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    動(dòng)態(tài)分段在高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

    2015-03-28 06:10:56王崇倡徐曉昶王曉婉
    測(cè)繪工程 2015年1期
    關(guān)鍵詞:車道分段線性

    王崇倡,徐曉昶,王曉婉

    (遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 阜新123000)

    傳統(tǒng)高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)采用“節(jié)點(diǎn)-弧段”幾何模型,它是采用二維有序坐標(biāo)對(duì)來(lái)描述位置信息,空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是將地理要素分層管理,并建立要素間的拓?fù)潢P(guān)系。如此,弧段僅能與屬性表中一條記錄相對(duì)應(yīng),不能表達(dá)要素與屬性的一對(duì)多關(guān)系,如不同路段的狀況、使用性能、材料均不同,屬性變化處須打斷弧段,記錄便存在大量空值,導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余、更新困難。要素?cái)?shù)字化時(shí),指示牌等沿線設(shè)施不是精準(zhǔn)地落在中心線上,需要通過(guò)引入“偽節(jié)點(diǎn)”的方式打斷弧段,造成沿線設(shè)施的位置精度下降。由此戴維·弗萊特率先提出動(dòng)態(tài)分段思想[1]改變這一問(wèn)題,后在各線性領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

    動(dòng)態(tài)分段方法是“節(jié)點(diǎn)-弧段”幾何模型的改進(jìn),將基于二維的中心線模型采用“樁號(hào)+里程值”的線性參考方法表達(dá),可以有效地將二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一維相對(duì)坐標(biāo),各種養(yǎng)護(hù)信息屬性表動(dòng)態(tài)顯示,滿足高速公路宏觀尺度的養(yǎng)護(hù)管理。高速公路上下行車道和中心綠化帶卻無(wú)法分別表達(dá),不利于上下行養(yǎng)護(hù)信息的存儲(chǔ)、檢索與上下行的病害定位。設(shè)計(jì)利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)基于綜合車道的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng),將高速公路同向行駛車道集成為一個(gè)綜合車道并作為基本建模單位[2]。這樣既可以保留宏觀交通差異、高效細(xì)致定位病害位置,又可以充分利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)動(dòng)態(tài)顯示屬性信息的管理養(yǎng)護(hù)信息手段。

    1 線性參考與動(dòng)態(tài)分段

    1.1 線性參考

    線性參考系統(tǒng)是統(tǒng)一的一維度量系統(tǒng),它提供了利用線性要素的一維相對(duì)坐標(biāo)動(dòng)態(tài)描述其上每一點(diǎn)相對(duì)位置的方法。其本質(zhì)是在離散的“節(jié)點(diǎn)-弧段”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上建立的一個(gè)連續(xù)的一維場(chǎng)結(jié)構(gòu),是動(dòng)態(tài)分段實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[3-4]。當(dāng)線性要素給予線性參考時(shí),可以將多組屬性與此線性要素的某一部分相關(guān)聯(lián),而與“節(jié)點(diǎn)”無(wú)關(guān),使得存儲(chǔ)一個(gè)線性要素的多重屬性變?yōu)榭赡?。線性參考系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)明顯。融合各類養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù),提供屬性數(shù)據(jù)脫離高速公路網(wǎng)絡(luò)的前提基礎(chǔ),將二維坐標(biāo)(x,y)轉(zhuǎn)化為一維相對(duì)坐標(biāo)(樁號(hào)+里程值),實(shí)現(xiàn)相對(duì)坐標(biāo)區(qū)間表達(dá)多重屬性,便于養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)編輯、更新,屬性信息與病害快速定位,同時(shí)為動(dòng)態(tài)分段打下基礎(chǔ)。

    在高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中包括高速公路網(wǎng)絡(luò)、線性參照模型、線性參考方法、養(yǎng)護(hù)事件[4],如圖1所示。其中,高速公路網(wǎng)是利用“節(jié)點(diǎn)-弧段”模型對(duì)現(xiàn)實(shí)路的描述;線性參照模型是提供地理位置參照對(duì)象的控制點(diǎn)集合;線性參考方法是確定事件在線性網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的位置;養(yǎng)護(hù)事件則是系統(tǒng)中要表達(dá)的屬性位置和信息。

