基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)

基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)

肖海紅1，蔣瑞波1，王蘭洲2，胡愈1

(1.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，鄭州 451191； 2.鄭州測維科技有限公司，鄭州 450000；

主要研究3S技術(shù)及開發(fā)。

摘要：為了給乘坐公交出行的人們提供準(zhǔn)確且有效率的最優(yōu)乘車路線，在GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對公交數(shù)據(jù)的模型從其公交網(wǎng)空間位置以及關(guān)系網(wǎng)方面進行了分析和研究。對常用的公交規(guī)劃軟件的公交模型數(shù)據(jù)庫進行分析，并對基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)采集方式進行了改進，以達到最小換乘次數(shù)和最小途經(jīng)站數(shù)。該模型能夠?qū)崿F(xiàn)公交模型數(shù)據(jù)庫的快速創(chuàng)建，且維護效率高，為我國公交網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊的反饋機制提供了多種規(guī)劃方案和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：GIS；公交換乘；途徑站數(shù)；數(shù)據(jù)模型

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.029

收稿日期：2015-08-16

基金項目：鄭州市科技項目(121PPTGG357-4)

作者簡介：肖海紅(1979-)，男(漢)，鄭州，碩士

中圖分類號：P208獻標(biāo)志碼：A

0引言

公共交通作為城市出行人群最主要以及首選的出行方式，涉及到很多方面，如換乘的次數(shù)，換乘需要步行的距離，以及出行的時間和費用等，這些都是公交出行線路選擇的主要影響因素[1]。目前，換乘次數(shù)是出行者選擇公交出行優(yōu)先考慮的問題。那么對于公交換乘的查詢就要求其具備一定的效率和質(zhì)量，能夠準(zhǔn)確、快速地將出行者出發(fā)地與目的地之間的最小換乘次數(shù)、最小途徑站數(shù)的乘車路線搜索并呈現(xiàn)出來。本文在GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達的基礎(chǔ)上，利用其在空間數(shù)據(jù)方面所具備的查詢、存儲以及表達優(yōu)勢，設(shè)計出一種公交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。該模型實現(xiàn)了高效公交換乘算法，有效地解決了我國當(dāng)前城市公交換乘信息查詢方面的實際問題。

1基于GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的公交數(shù)據(jù)模型的研究

1.1　基于矢量數(shù)據(jù)的公交數(shù)據(jù)模型

本研究設(shè)計的基于矢量數(shù)據(jù)的公交數(shù)據(jù)模型結(jié)合了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)是以Geo data base矢量數(shù)據(jù)模型形式進行存儲，而公交站點與線路屬性信息之間的關(guān)系存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫表中[2]。通過關(guān)鍵字段可以將空間數(shù)據(jù)和屬性表二者關(guān)聯(lián)起來，用于對復(fù)雜公交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的表達。其中Bus Stop為公交站點，一個站點對應(yīng)一個矢量點狀要素圖層，用于對站點名稱、編號以及坐標(biāo)等信息的儲存，其矢量點狀要素圖層主要字段見表1。

表1　公交站點字段說明

表1中Stop Name D字段主要是用于對同名站點標(biāo)號的標(biāo)識，從而能夠方便地對步行換乘問題進行解決?？臻g位置相距較近，且具有相同名稱，或者類似名稱的站點就叫做同名站點，如某某商場前站與某某商場后站等，屬于同名站點[3]。公交數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程為：設(shè)d為2個站點之間的距離，w為同名站點之間的距離閾值，那么根據(jù)相鄰2個站點之間的平均距離以及乘客的實際行為，可以取w=150 m，并將150 m作為緩沖半徑，然后將同名站點規(guī)定為d≤w的站點，通過GIS緩沖區(qū)的分析，賦予相同的Stop Name ID值。

Bus Line即公交路段，與公交站點不同，它所對應(yīng)的是矢量線狀要素圖層，主要是對有公交車直達的2個相鄰站點之間的路段位置信息進行存儲，矢量線狀要素圖層的主要字段見表2。

表2　公交路段字段說明

從表2可以看出，針對2個相鄰公交站點之間的距離而言，如果該路段從起點到終點的行車路線與其相反的路線，即從終點到起點的路線是相同的，那么只需要進行一個要素的存儲就可，否則就要按照站點的順序作為兩個要素進行分別存儲。而該數(shù)據(jù)可以共享于多條通過該路段的公交車路線，有效避免了數(shù)據(jù)冗余。

Bus Route即公交線路屬性表，其主要是對公交線路的名稱、編號以及早班、晚班時間等信息進行儲存，該字段的信息見表3。

表3　公交線路屬性結(jié)構(gòu)

從表3可以看出，雖然公交路線分為上行開班、收班和下行開班、收班，但是公交線路屬性表對此僅存儲為一條記錄，具體的信息區(qū)分會在下面的線路站點關(guān)系表中表述出來。

