張學強，黃 敏，張漢林，鈕中銘

(中山大學工學院∥廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室, 廣東 廣州 510006)

面向交通安全管控的高速公路基礎路網模型及其應用*

張學強，黃 敏，張漢林，鈕中銘

(中山大學工學院∥廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室, 廣東 廣州 510006)

從滿足高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控對路網模型的精細化需求角度分析了路網建模的要點，提出了一種適合高速公路路網數(shù)據(jù)表達、操作的高速公路基礎路網數(shù)據(jù)模型。該模型基于分層拓撲組織路網要素，以里程樁號作為路網建模劃分的最小粒度，同時包含車道信息，可根據(jù)不同需求組合為抽象路網。模型包含有向路段、有向路段結點、有向子路段、有向子路段結點、車道、車道連接器六個部分，能夠細致的描述高速公路路網拓撲結構。選取沈海高速與滬陜高速共用路段區(qū)域路網作為試驗區(qū)域，建立了基于該模型的高速公路路網數(shù)據(jù)庫，并將模型應用于高速公路突發(fā)事件處理，實例表明該模型有利于迅速響應高速公路網絡的突發(fā)事件，滿足高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控相關應用對路網模型的需求。

高速公路；路網拓撲；數(shù)據(jù)模型

高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控技術作為高速公路安全管理研究的一個重要方向，受到眾多學者的關注。在同一平臺實現(xiàn)高速公路路網交通運行信息及突發(fā)交通事件的實時展示、多尺度風險分析研判、路警聯(lián)動指揮調度等功能就要求高速公路路網模型要有足夠的精細程度來滿足不同應用對路網的需求。因此，研究合理的高速公路路網模型是建立該平臺的基礎和前提。然而，目前的路網數(shù)據(jù)模型大多是根據(jù)城市道路建立的[1-10]，針對高速公路路網模型的研究較少。雖然高速公路網絡與城市道路網絡在形式上有許多共同點，但在路網拓撲結構、交通流特性和交通控制方式等方面仍有著自身的行為特點[11]。已有的高速公路路網數(shù)據(jù)模型中，齊瑩菲等[12]提出基于交通流特性的路網模型，利用不同類別的接合要素和邊要素描述路網結構，能較好的支持高速公路路網交通流信息，但由于缺少分層組織信息，車道段間的拓撲連通關系過度冗余，不利于對路網數(shù)據(jù)進行操作。陳雨人等[13]提出包含立交閘道信息的高速公路網絡結構，采用二層拓撲結構體系，提升了路網搜索速度，但模型高度簡化，缺少車道和方向信息，難以滿足目前應用對模型精度的需求。因此，本文提出了一種適合高速公路交通網絡數(shù)據(jù)表達與操作的高速公路交通網絡數(shù)據(jù)模型，以滿足高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控對路網模型的精細化需求。

1 高速公路交通特征需求分析

實現(xiàn)多個部門對高速公路進行聯(lián)網聯(lián)控管理，要求路網結構對路網的描述在盡可能接近真實情況的同時還滿足不同應用對路網精度、拓撲和幾何條件的需求。其中，多尺度交通安全風險研判從重點車輛、路段以及路網三個尺度對交通運行安全風險因素進行分析識別，要求路網數(shù)據(jù)模型能準確表述路網幾何特征及拓撲結構的描述，如道路的位置、物理連通關系、車道數(shù)、長度、寬度、曲率等，能夠描述路網關鍵節(jié)點，如閘道出入口、收費站等；大范圍交通流干預控制針對高速公路節(jié)假日、重大突發(fā)事件以及惡劣天氣條件下交通流特點研究路網交通流組織技術，要求路網數(shù)據(jù)模型支持記錄天氣情況及其評估參數(shù)，并以高速公路出入口及里程樁號作為其控制點，表述上下游車道和相鄰車道的拓撲連通關系；路警聯(lián)動聯(lián)控研究高速公路路網警力資源定位與行跡分析、路警聯(lián)動聯(lián)控等技術，要求路網模型能記錄車輛動態(tài)坐標及其時空分布，支持多層次的線性參考，為警用車輛提供高精度的路網定位信息。

