邻接表、邻接多重表等[2],3者在网络遍历、最短路径搜索等常用的网络分析操作上,时间复杂度是同等数量级的。其中,邻接矩阵是个二维数组,表示节点集合两两之间的邻接关系,若两个节点间有路段直接相连,则对应数组元素为1,否则为0。邻接矩阵虽然容易判断两节点间的关系,但是对于动辄成百上千个节点的实际路网,其占用空间太大。而且,与其它网络相比,交通网络中每个节点的出度(或入度)大多不大于4,如果利用邻接矩阵存储交通网络,则这个矩阵大量的元素为0,成为稀疏矩阵,存储效率极低。邻接表和邻接多重表存储效率很高,但邻接多重表的结构较复杂,若无特殊要求,则邻接表足以有效表现大型的交通网络。

因此,本文将选用邻接表作为交通网络的基本表现方式。在邻接表的具体实现上,链表是最佳的结构,因为链表对于元素的增删操作相当方便,这在网络的动态调整中极为有用。

图1所示为一个有3个节点和5条路段的简单路网及其邻接表形式。图中,节点用数字编号作为标识,邻接表中带阴影部分为节点数组,每个数组元素(即链表头)引出一个链表,链接起与其相邻的所有节点,箭头代表指向链表下一元素的指针,“∧”代表空指针,即链表结尾。可以看出,这个路网模型中,一个数组元素代表一个节点;一个链表元素代表一条路段,路段起点为链表头所代表的节点,路段终点为此链表元素所存储的节点

。

图1　一个简单路网及其邻接表模型

112　结合数据的路网模型

事实上,图1所示的路网模型只是对网络拓扑结

构(表示地理要素之间空间关系的结构)的描述,现有的公开文献大多也着重于这一层面的模型研究。而实际的交通网络还包含大量的空间数据(表达地理实体几何属性的数据)和属性数据(表达地理实体非几何属性的数据)[3],比如交叉口的控制方式、坐标,路段长度、宽度、等级等。这些数据如何组织、存储,如何与路网的拓扑结构有机地联系起来,也是一

个需要认真考虑的问题。11211　路网数据与拓扑结构物理上的结合

一个很自然的想法是将邻接表中的数组元素和链表元素的数据结构扩展,使数组元素的内容不仅包含节点编号,还包含节点的其余数据;使链表元素的内容不仅包含路段终点编号,还包含路段的其余数据。也就是说,这种模型在物理上将路网拓扑结构同路网数据结合在一起,在理论上是可行的。

然而,这种模型有其局限性:首先,在大规模路网的规划过程中,数据管理必须借助于数据库技术,路网数据通常按节点、路段保存在对应的数据库表中,上述模型要求在邻接表中复制路网数据的一个拷贝,这会造成更大的数据冗余,从而造成数据更新的不便。其次,在动态路网中,不同路网方案的主体是一致的,都由初始路网调整得到;换言之,不同的路网方案包含的路网数据存在大量的重复部分,按上述模型来表现这些方案,其数据的冗余更是大得惊人。

因此,有必要在邻接表的基础上,建立一个既能使拓扑结构同路网数据紧密联系,又能导致最少数据冗余,同时适应数据库管理的完整路网模型。11212　路网数据与拓扑结构逻辑上的结合

笔者认为,可以对图1所示的路网模型进行如下改进,使得路网的拓扑结构与数据在物理上相分离、逻辑上相结合。即:路网的拓扑结构表现在邻接表中,路网的数据存储在数据库的节点表和路段表中;邻接表中,数组元素的结构包含一个指向节点表对应记录的指针,这个指针可以是节点表的一个主码(比如记录号,又比如图1中的节点编号);同样,链表元素的结构包含一个指向路段表对应记录的指针,这个指针可以是路段表的一个主码。

改进后的模型如图2所示,这个模型可以完整而高效地描述交通网络的拓扑结构和数据,优点在于数据冗余度小,数据管理方便,网络分析效率高,这个模型将是动态路网建模的基础。与图1相比,邻接表增加的箭头代表指向节点表和路段表的指针,在邻接表上进行的网络分析操作,如果涉及到数据的存取和修改,就可以通过指针对数据库表的记录进行快速引用。图2中,节点表和路段表只给出了最常用的字段,在兼容地理信息系统(GIS )的数据库中还可以包括地图实体字段,用来描述节点或路段的空间特征。

图2所示模型的建立过程并不复杂,节点表、路段表的建立和数据录入可通过数据库管理系统实现,在GIS 软件中甚至可通过可视化的图形编辑方式实

交通规划中的动态路网及其模型研究　任　刚等