基于GISDK公路路網(wǎng)關鍵節(jié)點分析

徐成達

摘要：公路路網(wǎng)極易受到自然災害和敵方打擊的破壞，研究路網(wǎng)中的關鍵節(jié)點對安全高效地完成公路軍事運輸具有重要意義。該文提出了基于GISDK公路路網(wǎng)關鍵節(jié)點計算步驟，設計和實現(xiàn)了基于GISDK公路路網(wǎng)關鍵節(jié)點分析系統(tǒng)。試用表明，該系統(tǒng)具有一定的有效性和實用性。

關鍵詞：GISDK 公路路網(wǎng)；關鍵節(jié)點；拓撲結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0210-02

Abstract： Highway network is vulnerable to natural disasters and enemy attack and consequently research on the key nodes in the road network is of great significance for completing the military transport task efficiently and safely.In this paper， A GISDK-based method for finding key nodes of highway network is proposed， and An application system for finding key nodes is designed and realized Based on GISDK.The trial shows that the system is effective and practical.

Key words： GISDK； Highway network；Key nodes； topological structure

在公路軍事交通運輸中，道路網(wǎng)絡中節(jié)點起著重要的連通作用，節(jié)點是否暢通關系著整個路網(wǎng)能否正常運行，甚至影響著運輸保障任務的按時完成。通常將對整個路網(wǎng)起著核心作用的節(jié)點稱之為關鍵節(jié)點。關鍵節(jié)點的判斷是通過其重要性度量值為衡量的，一個節(jié)點的重要性是指該節(jié)點與網(wǎng)絡中其他節(jié)點相連后具有的不同于其他節(jié)點的顯著性特征。這些評價節(jié)點關鍵度的顯著特征稱為測度指標，例如，節(jié)點的度、介數(shù)、特征向量、瓶頸點、累計提名等。

TransCAD作為被廣泛使用的主流交通規(guī)劃軟件，不僅提供了強大的表格處理和路網(wǎng)分析能力，而且為用戶提供了GISDK（Geographic Information System Developers Kit）二次開發(fā)工具。用戶編寫基于GISDK應用程序，就可以在利用其強大數(shù)據(jù)處理和圖形分析功能，高效開發(fā)滿足各種要求的GIS應用系統(tǒng)， 已在城市公交線網(wǎng)優(yōu)化、OD數(shù)據(jù)合成、路網(wǎng)功能優(yōu)化以及期望交通量顯示等方面得到了使用[1，2]。

利用GISDK環(huán)境可以充分利用GISDK提供的路網(wǎng)底層分析方法，提高路網(wǎng)關鍵節(jié)點分析效率。本文首先提出基于GISDK的路網(wǎng)關鍵節(jié)點計算方法，最后通過實例對該方法加以驗證。

1 路網(wǎng)關鍵節(jié)點計算方法

1.1 基于連接度的關鍵節(jié)點計算

節(jié)點的連接度是最常用的節(jié)點重要性評價指標。節(jié)點的連接度為網(wǎng)絡拓撲中與此節(jié)點連接的邊數(shù)，節(jié)點的重要性和其連接度成正比[2]。節(jié)點的連接度是網(wǎng)絡拓撲的一個局部特征，可以簡單直接的刻畫和衡量節(jié)點的連接復雜程度，也能在一定程度上反映節(jié)點的重要性，在網(wǎng)絡評估中具有一定的價值[3]。

通常路網(wǎng)中道路等級是不一樣，例如國道、省道和縣道等。在道路連接數(shù)相同的情況下，對于連接高等級道路的節(jié)點，比連接低等級道路節(jié)點來說，其在路網(wǎng)中的重要性更大。道路的等級通常用權(quán)值來度量。因此，我們將路網(wǎng)中節(jié)點的連接度定義為：

節(jié)點的連接度僅是路網(wǎng)局部特征，因此該指標具有一定的片面性，有些節(jié)點雖然不具有較大的連接度，但是卻在整個路網(wǎng)中起著重要的連接作用；而有些連接度大的節(jié)點在路網(wǎng)中所起的作用很小。

1.2 基于最短路徑數(shù)的關鍵節(jié)點計算

其中，Di 為節(jié)點i的重要性度量值，V為路網(wǎng)中所有節(jié)點集合，[Sijk]為節(jié)點j與節(jié)點k之間經(jīng)過節(jié)點i的最短路徑數(shù)。

在組織公路軍事運輸車輛調(diào)度時，通常將運輸起點與終點間最短路徑作為運輸線路選擇的重要指標之一，因此，最短路徑指標在路網(wǎng)的節(jié)點重要度評估中具有一定的現(xiàn)實依據(jù)和實用性。經(jīng)過一個節(jié)點的最短路徑數(shù)越多，那么該節(jié)點在路網(wǎng)中就越重要，如果它被堵塞或者遭到敵方破壞，那就會對軍事運輸任務的完成產(chǎn)生嚴重影響。