Route Stop即線路站點關(guān)系表，是公交換乘查詢的關(guān)鍵表格，其主要是對上下行路線序號以及公交車所經(jīng)過的站點等信息進行記錄和存儲，線路站點關(guān)系表的結(jié)構(gòu)和示例見表4。

表4　線路站點關(guān)系示例數(shù)據(jù)

從表4可以看出，站點線路上行、下行的序號分別是用Seg Up、Seg Dn來表示，如果表中站點出現(xiàn)負數(shù)，則表示公交車不經(jīng)過該站點。對于相鄰站點間路段以及站點編號的記錄和存儲，即Line ID Up、Line ID Dn，如果不存在相鄰的下一站點，那么這部分的值為空。如表4中的Route ID=1來說，該路線的公交線路如圖1所示。

圖1　公交線路示意圖

從圖1的公交線路示意圖可以看出，公交車的上行線路站點依次為A、B、F、G、H、I、J、K，其所對應(yīng)的路段編號為1、2、3、4、5、6、7，下行線路站點為K、J、I、H、G、E、D、C、B、A，其所對應(yīng)的路段編號為7、6、5、4、11、10、9、8、1。這樣，通過路段以及站點的編號就能夠分析出上下行線路以及站點位置的信息。

1.2　矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的城市公交數(shù)據(jù)模型設(shè)計

1)以100 km2具有百萬人口的城市為例，如果每個交通小區(qū)占地約1 km2，那么所有的站點之間就需要連接4 950條公交線路，這種情況很明顯是不現(xiàn)實的，因此就需要用公交換乘來解決。

2)由于受到城市發(fā)展條件以及投資水平的限制，其城市的公共交通線路發(fā)展也受到限制。因此，居民出行就會在公共交通與私人交通之間頻繁的轉(zhuǎn)換。我國的軌道交通還不太發(fā)達，所以居民出行的方式以及線路條數(shù)都是有限的，從而帶來了龐大的公交線路換乘量。

由此可以看出，在整個公交系統(tǒng)中，公交換乘系統(tǒng)是必不可少的。

1.3　基于GIS-T的公交網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

公交路徑通過動態(tài)分段技術(shù)以事件的方式反映到拓撲網(wǎng)絡(luò)，這應(yīng)算是一種公交網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的辦法。這種方式不僅可以實現(xiàn)弧段一對多的綜合操作，還可以給定參考值便于表達公交網(wǎng)絡(luò)。這種路徑提供了GIS-T的公交網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法。達科和巴特勒改進了以事件為中心的GIS-T Enterprise模型，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模塊與線性基準(zhǔn)模塊以及地圖模塊的鏈接，并分開了網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)和拓撲網(wǎng)絡(luò)，使其靈活性增強。國內(nèi)學(xué)者趙洪澤等(2001)對拓撲層與基線層以及線性參照層的關(guān)系進行了分析。本研究將分別從線性與非線性數(shù)據(jù)2個層面對我國整個交通系統(tǒng)進行劃分，從而構(gòu)建整個公交網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建方法如圖2所示。

圖2　整體交通系統(tǒng)構(gòu)建方法

2公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1　GIS設(shè)計方法

GIS對于空間數(shù)據(jù)庫的管理采用的是一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，主要是對其屬性數(shù)據(jù)管理的方式、空間進行有效管理。GIS數(shù)據(jù)庫發(fā)展到現(xiàn)在，其管理方式主要是采用Geo data base來進行屬性數(shù)據(jù)庫以及統(tǒng)一空間的管理。

2.2　公交網(wǎng)絡(luò)圖層設(shè)置

可以抽象地將公交網(wǎng)路圖層設(shè)置為5個層次：1)用于儲存站點位置的站點層；2)用于儲存線路信息的線路層；3)用于儲存道路網(wǎng)路信息的道路層；4)用于儲存小區(qū)公交站點信息的小區(qū)層；5)用于儲存站點周圍資源信息的資源層。

2.3　關(guān)系表的設(shè)計

將各個表之間的關(guān)系進行清楚的表達是關(guān)系表設(shè)計的關(guān)鍵所在，在GIS系統(tǒng)中，為了表示公交線路與站臺之間的關(guān)系，并將道路網(wǎng)絡(luò)與站臺聯(lián)系起來，可以采用定位以及線性參照系統(tǒng)來設(shè)計公交網(wǎng)絡(luò)關(guān)系表。定位參照系統(tǒng)主要用來對公交站臺的位置進行確定，而線性參照系統(tǒng)則主要是用來定位站臺在行車路線上的位置。表5和表6分別為站臺表線路表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表7和表8分別為公交線路—站臺表和公交線路—站臺表數(shù)據(jù),表9為轉(zhuǎn)變控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表。