    1.2 動(dòng)態(tài)分段

    動(dòng)態(tài)分段是基于網(wǎng)絡(luò)重疊概念發(fā)展起來(lái)的一種新的線性特征的動(dòng)態(tài)分析、顯示和繪圖技術(shù),通過(guò)一定的映射關(guān)系,將動(dòng)態(tài)段對(duì)應(yīng)到數(shù)據(jù)庫(kù),極大地增強(qiáng)線性特征的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理功能[5-6]。其表現(xiàn)為,在地圖上顯示線性參考要素與要素屬性的過(guò)程。動(dòng)態(tài)分段的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)線性參考系統(tǒng),通過(guò)建立的養(yǎng)護(hù)屬性事件表與底層線性要素使用相同線性參考系統(tǒng),用一維相對(duì)坐標(biāo)或相對(duì)坐標(biāo)區(qū)間來(lái)表示單點(diǎn)屬性或區(qū)間屬性。事件表必須包含兩個(gè)特殊字段,一個(gè)是路徑編碼,即綜合車道號(hào)或是綠化帶號(hào);另一個(gè)是里程值,點(diǎn)事件用單點(diǎn)里程值,線事件用起止雙點(diǎn)里程值。如此,養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)獨(dú)立于底層數(shù)據(jù),養(yǎng)護(hù)信息的可視化顯示、查詢、更新、編輯與分析便與底層數(shù)據(jù)脫離,無(wú)需重復(fù)數(shù)字化可以多個(gè)屬性集的動(dòng)態(tài)顯示、分析、查詢。點(diǎn)事件表和線事件表如圖2所示,動(dòng)態(tài)分段查詢圖如圖3所示。

    圖2 點(diǎn)事件表和線事件表

    在養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中,只有高速公路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型具有空間坐標(biāo),養(yǎng)護(hù)事件表為某種屬性的表達(dá),通過(guò)動(dòng)態(tài)分段技術(shù)可以利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)映射出屬性事件的空間位置??梢?jiàn),動(dòng)態(tài)分段提供了將一維線性屬性數(shù)據(jù)與二維空間位置數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,從而將養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的多種屬性數(shù)據(jù)集與一維路徑中任何部分相關(guān)聯(lián),而不必隨各個(gè)屬性集的分段不同來(lái)修改對(duì)應(yīng)的二維空間中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的目的。

    實(shí)現(xiàn)平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)與線性參照系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,才能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)事件與空間位置有關(guān)的信息查詢,即一維與二維坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。一種是單純的插值法,算法容易,精度不高;另一種是基于曲線要素的動(dòng)態(tài)分段算法,需要參數(shù)較多,但精度較高。鑒于高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)的性質(zhì),基于綜合車道無(wú)需極高精度定位,選取基于相鄰參照點(diǎn)的插值分段模型,由Deuker與Vrana于1992年提出[7]。線性參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

    圖3 動(dòng)態(tài)分段查詢圖

    圖4 線性參考坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

    其中:XA,XC,XE為已知控制點(diǎn)的坐標(biāo);XB,XD為待插值事件點(diǎn)的坐標(biāo);r為B點(diǎn)在AC段的相對(duì)位置系數(shù)。當(dāng)兩個(gè)參照點(diǎn)的距離相對(duì)較小時(shí),兩點(diǎn)之間的線段近似看作直線段,通過(guò)線性內(nèi)插得出事件點(diǎn)的坐標(biāo),參照點(diǎn)間的距離越近,插值精度越高。當(dāng)求解點(diǎn)事件B,D或是線事件CD 時(shí),其過(guò)程為:首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中由事件的里程值找到其所在的控制段AC與CE,后分別計(jì)算相對(duì)位置系數(shù)rB與rC。其次在AC,CE間訪問(wèn)參照點(diǎn)Pi,并計(jì)算相對(duì)位置系數(shù) Ni=APi/AC,Mi=CPi/CE。最后判定 Ni,Mi是否大于rB,rC,如果大于則記錄Pi與Pi+1的坐標(biāo),之后內(nèi)插B,D的坐標(biāo),如果不大于則訪問(wèn)Pi+1點(diǎn)在此進(jìn)行判定,直到滿足條件為止。

    2 綜合車道模型

    高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)中關(guān)于車道模型有兩個(gè)重要的問(wèn)題需要結(jié)合考慮。一是數(shù)據(jù)量,一是特征描述的情況。傳統(tǒng)建立拓?fù)渚W(wǎng),當(dāng)車道發(fā)生變化時(shí),需添加一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)并且重新建立拓?fù)?。同時(shí),針對(duì)高速公路車道間的養(yǎng)護(hù)而言,同向車道之間的特征差異性并不大,如若使用還原現(xiàn)實(shí)中車道的建模方式,既顯得同向間車道拓?fù)涞亩嘤啵中枰惺芫蘖康臄?shù)據(jù)。如此,不但操作繁瑣,而又要承擔(dān)巨大的數(shù)據(jù)量,使得高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)操作困難。