2 基于GISDK的路網(wǎng)關鍵節(jié)點計算

GISDK提供了一系列路網(wǎng)分析的關鍵函數(shù)，可以用來輔助分析路網(wǎng)關鍵節(jié)點。例如，使用ChooseFile（）和OpenMap（）來選擇和裝載數(shù)字地圖；使用CreateNetwork（）創(chuàng)建路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)；使用GetNodeLinks（）可以獲取與指定節(jié)點相連的路段；使用GetEndpoints（）獲取與當前道路相連的節(jié)點；通過GetRecordValues（）/SetRecordValues（）可以讀取或設置當前道路圖層指定道路的等級值。利用ShortestPath （）可以讀獲取兩點間的最短路徑長度以及最短路徑所包含的路段；使用CreateContinuousTheme（）函數(shù)，創(chuàng)建專題圖形象直觀地顯示路網(wǎng)中關鍵節(jié)點重要性大小。

在GISDK底層函數(shù)的支撐下，基于節(jié)點連接度的關鍵節(jié)點計算步驟如下：

步驟1 讀入公路網(wǎng)數(shù)字地圖；

步驟2 選擇節(jié)點圖層作為當前圖層；

步驟3 計算節(jié)點數(shù)N；

步驟4 i從1 到N，循環(huán)：

（1） Di=0；

（2） 計算與第i個節(jié)點相連的道路數(shù)ni；

（3） j從1 到ni，循環(huán)：endprint

①獲取與第i個節(jié)點相連的道路權(quán)值wij；

②Di=Di+wij；

步驟5 輸出各個節(jié)點連接度；

步驟6 在數(shù)字地圖上標注關鍵節(jié)點。

基于最短路徑數(shù)的關鍵節(jié)點計算步驟如下：

步驟1讀入公路網(wǎng)數(shù)字地圖；

步驟2 創(chuàng)建路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)；

步驟3 計算路網(wǎng)中的節(jié)點個數(shù)N；

步驟4 i從1 到N，循環(huán)：

（1） D[i]=0；

（2） j從1 到N-1，循環(huán)：

k從j+1 到N，循環(huán)：

如果 k<>i 且 j<>i 則：

①計算節(jié)點j到節(jié)點k之間的最短路徑；

②如果該最短路徑經(jīng)過節(jié)點i，則D[i]=D[i]+1；

（3） D[i]=2* D[i]；

步驟5 輸出各個節(jié)點重要性度量值；

步驟6 在數(shù)字地圖上標注關鍵節(jié)點。

3 實例研究

我們研制了基于GISDK公路路網(wǎng)關鍵節(jié)點分析系統(tǒng)。路網(wǎng)采用安徽省蚌埠市、淮南市和滁州市三市范圍內(nèi)的國道省道的數(shù)字地圖，GIS開發(fā)平臺為TransCAD 4.5和GISDK語言開發(fā)包。為了形象直觀，路網(wǎng)上節(jié)點的重要性度量值通過實心圓點表示，圓點越大，其重要性越大。

在基于連接度的關鍵節(jié)點分析中，國道與省道的等級值分別設定為2和1，各節(jié)點的重要性如圖1所示。節(jié)點重要性度量值最大為7，有兩個節(jié)點，其節(jié)點ID值分別為112和122。

圖2顯示了基于最短路徑數(shù)的關鍵節(jié)點分析結(jié)果。節(jié)點重要性度量值最大為3020，節(jié)點ID值為119。

表1顯示了兩種分析方法所產(chǎn)生的度量值最大的10個關鍵節(jié)點。

從分析結(jié)果可以看出，由于度量值定義標準不同，不同的關鍵節(jié)點分析方法計算出的節(jié)點重要性度量值也不同，隨即對應于不同的關鍵節(jié)點。雖然基于節(jié)點連接度的關鍵節(jié)點分析方法計算簡單，但結(jié)果實際指導性不強；而基于最短路徑數(shù)的關鍵節(jié)點分析方法計算較為復雜，但分析結(jié)果具有很強的現(xiàn)實性。

4 結(jié)束語

借助GISDK提供的底層分析工具，本文探討了基于GISDK的路網(wǎng)關鍵節(jié)點的分析方法，并以實例進行了研究。由于節(jié)點的重要性不僅受路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的影響，而且還有受路網(wǎng)上交通流量的影響，因此，進一步工作是綜合考慮影響節(jié)點重要性的因素，設計和實現(xiàn)更加貼近實際應用的公路網(wǎng)關鍵節(jié)點評價方法。

參考文獻：

[1] 許云，王薇. 基于Transcad平臺二次開發(fā)的城市公共交通線網(wǎng)優(yōu)化決策支持系統(tǒng)[J].交通與運輸，2012，28（7）：77-81.

[2] 尹旭日. 基于GISDK路網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的構(gòu)建與應用[J].軍事交通學院學報，2016，18（8）：90-93.

[3] 何大韌. 復雜系統(tǒng)與復雜網(wǎng)絡[M].北京：高等教育出版社， 2009.

[4] 鐘茹. 路網(wǎng)中關鍵節(jié)點和重要路段的分析研究[D].北京郵電大學， 2013.endprint