表5　公交站臺表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表6　公交線路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表7　公交線路—站臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表8　公交線路—站臺表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表9　轉(zhuǎn)變控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從表6～9中可以看出，對于關(guān)系數(shù)據(jù)表的強化可以采用添加語義關(guān)系名字的方式來進行，同時可以通過加入時間要素的方法在公交站點、線路中來設(shè)定公交服務(wù)的時間范圍[4]。

2.4　公交線路和站點編碼原則

1)簡單原則，即代碼要簡單易懂，方便記憶和操作；對于計算機處理的方式也要盡量做到簡單。

2)唯一性原則，即公交線路的代碼和站點要實現(xiàn)一一對應(yīng)，對于一個代碼對應(yīng)多個站點的情況要盡量避免。

3)易識別原則，即對于代碼所表示的站點要進行識別，且保證一看到代碼就很容易識別出站點，代碼的編制要符合習(xí)慣和語境。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)編碼的原則并結(jié)合具體的公交信息特點來對公交線路和站點進行編碼。

3公交換乘算法實現(xiàn)

3.1　計算最小換乘次數(shù)的數(shù)學(xué)模型

乘坐公交車時，人們首要的考慮因素是最少換乘次數(shù)，因此，下面本研究將計算最少換乘次數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

定義2任意A,B∈S，如果存在k∈N,使得B∈MA,則定義站點A，B之間的換乘次數(shù)為n(A,B)=k。

定義3對任意A,B∈S,n(A,B)是從站點A到站點B的最小換乘次數(shù)。

定義4任意A,B∈S,n(A,B),記Line(A,B)=從A到B的最小換乘換乘次數(shù)n(A,B)的所有路徑。

3.2　基于最小換乘次數(shù)的乘車時間的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)人們考慮了最少換乘次數(shù)之后，就要考慮最少乘車時間，下面將對最少乘車時間的數(shù)學(xué)模型進行計算。

算法設(shè)計：步驟1：在3.1節(jié)模型的基礎(chǔ)上, 給出最小換乘的所有路徑Line(A,B)及子路段的維數(shù)Mi1、換乘信息；步驟2：計算T=T區(qū)間+T換乘；步驟3：給出T最小的由站點A到站點B的路徑Line(A,B)。

3.3　算法設(shè)計

步驟1：最小換乘的所有路徑Line(A,B)子路段的維數(shù)mi1, 都在3.1節(jié)模型的基礎(chǔ)之上進行設(shè)計的，q是車的類型。步驟2：給出M最小的由站點A到站點B的路徑Line(A,B)。

GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型在換乘次數(shù)中為最小,時間為最少, 可以在很短時間內(nèi)將給定的數(shù)據(jù)進行解決，得出理想的結(jié)果。并且此模型以及算法具有通常性,適合于各類城市公交線路。[5]但是日常生活中，例如遇到節(jié)假日、上下班高峰以及惡劣天氣等一些不能控制的因素影響著乘客對公交線路的選擇時，由于這些實時數(shù)據(jù)的信息在獲取時非常困難，所以沒有納入考慮的范圍內(nèi)。

3.4　應(yīng)用實例

本算法目前已經(jīng)成功應(yīng)用在鄭州114號碼百事通的公交地圖服務(wù)中，應(yīng)用界面和乘車路線結(jié)構(gòu)如圖3～4所示。結(jié)果表明，采用了GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建大大提升了公交模型數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建效率。

圖3　鄭州市公交換乘條件

圖4　鄭州公交換乘計算方案

4結(jié)語

采用GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的公交數(shù)據(jù)模型，可以全方位地進行城市公交運輸?shù)墓芾?，不僅使之前的交通運輸環(huán)境得以改變，而且還科學(xué)合理地調(diào)查了人與車和路之間的關(guān)系。采用GIS矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達公交網(wǎng)空間位置和關(guān)系的公交數(shù)據(jù)模型不僅改進了其空間數(shù)據(jù)的采集方法，而且還在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了公交換乘過程中最少換乘次數(shù)以及最少途經(jīng)站數(shù)為目標(biāo)的公交換乘算法，使步行換乘以及環(huán)路換乘等其他問題得以解決，優(yōu)化換乘點的選擇。

參考文獻

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[5] 劉釗. GIS城市公交數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)與分析方法研究[D].上海：同濟大學(xué),2008.

The implementation of public transport data model based on GIS vector data structure

XIAO Hai-hong, et al.

(CollegeofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China)

Abstract：In order to provide the accurate and efficient optimal route for the people of bus travel, this paper makes a study and analysis to bus data model on the basis of GIS vector data structure from the bus network space location and network. The bus model database on commonly used public transport planning software has been analyzed; the space data acquisition method on bus data model based on GIS vector data structure has been improved in order to achieve minimum transfer times and minimum via stops. The model used in this paper can realize the quick creation on bus model database, high efficiency in maintaining, and provide a variety of plannings and technical supports for the feedback mechanism of public transport network system module in China.

Key words：GIS; public transport interchange; way station number; the data model