    Fohl &Curtin曾提出了最詳實(shí)的描述方式將現(xiàn)實(shí)中的車道作為建模的基本單元[8],但是由于現(xiàn)實(shí)中各個(gè)車道的差異使得自動(dòng)化生成交通拓?fù)渚W(wǎng)十分困難。陸峰提出將同一高速公路上同向且可以隨時(shí)互相變道的車道進(jìn)行集成,簡(jiǎn)化為一個(gè)綜合車道。綜合車道作為系統(tǒng)建模的基本單元,一方面降低數(shù)據(jù)量的同時(shí)還原不同方向車道的差異,另一方面更好地利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)保持幾何特征的完整性,使用有效統(tǒng)一的路徑編碼,綜合車道號(hào)+里程值的一維定位方式代替二維定位方式,大大提高系統(tǒng)的使用性能。

    3 系統(tǒng)需求與結(jié)構(gòu)功能分析

    3.1 養(yǎng)護(hù)信息同總體需求分析

    通過(guò)對(duì)用戶需求與養(yǎng)護(hù)建設(shè)需求的分析、養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)的業(yè)務(wù)流程以及與省級(jí)交通廳系統(tǒng)數(shù)據(jù)良好接洽,提出系統(tǒng)總體需求如下;

    1)高效的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)管理。通過(guò)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)信息化建設(shè),建立詳實(shí)的養(yǎng)護(hù)設(shè)施地理空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)多源養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)及檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,對(duì)高速公路及其設(shè)施使用統(tǒng)一編碼,利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)提供高效的數(shù)據(jù)更新維護(hù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)對(duì)接、查詢檢索統(tǒng)計(jì)、輸出報(bào)表等。

    2)圖文并茂的可視化展示。結(jié)合GIS強(qiáng)大的可視化與統(tǒng)計(jì)功能,對(duì)養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)以圖表的方式展示,進(jìn)行多維度的分析與統(tǒng)計(jì),一目了然地了解高速公路資產(chǎn)分布情況,能夠上傳病害圖片,為養(yǎng)護(hù)決策與預(yù)算、養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)提供高效的數(shù)據(jù)支撐。

    3高速公路質(zhì)量評(píng)價(jià)功能。根據(jù)采集到的PQI(路面使用性能指數(shù))、RQI(路面行駛質(zhì)量指數(shù))、RDI(路面車轍深度指數(shù))、SRI(路面抗滑性能指數(shù))、PSSI(路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù))、PCI(路面損壞狀況指數(shù))等高速公路性能參數(shù)、年限、地區(qū)類型、高速公路等級(jí)、裂縫類、松散類、變形類指標(biāo)動(dòng)態(tài)設(shè)置決策樹(shù)后來(lái)確定養(yǎng)護(hù)性質(zhì)(日常養(yǎng)護(hù)、大修、中修、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)),為養(yǎng)護(hù)決策提供計(jì)算養(yǎng)護(hù)性質(zhì)依據(jù)。養(yǎng)護(hù)決策圖如圖5所示。

    圖5 養(yǎng)護(hù)決策圖

    3.2 養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)以地理數(shù)據(jù)庫(kù)與養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),以養(yǎng)護(hù)決策樹(shù)、預(yù)測(cè)樹(shù)設(shè)置為核心,為高速公路提供可視化的信息查詢顯示與病害的決策、預(yù)測(cè)服務(wù)[9]。高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)以綜合車道為基本建模單位,結(jié)合動(dòng)態(tài)分段將養(yǎng)護(hù)屬性以事件表的形式存儲(chǔ)于養(yǎng)護(hù)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)由高速公路基本信息系統(tǒng)、高速公路設(shè)施信息系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、綜合輔助決策支持系統(tǒng)、日常應(yīng)用與管理系統(tǒng)6部分組成,如圖6所示。

    高速公路基本信息系統(tǒng)由路徑基本信息、車道特征、平曲線、縱曲線、縱坡、橫斷面、路肩、定位控制點(diǎn)、養(yǎng)護(hù)范圍等組成。高速公路設(shè)施信息系統(tǒng)由路基、路面、主要構(gòu)造物、沿線設(shè)施組成。兩部分系統(tǒng)構(gòu)成高速公路信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)。養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)由養(yǎng)護(hù)路段、重點(diǎn)保潔路段、鏟除冰雪路段、易塌方路段、養(yǎng)護(hù)計(jì)劃、養(yǎng)護(hù)方案、養(yǎng)護(hù)預(yù)算、養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)組成,用來(lái)存儲(chǔ)養(yǎng)護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括各種設(shè)施的病害信息與質(zhì)量參數(shù)的采集與復(fù)查,及時(shí)提供準(zhǔn)確的路況信息。綜合輔助決策支持系統(tǒng)包括路面等質(zhì)量評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)模型以及在評(píng)價(jià)指標(biāo)基礎(chǔ)上建立的決策支持。日常應(yīng)用與管理系統(tǒng)為養(yǎng)護(hù)專業(yè)人士提供方便的專業(yè)操作,自動(dòng)化的辦公體系。各個(gè)部分之間相互聯(lián)系,構(gòu)成主體養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。

    圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    3.3 養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)模塊功能

    根據(jù)系統(tǒng)總體需求分析,基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)分為以下功能模塊:

    1)地圖管理模塊。地圖管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架和操作核心,主要包括:

    地圖操作。包括地圖文檔管理、圖層操作、地圖縮放、地圖平移、全圖顯示、鷹眼功能等。

    文件加載。包括GDB、Lyr、DEM、Shp、柵格圖等各種類型的文件。

    制圖輸出。根據(jù)用戶查詢及養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)需求,將查詢統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果制成各種專題地圖、圖表、報(bào)表,并提供打印輸出功能。

    2)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)與分析模塊。系統(tǒng)實(shí)行多種查詢方式相結(jié)合,高速公路各設(shè)施圖形與屬性的雙向查詢、SQL條件查詢、養(yǎng)護(hù)事件表屬性查詢、地圖點(diǎn)與多邊形查詢。

    3)日常應(yīng)用與管理模塊。為業(yè)內(nèi)人士的日常養(yǎng)護(hù)工作提供一個(gè)方便快捷的平臺(tái),主要包括:

    外業(yè)數(shù)據(jù)收集整理與入庫(kù)。將自動(dòng)檢測(cè)車數(shù)據(jù)、彎沉檢測(cè)數(shù)據(jù)、地面雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)、橋涵病害圖片等進(jìn)行收集整理后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

    入庫(kù)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與糾錯(cuò)。入庫(kù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn),直到每一份數(shù)據(jù)都符合規(guī)范。

    評(píng)價(jià)分析。高中層管理人員獲取權(quán)限查看評(píng)價(jià)分析報(bào)告、趨勢(shì)分析、決策方案。

    系統(tǒng)設(shè)置。由用戶管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)字典管理部分組成,設(shè)置用戶權(quán)限,更好地為用戶使用。

    4)動(dòng)態(tài)分段技術(shù)模塊。依據(jù)養(yǎng)護(hù)需求建立養(yǎng)護(hù)事件表,有效降低數(shù)據(jù)量,提高系統(tǒng)運(yùn)行速率,將屬性寫入事件表中,利用線性參照系統(tǒng)可以使屬性數(shù)據(jù)可視化地顯示在地圖上,是系統(tǒng)技術(shù)的精髓,舉例說(shuō)明見(jiàn)表1。

    表1 高速公路養(yǎng)護(hù)事件

    續(xù)表1

    5)養(yǎng)護(hù)工程資料管理模塊。高速公路施工文檔、竣工文檔(每項(xiàng)工程的文檔)以及各種詳細(xì)的養(yǎng)護(hù)記錄,包括檢測(cè)工程細(xì)節(jié)、養(yǎng)護(hù)維修工程細(xì)節(jié)、施工單位、施工圖紙、負(fù)責(zé)人等,給后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作詳細(xì)的參考資料。

    6)養(yǎng)護(hù)決策支持模塊。高速公路養(yǎng)護(hù)未來(lái)的發(fā)展方向就是預(yù)防性養(yǎng)護(hù),就是根據(jù)評(píng)價(jià)模型與采集到的評(píng)價(jià)參數(shù)在系統(tǒng)中建立決策樹(shù)模型,提供有效的設(shè)施性能評(píng)價(jià)、養(yǎng)護(hù)預(yù)測(cè)以及為已經(jīng)出現(xiàn)的病害提供養(yǎng)護(hù)決策,給予有效的養(yǎng)護(hù)措施[10]。主要評(píng)價(jià)參數(shù)包括:路面使用性能(PQI)、路基狀況(SCI)、橋涵建筑物技術(shù)狀況(BCI)、路面性能(PCI)、路面行駛質(zhì)量(RQI)、路面車轍深度(RDI)、路面抗滑性能(SRI)、國(guó)際平整度(IRI)、破損率(DR)、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(PSSI)。結(jié)合我國(guó)高速公路養(yǎng)護(hù)的實(shí)際情況與需求,系統(tǒng)中采用公路技術(shù)狀況評(píng)定指南(JTG H20-2007)中的評(píng)價(jià)方法體系,并支持模型的生成與修改。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)、功能模塊與關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)闡釋系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)高速公路的線性特征,基于動(dòng)態(tài)分段技術(shù)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)相比,在數(shù)據(jù)管理方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。將綜合車道作為建模的基本單元,在利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)降低數(shù)據(jù)量的同時(shí),更好地描述高速公路形態(tài)。隨著ITS的發(fā)展,低數(shù)據(jù)量、高效檢索、預(yù)測(cè)功能的養(yǎng)護(hù)信息系統(tǒng)是未來(lái)交通平臺(tái)的發(fā)展方向。

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