總結不同應用中路網描述的特點，高速公路路網模型需滿足以下要求：

1) 建立路網基本建模單元，精確描述路網幾何特征及物理拓撲結構。

2) 提升路網表達精度，支持多尺度線性參考和路網高精度定位。

3) 準確表述車道及車道間拓撲連通關系，優(yōu)化拓撲結構，方便路網數(shù)據(jù)操作。

2 高速公路基礎路網數(shù)據(jù)模型

傳統(tǒng)城市道路路網模型中使用路段及其交叉口結點作為路網的基礎建模單元，通過交叉口結點記錄相鄰路段的拓撲連通關系。然而與城市公路基礎路網不同，高速公路為雙向獨立的封閉式道路，不具備傳統(tǒng)城市路網中交叉口等傳統(tǒng)特征，所以在模型物理層面上，選擇以無橫向干擾的有向路段及其結點作為路網的基礎建模單元，使用圖論中的圖來表示，即Gg=(V,A)，A={ai=(vk,vl) |vk,vl∈V}，其中，A為有向路段，ai=(vk,vl)表示從有向路段結點vk到vl的有向弧段。此外，高速公路聯(lián)網聯(lián)控管理應用需要建立以高速公路樁號為控制點的高精度路網模型，故在有向路段A基礎上，建立以樁號為結點的有向子路段S，S={si=(wk,wl) |wk,wl∈V∪W}，其中si=(wk,wl)表示從有向子路段結點wk到wl的有向弧段，W={wi}是有向子路段結點集。為了能夠準確關聯(lián)路網監(jiān)控設備并記錄道路交通流特征，在有向子路段S基礎上描述車道要素，La={lanei}，并建立車道連接器CLa，CLa={ci=(lanef,lanet) | lanef,lanet∈La}，ci(lanef,lanet) 表示ci是從起始車道lanef到終止車道lanet的連通關系。

基于上述理論，模型的第1層為有向路段層，由高速公路路網基本建模單元組合而成，包含有向路段(Arc)和有向路段結點(Node)兩個要素。高速公路為封閉式道路，僅在匝道起終點處存在橫向干擾，以每條高速公路存在橫向干擾的位置作為有向路段的結點，并分為高速公路路網內部結點與高速公路與其他道路連接結點。

圖1 高速公路基礎路網的有向路段(Arc)層示意圖Fig.1 Schematic of Arc layer in expressway network model

每個結點包含了通過此結點所有路段的連通關系，反映了實際高速公路路網中的拓撲連通關系。相鄰結點間的路段即為一個高速公路路網基本建模單元，建模單元的內部為單向車流，且無橫向干擾。如圖1中所示由東向西方向的高速公路為例，Node1與Node2為存在橫向干擾的匝道起終點，兩結點之間的路段Arc3即為一個有向路段，其起始結點為Node1，終止結點為Node2，同時Node2作為一個連接結點，包含兩組連通關系：起始有向路段Arc3與終止有向路段Arc4，以及起始有向路段Arc3與終止有向路段Arc5。

圖2 高速公路基礎路網有向子路段(Segment)層示意圖Fig.2 Schematic of Segment layer in expressway network model

模型的第2層為有向子路段層，是對高速公路有向路段的細化描述。為滿足多尺度交通安全風險研判系統(tǒng)和交通流干預控制系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)高速公路快速定位，在每個建模單元的內部，以整數(shù)樁號位置(Landmark)作為有向子路段結點(SegNode)對有向路段進行打斷，形成若干有向子路段(Segment)。以圖2為例，Arc2中存在整數(shù)樁號G15-136，故在整數(shù)樁號處打斷形成SegNode2結點，此結點將Arc2分為Segment1與Segment2兩個有向子路段。

圖3 高速公路基礎路網車道、車道連接器示意圖Fig.3 Schematic of lane and laneconnector in expressway network model

模型的第3層是車道層，車道是對有向子路段的細致化描述，是高速公路車輛運行的基本單元，同時也是交通信息采集和發(fā)布的最基本單元，其中，前后車道通過車道連接器描述其連通關系。雖然每一對相鄰有向子路段間均存在車道連通情況，但高速里程長，有向子路段基數(shù)巨大，過多的車道連接器不利于路網數(shù)據(jù)操作，且同一個有向路段內部無橫向干擾，故模型中默認同一個有向路段內部的前后車道是連通的，僅在有向路段節(jié)點處的前后車道設置車道連接器，防止了拓撲連通關系過度冗余，保障了高速公路路網的搜索效率。如圖3所示的有向路段Arc2內部車道lane5、lane6到下游車道lane8、lane9默認情況先均為連通可達的；而在有向路段結點Node1和Node3處，存在車道連接器，分別表示lane1到lane4、lane2到lane5、lane7到lane10是連通可達的。圖4為高速公路基礎路網ORM(Object Role Modeling)圖。

圖4 高速公路基礎路網的ORM圖Fig.4 ORM diagram of Expressway basic road network

3 模型在高速公路突發(fā)事件處理中的應用示例

高速公路突發(fā)事件處理是高速公路交通安全管控中最為重要和常見的情況，本文以此為應用背景，選取沈海高速(G15)與滬陜高速(G40)共用路段區(qū)域路網作為試驗區(qū)域，基于本文提出的高速公路基礎路網數(shù)據(jù)模型，在ArcGIS平臺上建立其路網數(shù)據(jù)庫，如圖5所示。

高速公路上發(fā)生突發(fā)事件后，首先，由報警中心接收到突發(fā)事件相關信息E，其中l(wèi)andmark表示事件發(fā)生位置里程樁號，drc表示線路方向(取0或1，drc=0表示起點-終點方向，drc=1表示終點-起點方向)，res表示救援狀態(tài)(取0或1，res=0表示未獲得救援派遣，res=1表示已獲得救援派遣)。報警中心通過事件信息定位突發(fā)事件發(fā)生位置。同時，指揮中心通過巡邏車輛GPS信息實時監(jiān)控巡邏車輛位置，最后，指揮中心在收到突發(fā)事件定位信息后，搜索路網中最快能到達距離事件發(fā)生點的巡邏車輛，派遣其前往事件發(fā)生位置并為其提供指引路線。圖6為突發(fā)事件處理的路網操作算法流程圖。其中，警用巡邏車輛定位利用點線匹配和點序列配相結合的自適應匹配方法將車輛GPS信息匹配至有向子路段[14]，如圖7所示。圖8為搜索結果和巡邏車輛路線。

圖5 沈海高速與滬陜高速共用路段基礎路網Fig.5 Expressway road network in the testing section

圖6 突發(fā)事件處理的路網操作算法流程圖Fig.6 Algorithm flow chat of road network operation in emergency situation

圖7 警用巡邏車輛GPS信息地圖匹配Fig.7 Map matching of police patrol vehicle

4 結 語

通過分析高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控中各類相關應用對路網模型的需求，提出了一種適合高速公路路網數(shù)據(jù)表達、操作的高速公路基礎路網數(shù)據(jù)模型。該模型基于分層拓撲組織路網要素，并且優(yōu)化了拓撲結構減少冗余的操作數(shù)據(jù)，以里程樁號作為路網建模劃分的最小粒度，提升了路網精細化程度，同時包含車道信息，能夠細致的描述高速公路路網拓撲結構。通過選取沈海高速與滬陜高速共用路段區(qū)域路網作為試驗區(qū)域，建立了基于該模型的高速公路路網數(shù)據(jù)庫，并以高速公路突發(fā)事件處理為應用背景，實現(xiàn)了針對高速公路突發(fā)事件的快速響應，表明本模型有利于迅速響應高速公路網絡的突發(fā)事件。滿足高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控相關應用對路網模型的需求。目前，該路網模型已經在國家科技支撐計劃課題：高速公路交通安全聯(lián)網聯(lián)控關鍵技術研發(fā)及系統(tǒng)集成中得到應用，有助于推動高速公路網絡風險研判、跨區(qū)域交通流干預、路警聯(lián)動指揮調度等交通安全管控應用的進一步發(fā)展。

圖8 搜索結果和巡邏車輛救援路線Fig.8 Search results and patrol vehicle rescue route

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Research of expressway network model for traffic safety management and its application

ZHANGXueqiang,HUANGMin,ZHANGHanlin,NIUZhongming

(School of Engineering∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Transportation System，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China)

In order to satisfy the function demand of expressway traffic safety networked joint control, an expressway road network model is proposed, which is suitable for data presentation and operation. The model is constructed based on hierarchical topology network elements with landmark as a minimum size of the road network model partitions. The lanes are described precisely, and road network modeling units could be combined into abstract network according to different traffic demands. The model is composed by 6 parts including arc, arcnode, segment, segmentnode, lane and laneconnector, which could be used to describe the highway road network topology carefully. This model is tested in the emergency response of expressway by using the common section of Shen Hai expressway and Shanghai-Shanxi expressway as a testing section, the result shows the model could satisfy traffic safety management demands effectively.

expressway; highway network topology; data model

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.06.014

2016-05-10

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2014BAG01B04)

張學強(1990年生), 男；研究方向：路網數(shù)據(jù)模型；通訊作者：黃敏；E-mail:huangm7@mail.sysu.edu.cn

TP

A

0529-6579(2016)06-0092-06